新疆和田地震台地电场电极更换前后观测资料对比分析

邱大琼，马 睿，艾萨·伊斯马伊力，陈 亮，奥斯曼

(新疆维吾尔自治区和田地震台，新疆 和田 848000)

0 引言

地球表面存在稳定电场和天然的变化电场，总称地电场[1-2]。地电场观测主要记录地电场地表分量及其时空变化[3]。地震发生前地电场强度及其他特性都会有所改变，高质量的观测数据有利于正确提取震前异常信息[4-5]。

新疆和田地震台(以下简称和田台)地电场观测始于2007年，观测初始各个测向的相关系数和差值等参数均符合规范要求，但在最近几年，相关系数月均值基本低于0.6，差值月均值基本在10 mV/km以上，观测资料质量明显降低。鉴于和田地区是中强震多发区，大地电场观测数据的质量关系到地震的监测预报，2015年10月，在国家地震局兰州地震研究所陆阳泉老师、新疆地震局前兆台网中心副主任张文来的指导下，对和田台的电极全部更换。文章对更换前后的观测资料进行对比分析。

1 和田台地电场观测系统

和田地处昆仑山北麓，塔克拉玛干大沙漠南缘，构造体系属于帕米尔—喜马拉雅歹字型构造带的北分支。和田台位于和田市南，距市区约8 km，能监测西昆仑地震带的地震活动和研究青藏块体的构造运动[6]。和田台地电场测项架设于2006年12月，2007年5月正式运行。电极布设两分向测道分别为NS和EW向成正交的“L”型，NS和EW长极距(B1O1、A1O1)长225 m，短极距(B2O2、A2O2)长150 m，NW长短极距(B1A1、B2A2)分别为318 m、212 m(见图1)。其中NS向测道埋设于台站以北的农田，长期受农田灌溉干扰；EW向测道则介于乡村公路与树林之间，与乡村电网输电线路平行，同时受农田灌溉和输电干扰。

图1 和田台地电场布极图Fig.1 Electrodes layout of geoelectric field in Hetian station

2 电极更换简介

2015年10月，在国家地震局兰州地震研究所陆阳泉老师、新疆地震局前兆台网中心副主任的指导下，对大地电场电极进行更换。更换电极使用的是固体不极化电极的第三代升级产品，即LGB-3型，规格为φ110 mm×560 mm，具有电极差小、稳定性能好、噪声低、频带宽、轻便耐用等优点①中国地震局兰州地震研究所.LGB-3固体不极化电极系统安装方法(使用说明书)，2015.。更换前，按照国家地震局兰州地震研究所《LGB-3固体不极化电极系统安装方法》的要求选择电极坑位置。《方法》要求，电极安装要避开污水区、浮土、石料充填部位，排除极坑内的碎石、砂砾(卵)石、腐烂植被或其他杂物。电极应埋设在当地冻土层或地下水位面之下，不能处于地下水位升降范围内。和田大地电场测区内土质成分主要为砂土，为保证大地电场数据连续率，本次更换电极未使用原来的电极坑，在原坑附近挖一个深度为3.6 m左右的新电极坑，在新坑底部的中心再挖一个φ110 mm×500 mm的圆形孔。2015年10月25日将电极垂直放在圆形小孔中，并填入1 m以上细土，保证土与电极稳定剂紧密接触(见图2，根据《方法》修改)。用PVC套管保护电极引线，防止电线外皮破损或被老鼠啃咬。套管接头处先用砂纸打磨，再用704胶均匀涂抹1～2遍，在接头处插入套管，放置一段时间待胶完全固化后再绕3～4层高压橡胶自粘带，之后绕2～3层PVC电气绝缘胶带作为保护层(见图3)。套管连接之后，将原位细土逐层回填，每次填500 mm左右，夯实后再填。10月26日，连接新电极引线和测量线，断开旧线。

图2 电极坑中电极安装方法示意图Fig.2 Method of electrode installation in electrode pit

更换电极后，和田大地电场三测道月相关系数上升到0.9以上，差值月均值降到1 mV/km左右，说明电极更换后的地电场观测资料更能真实反映地电场变化。由于电极坑回填土时夯实程度不够，2015年11月、12月测区内农田灌溉后，NS、EW向电极坑边缘均出现裂缝，处理方法是给电极坑填土并用大锤夯实。2016年3月春灌开始后，又发生2次类似情况，处理后数据变化逐渐恢复正常。

图3 电极引线与测量线连接密封示意图Fig.3 The connection and sealing of the electrode lead wire and the measuring wire

3 电极更换效果评价

地电场观测资料的质量可以通过同测向不同测道数据的相关系数以及差值来评判[7]，相关系数是评判观测装置稳定性以及观测环境电磁干扰程度的主要依据之一，差值指标是评价地电场观测系统(测量电极、装置系统、测量仪器等)工作稳定性的主要依据之一[1]。

3.1 相关系数

(1) 计算每个小时的相关系数。

(1)

(2) 计算R时的日均值。

(2)

(3)

和田台地电场各向长短极距月相关系数变化曲线如图4所示。可以看到，2007年5月三测道相关系数在0.9左右，6月开始NS向和NW向相关系数逐渐下降。由于网络模块故障，2007年12月地电场仪返厂维修，2008年2月重新开始观测。2008年5月至6月，因线路故障造成数据大幅度变化，故障排除后数据恢复正常，但NS向和NW向月相关系数仍较低，大多在0.5以下，EW向月相关系数相对较好。按照规范要求，三年应更换一次电极，与2007年的情况相比，2010年NS向、NW向测道月相关系数明显降低，经巡查室内观测系统、外线路、测区环境，一切均正常，认为可能是电极老化导致数据质量下降。2015年10月更换电极前，NS向和NW向测道月相关系数基本低于0.6，EW向测道月相关系数仍相对较高。10月26日更换电极后，三测道月相关系数明显上升。11月NS向、EW向、NW向长短测道月相关系数分别达0.95、0.95、0.94，至2016年3月三测道月相关系数基本维持在0.9以上。说明电极更换后的地电场观测资料更加真实可靠，能真实反映地电场的变化情况[8]。

经调研发现，2015年11月至2016年3月测区内农田灌溉是导致相关系数下降的一个重要因素。第26页表1为2016年3月11日至31日和田台地电场日相关系数和日差值。3月16日农田灌溉，三测道日相关系数均有一定下降。24日测区农田再次灌溉，造成三测道日相关系数均明显下降。27日开始，日相关系数逐渐升高。日相关系数下降是由于测区内农田灌溉，电极附近的土中含水量发生变化，导致电极的极化电位变化，使电极的稳定性发生变化[8]。

图4 和田台地电场相关系数月均值曲线Fig.4 Monthly mean value of correlation coefficient of geoelectric field in Hetian station

3.2 差值

计算地电场同一天同一观测方向长、短极距测道观测数据的差值绝对值的日均值Dj，方法如下②：

(4)

差值月平均值D月的计算公式为：

(5)

表1 和田台地电场日相关系数和日差值Table 1 The correlation coefficient and differenceof geoelectric field in Hetian station

式中：N是一年中参与月平均值计算的天数。

由和田台地电场各向长短测道差值月均值变化曲线图5看出，2007年5月三测道差值月均值均低于0.6 mV/km，6月开始逐渐升高，2008年12月NS向和NW向测道差值月均值大多在10 mV/km以上，EW向差值月均值相对较低。2008年5月因线路故障造成EW向日差值大幅度变化，9月恢复到正常水平。与2007年相比，2010年NS向、NW向测道差值月均值明显升高，大多在10 mV/km以上。2015年10月25日更换电极前，NS向和NW向测道月差值大多在10 mV/km以上。26日更换电极后，三测道月差值明显下降。11月NS向、EW向、NW向月差值分别为0.98 mV/km、0.69 mV/km、0.87 mV/km，说明更换电极后观测系统具有较高稳定性。

3月16日农田灌溉，NS向、NW向受测区灌溉影响，日差值升高，EW向变化不明显。24日测区农田再次灌溉，造成三测道日差值均明显增大，27日开始逐渐回落(见表1)。

4 认识

基于上述分析研究，得到以下几点认识：

(1) 2015年10月更换电极前，三测道月相关系数基本低于0.6，差值月均值基本在10 mV/km以上。更换电极之后，月相关系数基本在0.9以上，月差值多在1 mV/km左右。说明由于电极老化造成数据质量不高，更换电极使观测数据得到改善，装置运行更稳定，地电场观测数据更加真实可靠。电极更换后，测区内农田灌溉成为影响相关系数和差值的一个重要因素。

图5 和田台地电场差值月均值曲线Fig.5 Monthly mean value of the difference of geoelectric field in Hetian station

(2) 按照《LGB-3固体不极化电极系统安装方法》的要求，电极坑深超过3 m，达到3.6 m，但考虑和田地电场NS向测道位于农田中的实际情况，如果电极坑深度达到5～6 m，可能会有效降低灌溉对地电场观测的影响。此外，如果在埋电极时，先在电极上方堆起一个鼓起的土包，铺上防水塑料膜，然后回填土。当水流到塑料膜上时，会流到电极坑四角而不会直接接触电极，可能会有效减少灌溉对电极的影响。

(3) 本次更换电极过程中，外线路虽已老化，但并未更换。为提高观测质量，建议更换或改造和田台地电场外线路。

[1] 席继楼，赵家骝，王燕琼，等.地电场观测技术研究[J].地震，2002，22(2)：67-73.

[2] 肖孟仁，罗 丽，许志山，等.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，2015，33(5)：122-127.

[3] 中国地震局.地震及前兆数字观测技术规范(试行)(电磁观测)[M].北京：地震出版社，2001：20-70.

[4] 张可佳，赵卫星，朱伟楠，等.榆树地震台地电场观测系统运行评价[J].地震地磁观测与研究，2015，36(2)：84-90.

[5] 中国地震局监测预报司.地震电磁学理论基础与观测技术[M].北京：地震出版社，2010：1-180.

[6] 新疆维吾尔自治区地方志编纂委员会.新疆通志第十一卷地震志[M].乌鲁木齐：新疆人民出版社，2002：1-791.

[7] 张仰辉，荆红亮，高振强，等.山西临汾中心地震台地电场观测数据质量分析评价[J].山西地震，2009(4)：31-34.

[8] 李颖楠，龚永俭，胡雪琪，等.宝坻地震台新旧场地地电场观测资料对比分析[J].高原地震，2015，27(4)：20-26.