漏电对南昌地震台电场观测影响

余思，许志山，汪利波，陈浩

(1.江西省地震局南昌中心地震台，江西南昌　330000； 2.江西省地震局，江西南昌　330000)



漏电对南昌地震台电场观测影响

余思1，许志山1，汪利波2，陈浩2

(1.江西省地震局南昌中心地震台，江西南昌330000； 2.江西省地震局，江西南昌330000)

摘要：针对南昌地震台2013年11月16日出现的漏电干扰事件，建立了均匀半无限介质的地面点电源模型，分析电场数据在近源场和远源场的区别，远场可近似为均匀场，近场为不均匀场；对比2种电场观测方式(地电场和自然电场)对漏电源的响应，对于南昌地震台此次漏电源，2种电场观测方式数据均表现为干扰产生的电场强度大小不一，且方向相反。

关键词：地电场；自然电场；漏电干扰

0引言

地电场主要包括大地电场和自然电场。大地电场的场源是高空电离层、磁层、对流层的电流体系的电磁感应，其影响分布于整个地表广大地区。自然电场场源主要来自地球内部(特别是地壳的浅层)由于正负电荷分离而产生的电流体系。地电场既受源的控制，又受局部介质电性结构的影响，而显示出区域性差异。许多研究表明，在地震预测研究中，自然电场的震前异常现象是值得重视的研究内容之一[1-8]。因此，分析和研究地电场中自然电场变化的特点，是将地电场观测用于地震预测研究的重要分支之一。

1982年，希腊雅典大学“VAN”小组[9,10]利用多极距装置开展地电场观测，并实现排除观测噪声的目的，之后，“VAN”小组对此方法做了很多研究[11]。我国20世纪80年代末期开始采用ZD8数字地电仪，并获得大量丰富的自然电场时均值资料。但是由于地电场观测受到的干扰因素较多[12-14]，致使数据异常，给观测数据、异常分析、科学研究和地震预报带来较大困难。其中由于经济快速发展，地电场外线路较长，杂散电流对地电场影响问题尤其突出。王新胜等[15]利用接地电阻测试仪来快速检测地电场地埋电缆漏电；陈志刚等[16]为排除漏电对台站观测的干扰，利用电场矢量合成的计算方法，确定了干扰源的方位，并对该方向用电设备进行详查，最终确定漏电源。

1理论模型

地电场分量观测的基本方法是在指定方向、按照一定的电极极距布设如图1所示的观测装置，测量该装置下2个电极A和B之间的电位差V。该电位差V中包含的物理量为天然的大地电场和自然电场，也包括可能电极极化产生的电位和环境干扰电场，如式(1)：

V=Vt+Vsp+Vp+Vn

(1)

式中，Vt为大地电场，Vsp为自然电场，Vp为极化电位差，Vn为干扰电场。

图1　地电场观测原理示意图

设地面为无限大平面，地下充满均匀、各项同性的导电介质，当电流源O在地表向地下供入电流I时，地中电流线的分布便以O为中心向周围呈辐射状，如图2所示。

图2　点电源电场模型

求距离O点为R处A点的电位公式，选用球形坐标，把原点置于O点，由于任一点的电位与方位角Φ与极角θ无关，故球坐标系中的拉普拉斯方程简化为：

(2)

将它积分2次，则得：

(3)

C，C1均为积分常数。当R→∞，U=0，故C1应等于零。在半无限介质中，由于电流为I，故：

(4)

另一方面，

(5)

因此，

(6)

将C1，C值代入公式得，则有：

(7)

(8)

这就是均匀、各向同性半无限介质中，点源电场的电位分布公式。

B电极到点电源O之间的距离为r，即AB之间的电位差为:

(9)

则AB的电场强度为：

(10)

由于电位U与距离R成反比，因此对于具有相同强度的信号源，距离观测点远，在2个不同极距上产生的电场强度，大小会近似相等；而距离观测点近，在2个不同极距上产生的电场强度，大小会差别较大；特别是，当信号源位于测区内部，2个极距上观测到的地电场分量值甚至会符号相反。因此，采用多极距装置系统观测地电场，可以区分地电场观测中相对近源的信号和相对远源信号。即，远源场是均匀的或者准均匀的；近源场是非均匀的。

2电场观测方式

2.1地电场

南昌地震台地电场是江西省地震局“十五”网络项目区域前兆台网建设地电场分项的新建项目。地电场观测采用“三方向，多极距”的观测方法，南昌地震台地电场的电极按“L”方式布设(图3)，2个测道的方位分别约为北东45°、南东135°，斜道方位约为正南北，2个测道大致呈正交布设，东西测道长227m，南北测道长178m。

图3　南昌地震台地电场观测方法示意图

图4是南昌地震台地电场日变曲线图，为仪器安装初期，时间段为2008年12月1日至2008年12月5日。从图4中可以看出，地电场的日变形态比较清晰，且三分向变化形态相似，一天24小时呈现双峰双谷变化，半日波较为明显，呈现出比较典型的地电场日变化形态。不同测道之间数据相关性较好，变化幅度一致，南北测道与东西测道呈正相关性；与北西测道呈负相关性。由图4可以看出，在不同方向上，即南北、东西、北西3个方向上曲线的变化形态是一致的；在相同方向上，不同极距之间，变化形态也是一致的，而且相位基本相等。

图4　南昌地震台地电场日变曲线

自2010年以后，由于南昌地震台地电场观测数据影响因素较多，特别是电极极化、电极埋设高差[17]导致现在观测数据质量较差。南昌地震台地电场各向长短极距相关系数月均值变化曲线，如图5所示，南北长短极距相关系数均在0.3以下，东西长短极距相关性要好于南北，但是也在0.5以下，斜道(及北西)长短极距变化幅度较大。总体来看，南昌地震台地电场观测资料可靠性不高。

图5　南昌地震台地电场相关系数月均值变化曲线

2.2自然电场

地壳应力研究所试验仪器地电场仪有26个测量通道，进行多方位、多通道的地电场观测，通过计算可得出大地电场和自然电场。以观测区域中心点O为基准点，按图6所示的方法埋设电极P1～P8，每个测道35 m左右，测道夹角为45°，在基准点(即O点)和其他电极点埋设一组(3只)电极，以用于识别和监测电极的极化电位的稳定性。

图6　南昌地震台自然电场观测方式示意图

记录到地电场正常的日变形态，曲线呈现双峰双谷，测值在几到十几毫伏之间。同一极坑中的3只电极记录在电极正常情况下，形态一致如图7a所示；如果电极有问题，则3条曲线形态不一致。相对极坑中的电极记录形态相反是因为中心电极作为负极，所以相对极坑中的观测曲线呈现相反形态(如图7b所示)及同极坑电极之间为正相关，相对极坑电极之间为负相关，由此可以判断数据质量。

a.同一坑中观测数据趋势

b.相对坑中观测数据趋势图7　南昌地震台自然电场观测数据

3干扰源影响

2013年11月16日起，2种观测方式的各测道同步出现台阶干扰变化，台阶方向有正有负，台阶大小不一。最后在2014年3月26日查明是台站内部电线破损搭地，以自然电场中心点为参考点，漏电源在自然电场中心点北西方向约170 m处。台站重新接线，排除了漏电源干扰，数据恢复正常，由于干扰源持续，所以观测数据台阶一直持续(图8～图9)。

图8　南昌地震台地电场南北、东西短极距数据

图9　自然电场第1、5道数据

由于南昌地震台地电场数据可靠性较差，只能作为参考，从南北、东西短极距可以看出，南北短极距数据下降约350 mv/km，东西端极距上升达到800 mv/km，数据阶变且台阶方向相反。自然电场数据测值突然增大，均产生阶变，且第3、4、5道台阶方向为负，其余5道为正，变化幅值不等；数据噪声增大，突跳增多。图10为通道第一电极和第二电极的相关系数曲线，相关系数主要用于识别同一极坑中3个电极是否正常工作，从图10可以看出，在220 V交流漏电期间，电极观测数据的相关性差。正常数据情况下，相关系数均值为0.9左右，而在漏电干扰期间，相关系数急剧下降，呈突跳状。

图10　自然电场相关系数

4讨论

(1)从南昌地震台地电场与自然电场数据分析，干扰数据较正常数据相比，突跳增多、数据形态加粗，且自然电场数据相关系数下降，严重影响了数据的内精度。地电场“多极距、多方向、同坑多电极”观测方式可以监测电极与观测系统的稳定性，识别数据正常与否。

(2)从理论建模分析，对于具有相同强度的信号源，距离观测点远，在2个不同极距上产生的电场强度，大小会近似相等；而距离观测点近，在2个不同极距上产生的电场强度，大小会差别较大；特别是，当信号源位于测区内部，2个极距上观测到的地电场分量值甚至会符号相反。对于此次漏电干扰源，南昌地震台地电场与自然电场数据电场分量符号有正有负，干扰幅值大小不等，说明干扰源位于测区内部，查找得出的漏电源位置与理论相符。

(3)对于同一干扰源，从干扰数据分量符号、干扰幅值大小，可以简单定性确定干扰源为近源场还是远源场。

参考文献：

[1]Corwin R.F.，Morrison H.F.Selpotential Variations Preceding Earthquakes In Central Callfornia[J].Geophys.Res.Lett.，1995，4：171-174.

[2]Kinoshita M.，Uyeshima M.，Uyeda S.Earthquake Prediction Research By Means of Telluric potential Monitoring[J].Bull.Earthq.Res.Inst.，Univ.Tokyo，1989,64：255-311.

[3]Varotsos P.，Lazaridou M.Latest Aspects Of Earthquake Prediction In Greece Based On Seismic Electric Signals[J].Tectonophysics，1991,188：32l-347.

[4]Varotsos P.，Lazaridou M.Latest Aspects Of Earthquake Prediction In Greece Based On Seismic Electric Signals II[J].Tectonophysics，1993,224：1-37.

[5]钱复业，赵玉林.孔压弱化失稳的系统辨识及大地电场短临前兆[M]∥石特临.地震地电学发展与展望.兰州：兰州大学出版社,1998,151-155.

[6]Uyeda S.，Nagao T.Geoelectric Potential Changes：Possible Precursors To Earthquakesin Japan[J].Proc.Nat.Acad.Sci.，2000,97：4 561-4 566.

[7]Orihara Y.，Noda Y.A Possible Case Of SES Selectivity At Kozu-Shima Island，Japan[J].J Geodynamics，2002,33：425-432.

[8]马钦忠，冯志生.崇明与南京台震前地电场变化异常分析[J].地震学报，2004,26(3)：304-312.

[9]Varotsos P.，Alexopoulous K.Physical Properties Of The Variations Of The Electric Field Of The Earth Preceding Earthquakes[J].Tectonophysics，1984,110：73-98.

[10]Varotsos P.，Alexopoulous K.Physical Properties Of The Electric Field Of The Earth preceding Earthquakes，II.Determination of Epicenter And Magnitude[J].Tectonophysics，1984,110：99-125.

[11]Varotsos P.，Sarlis N.Additional Evidence On Some Relationship Between Seismic Electric Signals And Earthquake Souce Parameters[J].ACTC Geophysica Polonica，2005,53(3)：293-298.

[12]林向东，徐平.地电场观测中几种常见干扰[J].华北地震科学，2007,25(1)：16-22.

[13]郭建芳，周剑青.地电场观测中的干扰分析[J].华北地震科学，2011,29(4)：38-43.

[14]郅红魁，刘晓峰.地电场数据观测干扰排查分析[J].地震地磁观测与研究，2012,33(1)：75-80.

[15]王新胜，曹文强.谈地电场地埋电缆出现漏电现象快速检测的方法[J].山西地震，2009(2):28-30.

[16]陈志刚，田山.地电场观测漏电干扰的排查一例[J].华北地震科学，2012,30(4)：44-48.

[17]肖孟仁，罗丽.南昌地震台大地电场数据质量分析[J].地震地磁观测与研究，2012，33(5/6):123-127.

THE INFLUENCE OF THE ELECTRICITY-LEAKING INTERFERENCE IN ELECTRIC FIELD OBSERVATION AT NANCHANG SEISMIC STATION

YU Si1, XU Zhishan1,WANG Libo1,CHEN Hao1

(1.NanchangSeismicStation,EarthquakeAdministrationOfJiangxiProvince,Nanchang330000,China;2.EarthquakeAdministrationOfJiangxiProvince,Nanchang330000,China)

Abstract:Based on the interference of the electricity-leaking on Nov.16th,2013 at Nanchang seismic station, the ground point power source model in homogeneous semi-infinite medium is built in the paper,the differences between near-source and far-source are analyzed and compared the leakage interference responses of the two electric field observations(geoelectric field and spontaneous field).

Key words:Geoelectric field;Spontaneous field;Electricity-leaking interference

中图分类号：P315.72+8

文献标识码：A

文章编号：1005-586X(2016)01-0066-07

作者简介：余思(1988—)，女，湖北孝感人，助理工程师，主要从事台站监测工作。E-mail:yusi24101988@126.com。

基金项目：2015年中国地震局三结合课题(课题编号：151402)资助。

收稿日期：2015-06-24