新疆和田地震臺地電場電極更換前后觀測資料對比分析

邱大瓊，馬 睿，艾薩·伊斯馬伊力，陳 亮，奧斯曼

(新疆維吾爾自治區(qū)和田地震臺，新疆 和田 848000)

0 引言

地球表面存在穩(wěn)定電場和天然的變化電場，總稱地電場[1-2]。地電場觀測主要記錄地電場地表分量及其時空變化[3]。地震發(fā)生前地電場強度及其他特性都會有所改變，高質量的觀測數(shù)據(jù)有利于正確提取震前異常信息[4-5]。

新疆和田地震臺(以下簡稱和田臺)地電場觀測始于2007年，觀測初始各個測向的相關系數(shù)和差值等參數(shù)均符合規(guī)范要求，但在最近幾年，相關系數(shù)月均值基本低于0.6，差值月均值基本在10 mV/km以上，觀測資料質量明顯降低。鑒于和田地區(qū)是中強震多發(fā)區(qū)，大地電場觀測數(shù)據(jù)的質量關系到地震的監(jiān)測預報，2015年10月，在國家地震局蘭州地震研究所陸陽泉老師、新疆地震局前兆臺網(wǎng)中心副主任張文來的指導下，對和田臺的電極全部更換。文章對更換前后的觀測資料進行對比分析。

1 和田臺地電場觀測系統(tǒng)

和田地處昆侖山北麓，塔克拉瑪干大沙漠南緣，構造體系屬于帕米爾—喜馬拉雅歹字型構造帶的北分支。和田臺位于和田市南，距市區(qū)約8 km，能監(jiān)測西昆侖地震帶的地震活動和研究青藏塊體的構造運動[6]。和田臺地電場測項架設于2006年12月，2007年5月正式運行。電極布設兩分向測道分別為NS和EW向成正交的“L”型，NS和EW長極距(B1O1、A1O1)長225 m，短極距(B2O2、A2O2)長150 m，NW長短極距(B1A1、B2A2)分別為318 m、212 m(見圖1)。其中NS向測道埋設于臺站以北的農(nóng)田，長期受農(nóng)田灌溉干擾；EW向測道則介于鄉(xiāng)村公路與樹林之間，與鄉(xiāng)村電網(wǎng)輸電線路平行，同時受農(nóng)田灌溉和輸電干擾。

圖1 和田臺地電場布極圖Fig.1 Electrodes layout of geoelectric field in Hetian station

2 電極更換簡介

2015年10月，在國家地震局蘭州地震研究所陸陽泉老師、新疆地震局前兆臺網(wǎng)中心副主任的指導下，對大地電場電極進行更換。更換電極使用的是固體不極化電極的第三代升級產(chǎn)品，即LGB-3型，規(guī)格為φ110 mm×560 mm，具有電極差小、穩(wěn)定性能好、噪聲低、頻帶寬、輕便耐用等優(yōu)點①中國地震局蘭州地震研究所.LGB-3固體不極化電極系統(tǒng)安裝方法(使用說明書)，2015.。更換前，按照國家地震局蘭州地震研究所《LGB-3固體不極化電極系統(tǒng)安裝方法》的要求選擇電極坑位置。《方法》要求，電極安裝要避開污水區(qū)、浮土、石料充填部位，排除極坑內的碎石、砂礫(卵)石、腐爛植被或其他雜物。電極應埋設在當?shù)貎鐾翆踊虻叵滤幻嬷?，不能處于地下水位升降范圍內。和田大地電場測區(qū)內土質成分主要為砂土，為保證大地電場數(shù)據(jù)連續(xù)率，本次更換電極未使用原來的電極坑，在原坑附近挖一個深度為3.6 m左右的新電極坑，在新坑底部的中心再挖一個φ110 mm×500 mm的圓形孔。2015年10月25日將電極垂直放在圓形小孔中，并填入1 m以上細土，保證土與電極穩(wěn)定劑緊密接觸(見圖2，根據(jù)《方法》修改)。用PVC套管保護電極引線，防止電線外皮破損或被老鼠啃咬。套管接頭處先用砂紙打磨，再用704膠均勻涂抹1～2遍，在接頭處插入套管，放置一段時間待膠完全固化后再繞3～4層高壓橡膠自粘帶，之后繞2～3層PVC電氣絕緣膠帶作為保護層(見圖3)。套管連接之后，將原位細土逐層回填，每次填500 mm左右，夯實后再填。10月26日，連接新電極引線和測量線，斷開舊線。

圖2 電極坑中電極安裝方法示意圖Fig.2 Method of electrode installation in electrode pit

更換電極后，和田大地電場三測道月相關系數(shù)上升到0.9以上，差值月均值降到1 mV/km左右，說明電極更換后的地電場觀測資料更能真實反映地電場變化。由于電極坑回填土時夯實程度不夠，2015年11月、12月測區(qū)內農(nóng)田灌溉后，NS、EW向電極坑邊緣均出現(xiàn)裂縫，處理方法是給電極坑填土并用大錘夯實。2016年3月春灌開始后，又發(fā)生2次類似情況，處理后數(shù)據(jù)變化逐漸恢復正常。

圖3 電極引線與測量線連接密封示意圖Fig.3 The connection and sealing of the electrode lead wire and the measuring wire

3 電極更換效果評價

地電場觀測資料的質量可以通過同測向不同測道數(shù)據(jù)的相關系數(shù)以及差值來評判[7]，相關系數(shù)是評判觀測裝置穩(wěn)定性以及觀測環(huán)境電磁干擾程度的主要依據(jù)之一，差值指標是評價地電場觀測系統(tǒng)(測量電極、裝置系統(tǒng)、測量儀器等)工作穩(wěn)定性的主要依據(jù)之一[1]。

3.1 相關系數(shù)

(1) 計算每個小時的相關系數(shù)。

(1)

(2) 計算R時的日均值。

(2)

(3)

和田臺地電場各向長短極距月相關系數(shù)變化曲線如圖4所示。可以看到，2007年5月三測道相關系數(shù)在0.9左右，6月開始NS向和NW向相關系數(shù)逐漸下降。由于網(wǎng)絡模塊故障，2007年12月地電場儀返廠維修，2008年2月重新開始觀測。2008年5月至6月，因線路故障造成數(shù)據(jù)大幅度變化，故障排除后數(shù)據(jù)恢復正常，但NS向和NW向月相關系數(shù)仍較低，大多在0.5以下，EW向月相關系數(shù)相對較好。按照規(guī)范要求，三年應更換一次電極，與2007年的情況相比，2010年NS向、NW向測道月相關系數(shù)明顯降低，經(jīng)巡查室內觀測系統(tǒng)、外線路、測區(qū)環(huán)境，一切均正常，認為可能是電極老化導致數(shù)據(jù)質量下降。2015年10月更換電極前，NS向和NW向測道月相關系數(shù)基本低于0.6，EW向測道月相關系數(shù)仍相對較高。10月26日更換電極后，三測道月相關系數(shù)明顯上升。11月NS向、EW向、NW向長短測道月相關系數(shù)分別達0.95、0.95、0.94，至2016年3月三測道月相關系數(shù)基本維持在0.9以上。說明電極更換后的地電場觀測資料更加真實可靠，能真實反映地電場的變化情況[8]。

經(jīng)調研發(fā)現(xiàn)，2015年11月至2016年3月測區(qū)內農(nóng)田灌溉是導致相關系數(shù)下降的一個重要因素。第26頁表1為2016年3月11日至31日和田臺地電場日相關系數(shù)和日差值。3月16日農(nóng)田灌溉，三測道日相關系數(shù)均有一定下降。24日測區(qū)農(nóng)田再次灌溉，造成三測道日相關系數(shù)均明顯下降。27日開始，日相關系數(shù)逐漸升高。日相關系數(shù)下降是由于測區(qū)內農(nóng)田灌溉，電極附近的土中含水量發(fā)生變化，導致電極的極化電位變化，使電極的穩(wěn)定性發(fā)生變化[8]。

圖4 和田臺地電場相關系數(shù)月均值曲線Fig.4 Monthly mean value of correlation coefficient of geoelectric field in Hetian station

3.2 差值

計算地電場同一天同一觀測方向長、短極距測道觀測數(shù)據(jù)的差值絕對值的日均值Dj，方法如下②：

(4)

差值月平均值D月的計算公式為：

(5)

表1 和田臺地電場日相關系數(shù)和日差值Table 1 The correlation coefficient and differenceof geoelectric field in Hetian station

式中：N是一年中參與月平均值計算的天數(shù)。

由和田臺地電場各向長短測道差值月均值變化曲線圖5看出，2007年5月三測道差值月均值均低于0.6 mV/km，6月開始逐漸升高，2008年12月NS向和NW向測道差值月均值大多在10 mV/km以上，EW向差值月均值相對較低。2008年5月因線路故障造成EW向日差值大幅度變化，9月恢復到正常水平。與2007年相比，2010年NS向、NW向測道差值月均值明顯升高，大多在10 mV/km以上。2015年10月25日更換電極前，NS向和NW向測道月差值大多在10 mV/km以上。26日更換電極后，三測道月差值明顯下降。11月NS向、EW向、NW向月差值分別為0.98 mV/km、0.69 mV/km、0.87 mV/km，說明更換電極后觀測系統(tǒng)具有較高穩(wěn)定性。

3月16日農(nóng)田灌溉，NS向、NW向受測區(qū)灌溉影響，日差值升高，EW向變化不明顯。24日測區(qū)農(nóng)田再次灌溉，造成三測道日差值均明顯增大，27日開始逐漸回落(見表1)。

4 認識

基于上述分析研究，得到以下幾點認識：

(1) 2015年10月更換電極前，三測道月相關系數(shù)基本低于0.6，差值月均值基本在10 mV/km以上。更換電極之后，月相關系數(shù)基本在0.9以上，月差值多在1 mV/km左右。說明由于電極老化造成數(shù)據(jù)質量不高，更換電極使觀測數(shù)據(jù)得到改善，裝置運行更穩(wěn)定，地電場觀測數(shù)據(jù)更加真實可靠。電極更換后，測區(qū)內農(nóng)田灌溉成為影響相關系數(shù)和差值的一個重要因素。

圖5 和田臺地電場差值月均值曲線Fig.5 Monthly mean value of the difference of geoelectric field in Hetian station

(2) 按照《LGB-3固體不極化電極系統(tǒng)安裝方法》的要求，電極坑深超過3 m，達到3.6 m，但考慮和田地電場NS向測道位于農(nóng)田中的實際情況，如果電極坑深度達到5～6 m，可能會有效降低灌溉對地電場觀測的影響。此外，如果在埋電極時，先在電極上方堆起一個鼓起的土包，鋪上防水塑料膜，然后回填土。當水流到塑料膜上時，會流到電極坑四角而不會直接接觸電極，可能會有效減少灌溉對電極的影響。

(3) 本次更換電極過程中，外線路雖已老化，但并未更換。為提高觀測質量，建議更換或改造和田臺地電場外線路。

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