2018 年4 月河北陽原臺地電場觀測數據變化異常分析

林稚穎 韓和平 葉曉明 許振棟 黎己余 姚濟棽

（1、福建省地震局水化學中心實驗站，福建 福州 350000 2、河北省地震局陽原地震臺，河北 陽原 075800 3、福建省地震局，福建 福州 350000 4、福建省地震局平潭地震臺，福建 平潭 350400）

地電場是重要的地球物理場之一，地電場觀測主要觀測地電場的地表分量及其時空變化。我國地電場觀測是最近幾十年開展的一種新的觀測手段，從“九五”后期開始的大規模、規范化的地電場觀測，現已初步建成覆蓋口徑最大的地電場觀測臺網。作為地震前兆監測的重要手段之一，目前已積累大量的觀測資料[1]。葉青等曾基于多個臺站的地電場資料研究地電場日變化時就發現可能存在的地震前兆異常，阿拉善左旗MS5.8 地震前，地電場的日變化的時頻譜幅度明顯增大以及波形畸變[2]；趙家騮在寶坻臺觀測到1981 年1 月10 日在張北6.2 級地震前地電場出現異常。上述研究表明地震發生前地電場存在著異常前兆變化信息[3]，因此地電場資料對地震預測具有重要的意義。但是，隨著農村城鎮經濟建設的發展，部分臺站的觀測環境逐漸惡化，干擾強度逐漸超出了觀測規范以及相關標準[4]，嚴重影響了地電場觀測資料。因此臺站所記錄到的資料復雜多樣，其中可能包含地震前兆信息，也可能包含干擾信息，部分干擾無論是在形態上還是振幅上，都極易與地震前兆混淆，這種復雜性給地震前兆觀測資料異常變化的原因查找帶來極大困難。為判定當前地震形勢，準確判定異常性質對觀測資料顯得極為重要。

本文對2018 年4 至9 月陽原地電場數據出現臺階變化進行分析研究，再利用遵循“逐步逼近法”[4]現場排查分析最后找出干擾源，這將有助于其他觀測環境干擾較為復雜的地電臺站提供判斷參考。

1 臺站觀測技術系統

1.1 臺站背景情況

陽原地震臺位于張家口市陽原縣西城鎮北關村(圖1)，當地屬大陸季風性氣候，常年少雨多風，空氣濕度較低。臺站位于晉、冀、蒙三省交界處，屬陰山- 燕山和太行山兩大構造交匯處，桑干河斷裂北側的八棱山山前沖積扇上，主要活動斷裂為北東東向延展的南山山前斷裂帶和北山山前斷裂帶，兩條斷裂帶均為傾向盆地中心的正斷層（圖2），地震活動十分活躍。自20 世紀80 年代觀測以來，曾經歷過1981 年豐鎮、1989 年大同- 陽高和1998 年張北- 尚義等多次較大地震。陽原地震臺位于首都圈重點監測區，晉冀蒙交界地區，觀測資料對于首都圈地震監測有十分重要的意義，但隨著社會經濟的發展，臺站周邊的觀測環境也在不斷的變化，測區逐漸出現了鐵路、液化氣站、投資公司、養殖場、抽水井等干擾源，對臺站觀測數據造成一定程度的影響。

圖1 陽原臺地理位置圖

圖2 陽原臺構造地質圖

1.2 臺站觀測系統簡介

陽原地震臺的地電場觀測使用的是中國地震局預測所研制的ZD9A-2B 地電場儀，采用“L”式布設（如圖3）。電極采用的是LGB-3 型不極化電極，2016 年底更換為JH-020 型長壽命不極化電極，電極坑深約20 米，架設NS、EW 、N45° W 三個測向，長、短共6 個測道，“O”為-NS-、-EW- 方向垂直公共點，NS、EW、N45° W 測向長、短極距各為298m、149m，采樣率為分鐘值，外線路采用鎧裝電纜，地埋敷設。具體布設見參數表（表1）。

表1 陽原地電場布極參數

圖3 陽原地電場布極方式

2 逐步逼近法原理與步驟

首先對數據異常形態進行分析，結合過去觀測資料，判斷大致由某些方面引起。再由室內向室外，逐一對觀測系統、外線路和電極、自然環境和觀測場地進行逐項排查，排除不可能的因素，結合詳細數據進行分析，最終查出干擾源，見圖4。

圖4 地電場觀測技術系統

3 異常分析

3.1 異常概述

陽原地電場ZD9A-2B 觀測系統數據自2015 年5 月開始正式觀測，2015、2016、2017 年數據呈現完整的日變形態。2018 年4 月開始，南北長、北西長兩個測道數據同時出現間歇性階躍現象，到2018 年8 月之后階躍現象逐漸減少。每次階躍持續幾小時，南北長測道最大變化幅度范圍為25.35mv/km——29.46mv/km、北西長測道最大變化幅度范圍為21.45——24.29mv/km。筆者查閱了相關資料，對異常特征進行了分析，發現該異常特征與電場前兆異常形態不同（褚金學，2014），與磁暴干擾形態也不同（胡小靜，2013），從異常的形態分析認為存在場地或人為干擾的可能，見圖5。

圖5 陽原臺地電場測值曲線

3.2 異常初步判斷

2018 年4 月份開始陽原臺的地電場儀南北長、北西長測道觀測曲線時常出現短時間的上升階變，兩個側道變化幅度分別約為24mv/km——25mv/km 和14mv/km——15mv/km，幾個小時以后數據又慢慢恢復。臺站工作人員在查看了儀器標定表，查閱了同時期的觀測日志和月報以后，均未發現2018 年以前存在類似情況，認為該異常是由觀測系統和自然因素引起的長期干擾的可能性較小。根據多位專家研究結果表明，地電場臺階性短期變化可能跟場地環境或是人為干擾有關[5]。

3.3 觀測系統工作狀態檢查

3.3.1 觀測系統檢查

判斷觀測系統運行狀況主要依據是儀器的標定以及零輸入值。根據地電場觀測系統規范要求對陽原地電場觀測儀器及系統進行檢查，每個季度檢查一次，7 月儀器校準時的儀器讀數與標準值的偏差在允許偏差范圍內，表明測量儀器校檢、穩流電源性能檢測合格。此外供電線、測量線絕緣檢測合格；觀測室內接地電阻穩定。技術參數：分辨力1 ～ 10μ V；準確度優于±(0.1%+0.0.2%滿度)；動態范圍≥ 100dB；采樣率：1 次/（分鐘.通道）[6]。

3.3.2 外線路及接地電阻檢查

對陽原臺地電場觀測外線路進行了巡查，仔細檢查了外線路以及接地電極。NS、EW 、N45° W 向對地絕緣電阻大于5mΩ 結果表明，陽原臺地電場外線路情況良好，電極連接良好、外線路無破損、無漏電。結果符合規范要求。

3.4 環境干擾分析

3.4.1 自然環境異常特征分析

陽原臺的地電阻率在降雨或者降雪時會發生下降變化，但是地電場基本不受影響。夏季3-8 月，地電場出現臺階的時段與降雨時段并不具有一致性，因此兩測道的變化與降雨無關，見圖6。

圖6 陽原地電場受干擾時段與降水時段對比圖

對流層中的雷電現象是對流場中的高頻變化的場源之一[7]。雷電期間地電場變化特征為:觀測數據離散度較大,特別是在放電期間,呈現出典型畸變,并伴有明顯高頻干擾,觀測數據大幅突跳，為正常時數倍。圖7 為陽原臺地電場在雷雨季節時受雷電影響，與所要核實的異常形態不符，因此排除雷電影響。

圖7 受雷電影響

磁擾、磁暴、電離暴大多起源于太陽大氣最外層的日冕向空間持續拋射出來的大量帶電粒子流[8]，地電暴和地點擾動會使得地電場觀測曲線六道數據同時出現異常,形態表現為高頻脈沖[9],與異常形態不符，因此排除太陽活動這一因素，見圖8。

圖8 受地電暴影響

3.4.2 場地環境異常特征分析

經過前述工作后，排除了技術系統、自然環境影響等原因后仍未找到確切原因。在每日數據跟蹤以及場地周圍走訪中發現，陽原臺地電場觀測場地布設在農田內，附近農戶較多井口遍布密集，并且經過詢問抽水灌溉時間與電場數據變化大致相同，因此筆者認為有存在抽水與灌溉等人為干擾改變地下水的滲流從而改變了自然電場的可能。

通過每日跟蹤與近三年數據分析發現, 由于階變只發生在北西長與北南長測道（排除中心點位置存在干擾源的情況），短測道未受到影響，因而初步判斷在北電極（A 點）附近存在干擾源。拉長時間尺度，在2018 年以前，此類數據異常形態并未出現過，經調查發現2017 年初在北電極30m 處附近居民新打了一口井用來進行抽水作業，該水井在2017 年初時開鑿好后并未進行抽水，而2017 年一整年也未出現圖b 中的情況，直到2018 年4 月初該井投入使用。臺站工作人員走訪了擁有該井的居民，發現在曲線畸變的這一段時間內進行過抽水活動，階變時間段與抽水時間段吻合。為了進一步判定該井抽水對數據可能為影響原因，工作人員對以后幾天的抽水時間段進行統計，并確保場地環境不存在其他干擾因素，例如天氣影響，結果表明抽水井抽水時間與觀測數據異常上升變化時間相吻合，停止抽水時間也與異常下降時間相吻合。（表2）與該居民協商后居民同意暫停一段時期的抽水灌溉活動，都呈現正常的日變化動態。

表2 抽水與數據異常對比試驗統計表

地電場的變化包括大地電場變化與自然電場變化，自然電場的機理中由包括地下水的滲流與過濾作用，地下水的滲流形成過濾電場，過濾電場差是一種廣泛分布的電位差，地下水流動時正電子隨之流動，在介質中產生了沿水流方向的正離子積聚和分離的現象，形成了逆水流方向的電場[10]。

從圖10 中南北長、北西長的觀測數據來看原觀測值在干擾影響下近乎接近0，則判斷應是原電場與干擾電場方向相反。為推導原電場方向，筆者以2017 年4 月24 日陽原臺地電場中心點灌溉為例，觀測系統，電極接線和儀器接線都沒有問題，南北測道也同樣受到影響，從圖9 中可以看出在灌溉干擾影響下觀測數據也接近于0，筆者認為可以以此嘗試推導南北測道原電場方向。灌溉時，水流由中心點（O 點）流向北電極（A 點），因此形成的干擾電場應為A 點至O 點，則原電場（北南向）方向為O點至A 點。假設是抽水，那么在抽水情況下，則水流是從O 點到A 點，干擾電場方向為A 點指向O 點，從圖10 中可以看出觀測數據也接近于0，則原電場（北南向）方向為O 點至A 點，因此，由灌溉與抽水推導出來的原電場（南北向）方向相同。

圖9 2017 年4 月24 日地電場中心點受澆地灌溉影響

圖10 2018 年6 月20 日出現異常的地電場曲線

從變化形態來說，灌溉后的數據出現階躍且恢復較為緩慢，是由于灌溉是從地面影響地下水滲流一個相對緩慢的過程且影響時間較長（圖9 中是由于中心點電極處灌溉出現塌陷坑造成數據直線階躍的特殊情況）。本次異常階躍以后數據迅速恢復，排除灌溉影響，由于抽水則是直接改變地下水的流動方向，過程相對快的多，停止抽水以后，地下水恢復原來的流動方向。因此判斷抽水為本次異常的最有可能的干擾源。

4 結論與建議

最終我們確認陽原地電場數據出現異常變化的時段在2018 年4 至9 月，在此期間南北長、北西長數據出現臺階變化，變化時間持續數小時結束。利用“逐步逼近法”結合觀測系統檢查、觀測區走訪調查和2017 年4 月灌溉事件分析我們得出以下結論。

4.1 異常變化期間，系統運行穩定，觀測狀態正常，沒有降雨、雷電、磁暴發生，可以明確排除觀測系統和自然環境干擾的影響。

4.2 異常發生以后并無地震對應，排除由于地震引起地下介質改變，此為非孕震異常。

4.3 從理論上來說由于抽水活動改變地下水的局部滲流情況形成干擾電場與原電場方向相反從而影響觀測數據，并且與灌溉點就在中心點的情況不同，抽水井距離北端（A 點）較近（見圖11），因此長極距受干擾影響明顯；而從實驗統計中我們也可以看出抽水時間與異常出現時間相吻合，抽水結束以后階變的數值隨之恢復為原來的正常值。

圖11 陽原臺地電場測區環境示意圖

4.4 本文中涉及到的場地干擾源較少，干擾較容易排除（鐵路較遠、異常期間養殖場并未進行養殖活動），因此用到逐步逼近法能有效得核實到干擾源。逐步逼近法在排查異常較為常見的方法，便于快速識別數據變化特征明顯且有規律的干擾；若是場地干擾源較多，干擾疊加導致數據變化形態復雜，則還需其他方法輔助論證。在本文中由于臺站觀測手段限制，未設流體手段因此也為進一步論證抽水干擾帶來困難。

在日常的地震前兆資料分析中，由于前兆觀測系統處于一個更大更復雜的開放系統中，除了會受到自身系統內部一些因素影響，更容易受系統外的一些因素影響。這些復雜的環境因素給地震前兆觀測資料異常變化的原因尋找、性質判定帶來極大的挑戰[11]因此平時除了加強對觀測系統的檢查，確認陽原臺地電觀測儀器、外線路、電極工作狀態正常外，在核實異常前，需初步對分析是否由于測區存在干擾以及可能存在的干擾源，并且要經過較長時間的資料跟蹤，可以根據觀測量的物理量的物理屬性、觀測原理以及異常變化特征結合周邊水文地質構造和氣象條件等分析可能的影響因素與影響機理，來確保調查的準確性。