影響通河地震臺地電場觀測干擾源的排查分析

岳 力

（通河地震臺，黑龍江 哈爾濱 150900）

0 引言

地電場觀測系統的觀測對象是地電場強度矢量，其目的是通過觀測地表的地電場強度，探索地震前地電場的變化，并通過和其他觀測手段相結合，獲得地下及巖石層的電性結構及其變化規律[1]。

在地震預測研究中，地電場主要研究對象為DC～0.1Hz頻帶內的地表電場強度及其隨時間和空間的變化規律，并在此基礎上探索地電場變化可能與地震孕育過程的關聯性，以及將地電場觀測用于地震預測研究實踐的途徑和方法[2]。

隨著國民經濟的發展和城鎮化建設，使得地電場觀測受到干擾現象增多，干擾明顯超出了地電場觀測對觀測環境的技術要求（不大于1250mV/km[3]）。《地電場觀測中幾種常見干擾》、《特高壓直流輸電線路與接地極對地電場觀測的干擾》提到的幾種影響地電場觀測的干擾原因在通河地震臺地電場觀測過程中記錄到；本文通過對通河地震臺地電場觀測資料的整理判斷，對地電場觀測的干擾形態進行識別，排查干擾源并核實，分析干擾源對地電場觀測的影響。

1 觀測原理

地電場是大地電磁場的重要組成部分，也是地球物理場研究的重要內容之一，記錄到了區域性和廣域性地電場背景變化地電場強度矢量是重要的地球物理常量之一。公式為：VAB=VT+VSP+VP+Vr，VAB為變化地電場強度矢量值、VT為大地電場、VSP為自然電場、VP為極化電位差、Vr為環境干擾。

大地電場：由外空源產生，電離層電流變化，與地磁場有相同的場源，固體地球外部特別是電離層中的各種電流體系與地球介質相互作用，產生的分布于地球表面的感應電場，因此它們具有相同類型變化，具有廣域性和區域性特征。自然電場：由地下場源的礦體、地下水和各種水系的分布而產生的電場，自然電場是具有較強的地域性和局部性特點，物理化學反應相對穩定[1]。極化電位差是指兩測量電極之間的電極電位差。當金屬電極與土壤中水溶液接觸時，很快自動形成電極電位，兩電極的電極電位差習稱極化電位差。環境干擾存在不確定性，需要對干擾源進行核實。

目前在進行地電場觀測時，按照分量測量、矢量合成的方法，對地表地電場強度進行測試。一般按照“多方向、多極距”觀測方法布設測量線路，即在2個以上的觀測方向進行測量，每個測向布設 2個以上極距的測量線路。通過對同一測向不同測道觀測數據進行時域相關分析研究，可以驗證觀測數據的可靠性，檢驗觀測結果的內在質量[4]。

2 資料選用

通河地震臺地電場采用ZD9A-Ⅱ型數字地電場儀進行觀測，使用蘭州地震研究所生產的固體不極化電極6個，采用地埋電纜的傳輸方式，埋設在地表凍土層以下潮濕土壤中，深度3.5m，場地中心與各電極到臺站觀測室的外線使用1.5mm2三芯銅芯鎧裝電纜。地電場獨立布設電極和線路，采用地電場常用L型觀測裝置布設（考慮到場地具體情況，采用倒L型）（圖1），布極區地勢開闊、平坦，同一測向的2個供電極之間的地形高差<5%，布極區沒有高壓輸電線路、河流、水庫、大型灌溉渠道通過。在同一測向上沒有溝壑、崖坎地形，通河地震臺地電觀測場地符合地電臺站建設規范技術要求。

圖1通河地震臺地電場觀測裝置布設圖Fig.1 Layout of geoelectric field observation device at Tonghe Seismic Station

3 干擾源與分析結果

通河地震臺地電場觀測站為“十五”項目，觀測系統外線路于2005年埋設。地電觀測于2006年11月開始運行觀測，2010年與2016年更換過固體不極化電極，所用設備工作至今，觀測數據連續率為99.67%、完整率為99.45%,具有較高可靠性。

3.1雷電天氣干擾

通河地震臺地電場觀測2019年06月13日各測項數據均出現臺階和突跳變化。經對觀測環境、外線路、室內線路各接頭等進行巡視和檢查，當天雷電天氣。

雷電干擾，雷電屬于一種場電物理變化的現象。它的各種放電形式、量度取決于雷暴云電場，大氣電場與地電場有對立統一性，既相互獨立、又相互影響并形成一種場電變化體系。它們除了其它物理量的相互交換外，大氣電場與地電場有電的交換（相互作用）。雷電就是它們相互之間作用的產物。在無雷暴云天氣現象時，大氣電場與地電場在場電的疏密區呈相對平衡狀態，形成對立統一的自然場電動態體系。雷電天氣導致大氣電場瞬間畸變，在外部場電干擾下，造成形式各異的尖端放電場，這種畸變對地電場有直接影響。雷雨天氣對地電場觀測數據產生影響，一般會產生臺階和突跳，臺階和突跳與雷電時間成正比[5]。分析認為通河地震臺地電場觀測數據大幅度變化是由雷電天氣造成的（圖2）。

圖2通河地震臺地電場觀測與降雨對比數據曲線圖Fig.2 Curve chart of geoelectric field observation and rainfall comparison data at Tonghe Seismic Station

3.2人為抽水干擾

通河地震臺地電場觀測2018年7月18日13：56—15：41北南向長、短測項和東西向長、短測項數據有大幅度變化。經排查距北南向與東西向共用電極點東側15m處地溝積水，水深1m，同時間段進行抽積水工作，抽水結束后數據恢復正常。

本文認為抽積水期間地電場觀測數據在短時間內呈現大幅度的變化，該現象的具體原因可能是抽積水引起電極的極化電位變化所導致的。在電極界面上會產生極化電位，極化電位不一致，將在測量中產生一個附加的電極極化電位差，從而影響到地電場觀測[6]。分析認為本次通河地震臺地電場觀測數據大幅度變化是由于人為抽水造成（圖3）。

圖3通河地震臺地電場觀測2018年07月17日—19日各測項數據曲線圖Fig.3 Data curves of geoelectric field observation at Tonghe Seismic Station from July 17 to 19，2018

3.3高壓直流輸電干擾

通河地震臺地電場觀測2018年12月25日15：46-19：17各測項均出現臺階變化，對比同時段周邊德都地震臺、林甸地震臺地電場觀測數據，發現上述三個地電場觀測臺站發生臺階時間基本一致，說明各地電場觀測數據受到共同干擾源影響。

高壓直流供電正常工作時，電流基本上都從兩條架空線路經過，電流方向相反，大小基本相等。只有很少的一部分不平衡電流入地。但一旦出現故障后，就會出現很大的不平衡電流，對線路兩側電場觀測造成臺階變化。扎魯特旗換流站距離通河地震臺573km、距離林甸地震臺392km、距離德都地震臺566km。

本文分析認為受內蒙古自治區扎魯特旗至山東省青州市±800千伏特高壓直流輸電故障影響造成通河臺地電場觀測各測項出現臺階現象（圖 4、圖 5）。

圖4地震臺與高壓直流輸電線相對位置圖Fig.4 Relative position map of seismic station and HVDC transmission line

圖5通河地震臺、德都地震臺、林甸地震臺地電場觀測2018年12月25日各測項數據對比曲線圖Fig.5 The geoelectric field of tonghe，Dedu and Lindian Seismic Station comparing curves of observed data on December 25，2018

3.4工廠運行干擾

通河地震臺地電場觀測2019年2月10日—27日北南向長、短測項數據曲線呈現不定時突跳及臺階變化現象，且幅度較大與其它觀測測項數據對比分析，呈現明顯不一致現象。通河地震臺立即組織人員對地電觀測場地周邊環境干擾及人為干擾情況進行排查，發現距通河地震臺地電場觀測O點東北向600m處，玉米烘干廠內進行生產作業。工廠生產設備漏電與地電場觀測突跳及臺階變化時間段相吻合，工廠進行設備檢查與用電線路更換后，地電場觀測恢復正常。

區域地殼中形成的自然電場分布的狀態一般比較穩定，如果組成、結構的導電性質產生了變化，從而改變了電流密度的分布，導致由此形成的電場分布狀態與原先的電場分布狀態不同，即引起了地電場重新分布，造成地電場觀測發生變化。經分析認為工廠運行設備漏電造成通河地震臺地電場觀測出現突跳及臺階變化現象（圖6）。

圖6通河地震臺地電場觀測2019年02月05日—03月04日各測項數據曲線圖Fig.6 Data curves of geoelectric field observation at Tonghe Seismic Station from February 5 to March 4，2019

3.5農田灌溉干擾

通河地震臺地電場觀測2018年5月12日—13日北南向長、短測項數據曲線呈現大幅度變化現象，且與其它觀測測項數據對比分析，呈現明顯不一致現象。通過對地電觀測場地周邊環境干擾及人為干擾情況進行排查，發現觀測裝置布設所在水稻田進行抽水灌溉工作，位于南北向長極距電極所在位置的東側25m處有口農田灌溉用水井，自5月12日起為周邊水稻田抽水灌溉，抽水時間與大幅度變化時間段相吻合。農田灌溉結束后，地電場觀測恢復正常。

本文分析認為抽水灌溉期間地電場觀測數據在短時間內呈現大幅度的變化，該現象的具體原因可能是水下滲到電極處，抽水引起電極的極化電位發生變化。經分析認為農田灌溉造成通河地震臺地電場觀測出現臺階變化現象（圖 7）。

圖7通河地震臺地電場觀測2018年05月12日—13日各測項數據曲線圖Fig.7 Data curves of geoelectric field observation at Tonghe Seismic Station from 12 to 13 May，2018

3.6地電暴干擾

通河地震臺地電場觀測2017年8月31日—9月1日各測項均出現大幅變化，對比周邊德都地震臺、望奎地震臺地電場觀測數據，發現上述三個地電場觀測數據均出現同時段大幅度變化，時間基本一致，說明各地電場觀測數據受到共同干擾源影響。

地電暴是指在磁暴期間記錄到的地電場的劇烈變化[7]。在磁暴發生期間，會在各地電場觀測臺站同時記錄到比較大的波動異常，在各臺不同極距，不同方向都能記錄到同步的異常信息，而且異常形態非常相似，異常的持續時間、強度與磁暴的持續時間及強度呈很好的正相關[8]。經分析認地電暴干擾造成通河地震臺地電場觀測出現大幅度變化現象（圖8）。

圖8通河地震臺、德都地震臺、望奎地震臺地電場觀測2017年08月31日—09月01日各測項數據曲線圖Fig.8 Data curves of geoelectric field observations at Tonghe，Dedu and Wangkui Seismic Station from August 31 to September 1，2017

4 結論與討論

通過上文分析，可以看出在地電場觀測過程中主要存在的干擾源有觀測環境發生變化，包括：工廠運行干擾、人為抽水干擾、高壓直流輸電干擾、農田灌溉干擾。自然環境變化包括雷電干擾、地電暴干擾。

（1）地電場觀測數據發生變化，應該分析是否受到干擾，如觀測環境干擾，場地因素以及觀測系統本身的變化等。對每一種變化因素，應識別數據變化形態，判斷屬于何種干擾，然后逐步進行落實，查明原因，以便解決和排除。數據干擾變化，最可能的是測區環境發生變化對數據產生影響。

（2）對于地電場觀測數據變化，分析各測項變化是否一致，如果一致，則核實觀測環境是否發生變化，例如是否發生雷電天氣。是否發生地球物理事件，例如地電暴現象。是否發生觀測場地發生變化，高壓直流輸電干擾。這需要如周邊地電場觀測臺站進行對比分析。如果不一致，則應核實地電觀測裝置布設區是否存在干擾源。

（3）有些干擾源是可控的，包括：人為抽水干擾、工廠運行干擾、農田灌溉干擾，其有干擾時間較長，不易識別的，單個臺站多測項不同步特點。只要第一時間發現，及時查找干擾源，是能夠排除干擾，恢復正常觀測。有些干擾源是不可控的，包括：雷電干擾、高壓直流輸電干擾、地電暴干擾，這類干擾是無法進行排查，但其有干擾時間較短，易識別的特點，多個臺站多測項同步特點。分析這類干擾，要與多臺站，多測項同期對比分析，能夠識別。

以上通過對地電場觀測干擾源排查的分析，總結出影響地電場觀測的一些因素，有助于我們對地電場觀測數據的認識和分析，以便提取與地震有關的地電場信息。