2021年山東菏澤地電場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)異常識(shí)別及干擾排除

申茂正,周銘輝,張 軍,陳亞紅,張繼紅,馮梁樂(lè)

(1.山東省地震局菏澤地震監(jiān)測(cè)中心站,山東 菏澤 274000;2.山東省地震局,山東 濟(jì)南 250014)

0 引言

地電場(chǎng)是重要的地球物理場(chǎng)之一。根據(jù)場(chǎng)源的不同,地電場(chǎng)可分為大地電場(chǎng)和自然電場(chǎng)兩部分。大地電場(chǎng)由地球外部的各種場(chǎng)源作用在地球表面感應(yīng)產(chǎn)生,一般具有廣域性;自然電場(chǎng)由地下場(chǎng)源產(chǎn)生,是地下介質(zhì)電性結(jié)構(gòu)、地表、裂隙流體及地下金屬體的物理、化學(xué)變化引起的局部性電場(chǎng)變化,一般具有局部性(或稱為地域性)[1-2]。大地電場(chǎng)觀測(cè)作為地震前兆監(jiān)測(cè)的重要手段,易受到電暴(磁暴)、人類活動(dòng)、雷電、降水、觀測(cè)系統(tǒng)本身變化(包含更換電極)、電阻率測(cè)量、公用接地網(wǎng)等因素干擾,為地震前兆信息的識(shí)別帶來(lái)困難[3]。

菏澤電磁臺(tái)GEF-Ⅱ地電場(chǎng)儀觀測(cè)數(shù)據(jù)于2021年9月至2022年2月出現(xiàn)異常變化,為明確異常出現(xiàn)的原因,開(kāi)展研究工作。通過(guò)巡查觀測(cè)區(qū)環(huán)境、檢查觀測(cè)系統(tǒng)及外裝置系統(tǒng)、調(diào)用相鄰臺(tái)站地電場(chǎng)備機(jī)開(kāi)展試驗(yàn)等方式,逐步排查,找到引起觀測(cè)數(shù)據(jù)變化的因素。最終排除故障、恢復(fù)正常觀測(cè),保證觀測(cè)數(shù)據(jù)的連續(xù)性及觀測(cè)資料質(zhì)量。

1 菏澤地電場(chǎng)觀測(cè)概況

菏澤地電場(chǎng)采用常用的L型觀測(cè)裝置布設(shè),有NS、EW、NW向六條測(cè)線,獨(dú)立布設(shè)電極和線路。具體為:在場(chǎng)地中心點(diǎn)向北和向西布設(shè)測(cè)線,每個(gè)方向均有兩個(gè)測(cè)道,選取不同極距埋設(shè)電極,室內(nèi)分線組合成六個(gè)輸入端進(jìn)入儀器,形成六個(gè)測(cè)道為南北向長(zhǎng)極距0.350 km、短極距0.200 km,東西向長(zhǎng)極距0.350 km、短極距0.200 km,北西向長(zhǎng)極距0.495 km、短極距0.283 km[4]。

2015年11月更換為蘭州地震研究所生產(chǎn)的新型固體不極化電極,2016年6月30日至7月5日更換地電場(chǎng)觀測(cè)外線路及配電盒。由于電極老化,到達(dá)使用年限,于2021年12月16日18時(shí)更換為蘭州大地物探研究所生產(chǎn)的LGB-3型不極化電極。電極采用蘭州地震研究所生產(chǎn)的固體不極化電極6個(gè),埋設(shè)在地表凍土層以下的潮濕土壤中,深度8 m,各電極基本處于同一平面,電極坑中土質(zhì)相同[5]。地電場(chǎng)外線均采用鎧裝電纜架空方式敷設(shè),地電場(chǎng)配電盒按照規(guī)范要求設(shè)置,觀測(cè)室內(nèi)配電盤裝有避雷設(shè)施,配電盤和儀器均做接地處理。

2 異常觀測(cè)數(shù)據(jù)分析

菏澤臺(tái)地電場(chǎng)各測(cè)道觀測(cè)數(shù)據(jù)自2021年9月以來(lái),經(jīng)常出現(xiàn)錯(cuò)誤數(shù)據(jù),嚴(yán)重時(shí)一天內(nèi)有10 h以上的錯(cuò)誤數(shù)據(jù)(見(jiàn)圖1)。短極距北南向、東西向觀測(cè)數(shù)據(jù)出現(xiàn)此種情況尤為嚴(yán)重,日變幅最高時(shí)達(dá)到6 548 mV/km-1。同時(shí),各測(cè)道測(cè)值相關(guān)系數(shù)也出現(xiàn)大幅度降低,有時(shí)為負(fù)相關(guān)(見(jiàn)圖2)。此情況影響了觀測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性,為日常前兆觀測(cè)資料分析造成極大干擾。為此,2021年12月16日更換LGB-3型不極化電極,之后,觀測(cè)數(shù)據(jù)恢復(fù)正常。12月23日后,地電場(chǎng)短極距觀測(cè)數(shù)據(jù)出現(xiàn)間歇性突跳,日變幅最高時(shí)達(dá)到6 548 mV/km-1(見(jiàn)圖1)。臺(tái)站工作人員針對(duì)2021年9月及12月更換電極前后出現(xiàn)的觀測(cè)數(shù)據(jù)異常情況,開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)核實(shí)、檢查工作。

圖2 2021年9月至2022年2月地電場(chǎng)測(cè)值相關(guān)系數(shù)Fig.2 Correlation coefficients of geoelectric field measurements from September 2021 to February 2022

2.1 檢查供電線路

出現(xiàn)數(shù)據(jù)異常后,對(duì)觀測(cè)樓內(nèi)供電線路進(jìn)行檢查測(cè)量,發(fā)現(xiàn)臺(tái)站整個(gè)觀測(cè)樓內(nèi)零線帶電,零線對(duì)地電壓為200 V左右。經(jīng)過(guò)咨詢,使零線帶電的原因有很多種:線路上有電氣設(shè)備漏電,保護(hù)裝置未發(fā)揮作用;線路上有一相接地,電網(wǎng)中的總保護(hù)裝置沒(méi)有得到保護(hù);零線斷裂等。

9月10日請(qǐng)專業(yè)人員對(duì)辦公樓線路進(jìn)行全面檢查,發(fā)現(xiàn)一條火線被老鼠咬斷,維修之后電壓恢復(fù)正常,零線帶電情況解決。漏電情況解決后,短極距東西向、南北向觀測(cè)數(shù)據(jù)出現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)段錯(cuò)誤數(shù)據(jù)情況仍未好轉(zhuǎn),故排除臺(tái)站內(nèi)供電線路漏電原因。

2.2 巡查外裝置系統(tǒng)

對(duì)外線路、室內(nèi)線路接線插頭、外線路絕緣電阻、電極引線與外線路連接處等進(jìn)行排查發(fā)現(xiàn),電極引線與外線路連接處正常;室內(nèi)線路接線插頭無(wú)虛接現(xiàn)象;外線路外觀正常、無(wú)破損及人為破壞情況,利用絕緣電阻測(cè)試儀對(duì)外線路進(jìn)行絕緣測(cè)試,搖表數(shù)值大于200 MΩ,說(shuō)明外線路絕緣性能良好。由此,排除由外裝置系統(tǒng)故障引起觀測(cè)數(shù)據(jù)異常的情況。

2.3 觀測(cè)試驗(yàn)對(duì)比

為判斷是否由觀測(cè)儀器故障引起觀測(cè)數(shù)據(jù)異常變化,于2021年9月16日借來(lái)乳山臺(tái)地電場(chǎng)備機(jī)進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。試驗(yàn)之前,對(duì)備用儀器進(jìn)行校準(zhǔn)和參數(shù)設(shè)置,保證試驗(yàn)時(shí)備用儀器與菏澤臺(tái)在用儀器處在相同的狀態(tài)下進(jìn)行工作。對(duì)比圖1、圖2發(fā)現(xiàn),2021年9月17日以來(lái)的觀測(cè)數(shù)據(jù)異常情況沒(méi)有明顯改善,相關(guān)系數(shù)與更換儀器前相比沒(méi)有升高。由此判定,菏澤臺(tái)在用地電場(chǎng)觀測(cè)儀器不存在問(wèn)題。

2.4 更換地電場(chǎng)電極

從觀測(cè)儀器對(duì)比測(cè)試、觀測(cè)線路以及觀測(cè)場(chǎng)地等方面檢查結(jié)果來(lái)看,這些環(huán)節(jié)均正常,不是引起此次數(shù)據(jù)異常變化的原因。觀測(cè)日志記錄顯示菏澤臺(tái)地電場(chǎng)電極上次更換時(shí)間為2015年,至今已有六年時(shí)間,使用年限已超過(guò)固體不極化電極的使用壽命。結(jié)合以上試驗(yàn)及排查情況,為解決觀測(cè)數(shù)據(jù)異常變化的問(wèn)題,于2021年12月16日對(duì)中心點(diǎn)公共長(zhǎng)短電極、南北向和東西向長(zhǎng)短電極進(jìn)行更換。對(duì)比更換電極前后原始數(shù)據(jù)曲線、日相關(guān)系數(shù)和差值看出,相關(guān)系數(shù)和差值在更換電極后明顯提高,觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量得到明顯改善(見(jiàn)表1、表2)。

表1 更換電極前后測(cè)值日相關(guān)系數(shù)Table 1 Daily correlation coefficients before and after electrode replacement

表2 更換電極前后測(cè)值日差值Table 2 Daily differences in measurements before and after electrode replacement

2.5 公共電極及外線路檢查

菏澤地電臺(tái)GEF-Ⅱ地電場(chǎng)儀觀測(cè)數(shù)據(jù)自2021年12月16日18時(shí)更換電極后觀測(cè)數(shù)據(jù)一直正常,但從23日開(kāi)始,短極距東西向、南北向觀測(cè)數(shù)據(jù)出現(xiàn)畸變、錯(cuò)誤數(shù)據(jù),短極距北西向觀測(cè)數(shù)據(jù)正常,判斷可能是中心點(diǎn)公共短電極、外線路、閘刀、儀器內(nèi)部公共短測(cè)道的問(wèn)題。經(jīng)過(guò)和山東省地震局專家論證后,決定對(duì)電極以及外線路分別進(jìn)行測(cè)試。

(1) 12月26日在室內(nèi)配線盤,斷開(kāi)中心點(diǎn)公共短電極,引入室內(nèi)的公共短電極外線路,把儀器端中心點(diǎn)公共短電極測(cè)量線并接到中心點(diǎn)公共長(zhǎng)電極測(cè)量線上。在測(cè)量長(zhǎng)、短極距南北向、東西向數(shù)據(jù)時(shí),共用中心點(diǎn)公共長(zhǎng)極距外線路及公共長(zhǎng)電極。

(2) 在26日試驗(yàn)基礎(chǔ)上,27日在野外中心點(diǎn)公共電極處,斷開(kāi)公共長(zhǎng)電極與外線路的連接,用中心點(diǎn)公共長(zhǎng)電極外線路連接中心點(diǎn)公共短電極。在測(cè)量長(zhǎng)、短極距南北向、東西向觀測(cè)數(shù)據(jù)時(shí),共用中心點(diǎn)公共長(zhǎng)電極外線路及中心點(diǎn)公共短電極。

(3) 兩次試驗(yàn)包含對(duì)中心點(diǎn)公共長(zhǎng)電極、公共短電極、公共長(zhǎng)電極外線路的檢測(cè),對(duì)比前后的觀測(cè)數(shù)據(jù)(見(jiàn)表3、表4),未發(fā)現(xiàn)明顯變化,說(shuō)明試驗(yàn)中包含的電極和外線路不存在問(wèn)題。初步判定故障點(diǎn)可能出現(xiàn)在中心點(diǎn)公共短電極外線路及外線路與電極連接線處的閘刀之間。

表3 檢查前后測(cè)值日相關(guān)系數(shù)Table 3 Correlation coefficients of measurements before and after investigation

表4 檢查前后測(cè)值日差值Table 4 Daily differences in measurements before and after investigation

(4) 確定故障點(diǎn)后,巡查中心點(diǎn)短電極外線路及外線路與電極連接線處的閘刀。中心點(diǎn)短極距外線路外觀無(wú)破損情況,通過(guò)絕緣電阻測(cè)試儀對(duì)該外線路對(duì)地絕緣電阻進(jìn)行測(cè)試,接近無(wú)窮大,表明外線路無(wú)故障;檢查發(fā)現(xiàn)中心點(diǎn)公共短電極引線與外線路連線閘刀處由于更換公共短電極引線時(shí)操作不當(dāng),導(dǎo)致閘刀出現(xiàn)問(wèn)題,使得外線路與中心點(diǎn)公共短電極引線接觸不良,將外線路與該電極引線避開(kāi)閘刀進(jìn)行直連后,觀測(cè)數(shù)據(jù)恢復(fù)正常。

3 結(jié)論與討論

菏澤臺(tái)地電場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常變化后,臺(tái)站工作人員結(jié)合異常特征,從觀測(cè)儀器、外裝置系統(tǒng)、更換電極和公共點(diǎn)對(duì)比實(shí)驗(yàn)等多方面進(jìn)行綜合研判,最終確定造成觀測(cè)數(shù)據(jù)異常變化的原因?yàn)殡姌O老化和外線路與公共短電極引線處的閘刀接觸不良所致,排除地球物理場(chǎng)異常變化。

菏澤地電臺(tái)地電場(chǎng)布極區(qū)位于農(nóng)田,受到的自然條件及人為干擾因素較多,主要受農(nóng)田機(jī)械作業(yè)、農(nóng)田灌溉、灌溉設(shè)備漏電、高壓直流輸電、地電暴等因素影響。異常落實(shí)工作應(yīng)在異常數(shù)據(jù)出現(xiàn)后,通過(guò)分析異常數(shù)據(jù)形態(tài),初步確定產(chǎn)生異常的原因,制定具體的異常落實(shí)方案和措施。如果地電場(chǎng)所有測(cè)道的觀測(cè)數(shù)據(jù)在同一時(shí)間都記錄到干擾,可以考慮地電暴、高壓直流輸電、降雨、雷電等因素的影響;如果是個(gè)別測(cè)道或者兩個(gè)測(cè)道的觀測(cè)數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常變化,要分析兩個(gè)測(cè)道共用的電極,大致確定排查干擾的方向,避免盲目地進(jìn)行異常核實(shí)而延長(zhǎng)數(shù)據(jù)異常時(shí)間,耽誤震前異常信息的捕捉。

感謝山東省地震局張繼紅研究員和中國(guó)地震局席繼樓研究員給予的幫助與指導(dǎo)!