内蒙古地电场观测中的干扰识别与分析

赵 星，查 斯，格 根，熊 峰，王树忠

（内蒙古自治区地震局，内蒙古 呼和浩特 010051）

0 引言

地电场观测作为前兆观测手段中不可缺少的一环，其观测的短临异常对地震预测具有非常重要的意义。目前内蒙古区除了呼和浩特地电场受环境干扰严重导致数据不可用停测以外，其余3套地电场观测仪器均以实现数字化观测，为数据的可靠性提供了保障。但由于数字化仪器灵敏度的提高，加之测区内城镇化程度越来越高与经济的高速发展，及其容易受到干扰的影响，导致观测数据中含有非常多没有价值的前兆信息。因此准确识别数据中是否有地震前兆短临异常，就需要正确的识别出干扰类型与形态，排除存在的干扰信息。许多国内专家开展了相关研究，如杜学彬等[1]做了地电场日变化研究，席继楼等[2]研究了电极极化电位对地电场观测的影响，史红军[3]做了地电场观测过程中的干扰因素分析，张伟峰[4]、关晓明[5]、高慧慧[6]、马钦忠[7]等分别分析了嘉山、锦州义县、都兰、大武、崇明与南京等地区的地电场干扰数据，取得较好效果。为地电场排除干扰信息作出巨大贡献。

本文通过利用宝昌台、乌加河台、满洲里台的地电场数据的分析，发现干扰呈多样化，原因复杂。不同的干扰因素，数据曲线的变现形态也不尽相同。本文就如何有效的排除一些常见的干扰做出了举例分类，为今后台站处理人员对干扰的识别作出参考。

1 内蒙古地电场监测台网概况

内蒙古自治区地形狭长，横跨西北、华北、东北地区，地震构造复杂、中强地震频发[8]。大地电场监测台网在“九五”项目实施期间开始建设，初始阶段仅建有乌加河一个观测站，该台站2001年正式将ZD9A型数字地电场仪投入观测。2006年，中国地震局“十五”项目工程开始实施，内蒙古自治区地震局相继在呼和浩特台、宝昌台及满洲里台新建地电场，均使用ZD9A-II型数字地电仪，进一步扩展和完善了地电场台网。运行期间，由于呼和浩特电场观测外线路系统受到破坏与受环境影响等，2010年3月份正式停测，同期乌加河台地电场观测仪器升级为ZD9A-II型电场仪。内蒙古自治区地电场观测台站分布情况、各台站地理位置、分布参数如图1、表1所示。

图1 内蒙古自治区地电场观测台站分布图Fig.1 Distribution map of geoelectric field observation stations in the Inner Mongolia Autonomous Region

表1 各台站地理位置、布极参数

2 观测过程中的干扰分析与识别

本文针对内蒙古大地电场中干扰的特点和规律进行机理分析，归纳为5类干扰类型：电阻率同源干扰、电极极化干扰、雷电干扰、降雨干扰、居民生活用电干扰和全球范围内的磁暴干扰。

2.1 地电阻率同源观测干扰

针对地电场和地电阻率使用同一场地观测的综合台站而言，地电阻率整点观测时会对观测场地内供电，供电电流通常为2A，地电场观测中不可避免将监测到这人工电场，并且人工电场叠加到自然电场上，使观测数据受到严重干扰[1]。受干扰的观测数据以单点突跳为主要形态，幅度为正常日变背景的数倍至数十倍，变化时间与地电阻率供电时间完全一致。周期明显较容易判断，图2为乌加河地电场和地电阻率同源观测时产生的干扰数据，可以看出，在地电场观测数据中呈现出具有一定时间特点的突跳信号，造成地电场的观测数据出现瞬间巨大变化。并呈现出有规律的周期性，分析人员必须去除掉整点高频突跳，才能有效的分析数据。

图2 乌加河台同源观测干扰Fig.2 Homologous observation disturbance of the Wujiahe Seismic Station

2.2 磁暴干扰

磁暴干扰是指在磁暴发生过程中对地电场数据引起的大幅度变化的自然现象。在磁暴发生期间，全国各地电场台站都会同时记录到异常波动，从而改变地电场观测中常规的日变形态，结合地磁观测K指数，当K指数≥6时，我们判定为发生磁暴，在长短极距与各个方向全部受到影响，而且干扰形态基本一致[9]，持续时间与干扰强度也都大同小异。全球一致性与信号幅度较大是磁暴干扰的基本特征。

2007年11月20日至21日磁暴期间，三个地电场台站均同步记录到了磁暴，如图3所示。可以看出，磁暴引起的干扰具有很强的一致性，三个测道形成几乎一样的干扰形态，产生幅度相等的高频信号，打破正常日变。并同一时间恢复到正常曲线，说明其中变化幅度与磁扰的强度相关，干扰持续时间与磁暴持续时间相关。

图3 乌加河台、满洲里台、宝昌台磁暴干扰Fig.3 Magnetic storm disturbance at Wujiahe，Manzhouli and Baochang Seismic Station

2.3 电极极化干扰

电极是地电场观测中十分重要的组成部分，主要用于在观测场地中拾取电信号。电极极化干扰是观测中常见的一种现象，最早“九五”期间因电极使用年限过久极化而导致的一种异常现象，目前电场观测大多使用的是固体不极化电极，但埋在土壤中时间过长，也会产生极化现象，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[2]。

电极周围的Pb2+离子很敏感，并且经常会受到地下水位、环境温度与周围的土壤介质条件的影响，导致观测到的数据发生变化。当电极老化电位不稳定时，各测项会出现数据漂移，阶跃等现象，图4给出了满洲里地电场2007年9月8号北南向数据，图5为2013年9月8号南北向数据。在2007年安装运行6年后，观测电极都出现了不同程度的电极极化现象，形成曲线漂移状态，此时各观测曲线之间的相关性没有可信度。

图4 满洲里电极未极化Fig.4 Unpolarized electrode in Manzhouli Seismic Station

图5 满洲里电极已极化Fig.5 Polarization of electrode in Manzhouli Seismic Station

2.4 人工用电干扰

随着城镇的现代化，观测区域内及周边的生活居民的增多，人工用电也不可避的随之增加，一般来说大型变压器、居民生活照明用电、工农业生产用电等设备都有可能接地后对土地输出强度大小不一的电流、主要为漏电电流I流入大地形成回路，引起测区内的电位变化，干扰信号的幅度取决于漏电电流的大小，从而对电场数据造成严重影响，严重时甚至可以产出类似前兆异常的数据曲线，给分析人员带来困扰。干扰数据为阶跃型与突变为主要形态，往往可以达到正常背景的数十倍，干扰时间点与漏电设备的启用停用时间呈正相关。图6为宝昌地电场2013年9月9号至9月11号数据，可以看出，干扰集中在中午11点与晚上18点左右，具有一定规律性。

图6 宝昌地电场人工用电干扰Fig.6 Artificial electricity interference in Baochang geoelectric field

2.5 雷电干扰

地电场在没有记录到震前异常或者无干扰的情况下，本身属于一个稳定的场，有自身的日变、年变规律，当测区遇到近距离的雷暴时，会引起激烈放电的自然现象，改变了区域的电场分布环境，使测区内电位快速升高，观测数据往往会随这种现象发生畸变[4]。一般呈大幅度不规则突跳，为正常背景的数倍。畸变的幅度和物理电场的放电量与测区的距离为正相关关系。图7为2014年7月1日宝昌台数据，可以看出雷击干扰在一定观测时间内造成观测曲线突跳，明显偏离了正常范围，打破日变，而后恢复正常。期间观测人员为了避免仪器受雷击断电造成缺测。

图7 宝昌地电场受雷电干扰Fig.7 Lightning interference of geoelectric field in Baochang Seismic Station

2.6 降雨干扰

降雨干扰是地电场日常观测中经常发生的，强降雨天气遇到数据大幅度变化时，应对比同一时期的降雨量数据。地下水位和降雨量的变化会致使电极附近的土壤中水分的提升，导致电极的极位发生变化。引起观测数据变化的原因可能是灌溉（雨、雪）水渗入到电极处，引起电极极化电位变化所导致由于极化电位不一致，将在测量回路中产生一个附加的电极极化电位差[1]，从而影响到地电场观测。降雨干扰的主要特征为：观测数据会随着降雨量的增加，6个测道同时出现大幅度阶跃或者下降的现象，一般来说，降雨干扰持续时间会较长，等侧区内水份随时间的干涸，数据曲线也会随之恢复[1]。图8为满洲里地电场和同期降雨量的对比观测。可以看出，当降雨量达到30 mm时，数据出现了下降阶跃变化。

图8 满洲里地电场降雨干扰Fig.8 Rainfall interference in Manzhouli geoelectric field

3 结论

通过对内蒙古地电场监测台网5类干扰因素的变化形态分析，得到如下结论：

（1）同源干扰：地电阻率与地电场同场地观测时，如果地电场主机中没有安装 “握手”协议程序，则每次电阻率到整点供电时，电阻率将干扰电场观测，其干扰幅度可超出地电场正常变化范围的数十倍，并且会降低地电场的相关系数，基本看不出地电场曲线，极大影响地电场观测。

（2）磁暴干扰：判断是否有全球性磁暴发生时，应结合台网地磁数据观察K指数是否达到磁暴标准，磁暴发生期间，全国地电场各测道都能同时记录到地电暴引起的波动，并且干扰形态大同小异。其变化幅度与磁扰的强度有关，并随着磁扰强度的增强而增大;变化时间和磁扰持续时间有关，磁扰结束后，地电场观测数据也随之恢复正常。

（3）电极老化干扰：电极长期使用造成极化，电位及其不稳定性，这可能导致电场观测数据单方向的漂移，并且最大月漂移可达地电场正常数据幅度的10倍左右。

（4）生活用电干扰：地电场测区内存在的居民用电与工业用电不可避免的越来越多，干扰数据为阶跃与突跳为主要形态，严重时可以影响观测人员的判断，但这种干扰具有一定的时间规律性，干扰幅度也基本一致，经过对测区内的排查，一般都能发现漏电解决问题。

（5）雷电和降雨是夏季最常见的干扰，也是观测人员最需要识别的干扰之一，出现干扰时应当结合测区内是否存在雷暴现象，并结合降雨量数据进行进一步的数据分析，雷电干扰具有瞬时，畸变幅度大的特征，持续时间相对较短。降雨干扰呈上升或下降的阶跃形态，相对持续时间较长，甚至可以持续几天并持续发生变化。

（6）由于内蒙古地电场监测台网建成于2001年，监测时间较短，台站较少，分布不均匀，积累有效震例数量有限，更深入的分析将在今后不断充实、完善。

本文分析了地电场日常观测中比较典型的几种干扰类型，分析其表现形式，研究变化形态、幅度的变化，对其产生机理进行定性解释，希望能够为正确排除数字化地电场数据中的干扰，准确识别其中的震兆信息提供借鉴和参考。