2019年11月河北肥乡大地电场干扰的识别及排除

段吉超 贾 华 张小涛 张国苓 孙 晴 谭 青 滕传奇

1）中国河北 056001 邯郸地震监测中心站

2）中国石家庄 050021 河北省地震局

3）中国云南 654600 巧家县防震减灾地震局

0 引言

地电场是重要的地球物理场。20 世纪90 年代起，我国针对重点区域的地电场观测台网逐步建立，并启动了地电场数字化观测工作（席继楼，2019）。数字化地电仪器的采样率和灵敏度较高，对场地环境的要求随之提高。随着社会经济的发展，地电场观测场地干扰日益严重。如何对异常数据快速分析，确定干扰源，进而排除干扰源，保证观测数据的连续、有效成为电磁学科的首要任务（张学民等，2006）。

对肥乡地电场2019 年11 月出现的异常数据进行核实，对测区环境进行走访调查，并对观测系统进行检查，开展现场实验和相关数据对比等，以排查异常，确定干扰源。对观测数据干扰的识别与排除，可有效提高地电场观测资料质量，为地震地球物理研究提供可靠的基础数据。

1 台站概况

1.1 地质构造

肥乡地震台为无人值守台站，2013 年增加地电场观测项目，2016 年搬迁至邯郸市肥乡区瓜精庄村东，与肥乡城区直线距离约20 km。该台地电场观测区地处漳河冲洪积扇区，地势平缓，海拔47 m，位于太行山断块、冀鲁断块、皖豫断块交会地，台基岩性为沉积黄土覆盖层（江娃利等，1996）。台站周边20 km 范围内，以南分布磁县—大名断裂带，以东分布馆陶断裂带，以西分布广宗断裂带（图1）。19 世纪以来，附近地区发生的最大强度地震为1830 年磁县7.5 级地震。

图1 肥乡台周边地质构造Fig.1 Geological structure of Feixiang Seismic Station

1.2 观测系统简介

肥乡大地电场观测采用常见的L 型装置系统，即在EW 和NS 2 个正交方向进行地电场矢量观测，在NW 方向进行辅助观测，每个测量方向分别布设2 种不同极距的测道，其中长极距400 m，短极距200 m（图2）。观测仪器采用ZD9A-2B 地电场仪，选用Pb-PbCl2固体不极化电极，埋深4.5 m。外线路采用抗老化的绝缘铠装电缆，地埋敷设，引入观测室。肥乡地电场观测系统建设及布极区环境状况均符合相关规范（贾华等，2017）。

图2 肥乡台地电场观测装置Fig.2 Geoelectric field observation device at Feixiang Seismic Station

2 数据异常分析

2019 年11 月2—4 日，肥乡地电场6 个测道中EW 向及NW 向短极距出现阶跃变化，变化幅度为1.429—3.156 mV/km（图3）。在地电场观测中常用测向的长、短极距相关系数检验观测数据之间相关程度，若相关系数低于0.95，则表明观测数据质量较差。地电场的差值能反映长、短极距测道变化幅度是否一致，差值越大表明漂移现象越明显。本次异常数据中，EW 测向3 d 内日相关系数平均值分别为0.766、0.823、0.856，日差值平均值分别为0.13 mV/km、0.36 mV/km、0.23 mV/km，NW 测向3 d 内日相关系数平均值分别为0.573、0.454、0.663，日差值平均值分别为0.09 mV/km、0.38 mV/km、0.10 mV/km。6 个测道中NS 向长短极距未发现异常。11 月4 日，对该异常进行现场核实，具体工作为：观测系统检查和测区环境巡检，现场数据对比实验及相邻台站数据对比等。

图3 2019 年11 月4 日肥乡地电场各测向分钟值数据曲线Fig.3 Minutely value curves of anomalies in each direction of geoelectric field at Feixiang seismic station on November 4,2019

2.1 现场核实

2.1.1 观测系统工作状态检查。现场对观测仪器、室内外线路及插头、电极接地电阻、观测电源等进行排查。结果显示，仪器各项工作指标正常，接地电极电阻为2.76 Ω，符合要求，交直流供电电压正常。

排查发现，外线路无人为破坏，电极坑内线路接口处包裹严密且线路外观未出现破损、漏线等现象，胶带接口处干燥。利用摇表对外线进行绝缘检查（图4），摇表数值趋于无穷大，外线绝缘性能良好。查看历史数据可知，若电极外线路破损断裂，地电场数值将急剧上升或下降，幅度可达几百甚至上千mV/km。本次异常不符合外线路破损所致数据变化的特点，故排除电极线路故障。

图4 现场电极外线路检查Fig.4 On-site inspection of external electrode circuit

2.1.2 观测环境调查。依据《地震及前兆数字观测技术规范》（DB/T 7714）的规定，对测区环境进行走访调查，未发现测区内有施工、大型机械设备使用等情况。本地区气象观测资料显示，台站所在地未出现降雨，因而排除降雨或雷电干扰。在日常观测中，大地电场较多受到地电暴及高压直流输电干扰，但此类干扰异常与本次数据变化形态不同。而且，若出现以上2 种类型干扰，则所有测道将产生相同的变化形态，故排除上述干扰。在环境调查中，对于此类同一台站各个测道不同步变化现象，需对产生干扰数据的电极进行巡检。通过数据分析，可知产生本次异常数据的测道均与A2电极有关。巡检发现，该电极附近农田灌溉，供电机井距电极较近，约60 m。初步判定，本次异常数据可能与电极附近农田灌溉有关。

2.2 观测数据对比分析

2.2.1 备用电极数据对比。为检查是否A2电极故障导致观测数据异常，采用备用铅电极进行同步观测。具体步聚如下：在同一电极坑、不同深度处，埋设固体不极化电极与铅电极，分别连接ZD9A-2B 与GEF-II 2 套不同型号的地电场仪，对比分析2 套独立系统相同时间段数据（图5）。由图5 可知，2 套数据在相同时段内均出现阶跃变化，且变化幅度大致相同，故排除固体不极化电极故障原因。

图5 2019 年11 月4 日异常数据与备用电极数据对比（a）固体不极化电极；（b）铅电极Fig.5 Comparison of abnormal data and standby electrode data on November 4,2019

2.2.2 农田灌溉历史干扰数据对比分析。现场核实发现，干扰出现时场地附近农田正在灌溉。为明确干扰源，将该日异常数据与以往农田灌溉引起的异常变化进行对比分析。

2019 年3 月5 日肥乡地电场场地附近农田灌溉，NS 和NW 向长极距2 个测道数据呈大幅上升变化，其他测道呈正常形态。分析认为，灌溉时水体渗入地埋电极处，电极产生极化电位差，导致场地典型结构发生变化（图6）。同时，水体下渗会造成电极相对位置的改变，从而使数据产生不可逆的上升或下降的变化形态。与图3 对比可知，农田灌溉引起的数据异常与本次阶跃变化存在一定差异性，可见本次数据异常不能完全归咎于农田灌溉。

图6 2019 年3 月5 日肥乡地电场各测向分钟值数据曲线Fig.6 Minutely value curves of anomalies in each direction of geoelectric field at Feixiang seismic station on March 5,2019

2.2.3 设备漏电干扰分析。排查发现，农田灌溉所使用的机井设备距A2电极较近，存在设备线路老化导致灌溉时漏电的可能性。为确定是否为本次异常干扰源，笔者查阅本地区及周边台站历史数据进行对比分析。2019 年9 月19 日，位于兴济台观测区域内的砖厂施工漏电，造成数据干扰，进而产生阶跃变化（图7）。通常，区域地壳内自然电场较为稳定，一旦测区环境发生变化，容易引发地下介质成分或者结构导电性质的改变，对该区域电流密度分布产生影响，改变原区域电场的分布状态，从而体现在地电场数据曲线中，且变化较明显。受设备漏电干扰，地电场观测曲线通常具有突跳、台阶、阶跃等变化形态，设备停止供电则数据随即恢复正常（王永安等，2015）。此次异常变化曲线与设备漏电引起的干扰形态基本一致。

图7 2019 年9 月19 日兴济地电场各测向分钟值数据曲线Fig.7 Minutely value curves of anomalies in each direction of geoelectric field at Xingji seismic station on September 19,2019

进一步调查发现，机井电闸开关时间与地电场数据曲线的阶跃变化时间相吻合。由此协调专业人员对该设备进行漏电检查，确认机井设备存在线路老化、漏电现象。

综上，肥乡地电场数据异常变化与电极附近农业灌溉机井设备漏电有关，而非地球物理异常。干扰机理为，当灌溉机井通电运行时，漏电引发附近场地大地电位发生变化，随着电流消失，电位差恢复至正常状态（赵玉红等，2019）。

3 结论

针对2019 年11 月肥乡地电场数据异常变化展开异常核实分析。结合异常特征，从观测系统、观测环境、对比试验等多方面综合研判，最终确定造成数据异常的原因是灌溉机井漏电。

肥乡大地电场布极区场地主要位于农田，易受到人类活动影响，主要是农田灌溉和设备漏电干扰。异常落实工作需按以下原则进行：①确认大地电场各个测向变化形态是否一致，本次数据异常产生于个别测道，故排除高压直流输电干扰、地电暴干扰、雷电干扰，在现场核实中针对异常测道电极所在位置着重排查；②依据数据变化形态初步判定干扰类型，若为农田灌溉干扰，数据曲线呈大幅上升变化形态，且干扰时间达几小时甚至几天，本次机井设备漏电干扰呈阶跃式不同步变化形态，供电停止后数据即恢复正常。

对本地区与周边大地电场典型干扰源特征的总结，有助于快速识别并处理相似干扰数据，从而为地震研究相关工作提供更加准确的基础数据，为防灾减灾服务。