山西临汾台大地电场典型干扰与地震异常信号识别

李 艳

(1.山西省地震局，山西 太原 030021； 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)

临汾中心地震台(以下简称“临汾台”)大地电场是“十五”数字地震观测网络项目新增测项，自2007年投入观测以来，至今已积累了12年的观测数据。本文综合分析了观测曲线和现场核实情况，梳理出几种常见自然环境因素引起的典型干扰图像。同时对临汾及周边地区2次地震前的观测曲线图分析发现，2010年1月24日河津4.8级地震(震中距89 km)、2010年4月7日洪洞3.6级地震(震中距40 km)前10 d左右记录到“清晰、显著”的异常电信号，异常信号在曲线图上表现为连续的阶跃式扰动，2次异常在扰动幅度、扰动频次等形态细节特征方面具有“相似性”。

1 典型干扰分析

1.1 正常背景分析

临汾台大地电场采用“双L型”多极距布极方式(见图1)，其中，O1-A1为EW向长极距225 m，O1-B1为NS向长极距227 m，A1-B1为NW向长极距320 m，O2-A2为EW向短极距159 m，O2-B2为NS向短极距151 m，A2-B2为NW向短极距219 m，使用ZD9A-II地电场仪观测。在无干扰、无地电暴影响等正常背景的情况下，3个测向有明显的双峰、双谷日变化形态特征，两峰峰值接近，两谷的幅度一强一弱，周期也不一样，其中NS和NW向日变形态特征一致(高振强等，2010)。根据大地电场广域性的特征，地电暴发生期间，临汾台能与其他台站同步记录到相似形态的扰动图像，由此说明，其观测数据是真实、可靠的(高振强等，2010)。

图1 临汾台大地电场观测布极示意图

1.2 灌溉干扰分析

临汾台大地电场观测外线采用地埋方式布设在村民的农田里，农田灌溉时会对观测结果造成大幅度的干扰，干扰数据完全湮没了包括地电干扰等在内的正常电信号，且影响一般持续1天以上。在进行灌溉时，尽管短时间内浇地面积不会完全覆盖到线路布极区，但仍会对部分线路造成影响，究其原因是灌溉水渗入到地埋电极处，使电极产生一个极化电位差，从而使场地电性结构发生改变。随着时间推移，该极化电位差逐渐消失，数据慢慢恢复如初，反映在观测曲线图上就是大幅度台阶变化，而与受影响电极相关的两测线阶变极性方向相反。图2是电场EW、NW测向长短极距所在农田进行灌溉造成的典型干扰图像(虚线框内)，其干扰形态特征对数据使用者来说比较易于识别。

图2 农田灌溉对电场观测扰动图像

1.3 雷电干扰分析

雷电是一种场电物理变化现象，它可改变区域电场分布环境，在雷雨天气，雷电一般离得比较近，在放电的瞬间，会引起电场观测数据大幅度变化。2015年7月21日13～17时台站地区出现强雷雨天气，电场观测曲线图上出现同步“方波型”变化，但同测向长短极距“方波”形态不一致(见图3)，雷电过后观测曲线恢复正常。只要值班人员认真填写观测日志，数据使用者查看当天日志也容易识别此类干扰。

图3 雷电对电场观测扰动曲线图

1.4 直流输电干扰

哈郑线±800 kV特高压直流输电线途径临汾市襄汾县，最近点距台站只有几十千米。当直流输电线在系统调试或发生故障时，它会处于单极大地回路运行方式，这时会有非常大的电流从直流接地极流入大地，电流强度一般可达几千安培，而此时一定距离内的大地电场台站均能记录到这种扰动变化，而输电线路不平衡电流也会导致沿线磁场变化，这种变化会被沿线的地磁观测所记录，这也是判断高压直流输电干扰的一个重要佐证。图4是2018年7月18日10～17时直流输电的2次干扰，造成三个测向同步“脉冲状”扰动，而临汾台FHD磁力仪其磁场强度F分量亦同步出现“方波型”扰动(虚线内)，只要值班人员通过比对地磁及周边其他台站电场、地磁观测曲线，此类干扰是容易识别的。

图4 直流高压输电对电场干扰变化曲线

1.5 铁丝网接地干扰

临汾台大地电场布极区内有一小片苹果树林，在树林内有一铁丝网围建的小型鸡场，铁丝网最近处距公共O极仅二十余米。2017年6月21日至23日测区降大雨，期间NS、EW测向长短极距观测曲线出现负极性(向下)“脉冲”状高频突跳(见图5虚线框)，经对测区巡查，发现铁丝网建在水泥桩上与地连接(与地绝缘)，几处用于稳定铁丝网的拉线由多股粗铁丝拧成，拉线入地处没进行绝缘处理，因降雨会导致大地导电性增强，而几处拉线接地改变了局部区域的电场分布环境，在电场观测时会造成一定区域内电位差的不稳定变化，从而引起电场数据出现突跳，经对拉线接地部分采取绝缘处理后干扰消失，观测曲线也恢复正常，因拉线接地处距NW测向较远，故NW测向长短极距观测曲线未有突跳记录，绝缘处理以后测区降雨天未再出现类似干扰图像。

2 地震异常信号识别

近年来，大地电场被发现在多次地震前出现异常信号，并且基本以短临异常为主，本文异常信号识别以马钦忠等(2004，2011，2013，2018)提出的多极距去噪音方法为依据，即异常电信号必须至少同时满足三个条件：①没有在所有台站被记录到，因此它不是广域性的大地电磁效应；②同时出现在同测向的长极距和短极距上；③长极距上所记录到的电位极性必须与平行于它的短极距上所记录到的电位极性相同。但同时符合这三个条件的也并非都是异常电信号，如前述图5因公共O极附近漏电引起的干扰图像即满足上述三个条件。因此，大地电场异常识别还应结合现场核实等方法，通过筛选后保留下来的信号才可确定为与地震有关的异常电信号。

2.1 河津4.8级地震前异常信号特征

2010年1月中旬，临汾台大地电场记录到显著异常信号，具体表现为，各测线长短极距同步出现低频脉冲、小台阶式扰动变化，期间还伴随有高频信号出现(EW测向阶跃幅度较小，但高频信息偏多)，低频扰动幅度为2～5 mV/km，15日以后阶跃扰动频次增加，扰动图像在17日10时至19日最为清晰、显著，扰动频次达到2～3次/小时(见图6)，经多极距去噪音方法识别，查阅当时观测环境巡查记录，排除了观测系统、测区场地等干扰因素，属于异常电信号，24日距台站偏西南89 km处发生河津4.8级地震，地震后2～3次/小时的阶跃扰动消失，但低频台阶现象仍存在(见图7)。

图6 2010年1月16日至19日原始观测曲线

图7 2010年1月25日原始观测曲线

2.2 洪洞3.6级地震前异常信号特征

2010年1月24日河津4.8级地震后，低频脉冲、台阶扰动现象断断续续存在，同样，相比其他两个测向来说，EW向扰动幅度较小；3月底，低频脉冲、小台阶式扰动频次增加，扰动形态幅度、频次与河津地震前异常图像(见图6)有很高的“相似性”(图8)，经认真分析研判，排除了场地噪声干扰和观测系统故障等因素，应属于异常电信号，4月伊始阶跃扰动消失，观测曲线恢复正常(见图9，虚线框内为电磁扰动)，4月7日，距台站北东方向40 km处发生洪洞3.6级地震。

图8 2010年3月29日原始观测曲线

图9 2010年4月2日原始观测曲线(虚线框内为电磁扰动)

3 结论与讨论

临汾台大地电场典型干扰因素主要有：农田灌溉、雷电、直流输电、铁丝网接地等；在河津4.8级地震、洪洞3.6级地震前记录到了显著的异常电信号，具体干扰与异常信号识别有如下特征：(1)农田灌溉使受影响电极的相关两测线同步出现大幅度台阶变化，但扰动台阶形态相反；雷电可造成干扰信号在同测向长短极距上造成“方波”型图像，但干扰电位极性形态相反，雷电过后观测曲线即恢复正常；高压直流输电会在各测向观测曲线上造成“脉冲”型干扰图像，在地磁观测曲线上能同步记录到“方波”型扰动，将二者结合分析易于识别此类干扰；公共O极附近铁丝网接地干扰主要影响NS、EW测向曲线，干扰形态为高频突跳，只要认真巡查测区环境，采取相应措施，就能准确识别、排除。(2)河津4.8级地震、洪洞3.6级地震前，临汾台大地电场记录到连续台阶、脉冲型低频扰动异常，利用多极距噪音识别方法分析，并结合测区现场巡查记录，确定阶跃扰动为震前异常电信号，并且2次震前异常信号图像有“相似性”，在异常时间进程上均显示短临特征，即震前一周左右异常信号图像特征最清晰、最显著。(3)河津、洪洞2次地震分别位于台站西南向和北东向上，但震前阶跃扰动异常图像却存在一定的“相似性”，由此可见，仅用测向异常判断震中方位存在较大不确定性。