翁田臺地電場觀測受干擾的因素分析＊

張華美 劉 陽 陳祥開 張 帆 葉向頂

（海南省地震局，海南?？?70203）

引言

地球表面天然存在的電場，因根據(jù)場源的不同可區(qū)分為大地電場和自然電場。大地電場為地球表面存在的天然變化電場，它與地磁場中的變化磁場相伴生，是由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(zhì)相互作用，產(chǎn)生的分布于地表的感應(yīng)電場，具有全球性或較大區(qū)域性特征。在地震預(yù)測研究中，地電場主要研究對象DC～0.1 Hz頻帶內(nèi)的地表電場強度及其隨時間和空間的變化規(guī)律，并在此基礎(chǔ)上探索可能與地震孕育過程的關(guān)聯(lián)以及將地電場觀測用于地震預(yù)測研究實踐的途徑和方法[1-13]。因此，保證觀測系統(tǒng)的正常運行，數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性是至關(guān)重要的。

本文主要對文昌翁田臺的地電場觀測數(shù)據(jù)受干擾的情況進(jìn)行分析，通過排查和比測，進(jìn)而判斷可能影響數(shù)據(jù)質(zhì)量的因素，為觀測系統(tǒng)的維護(hù)維修提供有力依據(jù)，從而提高該臺站地電場觀測系統(tǒng)維修效率及數(shù)據(jù)質(zhì)量的準(zhǔn)確性。

1 臺站概況

1.1 臺站的地理位置

文昌翁田臺（以下簡稱為翁田臺）位于海南省文昌市翁田鎮(zhèn)抱虎嶺東南腳下（19.96°N，110.87°E）（圖1），高程約50 m，西北距海約4 km，地勢平坦。周邊為農(nóng)田和荒地，遠(yuǎn)離人群活動圈，通信、供電和交通條件良好。

圖1 文昌翁田臺的地理位置圖Fig.1 Location of Wengtian station in Wenchang

1.2 臺站電極布設(shè)方式

文昌地電臺場地限制，根據(jù)現(xiàn)場實際情況，翁田臺地電分項方位分別為：北偏西5°，兩個方向夾角95°。具體布設(shè)為：長極距（NS向O1B1123 m，EW向O1A1109 m，NE向A1B1172 m），短極距（NS向O2B2105 m，EW向O2A299 m，NE向A2B2144 m）（圖2，圖3）。長極距3個方向測道稱為第一裝置，短極距3個方向測道稱為第二裝置。

圖2 臺站平面分布圖Fig.2 Plane distribution map of the station

圖3 地電場布極圖Fig.3 Electrodes arrangement of geoelectric field

1.3 臺站儀器基本情況

翁田臺始建于2009年，起初為測震觀測臺，海南“十一五”地震背景場項目建設(shè)時期，新增地電場觀測項目。該臺站為無人值守臺站。臺站地電場儀器于2012年12月安裝，2014年6月6日起試運行，2015年8月18日通過國家局驗收。2016年1月13日，安裝輔助觀測氣象三要素儀器，儀器運行正常。臺站使用的電極是Pb-PbCl2固體不極化電極；電纜線采用的是廣州珠江電纜廠生產(chǎn)的YJV22系列2×4（2芯4 mm2）銅芯鎧裝電纜。

2 存在的問題

文昌翁田臺地電場儀器自2014年開始試運行，數(shù)據(jù)連續(xù)運行良好且穩(wěn)定；至2017年由于電極老化造成數(shù)據(jù)不穩(wěn)定，2017年11月更換電極后，數(shù)據(jù)質(zhì)量穩(wěn)定，日變化明顯且日相關(guān)性非常好，日相關(guān)系數(shù)保持在1左右。但也會有一些日相關(guān)系數(shù)不穩(wěn)定的情況存在，主要是由降雨及觀測系統(tǒng)造成的（圖4和圖5）。

圖4 2018年1月翁田臺日變曲線圖Fig.4 Daily variation curves of Wengtian station in January 2018

圖5 翁田臺日相關(guān)系數(shù)圖Fig.5 Daily correlation coefficient map of Wengtian station

從2019年3月20日起翁田臺地電場NS向長極距觀測日相關(guān)系數(shù)，出現(xiàn)逐漸下降趨勢，甚至出現(xiàn)負(fù)值情況；EW向日相關(guān)系數(shù)在2020年3月18日開始下降至0.5以下，無法達(dá)到地電場觀測規(guī)范要求（圖6）。NS向長極與短極日變化曲線形態(tài)也不一致，呈反向變化形態(tài)（圖7），并出現(xiàn)外線路絕緣度下降趨向于零等情況。

圖6 日相關(guān)系數(shù)圖(2019-03-01—2020-02-28)Fig.6 Daily correlation coefficient map（2019-03-01—2020-02-28）

圖7 地電場NS向長短極曲線圖Fig.7 North-south long and short pole curves of geoelectric field

3 干擾因素分析與排查

為了弄清楚干擾因素，解決數(shù)據(jù)干擾問題，對翁田臺的地電場觀測系統(tǒng)進(jìn)行逐一的檢查。

ZD9A-2B型大地電場儀觀測系統(tǒng)是由裝置系統(tǒng)和測量系統(tǒng)組成（圖8）。室外測量電極被埋入電極坑內(nèi)后，將采集到的大地電場信號通過電極引線、測量線、避雷裝置等傳輸給室內(nèi)的ZD9A-2B型大地電場儀存儲處理，ZD9A-2B型大地電場儀將一天的數(shù)據(jù)包通過RJ45接口發(fā)送至省局臺網(wǎng)中心做進(jìn)一步分析處理。

圖8 ZD9A-2B型大地電場儀觀測系統(tǒng)框圖Fig.8 Block diagram of ZD9A-2B geodetic electric field instrument observation system

3.1 室內(nèi)觀測裝置系統(tǒng)排查

室內(nèi)觀測系統(tǒng)主要由儀器主機、防雷器裝置和測量電纜線組成。目前測量電纜線與主機連接線通過卡槽器直接相連，儀器主機自2019年3月后標(biāo)定6次，標(biāo)定結(jié)果均合格（標(biāo)定儀器2019年底送檢，檢查結(jié)果合格）。因此，排除了可能由室內(nèi)觀測裝置系統(tǒng)帶來干擾影響的因素。

3.2 室外外線路排查

常規(guī)外線路故障主要包括線路虛接與斷開、線路漏電、線路連接錯誤等。當(dāng)發(fā)生故障時，觀測數(shù)據(jù)會出現(xiàn)兩道或多道數(shù)據(jù)較大幅度的同步非正常變化。翁田臺大地電場的電纜線由觀測室分6條獨立電纜線鋪設(shè)至電極墩。翁田臺地電場數(shù)據(jù)出現(xiàn)干擾問題后，我們分別對以下可能存在影響的因素進(jìn)行了排查：①電纜線絕緣電阻的測量（表1）；②電纜線從觀測室引出部分是否存在破損；③電纜線與電極引線接頭是否漏電；④分別對NS向與EW向長極與短極進(jìn)行電纜線比測實驗。對外線路逐一排查的結(jié)果為：公共極長極與短極絕緣度為12 MΩ和15 MΩ；北南向與東西向長極與短極絕緣度低至0.2 MΩ；電纜線從觀測室引出部分電纜線無破損現(xiàn)象；電纜線與電極引線接口無漏電現(xiàn)象。

表1 外線路絕緣度測量表（單位：兆歐）Table1 External circuit insulation measurement table （unit：MΩ）

為了進(jìn)一步證明電纜與干擾源的關(guān)系，我們采用比測實驗方式進(jìn)行驗證。

（1）2019年12月26—28日進(jìn)行了NS向電纜線比測實驗。實驗?zāi)康氖菫榱藱z測長極與短極電纜線絕緣度下降是否對數(shù)據(jù)造成影響并檢驗電纜線是否存在故障；實驗結(jié)果為：①電纜線更換前后數(shù)據(jù)變化不大，數(shù)據(jù)變化形態(tài)沒有改變；②NS向日變曲線變化不大（圖9）。

圖9 更換NS向長極與短極電纜線數(shù)據(jù)圖Fig.9 Data diagram of replacing the long and short pole cables of north-south direction

（2）2020年9月3—4日進(jìn)行了EW向電纜線比測實驗。實驗?zāi)康氖轻槍W向電纜線絕緣度趨向于零，電纜線對數(shù)據(jù)的影響情況。實驗結(jié)果為：①電纜線對EW向短極數(shù)據(jù)影響較大，舊電纜產(chǎn)出的數(shù)據(jù)失真；②電纜線對東西向長極數(shù)據(jù)影響不大（圖10）。

圖10 更換EW向長短極電纜線前后對比圖Fig.10 Comparison chart beforeand after replacing thelong and short polecablesof east-west direction

3.3 電極排查

地電場測量電極故障可分為兩大類，一類為電極與線路連接處故障，主要為線路銹蝕造成的接觸不良，可以進(jìn)行現(xiàn)場排除；另一類為電極老化，包括電極與土壤接觸不良和電極超過使用時限等，需要在附近地表埋設(shè)檢測電極進(jìn)行對比分析，確認(rèn)后，需要對故障電極進(jìn)行更換。電極故障特征如下：電極故障直接影響與之相關(guān)的測道數(shù)據(jù)，變化特征為不規(guī)律數(shù)據(jù)跳動；電極一旦出現(xiàn)故障，若不經(jīng)過處理，不能自行修復(fù)；異常變化有可能朝單一方向緩慢漂移而不能自行恢復(fù)[14]。

3.3.1 電極與線路連接處排查

在現(xiàn)場我們對電極與線路連接處進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)連接電纜線有銹化現(xiàn)象，因此，剪切銹化部分后將電纜線與電極引線直接連接。之后再進(jìn)行檢查連接處，無銹化現(xiàn)象存在。

3.3.2 電極排查

對電極我們進(jìn)行了2次三角形閉合回路測量和1次比測排查工作：

（1）針對NS向長、短極和公共極是否存在故障等問題，采用閉合回路測量，原理為：NS和EW向長極（短極）及公共極之間相當(dāng)于一個三角形閉合回路，使用萬用表兩兩測量NS、EW和NE之間的值，其和趨向于零，即：

① 2020年9月3—4日閉合回路測量結(jié)果為：長極，VNS=16.3 mV，VEW=?18.6 mV，VNE=3.4 mV；三者之和趨向于零。因此，NS向長極與EW向長極電極是正常的。測量短極時北南NS向短極數(shù)據(jù)不穩(wěn)定，一直在跳動，故而判斷NS向短極存在故障現(xiàn)象。

② 2020年9月21—23日再次進(jìn)行閉合回路測量：測量結(jié)果與3—4日測量結(jié)果一致，NS向短極數(shù)據(jù)依然不穩(wěn)定，一直在跳動，因此，判定NS向短極存在故障。

（2）電極比測實驗：2020年9月21—23日同時還進(jìn)行了電極比測實驗。實驗操作：①用測試電極替換公共極長極與NS向短極電極；②使用新的電纜線（電線）替換NS向短極電纜線、EW向短極電纜線和EW向長極電纜線（圖11）。實驗結(jié)果表明：NS向短極電極故障，公共極長極電極故障和EW向短極電纜線故障，導(dǎo)致數(shù)據(jù)失真（圖12）。

圖11 電極比測實驗圖Fig.11 Test diagram of electrode comparison

圖12 電極比測曲線實驗圖Fig.12 Experimental diagram of electrode comparison curves

4 解決辦法

（1）更換電極：①2020年7月22—23日更換NS向長極與短極電極。更換后，效果不理想，長極與短極日變化趨勢仍不一致，日相關(guān)系數(shù)也沒有上升，未達(dá)到我們預(yù)期的效果；并且NS向短極還出現(xiàn)數(shù)據(jù)上漂（大于儀器觀測范圍）和不定時的突跳干擾現(xiàn)象（圖13和圖14）。②2020年10月26—27日對NS向短極與公共極長短極電極進(jìn)行了更換。更換后，數(shù)據(jù)曲線變化一致（圖15），日相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.8以上（圖16），達(dá)到地電場觀測規(guī)范要求。

圖13 地電場2020-08-04—13日變曲線圖Fig.13 Daily variation curves from 2020-08-04 to 13

圖14 NS短極出現(xiàn)不定時干擾曲線圖(2020-08-06—19)Fig.14 Irregular interference curves of NSshort pole（2020-08-06—19）

圖15 2020-11-04—10地電場日變曲線Fig.15 Daily variation curvesof geoelectric field from 2020-11-04 to 10

圖16 2020-11-01—12-31日相關(guān)系數(shù)圖Fig.16 Correlation coefficient diagram from 2020-11-01 to 12-31

（2）替換電纜線：更換電纜檢測墩至NS向（EW向）短極與長極電極電纜線；更換后，地電場數(shù)據(jù)日變化明顯；NS向長極與短極數(shù)據(jù)形態(tài)呈一致變化；三測道日相關(guān)系數(shù)恢復(fù)達(dá)到0.8以上；NS向與EW向四測道電纜線絕緣度達(dá)到150 MΩ以上（表2）。

表2 2020年10月27日外線路絕緣度測量表(單位：兆歐)Table 2 External circuit insulation measurement table on 2020-10-27（unit：MΩ）

5 結(jié)論

觀測數(shù)據(jù)是否能為地震預(yù)報服務(wù)關(guān)鍵在于數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。海南文昌翁田臺地電數(shù)據(jù)質(zhì)量下降，為了查找干擾源，從儀器本身出發(fā)，根據(jù)工作原理，再剖析觀測數(shù)據(jù)相關(guān)因子，進(jìn)而解決干擾因素。文昌翁田臺大地電場觀測數(shù)據(jù)受干擾的影響因素，經(jīng)過一系列檢查和排除，最后確定為電極故障與電纜線破損造成絕緣度下降。根據(jù)對翁田地電臺干擾因素排查工作，獲得以下幾點結(jié)果：

（1）地電場日變化曲線良好，NS向長極與短極、EW向長極與短極、NE向長極與短極日變曲線呈一致變化趨勢；

（2）長極距三測道日相關(guān)系數(shù)恢復(fù)到0.8以上；

（3）NS向與EW向四測道電纜線絕緣度達(dá)150 MΩ；

（4）目前NS向長極與EW向長極偶爾會出現(xiàn)臺階干擾現(xiàn)象，懷疑此現(xiàn)象是由公共極長極電極不穩(wěn)定造成的。

（5）EW向短極與NE向短極偶爾出現(xiàn)向上緩升后，經(jīng)過幾小時或十幾小時后緩降的干擾現(xiàn)象，此干擾需進(jìn)一步查明原因。