河北昌黎地震台地电场观测数据干扰排查与分析

2022-06-09张海博周剑青朱彦珍刘雅洁李宝群

地震地磁观测与研究 2022年2期

张海博周剑青朱彦珍刘雅洁李宝群

（中国河北063000 唐山地震监测中心站）

0 引言

昌黎地震台（下文简称昌黎台）位于昌黎县城西10 km，隶属河北省地震局。该台站位于燕山山前冲积平原，区域地质构造属山海关块隆，地处宁昌断裂北侧。观测场地周围地势较为平坦，第四系覆盖层厚约70 m，含水层发育，层厚20—30 m，下伏岩层为燕山期花岗岩。昌黎台地电场观测始于2001 年10 月，与地电阻率测项同处一个测区，自2016年9 月1 日起采用ZD9A-2B 数字地电场仪进行观测，观测数据连续、可靠。

随着数字化仪器灵敏度和采样率的提高，地电场观测精度日益提高，不仅能记录到雷电、降雨、直流供电干扰、气温（或季节）变化、电极极化、震前异常等信号，也能记录到地电场观测点附近的生活、生产活动所造成的干扰，如农田灌溉、高压直流输电干扰、游散电流（漏电）等。例如：徐庄子台地电场2009 年10 月30 日起NS、EW 向长、短极距同步出现不规则方波状干扰变化，每次上升和下降幅度基本一致，干扰结束后数据恢复正常值（陈志刚等，2012）；高邮台地电场各测道于2009 年10 月同步出现类似方波变化，经核实，为距台站约2 km 的印染车间控温设备加热管击穿对地漏电所致（王福才等，2013）；蒙城台地电场观测数据2012 年出现方波干扰变化，经现场核实，确定为黄柏村变压器漏电所致（应允翔等，2018）。因此，需要在地电场日常观测中发现并消除各种干扰，以保障观测数据质量，为相关研究提供可靠的基础数据。

本文就昌黎台地电场2019 年5—6 月出现的观测数据异常，运用案例分析和现场流动观测定位的技术手段，实现干扰源的高效排查。希望通过对本案例技术思路和实际操作步骤的总结，为其他地震台站地电场观测异常排查提供参考。

1 昌黎台地电场观测数据异常特征

昌黎台周边地区历史地震较多，但近年来地震频次较低，周边200 km 范围内近5 年共发生3 级以上地震9 次，最大地震为2020 年7 月12 日河北唐山市古冶区MS5.1 地震（图1）。

图1 昌黎台周边区域地质构造及地震分布Fig.1 Regional geological structures and historical earthquakes around the Changli Seismic Station

（1）地电观测装置。昌黎台地电场观测装置系统由ZD9A-2B 地电场仪、固体不极化电极组成。地电场采用三角形观测装置布设，具体为：在场地中心点向北和向西布设测线，每个方向设置2 个测道，每个侧向埋设电极极距不同，其中：NS 向长极距300 m、短极距150 m；EW 向长极距270 m、短极距150 m；NE 向长极距404 m、短极距212 m。采用6 个固体不极化电极（中国地震局兰州地震研究研制，型号LGB-3 型），埋设在地表冻土层以下潮湿土壤中，深度3.0 m，各电极基本处于同一平面，电极坑中土质相同并进行导电性能处理（添加饱和NaCl 溶液）。电杆使用8 m 和10 m 砼杆，外线路采用抗拉伸的绝缘线，每千米长度电阻≤20 Ω，导线抗拉强度≥28 kg/mm²，两杆之间距离≤50 m，对地绝缘电阻≥2 MΩ。

ZD9A-2B 地电场仪基本性能指标如下：测量准确度优于±（0.1%读数＋0.02%满度），分辨力1—10 μV，频带范围DC—0.005 Hz，测量范围±1 000.000 mV，动态范围不小于100 dB，工频共模抑制比不小于150 dB，工频串模抑制比不小于100 dB，采样率为1 次/（分钟·通道）。

（2）地电场观测数据异常。由多年监测数据可知，昌黎台地电场观测数据连续率、完整率较高。在磁静日（K≤2）时，昌黎地电场观测数据曲线具有规则日变形态，表现为：EW 测向极小值出现在北京时间4 时前后，双峰双谷；NS 测向极小值出现在北京时间12 时前后，双峰单谷。当磁场扰动偏大时（K≥5），大地电场可清晰记录到磁扰变化，尤以地电暴最为明显。

昌黎台地电场观测数据曲线自2019 年5 月17 日开始，每日19 时至次日7 时前后出现不同程度的台阶变化，且长、短极距6 个测道同步变化，其中NS、EW 向变化幅度较大，NE 向变幅较小。至6 月4 日，该异常现象消失，每日变化时间基本一致，具有明显的周期性特征。该台站此前无类似干扰，选取5 月15 日至6 月7 日6 个测道地电场数据绘制分钟值曲线，分析数据变化特征，结果见图2，可见数据变化幅度约15—25 mV·km-1。由图2 可见，每日19 时出现1 个向上或向下的台阶，并持续至次日07 时前后，后恢复正常（两端变化量基本相等），每间隔约1 小时，在台阶中间产生1 次突跳，持续约5 min。

图2 昌黎台地电场5 月15 日—6 月7 日分钟值曲线Fig.2 Observation curves of the geoelectric field at Changli Seismic Station from May 15 to June 7

昌黎地电场本次异常变化出现在每日19 时至次日7 时前后，持续时间长，在时间上具有明显的规律性，且各测道变化幅度、形态基本一致。据经验判断，该异常具有漏电或直流输电干扰特征。调查发现，此次异常变化期间，当地无雷电天气，电极周边无农田灌溉，地球物理场无强磁扰变化。查询国家地磁台网中心高压直流输电干扰发布系统可知，同期无高压直流输电线路停电及漏电干扰，且异常变化时间与以往高压直流输电干扰时段不符，故排除此类干扰异常。

2 异常排查分析

昌黎台地电场观测数据年变化趋势基本正常，日变形态清晰，呈明显的两峰一谷形态，长、短极距相关系数较高，数据干扰类型较为固定且常见，如：地电暴、高压直流输电、农田灌溉、雷雨。将以上4 种干扰与此次数据干扰曲线进行比较，发现曲线变化特征不一致。

（1）地电暴影响。地电暴和磁暴具有同源性，场源起源于太阳日冕物质抛射事件，由太阳活动引起的固体地球外部的空间电流体系活动，是大尺度空间同时发生的电磁现象（谢伦等，2004；张满莲，2005）。地电暴期间，河北省内各地电台站不同极距、不同方向均可同步记录到地电暴信息，在一定区域内对电场同方向长、短极距的影响是同步的，异常的持续时间、强度与磁暴的持续时间及强度呈较好的正相关（张学民等，2006）。2015 年3月17 日发生一次急始型磁暴，河北省6 个台站地电场仪均记录到地电暴发生过程，昌黎台记录的最大Dst指数为7。各台站电场日变形态出现较大畸变，体现为大幅度尖锐脉冲突跳（初相），与磁场记录的磁暴信息相比，地电场变化更加剧烈，记录的高频成分更加丰富，结果见图3(a)。2019 年5 月17 日至6 月4 日，昌黎台地电场观测数据呈阶跃方波变化，与地电暴形态特征不同，且Dst指数均小于5，未见明显磁暴记录，GM4 磁力仪地磁观测数据无明显突跳或阶变，故排除地电暴干扰。

（2）高压直流输电影响。高压直流输电线路通常采用双极两端中性点接地方式，在正常运行状况下，当额定电流不超过1 200 A 时，对相距12 km 以上的地磁观测站点基本不会产生干扰，但在工程试运行及运行阶段出现故障时，会产生较大的不平衡电流，在输电线及换流站周围产生的干扰磁场将对电磁站点的正常观测产生影响，对输电线路两侧300 km 范围内电磁观测的影响尤为剧烈（蒋延林等，2014）。

昌黎台地电场观测主要受到扎鲁特至青州（扎—青线）、呼和浩特至辽宁（呼—辽线）、宁夏至山东（宁—东线）、锡林浩特至泰州（锡—泰线）高压直流输电线路的影响，主要表现为阶变形态。其中扎—青线、锡—泰线距台站约180 km，呼—辽线距台站约270 km，宁—东线距台站约320 km。依据各线路所处方位、距离或输送电压的不同，昌黎地电场6 个测道观测数据变化特征并不一致，表现在：①扎—青线影响：6 个测道呈上升或下降的同向阶变；②呼—辽线影响：NS 向2 个测道呈上升阶变，其余呈下降阶变；③宁—东线影响：NS、NE 测向4 个测道呈同步上升变化；④锡—泰线影响：6 个测道同步呈下降阶变。经调查统计，发现在2019 年5 月，昌黎台地电场仅1 日、24 日受到扎青线高压直流输电影响，且6 个测道同步出现台阶变化，结果见图3(b)。高压直流输电干扰时间不固定，而此次异常变化出现在每日19 时至次日7 时前后，时间上具有明显的规律性，二者在时间上不相符，且曲线变化形态也不一致。据调查，滦县等台站地电场观测未记录到类似异常变化，因此认为，本次异常非高压直流输电干扰。

（3）农田灌溉。昌黎台地电场部分电极埋设在农田内，易受灌溉影响，观测数据一般出现台阶或漂移现象。2019 年6 月24 日昌黎台NS 和NE 测道长、短极距观测数据出现台阶和漂移现象，干扰幅度呈不均匀性，见图3(c)。调查得知，当日农田灌溉，长极距北电极被水浸泡，电极引线接头遇水产生极化电位，致使地电场观测数据发生变化。据调查，此次地电场观测数据异常变化期间，无农田灌溉作业活动，且此次数据异常形态和农田灌溉表现形态不同，因此排除农田灌溉影响。

（4）降雨、雷电。雷电会引起地电场观测数据的波动和扰动，沿架空线路迅速传播的雷电波可对电子记录设备造成冲击，强雷电甚至造成仪器毁坏和停测（王伟等，2013）。2019 年7 月13 日昌黎台大地电场ZD9A-Ⅱ仪受雷雨干扰，观测数据于09 时—18 时受到明显干扰，观测曲线日变形态发生畸变，观测值明显偏离正常变化见图3(d)。经调研，2019 年5 月17 日至6 月44 日昌黎地区无雷雨，可知同时段昌黎地电场异常变化非降雨及雷电干扰。

图3 昌黎台地电场常见干扰数据曲线(a)地电暴；(b)高压直流输电；(c)农田灌溉；(d)雷雨Fig.3 Common interference curves during the observation of geoelectric field at Changli Seismic Station

3 基于现场定位观测的漏电排查

昌黎台周边环境比较复杂，经对主要干扰因素的初步摸排，笔者开展测区野外观测实验进行对比分析，判断异常是否源于干扰，并基于简便计算，分析干扰源所在方位及距离，以便进一步开展针对性环境排查。

调查发现，昌黎台测区附近大多数工业及民用生产设施基本沿G205 国道呈EW 向分布。因此，本次野外对比观测点位沿EW 方向布设，使用简易电极，在测区周边布设5 个临时地电场观测测点，台站与观测点方位见图4。每个测点装置按三角型或“十”字型布极，使用备用电场仪，根据实验场地大小，极距长度设置为100 m 或200 m 不等，各测点相关参数见表1。鉴于此次干扰基本呈台阶变化（干扰开始、干扰结束、干扰期间），且3 个测向台阶幅度基本一致，因此一般取至少涵盖1 次台阶的1 h 时段数据估算并分析变化幅度，得到现场检测实验中5 个测点的数据曲线，见图5。

图4 现场检测实验测点布设分布Fig.4 Layout of observation points during the field test

图5 现场检测实验测点数据曲线Fig.5 Observation curves at observation points during the field test

表1 现场检测实验测点信息Table 1 Information of observation points during the field test

测点1 位于台站西北约800 m 处，观测时间为24 日晚7 时—25 日早8 时。布设方式为“十”字线路，观测东长（E′）、东短（E）、南（S）、西（W）、北（N）5 个点位与O 点之间的地电场变化（以下文中均省略O 或O′，例如E 即代表OE 测道），4 个短极距均为100 m，仅E′极距200 m。取该测点25 日07:00—07:59 数据，与昌黎台数据记录进行对比，可见除W 测道外，其余4 个测道均出现同步干扰，据台阶变化，N 与S 之间变化量相当，E、E′之间变化量相当，W 则与其余4 个测道变化不相等，说明干扰源可能分布在测区EW 方向上。

测点2 与测点3 同时布设，鉴于测点1 使用钢钎作为电极出现数据漂移现象，其他测点均使用临时铅板电极，埋深约50 cm。

测点2 位于台站西北方向约2.84 km 处，测点3 位于台站东侧偏北约1.82 km 处，观测时间均为28 日晚6 时至29 日早9 时。取2 个测点29 日03:00—03:59 数据，可见测点2 数据变幅比测点1 略小，而测点3 台阶变化量较大，其量级远大于测点1、2，据此判断干扰源在测区东侧，西侧可能性减弱。

测点4 位于台站西侧偏北约5.32 km 处，测点5 位于台站东偏北方向约2.34 km 处，观测时间均为29 日晚6 时至30 日早9 时。取2 个测点30 日03:00—03:59 数据，可见测点4 基本无台阶变化，说明该测点位于干扰源最大干扰边界，由此推断干扰源影响范围约为5 km 级别。

为进一步确定干扰源方位，对比测点3 与测点5 的干扰幅度，结果见表2，结合两测点布极位置，以及昌黎台地电场NS向干扰下降阶变、EW向干扰上升变化的特点，分析认为，干扰源位于测点5 以东、测点3 以南、昌黎台东南方向，加之由测点4 推测的干扰源影响范围，最终判断干扰源位于测点3、5 和昌黎台东南方向、国道G205 周边直径2 km 范围内的交流工业用电漏电干扰源。

表2 测点3、测点5 干扰幅度计算结果对比Table 2 Comparison between calculation results of test point 3 and test point 5

6 月4 日晚，昌黎台附近地区停电约1 h，而地电场观测数据无干扰，由此推断干扰源位于停电区域。经调查核实，位于昌黎台东偏南7°、间距约3.78 km 的铁件铸造厂，变压器输出端与接入端之间的电线破损导致漏电。经多次停电实验，发现地电场观测数据曲线的台阶变化与线路漏电时间吻合，由此确认，数据干扰由铁件铸造厂漏电所致。工厂对漏电电缆采取包裹性维修及沿工厂墙体固定的措施后，昌黎台地电场观测数据恢复正常。

4 讨论

昌黎台地电场观测数据本次异常变化时间规律，是地震前兆异常的可能性较小。由异常阶段6 测道日值变化曲线可知，不同时段各测道最大变幅、平均变幅一致性较好，起止时间相对集中，同向2 个测道阶变方向相同。NS_L 测道平均变幅最大，NS_S、EW_S、EW_L 测道次之，4 个测道的平均变幅波动范围为3.0—6.0 mV·km-1，同向2 个测道的平均变幅波动范围为1.0—3.0 mV·km-1。分析认为，各测道最大变幅或平均变幅的绝对值相差不大，且同测向长、短极距的最大变幅比及其平均变幅比均较一致。

如昌黎台地电场观测数据干扰由周边设施漏电所致，徐庄子台、高邮台、蒙城台也有类似现象，如：徐庄子台地电场2009 年10 月30 日起，NS 向和EW 向长、短极距同步出现不规则方波状干扰变化，每次上升和下降幅度基本一致，干扰结束后数据恢复正常值（陈志刚等，2012）；高邮台地电场于2009 年10 月出现类似各测道同步方波变化，经核实确认，干扰由距台站约2 km 的印染车间控温设备加热管击穿对地漏电所致（王福才等，2013）；蒙城台地电场2012 年出现类似方波干扰变化，经现场核实，确认干扰由黄柏村变压器漏电所致（应允翔等，2018）。