內(nèi)蒙古地電場觀測中的干擾識別與分析

趙 星，查 斯，格 根，熊 峰，王樹忠

（內(nèi)蒙古自治區(qū)地震局，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051）

0 引言

地電場觀測作為前兆觀測手段中不可缺少的一環(huán)，其觀測的短臨異常對地震預測具有非常重要的意義。目前內(nèi)蒙古區(qū)除了呼和浩特地電場受環(huán)境干擾嚴重導致數(shù)據(jù)不可用停測以外，其余3套地電場觀測儀器均以實現(xiàn)數(shù)字化觀測，為數(shù)據(jù)的可靠性提供了保障。但由于數(shù)字化儀器靈敏度的提高，加之測區(qū)內(nèi)城鎮(zhèn)化程度越來越高與經(jīng)濟的高速發(fā)展，及其容易受到干擾的影響，導致觀測數(shù)據(jù)中含有非常多沒有價值的前兆信息。因此準確識別數(shù)據(jù)中是否有地震前兆短臨異常，就需要正確的識別出干擾類型與形態(tài)，排除存在的干擾信息。許多國內(nèi)專家開展了相關研究，如杜學彬等[1]做了地電場日變化研究，席繼樓等[2]研究了電極極化電位對地電場觀測的影響，史紅軍[3]做了地電場觀測過程中的干擾因素分析，張偉峰[4]、關曉明[5]、高慧慧[6]、馬欽忠[7]等分別分析了嘉山、錦州義縣、都蘭、大武、崇明與南京等地區(qū)的地電場干擾數(shù)據(jù)，取得較好效果。為地電場排除干擾信息作出巨大貢獻。

本文通過利用寶昌臺、烏加河臺、滿洲里臺的地電場數(shù)據(jù)的分析，發(fā)現(xiàn)干擾呈多樣化，原因復雜。不同的干擾因素，數(shù)據(jù)曲線的變現(xiàn)形態(tài)也不盡相同。本文就如何有效的排除一些常見的干擾做出了舉例分類，為今后臺站處理人員對干擾的識別作出參考。

1 內(nèi)蒙古地電場監(jiān)測臺網(wǎng)概況

內(nèi)蒙古自治區(qū)地形狹長，橫跨西北、華北、東北地區(qū)，地震構(gòu)造復雜、中強地震頻發(fā)[8]。大地電場監(jiān)測臺網(wǎng)在“九五”項目實施期間開始建設，初始階段僅建有烏加河一個觀測站，該臺站2001年正式將ZD9A型數(shù)字地電場儀投入觀測。2006年，中國地震局“十五”項目工程開始實施，內(nèi)蒙古自治區(qū)地震局相繼在呼和浩特臺、寶昌臺及滿洲里臺新建地電場，均使用ZD9A-II型數(shù)字地電儀，進一步擴展和完善了地電場臺網(wǎng)。運行期間，由于呼和浩特電場觀測外線路系統(tǒng)受到破壞與受環(huán)境影響等，2010年3月份正式停測，同期烏加河臺地電場觀測儀器升級為ZD9A-II型電場儀。內(nèi)蒙古自治區(qū)地電場觀測臺站分布情況、各臺站地理位置、分布參數(shù)如圖1、表1所示。

圖1 內(nèi)蒙古自治區(qū)地電場觀測臺站分布圖Fig.1 Distribution map of geoelectric field observation stations in the Inner Mongolia Autonomous Region

表1 各臺站地理位置、布極參數(shù)

2 觀測過程中的干擾分析與識別

本文針對內(nèi)蒙古大地電場中干擾的特點和規(guī)律進行機理分析，歸納為5類干擾類型：電阻率同源干擾、電極極化干擾、雷電干擾、降雨干擾、居民生活用電干擾和全球范圍內(nèi)的磁暴干擾。

2.1 地電阻率同源觀測干擾

針對地電場和地電阻率使用同一場地觀測的綜合臺站而言，地電阻率整點觀測時會對觀測場地內(nèi)供電，供電電流通常為2A，地電場觀測中不可避免將監(jiān)測到這人工電場，并且人工電場疊加到自然電場上，使觀測數(shù)據(jù)受到嚴重干擾[1]。受干擾的觀測數(shù)據(jù)以單點突跳為主要形態(tài)，幅度為正常日變背景的數(shù)倍至數(shù)十倍，變化時間與地電阻率供電時間完全一致。周期明顯較容易判斷，圖2為烏加河地電場和地電阻率同源觀測時產(chǎn)生的干擾數(shù)據(jù)，可以看出，在地電場觀測數(shù)據(jù)中呈現(xiàn)出具有一定時間特點的突跳信號，造成地電場的觀測數(shù)據(jù)出現(xiàn)瞬間巨大變化。并呈現(xiàn)出有規(guī)律的周期性，分析人員必須去除掉整點高頻突跳，才能有效的分析數(shù)據(jù)。

圖2 烏加河臺同源觀測干擾Fig.2 Homologous observation disturbance of the Wujiahe Seismic Station

2.2 磁暴干擾

磁暴干擾是指在磁暴發(fā)生過程中對地電場數(shù)據(jù)引起的大幅度變化的自然現(xiàn)象。在磁暴發(fā)生期間，全國各地電場臺站都會同時記錄到異常波動，從而改變地電場觀測中常規(guī)的日變形態(tài)，結(jié)合地磁觀測K指數(shù)，當K指數(shù)≥6時，我們判定為發(fā)生磁暴，在長短極距與各個方向全部受到影響，而且干擾形態(tài)基本一致[9]，持續(xù)時間與干擾強度也都大同小異。全球一致性與信號幅度較大是磁暴干擾的基本特征。

2007年11月20日至21日磁暴期間，三個地電場臺站均同步記錄到了磁暴，如圖3所示。可以看出，磁暴引起的干擾具有很強的一致性，三個測道形成幾乎一樣的干擾形態(tài)，產(chǎn)生幅度相等的高頻信號，打破正常日變。并同一時間恢復到正常曲線，說明其中變化幅度與磁擾的強度相關，干擾持續(xù)時間與磁暴持續(xù)時間相關。

圖3 烏加河臺、滿洲里臺、寶昌臺磁暴干擾Fig.3 Magnetic storm disturbance at Wujiahe，Manzhouli and Baochang Seismic Station

2.3 電極極化干擾

電極是地電場觀測中十分重要的組成部分，主要用于在觀測場地中拾取電信號。電極極化干擾是觀測中常見的一種現(xiàn)象，最早“九五”期間因電極使用年限過久極化而導致的一種異常現(xiàn)象，目前電場觀測大多使用的是固體不極化電極，但埋在土壤中時間過長，也會產(chǎn)生極化現(xiàn)象，由于鉛離子本身帶正電而產(chǎn)生極化電位，使得監(jiān)測點的電位發(fā)生變化而干擾觀測[2]。

電極周圍的Pb2+離子很敏感，并且經(jīng)常會受到地下水位、環(huán)境溫度與周圍的土壤介質(zhì)條件的影響，導致觀測到的數(shù)據(jù)發(fā)生變化。當電極老化電位不穩(wěn)定時，各測項會出現(xiàn)數(shù)據(jù)漂移，階躍等現(xiàn)象，圖4給出了滿洲里地電場2007年9月8號北南向數(shù)據(jù)，圖5為2013年9月8號南北向數(shù)據(jù)。在2007年安裝運行6年后，觀測電極都出現(xiàn)了不同程度的電極極化現(xiàn)象，形成曲線漂移狀態(tài)，此時各觀測曲線之間的相關性沒有可信度。

圖4 滿洲里電極未極化Fig.4 Unpolarized electrode in Manzhouli Seismic Station

圖5 滿洲里電極已極化Fig.5 Polarization of electrode in Manzhouli Seismic Station

2.4 人工用電干擾

隨著城鎮(zhèn)的現(xiàn)代化，觀測區(qū)域內(nèi)及周邊的生活居民的增多，人工用電也不可避的隨之增加，一般來說大型變壓器、居民生活照明用電、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用電等設備都有可能接地后對土地輸出強度大小不一的電流、主要為漏電電流I流入大地形成回路，引起測區(qū)內(nèi)的電位變化，干擾信號的幅度取決于漏電電流的大小，從而對電場數(shù)據(jù)造成嚴重影響，嚴重時甚至可以產(chǎn)出類似前兆異常的數(shù)據(jù)曲線，給分析人員帶來困擾。干擾數(shù)據(jù)為階躍型與突變?yōu)橹饕螒B(tài)，往往可以達到正常背景的數(shù)十倍，干擾時間點與漏電設備的啟用停用時間呈正相關。圖6為寶昌地電場2013年9月9號至9月11號數(shù)據(jù)，可以看出，干擾集中在中午11點與晚上18點左右，具有一定規(guī)律性。

圖6 寶昌地電場人工用電干擾Fig.6 Artificial electricity interference in Baochang geoelectric field

2.5 雷電干擾

地電場在沒有記錄到震前異常或者無干擾的情況下，本身屬于一個穩(wěn)定的場，有自身的日變、年變規(guī)律，當測區(qū)遇到近距離的雷暴時，會引起激烈放電的自然現(xiàn)象，改變了區(qū)域的電場分布環(huán)境，使測區(qū)內(nèi)電位快速升高，觀測數(shù)據(jù)往往會隨這種現(xiàn)象發(fā)生畸變[4]。一般呈大幅度不規(guī)則突跳，為正常背景的數(shù)倍。畸變的幅度和物理電場的放電量與測區(qū)的距離為正相關關系。圖7為2014年7月1日寶昌臺數(shù)據(jù)，可以看出雷擊干擾在一定觀測時間內(nèi)造成觀測曲線突跳，明顯偏離了正常范圍，打破日變，而后恢復正常。期間觀測人員為了避免儀器受雷擊斷電造成缺測。

圖7 寶昌地電場受雷電干擾Fig.7 Lightning interference of geoelectric field in Baochang Seismic Station

2.6 降雨干擾

降雨干擾是地電場日常觀測中經(jīng)常發(fā)生的，強降雨天氣遇到數(shù)據(jù)大幅度變化時，應對比同一時期的降雨量數(shù)據(jù)。地下水位和降雨量的變化會致使電極附近的土壤中水分的提升，導致電極的極位發(fā)生變化。引起觀測數(shù)據(jù)變化的原因可能是灌溉（雨、雪）水滲入到電極處，引起電極極化電位變化所導致由于極化電位不一致，將在測量回路中產(chǎn)生一個附加的電極極化電位差[1]，從而影響到地電場觀測。降雨干擾的主要特征為：觀測數(shù)據(jù)會隨著降雨量的增加，6個測道同時出現(xiàn)大幅度階躍或者下降的現(xiàn)象，一般來說，降雨干擾持續(xù)時間會較長，等側(cè)區(qū)內(nèi)水份隨時間的干涸，數(shù)據(jù)曲線也會隨之恢復[1]。圖8為滿洲里地電場和同期降雨量的對比觀測。可以看出，當降雨量達到30 mm時，數(shù)據(jù)出現(xiàn)了下降階躍變化。

圖8 滿洲里地電場降雨干擾Fig.8 Rainfall interference in Manzhouli geoelectric field

3 結(jié)論

通過對內(nèi)蒙古地電場監(jiān)測臺網(wǎng)5類干擾因素的變化形態(tài)分析，得到如下結(jié)論：

（1）同源干擾：地電阻率與地電場同場地觀測時，如果地電場主機中沒有安裝 “握手”協(xié)議程序，則每次電阻率到整點供電時，電阻率將干擾電場觀測，其干擾幅度可超出地電場正常變化范圍的數(shù)十倍，并且會降低地電場的相關系數(shù)，基本看不出地電場曲線，極大影響地電場觀測。

（2）磁暴干擾：判斷是否有全球性磁暴發(fā)生時，應結(jié)合臺網(wǎng)地磁數(shù)據(jù)觀察K指數(shù)是否達到磁暴標準，磁暴發(fā)生期間，全國地電場各測道都能同時記錄到地電暴引起的波動，并且干擾形態(tài)大同小異。其變化幅度與磁擾的強度有關，并隨著磁擾強度的增強而增大;變化時間和磁擾持續(xù)時間有關，磁擾結(jié)束后，地電場觀測數(shù)據(jù)也隨之恢復正常。

（3）電極老化干擾：電極長期使用造成極化，電位及其不穩(wěn)定性，這可能導致電場觀測數(shù)據(jù)單方向的漂移，并且最大月漂移可達地電場正常數(shù)據(jù)幅度的10倍左右。

（4）生活用電干擾：地電場測區(qū)內(nèi)存在的居民用電與工業(yè)用電不可避免的越來越多，干擾數(shù)據(jù)為階躍與突跳為主要形態(tài)，嚴重時可以影響觀測人員的判斷，但這種干擾具有一定的時間規(guī)律性，干擾幅度也基本一致，經(jīng)過對測區(qū)內(nèi)的排查，一般都能發(fā)現(xiàn)漏電解決問題。

（5）雷電和降雨是夏季最常見的干擾，也是觀測人員最需要識別的干擾之一，出現(xiàn)干擾時應當結(jié)合測區(qū)內(nèi)是否存在雷暴現(xiàn)象，并結(jié)合降雨量數(shù)據(jù)進行進一步的數(shù)據(jù)分析，雷電干擾具有瞬時，畸變幅度大的特征，持續(xù)時間相對較短。降雨干擾呈上升或下降的階躍形態(tài)，相對持續(xù)時間較長，甚至可以持續(xù)幾天并持續(xù)發(fā)生變化。

（6）由于內(nèi)蒙古地電場監(jiān)測臺網(wǎng)建成于2001年，監(jiān)測時間較短，臺站較少，分布不均勻，積累有效震例數(shù)量有限，更深入的分析將在今后不斷充實、完善。

本文分析了地電場日常觀測中比較典型的幾種干擾類型，分析其表現(xiàn)形式，研究變化形態(tài)、幅度的變化，對其產(chǎn)生機理進行定性解釋，希望能夠為正確排除數(shù)字化地電場數(shù)據(jù)中的干擾，準確識別其中的震兆信息提供借鑒和參考。