山西臨汾臺大地電場典型干擾與地震異常信號識別

李 艷

(1.山西省地震局，山西 太原 030021； 2.太原大陸裂谷動力學國家野外科學觀測研究站，山西 太原 030025)

臨汾中心地震臺(以下簡稱“臨汾臺”)大地電場是“十五”數字地震觀測網絡項目新增測項，自2007年投入觀測以來，至今已積累了12年的觀測數據。本文綜合分析了觀測曲線和現場核實情況，梳理出幾種常見自然環境因素引起的典型干擾圖像。同時對臨汾及周邊地區2次地震前的觀測曲線圖分析發現，2010年1月24日河津4.8級地震(震中距89 km)、2010年4月7日洪洞3.6級地震(震中距40 km)前10 d左右記錄到“清晰、顯著”的異常電信號，異常信號在曲線圖上表現為連續的階躍式擾動，2次異常在擾動幅度、擾動頻次等形態細節特征方面具有“相似性”。

1 典型干擾分析

1.1 正常背景分析

臨汾臺大地電場采用“雙L型”多極距布極方式(見圖1)，其中，O1-A1為EW向長極距225 m，O1-B1為NS向長極距227 m，A1-B1為NW向長極距320 m，O2-A2為EW向短極距159 m，O2-B2為NS向短極距151 m，A2-B2為NW向短極距219 m，使用ZD9A-II地電場儀觀測。在無干擾、無地電暴影響等正常背景的情況下，3個測向有明顯的雙峰、雙谷日變化形態特征，兩峰峰值接近，兩谷的幅度一強一弱，周期也不一樣，其中NS和NW向日變形態特征一致(高振強等，2010)。根據大地電場廣域性的特征，地電暴發生期間，臨汾臺能與其他臺站同步記錄到相似形態的擾動圖像，由此說明，其觀測數據是真實、可靠的(高振強等，2010)。

圖1 臨汾臺大地電場觀測布極示意圖

1.2 灌溉干擾分析

臨汾臺大地電場觀測外線采用地埋方式布設在村民的農田里，農田灌溉時會對觀測結果造成大幅度的干擾，干擾數據完全湮沒了包括地電干擾等在內的正常電信號，且影響一般持續1天以上。在進行灌溉時，盡管短時間內澆地面積不會完全覆蓋到線路布極區，但仍會對部分線路造成影響，究其原因是灌溉水滲入到地埋電極處，使電極產生一個極化電位差，從而使場地電性結構發生改變。隨著時間推移，該極化電位差逐漸消失，數據慢慢恢復如初，反映在觀測曲線圖上就是大幅度臺階變化，而與受影響電極相關的兩測線階變極性方向相反。圖2是電場EW、NW測向長短極距所在農田進行灌溉造成的典型干擾圖像(虛線框內)，其干擾形態特征對數據使用者來說比較易于識別。

圖2 農田灌溉對電場觀測擾動圖像

1.3 雷電干擾分析

雷電是一種場電物理變化現象，它可改變區域電場分布環境，在雷雨天氣，雷電一般離得比較近，在放電的瞬間，會引起電場觀測數據大幅度變化。2015年7月21日13～17時臺站地區出現強雷雨天氣，電場觀測曲線圖上出現同步“方波型”變化，但同測向長短極距“方波”形態不一致(見圖3)，雷電過后觀測曲線恢復正常。只要值班人員認真填寫觀測日志，數據使用者查看當天日志也容易識別此類干擾。

圖3 雷電對電場觀測擾動曲線圖

1.4 直流輸電干擾

哈鄭線±800 kV特高壓直流輸電線途徑臨汾市襄汾縣，最近點距臺站只有幾十千米。當直流輸電線在系統調試或發生故障時，它會處于單極大地回路運行方式，這時會有非常大的電流從直流接地極流入大地，電流強度一般可達幾千安培，而此時一定距離內的大地電場臺站均能記錄到這種擾動變化，而輸電線路不平衡電流也會導致沿線磁場變化，這種變化會被沿線的地磁觀測所記錄，這也是判斷高壓直流輸電干擾的一個重要佐證。圖4是2018年7月18日10～17時直流輸電的2次干擾，造成三個測向同步“脈沖狀”擾動，而臨汾臺FHD磁力儀其磁場強度F分量亦同步出現“方波型”擾動(虛線內)，只要值班人員通過比對地磁及周邊其他臺站電場、地磁觀測曲線，此類干擾是容易識別的。

圖4 直流高壓輸電對電場干擾變化曲線

1.5 鐵絲網接地干擾

臨汾臺大地電場布極區內有一小片蘋果樹林，在樹林內有一鐵絲網圍建的小型雞場，鐵絲網最近處距公共O極僅二十余米。2017年6月21日至23日測區降大雨，期間NS、EW測向長短極距觀測曲線出現負極性(向下)“脈沖”狀高頻突跳(見圖5虛線框)，經對測區巡查，發現鐵絲網建在水泥樁上與地連接(與地絕緣)，幾處用于穩定鐵絲網的拉線由多股粗鐵絲擰成，拉線入地處沒進行絕緣處理，因降雨會導致大地導電性增強，而幾處拉線接地改變了局部區域的電場分布環境，在電場觀測時會造成一定區域內電位差的不穩定變化，從而引起電場數據出現突跳，經對拉線接地部分采取絕緣處理后干擾消失，觀測曲線也恢復正常，因拉線接地處距NW測向較遠，故NW測向長短極距觀測曲線未有突跳記錄，絕緣處理以后測區降雨天未再出現類似干擾圖像。

2 地震異常信號識別

近年來，大地電場被發現在多次地震前出現異常信號，并且基本以短臨異常為主，本文異常信號識別以馬欽忠等(2004，2011，2013，2018)提出的多極距去噪音方法為依據，即異常電信號必須至少同時滿足三個條件：①沒有在所有臺站被記錄到，因此它不是廣域性的大地電磁效應；②同時出現在同測向的長極距和短極距上；③長極距上所記錄到的電位極性必須與平行于它的短極距上所記錄到的電位極性相同。但同時符合這三個條件的也并非都是異常電信號，如前述圖5因公共O極附近漏電引起的干擾圖像即滿足上述三個條件。因此，大地電場異常識別還應結合現場核實等方法，通過篩選后保留下來的信號才可確定為與地震有關的異常電信號。

2.1 河津4.8級地震前異常信號特征

2010年1月中旬，臨汾臺大地電場記錄到顯著異常信號，具體表現為，各測線長短極距同步出現低頻脈沖、小臺階式擾動變化，期間還伴隨有高頻信號出現(EW測向階躍幅度較小，但高頻信息偏多)，低頻擾動幅度為2～5 mV/km，15日以后階躍擾動頻次增加，擾動圖像在17日10時至19日最為清晰、顯著，擾動頻次達到2～3次/小時(見圖6)，經多極距去噪音方法識別，查閱當時觀測環境巡查記錄，排除了觀測系統、測區場地等干擾因素，屬于異常電信號，24日距臺站偏西南89 km處發生河津4.8級地震，地震后2～3次/小時的階躍擾動消失，但低頻臺階現象仍存在(見圖7)。

圖6 2010年1月16日至19日原始觀測曲線

圖7 2010年1月25日原始觀測曲線

2.2 洪洞3.6級地震前異常信號特征

2010年1月24日河津4.8級地震后，低頻脈沖、臺階擾動現象斷斷續續存在，同樣，相比其他兩個測向來說，EW向擾動幅度較小；3月底，低頻脈沖、小臺階式擾動頻次增加，擾動形態幅度、頻次與河津地震前異常圖像(見圖6)有很高的“相似性”(圖8)，經認真分析研判，排除了場地噪聲干擾和觀測系統故障等因素，應屬于異常電信號，4月伊始階躍擾動消失，觀測曲線恢復正常(見圖9，虛線框內為電磁擾動)，4月7日，距臺站北東方向40 km處發生洪洞3.6級地震。

圖8 2010年3月29日原始觀測曲線

圖9 2010年4月2日原始觀測曲線(虛線框內為電磁擾動)

3 結論與討論

臨汾臺大地電場典型干擾因素主要有：農田灌溉、雷電、直流輸電、鐵絲網接地等；在河津4.8級地震、洪洞3.6級地震前記錄到了顯著的異常電信號，具體干擾與異常信號識別有如下特征：(1)農田灌溉使受影響電極的相關兩測線同步出現大幅度臺階變化，但擾動臺階形態相反；雷電可造成干擾信號在同測向長短極距上造成“方波”型圖像，但干擾電位極性形態相反，雷電過后觀測曲線即恢復正常；高壓直流輸電會在各測向觀測曲線上造成“脈沖”型干擾圖像，在地磁觀測曲線上能同步記錄到“方波”型擾動，將二者結合分析易于識別此類干擾；公共O極附近鐵絲網接地干擾主要影響NS、EW測向曲線，干擾形態為高頻突跳，只要認真巡查測區環境，采取相應措施，就能準確識別、排除。(2)河津4.8級地震、洪洞3.6級地震前，臨汾臺大地電場記錄到連續臺階、脈沖型低頻擾動異常，利用多極距噪音識別方法分析，并結合測區現場巡查記錄，確定階躍擾動為震前異常電信號，并且2次震前異常信號圖像有“相似性”，在異常時間進程上均顯示短臨特征，即震前一周左右異常信號圖像特征最清晰、最顯著。(3)河津、洪洞2次地震分別位于臺站西南向和北東向上，但震前階躍擾動異常圖像卻存在一定的“相似性”，由此可見，僅用測向異常判斷震中方位存在較大不確定性。