菏泽地电台电极改造前后观测数据对比研究

蔡 璐

(山东省菏泽市地震监测中心，山东 菏泽 274000)

大地电场是地球表面存在着的天然变化电场，是由电离层E层(高约100 km)中的电流体系在地下感应产生的电场[1]。地电场受控于地球外部各种电流体系和地球内部的介质电性性质，蕴涵了丰富的电性结构及电流源信息，积累了大量震例资料，也受到国内外越来越多的关注[2-5]。菏泽台地处聊考断裂带中南段东侧约25 km处，在山东省菏泽市定陶区张湾镇境内。地理位置较偏僻，测区场地空旷，附近无干扰源，观测环境极为优越。随着菏泽地电台的建立，对提取震前电场异常积累经验和改善分析方法，避免资源浪费，是很有意义的。

但由于台站电极在使用达到一定年限后易出现老化，影响观测数据精确度。本文通过前后两次电极改造，尽可能找到影响地电场观测数据变化的干扰源，对资料的进一步分析和研究具有重大意义，从而为地震分析预报提供更加连续可靠的第一手观测资料。

1 基本情况

1.1 台站简介

菏泽台地处聊考断裂带中南段东侧约25 km处，在山东省定陶县张湾镇境内。地理位置较偏僻，离最近乡镇约4 km，离最近村庄约1 km，离最近河流约3 km，离最近乡镇变电所约4 km。测区场地空旷，附近无干扰源,观测环境良好。

图1 地电、大地电场布极示意图

1.2 仪器情况

ZD9A-Ⅱ地电场仪是用于测量地电场的智能化、数字化的专用仪器。该地电场仪具有灵敏度高，大动态范围和较高的可靠性等特点[6]。

1.3 仪器布极方式

菏泽台大地电场以O点为中心点，布设了NS、EW、N45°E六条测线，地电场独立布设电极和线路，采用地电场常用的L型观测装置布设，具体为：在场地中心点向北和向西布设测线，每个方向均有两个测道，选取不同极距埋设电极，室内分线组合成6个输入端进入仪器，形成6个测道，它们分别是：南北向长极距0.350 km、南北向短极距0.200 km、东西向长极距0.350 km、东西向短极距0.200 km、北西向长极距0.495 km、北西向短极距0.283 km。

1.4 资料选取

自2008年仪器投入运行观测至今，选取自2010年10月-2015年12月两次更换电极前后具有代表性的观测数据以及曲线变化形态进行对比分析、研究。

2 观测数据相关性分析

根据地电场具有区域性的特点，在同一台站同一方向长短极距所记录的地电场数据应该具有相似的形态。因此，应用相关系数来验证观测数据的可靠性，检验观测结果的质量，若在同一方向上的长短极距变化趋势相同，即相关系数较好，数据可信度较高。若长短极距变化趋势不一样测需要考虑是否存在干扰。相关系数的计算公式如下：

(1)

式中：x、y表示为不同测道数据，n表征相关分析的数据长度。利用每小时对应的60个观测数据计算小时相关系数，每天得到24个数据；在剔除其中的最大值和最小值，计算剩余数据的算数平均值，得到每天观测数据的统计平均相关系数数据。

根据式1，分别对2010年、2015年两次更换电极和2016年地电场外线路升级改造前后数据进行了统计。从统计结果来看，在2010年11月首次进行铅电极改造前，地电场日相关系数都偏低，一半以上的日相关系数都低于0.6的规范要求。在铅电极升级改造完成后，所有测向相关系数均在0.9以上，观测质量取得明显改善(见表1)；在2015年11月-12月更换不及化电极期间所有的相关系数都偏低，基本都为负数，已不满足大于0.6的规范要求，数据可信度很低(见表2)，由此可见此次地电场电极升级改造后观测质量并未有所提高，日相关系数在电极改造前后无明显变化；但在2016年4月对外线路更新改造完成后大多数NS测向相关系数都在0.95以上，个别天的相关系数在0.9左右，数据质量较高；NW测向相关系数2016年4月-5月基本都在0.9以上，数据质量较高。相关系数系数大于0.6，可以判定地电场观测系统工作较为稳定，运转基本正常，在同一方向上的长短极距变化趋势相同，数据可信度较高(见表3)，由此可知此次地电场观测数据的改善主要与地电场外线路升级改造有关。

表1 2010年电极改造前后长短极距相关系数统计

表2 2015年电极改造前后长短极距相关系数统计

表3 2016年外线路改造后地电场长短极距相关系数统计

图2 2010年8-10月菏泽台地电场更换电极前

图3 2010年11月-2011年2月菏泽台地电场更换电极后

3 两次更换电极对观测资料的影响

3.1 2010年11月更换铅柱电极

2009年以来电极出现老化现象，一遇阴雨天容易出现漂移，相关系数偏低(如图2)。2010年11月3日更换为Φ5 cm、高25 cm的铅柱电极，埋深7.5～8.0 m，测量数据全部合格。更换电极后相关系数明显提高，大大改善了观测精度(如图3)。

3.2 2015年11月更换不极化电极

菏泽台自2010年11月更换铅柱电极以来相对于2006年7月安装的不极化电极在观测资料的质量有很大提高，但是随着应用时间久等原因，铅电极不稳定，尤其是受降雨影响很大。

表4 菏泽地电台观测数据与降雨关系

图4 菏泽台地电场受降雨影响图

图5 两次更换电极前后数据变化图

从表4可以看出，菏泽台地电场观测数据在2015年7月14日-7月17日期间相关系数及差值受降雨影响较大，并且在降雨停止后地电场观测数据受到的影响还会持续数天(如图4)。由此也可以看出随着电极的老化，引起地电观测数据非正常变化，导致观测数据精度降低，有必要对电极进行重新更换。

图6 2015年12月-2016年1月更换不极化电极

为了提高地电场观测质量，在2015年11月对电极进行第二次升级改造。在此次升级改造中用不极化电极替换了之前的铅电极，更换不极化电极按照预定方案进行电极安装。但因更换电极期间连续降雨，空气湿度大，11月26日更换不极化电极观测2 d数据质量较差，28日重新更换回原来的铅电极观测5 d，观测数据质量也不理想(如图5)。

12月2日重新把铅电极更换回不极化电极，但通过对更换电极前后观测数据进行对比研究，发现更换电极后观测数据质量变化不明显。在确认电极安装准确无误后，通过不断实验，查找原因，最后发现有可能是外线路漏电造成更换电极后效果不明显(如图6)。在2016年4月对地电场外线路进行更换后，发现地电场观测数据明显改善(如图7)。

图7 2016年4月更换外线路后

4 结语

菏泽地电台在观测系统及测区环境相对稳定的情况下，观测数据齐全，精度较高，观测数据能够比较真实的反应地电场强度的变化。但是由于台站电极在使用达到一定年限后易出现老化现象，影响观测数据精确度。

(1)在2010年对电极进行铅电极改造后相关系数明显提高，观测精度有所改善。

(2)在2015年的不极化电极改造中，改造前后观测数据无明显变化。通过不断实验，查找原因，发现有可能是外线路漏电，影响了此次电极改造后的效果。

(3)在2016年4月对外线路进行改造后，地电场观测数据得到明显改善。