乾陵地震台地电场日变化特征及干扰因素分析

王秋宁，李媛媛，古云鹤

(陕西省地震局，陕西 西安 710068)

0 引言

地电场属于地球基本物理场之一，是大地电磁场的一部分[1]。按照地电场起源分类原则，可分为大地电场和自然电场。大地电场是指全球性或大区域性变化的地电场，具有广域性，场源来自地球外部电离层中的各种电流体系；自然电场源于地下介质的物理过程和化学反应，通常具有局部场地特征，过滤电场、接触扩散电场、氧化还原电场等是自然电场的主要成分。近年的研究认为地电场变化还与日、月的潮汐引力关联，表现为全日波、半日波等[2-5]。

地电场观测区域覆盖面积较大，容易受到观测场地环境的影响，干扰因素较多，同时观测装置、测量仪器长期稳定性等也是重要的影响因素[6]。如何排除干扰影响，准确识别地电场异常变化，特别是与孕震过程有关的地电场变化成为一个十分复杂的课题[7]。

1 台站基本情况

乾陵地震台位于陕西省乾县乾陵乡陵前村，海拔高度885 m。地处渭河断陷盆地中段与陕北高原分界线附近，布极区地貌为渭河北旱原坡地，位于关山—口镇断裂以南、乾县—富平断裂北侧，台址岩性为奥陶系石灰岩。乾陵地震台地电场观测布极区为农田，测区内无铁路、金属管线穿过，符合地电场观测规范[8]要求(见图1)。

乾陵台地电场观测从2007年5月22日起使用ZD9A型地电场仪，仪器测量频段为0～0.005 Hz，观测数据产出为1次/分钟。测量电极采用LGB-3固体不极化电极，电极埋深约27 m。观测装置布设为双L型布极方式，共设NS、EW、N45°W3个观测方向，相关极距如图1所示，就测量极距而言，目前乾陵台属于全国地电场台网中极距最大的台站之一。

图1 乾陵台地电场布极图Fig.1 Distribution diagram of geoelectric field in Qianling station

2 正常日变化分析

(1) 日变化波形。

谭大诚等[9]将潮汐地电场分成近正弦TGF-A型(双峰双谷型)和近梯形TGF-B型(双峰单谷型)，并对其形成机理进行研究：TGF-A型地电场与固体潮汐密切关联，基本分布在大面积水域附近，与附近水域面积、距离、岩性结构、构造活动等因素有关；TGF-B型地电场与气潮作用产生的空间Sq电流关系密切，并与岩石饱和度、渗透率等有关。按照此理论，乾陵台地电场NS、EW向为TGF-B型(见第26页图2)。

图2 乾陵台地电场分钟值曲线Fig.2 Minute value curve of geoelectric field in Qianling station

(2) 日变化频谱。

傅里叶变换是目前运用到地电场提取频域的一种常见方法。为此，利用基于MATLAB的快速傅里叶变换[10]对乾陵台地电场2018年1月NS、EW向小时值进行频谱分析(见图3)。振幅谱3个高值分别对应地电场日变化24 h、12 h和8 h周期成份，这与一些学者的研究结果相同[2-5]。

图3 乾陵台地电场2018年1月频谱分析曲线Fig.3 Spectrum analysis curve of geoelectric field of Qianling station in January 2018

3 乾陵台地电场观测干扰分析

3.1 气象对地电场观测的影响

3.1.1 影响实例

乾陵台地电场受降雨(2018年5月19日15:00-20日12:00)、雷电(2016年6月11日19:45-12日06:00)与大风(2016年5月2日00:00-12:00)影响时的变化形态如图4所示。在各影响时段，观测数据发生明显畸变，特别是在雷电影响时段，各测道数据明显偏离正常变化，呈现尖锐的突跳和阶跃，干扰幅度约为正常日变化幅度的十几倍。

图4 乾陵台地电场EW向受各类因素影响的变化曲线Fig.4 Variation curve of EW direction of geoelectric field in Qianlingstation affected by various factors

3.1.2 影响机理

乾陵台地电场易受降雨、雷电、大风等自然干扰。降雨对地电场的影响主要体现在两方面，一是电极可能的极化；二是周围电场的实际改变。在电极性能比较稳定时，其影响机理主要是集中强降雨造成了布极区表层土壤含水量明显增加，引起地下介质中的电离子加速运动；此外，在强降雨时，容易在地表形成水的径流，产生感应电场，引起地电场的变化。对于雷电影响，其产生的机理主要是：一般情况下地电场高频变化的场源是对流层中的雷电，周期为(1/10 000)～1 s[11]，主要是雷电改变了区域的电场分布环境。在发生雷电时，大气电场剧烈变化，在这种外部场电变化的干扰下，两种或两种以上的土壤导电率界面就会形成带电离子和自由电子的积累，构成形式各异的尖端放电场强，引起电场的畸变现象[12]。对于地电场所受的风扰，其产生的机理主要在大风时段，地电场线路受到大风的作用出现不均匀摆动，造成水平或垂直方向上运动切割磁力线时所产生的感应电流叠加在观测数据中，出现非正常的变化。需指出，只有架空的线路才可能受大风影响，地埋线路则不会受到干扰。

此外，乾陵台还存在电阻率测量、外线路故障对地电场的影响。对于这两类干扰在全国很多台站都曾出现，也易于识别，这里不再一一赘述。同时从图2也可以看出，06时到23时左右，观测数据的高频成分明显增加，且每天都出现，结合相关学者的研究[13]，判断为西安地铁运行的影响(距离台站80 km左右)，此干扰为工业游散电流影响。

3.2 高压直流输电对地电场观测的影响

3.2.1 影响特征实例

宝鸡-德阳±500 kV的HVDC输电线路是国家跨区电网建设重点工程，受此条线路影响，2018年8月23-24日乾陵台地电场3个测向出现同步阶跃变化，但各测向之间的阶跃方向、幅度大小存在差异(见图5)。通过对比同时段宝鸡台和凤翔台地电场NS向曲线可看到三台变化时间同步(见图6)，亦只是阶跃方向、幅度大小存在差异，说明3个台站的地电场同时受到宝德线HVDC输电干扰。

3.2.2 影响的理论基础

高压直流(HVDC)输电技术是将交流电通过换流站变成直流电，然后通过直流输电线路送往下一级换流站逆变成交流电的技术[14]。当HVDC输电线路间产生不平衡电流时会对地电场观测产生影响。赵畹君[13]通过理论研究认为，HVDC线路对地电场的影响主要来源于两方面：HVDC线路及导线的合成场和换流站接地极的入地电流，HVDC输电对地电场观测的影响与入地电流成正比，与接地极到地电场测区距离的平方和传播区域的电导率成反比。方炜等[15]对宝鸡、乾陵和周至3个台的理论计算结果和实际观测资料比较接近，验证了台站到接地极的距离、电导率为影响地电场变化大小的因素。HVDC输电线路对各台的影响与2次入地电流的大小、线路与各台测向之间的夹角有关。查阅资料，乾陵台、宝鸡台、凤翔台距离宝德线千阳换流站的距离分别为90 km、25 km、20 km，说明HVDC输电线路对地电场的影响还与距离干扰源远近有关。根据图6显示，8月24日乾陵台、宝鸡台、凤翔台地电场NS向的影响量分别为-10.5 mV/km、10.0 mV/km、198.5 mV/km左右，其中乾陵台与宝鸡台影响量基本相同，只是大小反向，说明HVDC输电线路位于两台之间。乾陵台距HVDC输电线路的距离远大于宝鸡台，由于HVDC输电对地电场观测的影响与传播区域的电导率成反比[16]，介质电导率γ=1/ρ。查阅乾陵台、宝鸡台、凤翔台电阻率资料，三台NS向分别为149.8 Ω·m、14.0 Ω·m、31.6 Ω·m左右,这是造成乾陵台与宝鸡台NS向影响量基本相同的一个重要原因；此外，凤翔台地电场NS向的影响量最为显著，不仅与接地极到地电场测区的距离、传播区域的电导率、入地电流的大小有关，也可能和入地点、HVDC输电线路与地电场测区间距离太近有关，存在空间的电磁感应(亦或直流输电导线的合成场)与入地电流影响的叠加效应。

图5 乾陵台地电场受直流输电干扰曲线Fig.5 Disturbance curve of geoelectric field of Qianling station by HVDC transmission

图6 直流输电对乾陵台、宝鸡台、凤翔台地电场NS向的影响对比Fig.6 Comparison of influence of HVDC transmission on NS direction of geoelectric field in Qianling, Baoji and Fengxiang stations

3.3 地电暴

地电日变化和地电暴经常出现，是最易识别的两个地电场变化成份。地电暴是在磁暴期间记录到的地电场剧烈扰动变化，包括急始和缓始地电暴；扰日地电日变化是指日变化上叠加地电暴、地电湾扰、地电脉动等快变化(也称为“地电高频变化”)成分，特别是强磁暴期间的地电日变化往往被“淹没”在地电暴中。电暴与磁暴是同源的[1]，具有信号变化幅度大、分布范围广等特点[16]。当磁暴指数K≥5时，一般在各台站不同方向、不同极距都能记录到同步的高频扰动信息，且形态相似(见第28页图7)。

图7 乾陵台地电场地电暴事件Fig.7 Geotechnical storm event of geoelectric field of Qianling station

图7为乾陵台地电场各测向记录到的2018年7月24日08:00-25日11:00较为清晰的地电暴(k=5)，最大变幅为27.15 mV/km。其表征为在磁暴期间，地电场各测道的数据曲线均出现较为明显的高频震荡现象，各测道数据变化形态比较一致，同步变化显著，变化幅度较大。为了对比在地电暴期间，观测数据的频谱特征、谱值与静日的同异性，对图7所述的地电暴进行最大熵谱分析(见图8)，从图中可以看出，发生地电暴时，其优势周期集中在0.005～0.02 Hz左右，亦即50 m～200 m的周期范围，明显异与静日的8 h、12 h、24 h的优势周期，且谱值也高于静日，其结果与叶青等[2-3]研究结果相似，说明乾陵台地电场观测是可信的，地电场变化符合大地电场变化的特征。

图8 乾陵台地电场地电暴最大熵谱分析Fig.8 Maximum entropy spectrum analysis of geotechnical storms in Qianling station

4 讨论与认识

地电场观测是地球物理场观测和地震预测预报研究的重要方法，但因其特殊的装置系统和高灵敏度的仪器性能决定了其易受各种干扰的特征。为此，快速准确地识别、剔除地电场观测数据中的各类干扰变化，对数据分析应用具有重要意义。通过以上分析，可以看出：

(1) 乾陵台可以清晰地记录到真实大地电场的正常日变化、地电暴。乾陵台地电场静日变化具有较为典型的单峰双谷形态，在发生地电暴时，高频成分明显增加，且日变幅较静日发生较大幅度的增加。通过频谱分析，验证了静日与暴日地电场日变化各类成份的不同。

(2) 场地环境和自然环境都能够对乾陵台地电场产生影响，通过对高压直流输电干扰的机理和实例进行对比分析，高压直流输电对乾陵台影响较为明显，其影响幅度的大小与入地电流的大小、距离远近及地下介质等因素有关。同时观测资料还受到西安地铁运行时工业游散电流的影响。对于自然环境的干扰，有风扰、降雨和雷电干扰，其本质是局部、短时间内电磁环境的变化而影响地电场的变化。此外，乾陵台还存在电阻率测量、外线路故障对地电场的影响，这两类干扰，在实际工作中易于识别。