大同中心地震台地电场变化特征及影响因素分析

彭丽娟，闫美蓉，韩 胜，李文超，白伟利，刘 发，张文慧

(1.山西省地震局大同中心地震台，山西 大同 037000；2.太原大陆裂谷动力学国家野外科学观测研究站，山西 太原 030025)

0 引言

地电场是一种地球物理场,主要指地表及地球内部存在的电场。地电场前兆观测主要观测地电场的地表分量及其时空变化，是地震监测预报中的一种前兆手段。在日常观测中，地电场观测资料记录到的干扰形态有多种，影响因素也不尽相同。2005年山西省地震局首次引入地电场观测项目即“十五数字地震网络工程”，在大同、代县、太原、临汾、夏县建设地电场观测台站。多年来运行良好，观测数据稳定[1]。文章以大同中心地震台(以下简称大同台)地电场各测道2014年1月1日至2017年6月30日的分钟值数据为基础进行分析研究，结合工作日志统计日变情况，对雨雪、雷电、大风等天气变化、周边环境改变、外空磁场环境变化，以及观测系统本身变化等可能存在的影响因素进行分析，得出大同台地电场变化特征及具体影响因素。为快速准确识别干扰因素、捕捉地震前的异常信息、判断观测系统中可能出现的技术故障提供参考依据。

1 地电场观测项目基本情况

根据“中国数字地震观测网络”总体设计和“山西省数字地震观测网络”建设方案，2006年1月大同台在大同市南郊区马军营乡上皇庄村新建了地电场项目。项目场地选在原来的地电阻率场地上，独立布设电极和线路，采用地电场常用的L型观测装置布设。具体为：在场地中心点向南和向东布设测线，每个方向均有两个测道。选取不同极距埋设电极，其中长极距为300 m，短极距为200 m，形成6极共用。室内分线组合成12个输入端进入仪器，形成6个测道，分别是：南北向长极距300 m、南北向短极距200 m、东西向长极距300 m、东西向短极距200 m、北45度东向长极距424 m、北45度东向短极距283m。布极中心点距观测室约750 m(见图1)。2006年7月ZD9A-Ⅱ地电场仪试运行，2008年1月1日正式运行。经过多年的观测运行，观测质量较好，数据稳定，相关系数在0.9以上。

2 地电场观测数据变化特征

大同台地电场观测数据稳定、连续、可靠，各测道年均连续率均在99.8%以上，完整率在99.5%以上，相关系数约0.94，差值约0.4。大同台地电场观测主要特征是：背景噪声大，日变曲线多数呈弱日变。由于线路架设在农田中，测量数据及相关系数易受降雨、降雪、大风、雷电等自然现象及不明原因的影响。电磁暴或电磁扰动多数情况下对地电场影响不明显，大的电磁暴能够记录到。大同台地电场每月平均弱日变天数在10 d左右，日变幅度为4.90～6.50 mV/km。

3 地电场观测数据影响因素分析

从大同台地电场观测数据变化情况看出，雷电、雨雪、大风等自然环境变化、场地环境变化、地球物理事件、人为干扰因素、观测系统异常等因素都可能对地电场观测数据产生影响，同时还存在一些不明原因的影响。

3.1 自然环境影响

由于线路架设在农田中，大同台地电场测量数据及相关系数易受降雨、雷电、大风等自然现象的影响，几乎每次降雨、降雪、大风、雷电都会引起地电场数据的明显变化。自然环境的变化会影响大地电场的正常动态变化，引起地电场观测曲线出现高频抖动、趋势性上升或下降等变化[2]。2014年1月1日至2017年6月30日，大同台共记录到105起因降雨、雷电、大风、降雪等自然环境变化而导致观测数据异常的事件。各测道数据最大变幅为287.84 mV/km，每次变化都会随着降雨、雷电、大风等的结束逐渐恢复到正常背景值。图2为2014年至2016年受自然环境干扰的典型图形。

图2 自然环境干扰对地电场观测预处理分钟值的影响Fig.2 Influence of natural environmental interference on preprocessing minute value of geoelectric field

3.2 场地环境变化影响

地电场观测对场地环境有较高要求，测区环境变化通常会导致观测数据发生变化。测区内出现改变电磁环境的物体，以及流体分布发生变化时，会造成观测数据出现强烈扰动现象[3]。2014年1月1日至2017年6月30日，大同台共记录到12起因附近打井、农田灌溉、电线漏电等场地环境变化而对观测数据产生干扰的事件，各测道数据最大变幅为177.97 mV/km。农田灌溉积水下渗导致地下介质电阻率变化，造成地电场观测数据曲线下降、上升、阶变，此类干扰通常会随着农田水分蒸发而消失。电线漏电则会导致土壤介质中带电离子电位发生变化，造成观测数据产生阶变。第18页图3为2015年典型场地环境干扰图形。

3.3 地球物理事件影响

大地电场主要是大气层中的各种电流体系在地球内部所产生的感应电场，与地球外部磁场变化有着直接的关系。地球外部磁场变化，如地电暴、磁暴、太阳粒子流大爆发等情况都会引起电场变化[4]。2014年1月1日至2017年6月30日，大同台记录到1起因地电暴干扰而影响观测数据的事件。地电暴是指在磁暴时记录到的地电场剧烈变化。当地电暴发生时，所有电场观测项和地磁要素均发生不同程度的变化。第18页图4为2015年3月16日至22日大同台第一装置北东向和第二装置北南向预处理分值图，可以看到3月17日17时至18日11时受地电暴干扰，地电场各测道数据出现不同程度的变化。

3.4 人为干扰的影响

人为干扰会对观测环境和观测系统等产生影响[5-6]，进而对地电场观测数据产生干扰。2014年1月1日至2017年6月30日，大同台共记录8起因更换电极、仪器标定、线路检测等人为因素对观测数据产生干扰的事件，其中6次更换电极，导致6个测道产生数据阶变，阶变最大幅度22.27 mV/km。更换之后，观测数据通常需要经过一段时间调整才能逐渐趋于原值，这可能与电极自身、电极坑内土壤的结合以及自身极化调整的过程有关。第18页图5为2015年9月7日大同台第一装置北东向和第二装置北南向预处理分值图，在17：59至18：28因进行季度标定，造成数据缺测以及错误数据，其他时间段数据变化正常。图6为2016年9月7日大同台第一装置北东向和第二装置北南向预处理分值图，在14:00至15:20因季度巡检检测外线路造成干扰，数据变幅严重超差，发生较大突跳。

图3 场地环境对地电场观测预处理数据的影响Fig.3 Influence of site environment on preprocessing data of geoelectric field

图4 地电暴干扰对地电场观测预处理数据的影响Fig.4 Influence of geoelectric storm interference on preprocessing data of geoelectric field

3.5 观测系统的影响

图5 仪器标定对地电场观测预处理数据的影响Fig.5 Influence of instrument calibration on preprocessing data of geoelectric field

图6 外线路检测对地电场观测预处理数据的影响Fig.6 Influence of external line detection on preprocessing data of geoelectric field

地电场观测系统主要完成地电场信号的采集、模数转换、数据储存、数据处理等，主要由测量装置系统(外线、电极等)和测量系统(主机、电源)组成[7]。观测系统每部分的状态直接影响观测数据的质量。通常装置系统干扰会影响观测数据的稳定性，测量系统干扰会降低数据的连续率和完整率[8]。2014年1月1日至2017年6月30日，大同台共记录到9起因电极故障或电极运行不稳定、地电场外线被盗等对观测数据产生干扰的事件，各测道数据最大变幅为102.58 mV/km。第19页图7为2017年3月26日至27日大同台第二装置北南向和东西向预处理分值图，可以看出3月26日20:56至27日00:50，观测数据出现阶变，最大变化78.68 mV/km。数据变化后，检查仪器及室内线路，巡视外线路和测区环境等，一切正常。分析认为，数据阶变和短道公共电极有关，长道数据正常。因此，排除场地环境的影响，是由短道电极不稳定引起的数据阶变。

3.6 不明原因干扰

不明原因引起的观测数据突跳、阶变等情况，需要在今后的观测工作中予以重点关注，做进一步的分析研究和查找。2014年1月1日至2017年6月30日，大同台共记录9起不明原因对观测数据产生干扰的事件，数据最大变幅69.4 mV/km。第19页图8为2015年1月12日至18日第一装置北东向和第二装置北南向预处理分值图，看出1月18日11:55至14:31数据发生阶变，各测道数据变化范围为3.56～8.03 mV/km。巡视并检查外线路和测区环境、仪器及室内线路等，未发现明显异常及干扰源，数据阶变原因不明。

图7 电极运行不稳对地电场观测预处理数据的影响Fig.7 Influence of unstable electrode operation on preprocessing data of geoelectric field

图8 不明原因对地电场观测预处理数据的影响Fig.8 Influence of unexplained factors on preprocessing data of geoelectric field

4 结论

通过以上分析，得出如下结论：

(1) 大同台地电场观测数据稳定、连续、可靠，主要特征是背景噪声大，日变曲线多数呈弱日变，每月平均弱日变天数在10 d左右，日变幅为4.90～6.50 mV/km。

(2) 大同台地电场观测数据易受降雨、雷电、雨雪、大风等自然环境的影响；场地环境变化、地球物理事件、人为干扰、观测系统也会对观测数据产生影响；此外，还存在一些不明干扰因素，需在今后的工作中做进一步的分析研究。

参考文献：

[1] 殷志刚,宋美萍,陈常俊,等.山西大地电场弱日变分析[J].山西地震,2010(3):14-17.

[2] 殷志刚,张彩艳.山西地电场特征初探[J].国际地震动态,2012(6):296-296 .

[3] 沈红会,冯志生,李伟,等.地电场观测中若干问题的讨论[J].华南地震，2005,25(4):10-16.

[4] 王向阳，陈常俊，王洪峰，等.山西夏县中心地震台大地电场观测数据变化特征初探[J].山西地震,2012(2):12-17.

[5] 李惠玲，程冬焱，胡玉良，等.宽频带倾斜仪及其观测干扰因素分析[J].山西地震，2017(2)：16-21.

[6] 李惠玲，高云峰，程冬焱，等.VP宽频带垂直摆倾斜仪观测干扰识别[J].地震地磁观测与研究，2018，39(2)：100-107.

[7] 胡小静,毕青,付虹.大地电场观测中干扰变化的特征分析[J].地震,2017,37(2):157-166.

[8] 张仰辉,荆红亮,李艳,等.影响地电场观测数据干扰因素分析[J].地震地磁观测与研究,2010,31(4):92-101.