应城地电场日变化及干扰特征分析

张建涛 王明贵 陈星星 周 超

1）中国武汉 430071 中国地震局地震研究所

2）中国武汉 430071 中国地震局地震大地测量重点实验室

0 引言

地电场由自然电场和大地电场构成，是重要的地球物理监测指标，我国于1984 年起将其用于地震监测。国内外诸多研究表明，震前地电场观测数据可能出现谐波振幅增大、优势方位角和极化特性改变等明确的异常信号（安张辉等，2013；王宇等，2020；于晨等，2020）。然而，地电场易受环境变化、人为活动、观测系统故障等因素的影响，从而导致观测数据曲线发生畸变，仅从曲线形态和变化幅度难以区分地震异常和干扰，因此需要对地电场数据日变化和各种干扰特征进行有效识别。为此，我国地震工作者开展了一系列研究，如：高慧慧等（2014）对青海省都兰、大武台各种干扰因素进行分析；李希亮等（2015）对山东地电场自然环境和人为干扰等典型因素进行了分析；罗娜等（2016）对河北地电场常见干扰源的表现形态和干扰机制进行了分析。但是对湖北省地电场有关干扰识别的研究尚属空白。作为湖北省当前唯一正常运行的地电场，应城地电场自2018 年投入观测以来，在震情监测中发挥了积极作用，选择地电场分钟值观测数据，通过频谱分析和谐波拟合等方法，对其日变形态及干扰特征进行分析，研究结果有助于提升地电场观测数据的应用价值。

1 台站概况

应城地震台（下文简称应城台）位于湖北省应城市汤池镇打榨村，属重庆云阳—湖北应城地震条带。台站所在区是湖北地震活动较活跃的地区之一。应城台地电场测项由“东半球空间环境地基综合监测子午链”工程新建，地电测区地形开阔平坦，周边无干扰源，于2018 年投入观测，配备仪器为ZD9A-2B 地电场仪，采用UPS 电源进行供电。地电场布极方式为双L 型，共布设NS、EW 和NE 3 个测向，每个测向包含长、短极距2 个测道，其中NS、EW 测向长极距均200 m，NE 测向长极距283 m，各测向短极距均为长极距的1/2。外线路采用地埋方式，每季度进行绝缘性检查。电极采用圆柱形固体不极化电极，埋深3.5—7 m。

2 正常数据特征

大地电场源于远源空间电流及日月潮汐，变化具有一定的周期性、全球性特征；自然电场源于电极附近介质的物理和化学活动，地方性特征较为明显（范晔等，2020；张波等，2020）。应城地电场各测道数据相关性较好，除偶尔受观测系统故障和降雨影响外，6 个测道的数据变化趋势一致，仅以NS 测向长极距数据为例，分析应城地电场变化特征。

2.1 大地电场变化

地电场观测数据中包含许多高频扰动成分，在原始数据曲线中可见较多突跳，导致日变形态不清晰，需进行预处理。2018 年7 月15 日为国际磁静日，应城地电场无高压直流等干扰，以当日数据为例，分析地电场正常日变曲线及周期成分（图1）。利用快速傅里叶变换提取其前5 阶振幅，周期分别为12 h、8 h、24 h、6 h 和4.8 h，且周期为12 h 的半日波成分突出[图1(b)]，与范晔等（2020）对我国大陆地区地电场日变特征的研究结果一致。对前5 阶振幅进行傅里叶逆变换得到新的数据序列，应城地电场双峰单谷的日变形态清晰可见，见图1(c)，可见：北京时间6—18 时地电场为正弦波形态，其他时间曲线呈平缓变化，地电场强度极小值出现在12 时前后，2 个极大值分别出现在8 时和18 时前后。

图1 地电场正常日变曲线及周期成分(a)原始数据；(b)周期成分；(c)傅里叶逆变换Fig.1 Curves of normal diurnal variation and periodic components of geoelectric field

选取2018 年应城地电场每月日变形态最清晰的1 d 数据，采用上述方法进行预处理，逐月拟合曲线见图2，可见：应城地电场1 月波形呈单峰单谷形态，其余11 个月均具有两峰一谷形态；地电场达极大值时间不断变化，其中1—6 月极大值时间不断提前，7—12 月则越来越晚；地电场日变幅度存在周期性变化。

图2 地电场日变逐月拟合曲线Fig.2 Monthly fitting curves of diurnal variation of geoelectric field

选取应城地电场2018—2019 年磁场平静、无高压直流干扰的数据，分别计算各测道日变幅月均值。结果表明，每年11 月至次年1 月日变幅较小，长极距NS 测道约为15 mV/km；在3月和9月前后日变幅最大，约为30 mV/km；其他时间日变幅约为25 mV/km。3 个测向日变化幅度有所差异，其中NE 测向日变幅略大于NS 测向，EW 测向日变幅仅为NS 测向的1/2，同测向长、短极距测道日变幅基本相同。

频谱分析结果表明，12 月数据中存在周期约0.1 h 的高频成分，其他年份同期观测数据同样存在该成分。根据谭大诚等（2010）的相关研究，地电场观测曲线形态可分为：①TGF-A 型：近正弦形态、双峰双谷；②TGF-B 型：夜晚呈近直线，白天近正弦形态、双峰单谷；③无日变型。

应城地电场11 月至次年2 月日变形态不明显，综合全年观测数据，地电场观测曲线形态应属于TGF-B 型。

2.2 自然电场变化

当观测环境场地干扰较小时，每日观测数据均值可视为自然电场（谭大诚等，2014），而自然电场的一阶差分可以反映观测系统和环境的稳定性。

2018—2019 年应城台自然电场曲线见图3(a)，可见曲线存在许多突跳和台阶型变化。对观测系统及测区环境进行检查，发现突跳由高压直流线路干扰所致，台阶型变化由测区环境改变造成。如图3(a)中①所示，2018 年6 月13 日，受湖北宜昌—江苏常州（三常线）高压直流输电影响，自然电场出现幅度为25 mV/km 的突跳。如图3(a)中②、③和④所示，2019年自然电场出现3 次明显的台阶变化，其中：2019 年1 月30 日，当地出现降水天气，自然电场呈下降台阶变化，幅度约12 mV/km，3 月2 日突然升高，变化幅度约12 mV/km；5 月25 日起当地连续降雨，5月26 日自然电场升高20 mV/km；12 月11日—24 日，受三常线高压直流输电连续干扰，自然电场出现台阶变化。

图3 自然电场及日差值曲线Fig.3 Curves of spontaneous electric field and daily difference

由应城地电场一阶差分曲线[图3(b)]可知，应城地电场测区环境稳定性较差，分析认为原因如下：①降水干扰显著，应城当地降水丰富，2018—2021 年平均年降雨量大于800 mm，且多次单日降雨量超70 mm，电极周围介质状态难以保持稳定；②布极区位置不合理，地电场布极区紧邻水库，电极与水库的最近距离不足3 m，且电极埋设区域地势低，易受岩石裂隙水渗流产生的过滤电场干扰（范晔等，2020）；③长极距未达到电磁学科建设要求，应城地电场NS、EW 测向长极距仅200 m，未达到电磁学科对地电场建设的要求（300 m），不能保证观测数据的可靠性。

3 干扰数据特征

统计2018年—2021年应城台地电场异常跟踪记录，发现高压直流输电为主要干扰源，电磁暴、降雨和雷电等为次要干扰源。

3.1 高压直流输电干扰

当高压直流输电线路出现故障或进行调试时，会产生较大不平衡电流，影响换流站周围的电磁观测（苏小芸等，2020）。作为电网全国互联、西电东输的中心省份，湖北省拥有三峡、葛洲坝等大型水电枢纽，高压直流输电线路分布密集，地电场观测受干扰严重（表1）。

表1 应城地电场周边高压直流输电线路影响统计Table 1 Effect statistics of HVDC transmission lines around geoelectric field in Yingcheng

由表1 可知，三常线、三广线、葛上线、三上线和陕湖线对地电场影响较大，酒湖线、锦苏线等线路的影响较小；高压直流输电干扰一般持续几小时，有时仅存在几分钟，同一高压直流输电线路对地电场造成的干扰，阶跃方向和幅度并不固定。干扰曲线形态表现为规则的方波型阶变，且各测道变化在时间上具有同步性。2021 年8 月4 日—5 日，受陕西榆林—湖北武汉高压直流输电线路的影响，应城地电场6 个测道同步出现台阶，各测道数据曲线的阶变方向相同，干扰幅度存在差别（图4）。统计发现，各高压直流输电线路对应城地电场的干扰幅度，与换流站和地震台站间距及线路电流大小有关，线路额定电流越大，台站与换流站距离越近，干扰幅度越大，如受陕湖线干扰，应城地电场最大阶跃幅度超过600 mV/km。

图4 地电场受陕湖线高压直流干扰曲线Fig.4 Curves of geoelectric field subjected to HVDC interference

3.2 电磁暴干扰

地电暴和地磁暴密切相关（董蕾等，2018）。在磁暴期间，相比地磁场变化，地电场观测数据记录的高频信号更为丰富（图5）。

图5 地电场受电磁暴干扰曲线Fig.5 Curve of geoelectric field subjected to electromagnetic storm

2021 年5 月12 日应城台记录到最大K指数为6 的急始型地磁暴，地电场NS 测道日变幅升至250 mV/km，是5 月磁静日地电场日变幅的10 倍。2018 年8 月25 日应城台记录到最大K指数为5 的缓始型磁暴，NS 测道日变幅达110 mV/km。分析发现，电磁暴期间地电场观测数据反复振荡，高频扰动成分显著增多，日变曲线严重畸变，但地电场变化幅度与地磁K指数之间并非线性相关。如：2020 年4 月20 日应城台记录到最大K指数为6的急始磁暴，NS 测道日变幅仅95 mV/km；2019 年1 月4 日K指数为3，地电场NS 测道日变幅达50 mV/km，后半日数据反复振荡。

3.3 气象干扰

应城台周边无其他建筑物，紧邻大面积水域，遭受雷击概率较大，虽已采取多重防雷措施，但雷击事故依然多发，地电场仪就多次记录雷击事件。雷电干扰引发的地电场观测数据曲线畸变与高压直流输电干扰有一定相似性，均表现为所有测道同步产生阶跃，且数据相关性不受影响；二者不同之处在于，雷击引起的阶跃幅度小，干扰期间数据为恒定值[图6(a)]，如：2019 年8 月15 日13:45—14:45，受雷电活动影响，应城地电场观测数据出现恒值和台阶，持续1 h 后数据恢复正常，2020 年6 月27 日、2021 年5 月15 日雷雨期间也存在相同现象。

强降雨形成的地表水流可能产生感应电场，而且降雨导致观测场地土壤含水量增加，电极周围地下介质的电性结构发生改变，结果均反映在地电场观测数据曲线上（刘华姣等，2020）。2020 年1 月应城台遭遇连续降雨天气，5 日至10 日累计降雨量高达95 mm，地电场6 个测道测值均发生改变。如图6(b)所示，1 月9 日，EW、NE 测道长极距地电场强度出现不同程度的下降，而NS 测道长极距地电场则上升10 mV/km，后均呈较平缓的趋势变化；同日，EW 测道短极距地电场强度开始缓慢下降，NS 和NE 测道短极距数据干扰形态则与之相反，随着电极周边介质中含水量的降低，短极距测道观测值逐渐趋于稳定。分析认为，雨水可能造成电极引线接头受潮和接触不良，使观测数据出现漂移，且长、短极距相关系数降低。

图6 地电场受气象因素干扰曲线(a)雷电干扰；(b)降雨干扰Fig.6 Curves of geoelectric field subjected to meteorological factors

4 结论与讨论

应城台地电场属于TGF-B 型，正常日变形态表现为两峰一谷。受高压直流输电、降水及电磁活动等影响，地电场日变形态不够清晰。受高压直流输电、降水影响，应城地电场干扰严重，其中高压直流输电会同步造成所有测道高达600 mV/km 以上的阶跃，而降水干扰主要表现为数据漂移和台阶变化，且干扰持续时间可达几十天。地电场观测对磁场活动敏感性较高，即使地磁最大K指数只有3，数据曲线也可能出现严重畸变。电磁暴会导致地电场观测数据离散度增大，日变化幅度可达正常幅度的10 倍。受雷电影响，地电场观测数据呈阶跃变化，但幅度较小，持续时间一般不大于1 h，且干扰期间各测道数据均为恒值。

应城地电场所受干扰频率较高且类型多样，日常工作务必认真细致。对于降水等气象干扰，需加强对观测系统和环境的检查，及时疏通观测场地的排水设施，及时检查并维护防雷装置，以保障地电场观测数据质量。而且，应城地电场在选址和建设上存在不规范之处，导致测区观测环境稳定性不足，削弱了数据的可用性，若湖北省将来建设新的地电场台站，务必严格按照学科规范进行场地勘选和设计。