地电场多极距观测的异常识别和分析

2014-09-04李伟马钦忠王冠玥

中国地震 2014年1期

李伟马钦忠王冠玥

1)上海市地震局，上海市兰溪路87号 200062

2)上海第二工业大学，上海 201209

0 引言

对大地电场的观测和研究已有100多年的历史，早期主要是用于探矿和地球结构勘探，将其运用于地震前兆观测和研究则是在最近的40年(陈友发等，1999;孙正江，1999;郑兆苾等，2005)。20世纪80年代以前，地电场观测采用的是单极距观测方式，该方式是测量某一方向上近地表两个电极之间的电位差。由于观测装置自身的原因致使观测数据中容易记录到大量干扰噪声导致有用信息无法识别，相关研究进展缓慢。1981年希腊雅典大学的三位学者Varotsos、Alexopoulous和Nomicos提出了利用地震电信号及其选择性特征来预测地震的方法，并进行了震前地电场多极距观测研究(Varotsos et al，1984a、1984b)，其后自1988年起他们多次公开发布预报意见，并报准几次5～6级地震。此后，地电场预报地震的问题在国际学术界引起了极大的反响(钱复业等，2005)。所谓多极距观测其实质是在同一方向上同时布设不同极距的电极，这样形成的偶极电极可以测量出不同极距之间的电位差，这种电位差异反映了测区内地电场的差异。通过该方法可以区分出电极极化及测区内外扰动等的干扰信号，使得对噪声的识别水平大为提高，从而为确定地震电信号提供了判别依据(Varotsos et al，1984b、1991)。我国早在1968年河北香河群测点开展了“土地电”观测，其所测信号的物理量与“VAN”的观测量类似(钱复业等，2005)。目前全国已建成并正在运行的数字化地电场观测台站有100多个。另外采用多极距观测的形式与以往单极距观测也大不相同。多极距观测在很大程度上提升了地电场观测系统对噪声的识别能力，但由于目前噪声来源及其多样性，给观测数据的异常识别带来了很多不便。本文就以上海及周边地区的地电场观测数据为例，对地电场多极距观测装置系统的观测数据进行属性分析，并对异常数据的识别进行分析。

1 观测原理介绍

1984年希腊雅典大学的“VAN”小组发表文章指出地震前地电场会发生变化。他们利用多极距装置对地电场开展观测，其中多极距观测系统主要是在NS向和EW向分别布设多组具有不同极距的电极，通过分析在同一方向上不同偶极距之间地电场分量的差异来分析测区附近干扰对地电场观测的影响。电极布设及观测原理如图1所示，图中在某一方向上布设了长极距A、B，并在同一方向上再布设短极距A'和B'，其中A、B和A'、B'分别为一对偶电极。这样偶电极与地面形成了回路，就可在同一方向上观测到A、B和A'、B'之间的电位差，而不同的电位差与相应观测距离之间的比值正好描述了该方位上不同观测距离之间的电场强度E(马钦忠等，2004)。计算公式如下:

其中VA、VB、VA'和VB'分别表示各电极埋设点的电位，LAB和LA'B'分别表示偶极距之间的长。由信号源产生的电位V会随到观测点距离r的增大而减小，对于观测台站，不同距离的信号源对多极距观测系统中各个电极的电位变化影响也不同。对于远源场而言，其场源到观测点的距离足够长，以至于场源对观测系统中不同电极所产生的电位差异可以忽略，而相对于近源场，因其对观测系统产生的电位差异较大而不能忽略。这样来自台站测区及测区周围的噪声如电极极化、降雨干扰和雷电等干扰就可以通过该系统区分开来，而来自远场的扰动则可以通过分析不同方向的观测或不同台站的资料进行区分。

图1 长、短电极距比较示意图(马钦忠，2008)

2 观测台站布极

自从国家“十五”计划以来，全国已建成了由100多个数字化台站组成的地电场观测网。目前上海地区共有4个地电场观测台，采用的观测仪器为ZD9A-Ⅱ型大地电场仪，该仪器采用六通道观测，测量分辨率优于10μV，频带范围为DC-0.005Hz，这一指标决定了该设备主要采集电场中的直流信号。本文主要是运用地电场多极距观测装置对地电场观测的异常情况进行区分和对比分析，选取的观测台站则是在日常工作中运用较多和相对熟悉的青浦台、崇明台和崇明长江农场台，而浦东张江台由于受地铁干扰严重，故不参与对比分析。所选台站的布极方式及极距参数如图2所示。青浦台采用“十”字型布极，崇明台和长江农场台采用“L”形布极，其中崇明台和长江农场台的布极点“A”处，同时布设有两个电极，为南北向和东西向长、短极距的共用电极。电极均采用不极化电极，按照观测技术规范与实地情况埋深约1m(中国地震局，2001)。

图2 台站电极布设示意图

3 异常资料分析

地电场是由固体地球内部和外部的各种非人工电流体系与地球介质相互作用在地球表面所产生的电场。地电场包括大地电场和自然电场(钱家栋等，2004)。大地电场是指全球性或区域性的地电场，其场源来自地球外部电离层中的各种电流体系。自然电场是局部性相对稳定变化的电场，场源来自于地下介质的物理化学反应引起的正负电荷分离而产生的电效应(钱家栋，2010)。由于大地电场场源的空间尺度要比自然电场大，所以影响范围也比自然电场大，而自然电场主要影响局部区域。地电场是地球介质中的矢量场，其在地球表面的投影可作为平面矢量。在地电场观测中，一般在南北方向和东西方向上各布设一对电极来接收电场信号，用同一方向上电极的电位差与电极间距离的比作为电场在该方向上分量的度量(马钦忠，2008)。在实际运用中，可通过不同方向上观测到的电场分量合成电场极化方位用以判断异常信号方向(李伟等，2013)。

在实际工作中，往往会把一些干扰当成是地震前兆异常信号，而在看到真实的地震异常信号时又不能确定。主要原因还是对地电场观测信号的物理意义理解不够，没有从异常信号产生的原理分析观测信号发生变化的根本原因。

3.1 电极极化干扰

电极极化引起的变化是地电场观测中较为常见的异常，该异常主要是由于铅电极的离子Pb2+进入到土壤中，由于铅离子本身带正电而产生极化电位，使得监测点的电位发生变化而干扰观测(席继楼等，2008)。目前观测用电极虽然是不极化电极(实际上是“微极化”)，但是在埋入地下使用一段时间后，也会发生电极极化，产生极化电位。由于Pb2+的浓度会随着温度、地下水位和土壤介质的差异而不同，所以电极极化的差异随季节变化，对不同测项其变化形态也不同，这些差异常常给数据分析带来困难。在地电场多极距装置中可以通过分析各个电极之间的电位差异来判定是电极极化干扰还是前兆异常。图3给出了青浦台在2010年1月21日的地电场观测曲线，在2007年安装运行3年后，6个观测电极都出现了不同程度的电极极化现象，此时各观测曲线之间的相关性较差。

图3 2010年1月21日青浦台观测曲线

从图3中可以看出，在不同测向上有较为明显的电极极化干扰现象。在0～2时，地电场数据在东西向的长极距与短极距测项上同时出现了异常扰动而其他测项上并无类似的异常扰动。东西向观测在东向采用的是共用电极，由此可以判断该异常扰动是由东向电极即图2中青浦台“A”处的电极出现极化造成的。对比6个测项上的观测曲线，发现在0～2时东西向长、短极距观测的突跳现象比较明显，这与A处的电极极化有关。图3中，南北向长极距和北东向长极距的观测曲线在5～6时和10～11时同时出现了突跳，其余4个测项上并未出现异常，由此可以判断在青浦台的北向电极即图2中“D”处出现了极化。这两道观测曲线在24h内，类似的突跳比较频繁且振幅较小。

在地电场观测中，电极极化常常使得地电场表现出不均匀性，而正常的地电场变化不具备这种局部的不均匀性，从观测数据出发，对观测装置进行分析就可果断排除电极极化对异常识别的干扰。

3.2 雷击干扰异常

雷击干扰在地电场观测中是比较常见的异常现象，雷击干扰能使地电场观测出现异常突跳，给地电场观测数据分析带来误判。雷击干扰主要是因闪电电流直接注入地下，使得观测点的电位升高，在一定观测时间内造成观测曲线突跳，而后恢复正常。

图4中，在15～16时观测曲线出现突跳，持续约9min。对突跳数据进行分析后可知，该雷击干扰在东西测向上的差异不大，而在南北向的差异较大，长极距两电极间电位差为51mv，而短极距两电极间电位差为77mv。由此可以判断雷击位置离台站相对较近，符合近源场扰动的观测特性。区分雷击干扰异常主要靠台站观测人员对台站天气变化的记录，对于无人值守台站由于雷击干扰满足一定的均匀性，且同步性较好，通过单台多极距观测装置要对其进行区分有一定难度。雷击干扰一般具备近源场特性，且影响距离有限，可通过多个台站的资料对比将其与其它扰动区分开。

图4 2010年11月30日青浦台观测曲线

3.3 高压直流输电干扰

高压直流输电在近年发展较快，目前已投运的高压直流输电系统中，接地极不仅起到钳制中性点电位的作用，而且还为直流电流提供通路(张震，2012)。当直流输电以大地为回路时，电流将由作为阳极运行的接地极流入土壤，经作为阴极运行的接地极流回线路。当在直流输电系统调试或发生故障时，此时接地极以单极形式运转，较大的直流电流流入大地(徐韬等，2012;祝志祥等，2012)。流入大地的电流对地电场台站的观测数据质量造成严重的影响，甚至可以产生类似前兆异常的扰动，给数据分析带来困难。从目前的观测数据来看，直流输电入地电流的干扰可以影响到距接地极约500km远的地电场观测台站。由于电流在传输过程中的衰减变化，使得不同台站观测到的曲线在形态上产生畸变，干扰异常判断。

图5中，崇明台和长江农场台在2012年4月10日15～17时同时记录到了异常扰动波形，如果只分析两个台站的数据，从扰动的一致性、均匀性和区域性来看，很可能认为该异常是一次自然电场异常事件，可能会判定为地震前兆，但对青浦台数据分析后可知，该异常扰动是高压直流输电调试产生的扰动。调查后认为该异常扰动为青浦台东南偏南方向的青浦区白鹤变电站(距离约16km)放电干扰。分析同一时段的数据得到，青浦台地电场扰动振幅在南北向长、短极距的电位差分别为477.13mv和1637.27mv;在东西向长短极距的电位差分别为774.55mv和1009.29mv。南北向和东西向长、短极距电位差存在明显的差异，且短极距电位差值均大于长极距电位差值，这说明该扰动相对于青浦台为近源场扰动。

图5 2012年4月10日崇明台(a)、长江农场台(b)和青浦台(c)地电场观测曲线

3.4 电离层扰动干扰与自然电场异常

引起电离层扰动的因素很多，如太阳活动时产生的耀斑、黑子等，而地磁活动也能引起电离层扰动，其特点是具有全球性，并且持续时间较长。在大气活动剧烈的情况下也会引起电离层扰动(刘依谋等，2006)。对于地电场观测，这些因素的存在常常给观测数据异常的判断增加难度。对于单台地电场多极距装置观测系统，当扰动场源在影响观测范围内满足一定的均匀性和同步性时，要区分其为干扰或是地震前兆异常是比较困难的。在这种情况下只有通过多个台站，甚至要利用空间距离较大的台站的数据对比才能进行区分。在一般情况下由电离层扰动产生的干扰范围较大，影响面较广，目前全国大部分的地电场观测台站在同一时间都能观测到由其引起的异常扰动。电离层扰动的这一特点使得区分地电场观测中的电离层扰动干扰和自然电场异常成为可能。自然电场场源主要来自于地壳浅层，其影响的空间范围要明显小于电离层扰动干扰。大量的研究表明，自然电场异常对地震预测研究有重要意义(毛桐恩等，1999;赵玉林等，1981;钱复业等，1998;马钦忠等，2004;Varotsos et al，1993、2005;Varotsos，2005)。

图6为崇明台、长江农场台和青浦台在2012年3月12日记录到的一次电离层扰动事件，持续时间从17时至21时，约4小时。全国大部分的地电场台都能观测到此次扰动干扰。对于电离层扰动干扰，可以从以下3个方面进行区分:①对比分析全国其它相隔较远的台站是否在同一时段有类似扰动存在，由于各个台站的地下电性结构存在差异，多极距装置的布极方式不同，建议选取较多的台站进行比对;②查看地磁台站H分量的观测数据，如果该分量在同一时段内存在扰动即可认定为电离层扰动干扰，此时需注意地磁观测中世界时与地方时的区分;③查看扰动持续时间，如果扰动持续时间较长则为电离层扰动的可能性较大，但该项指标只能用于初步判断。

自然电场异常是地电场观测中研究地震前兆的重要内容之一。捕捉自然电场异常信号可以为地震预测提供重要依据。图7是一组地电场自然电场异常变化曲线。异常信号产生时间是2012年4月27日0～3时，曲线形态为4组正向脉冲信号。依上述分析，可以排除该扰动为电极极化干扰、雷击干扰和高压直流输电干扰的可能。通过对上海周边地电场台站如南京台、海安台、高邮台的数据分析后得出，该扰动现象并未在上述台站出现，所以该扰动不是电离层扰动干扰，且扰动的时段在深夜，此时发生电离层扰动干扰的可能性不大。通过对崇明台同时段的地磁H分量数据分析，该项观测并未出现类似扰动现象。在排除上述扰动可能性及地铁干扰、工业游离电流干扰和降水干扰的情况下，引起该扰动唯一的可能即为自然电场异常。地电场信号在该观测区域内的3个台站各台6个测项分量上整体表现出同步性和均匀性，但对于局地各观测台站的干扰幅度大小及扰动形态又表现出似同步性和非均匀性。崇明台的扰动幅度最大，约为120mv/km;长江农场台扰动幅度约为7mv/km;青浦台扰动幅度最小，为3mv/km。3个台站接收到的扰动能量并不均衡，这有可能说明该信号源的位置对于3个台站的距离和方位各不相同。另外，由于各台站地下电性介质的差异及其布极方式、极距长短各异，对于接收强度不高的信号容易在观测曲线形态、扰动振幅和位相变化上产生差异。