昌黎地震台地电场观测漏电干扰调查

2022-10-24周剑青郭建芳张海博朱彦珍李宝群

地震地磁观测与研究 2022年4期

周剑青郭建芳佟鑫张海博朱彦珍李宝群王倩

1）中国河北 067000 河北省地震局承德地震监测中心站

2）中国河北 063021 河北省地震局唐山地震监测中心站

0 引言

地电场是地球表面天然存在的电场，包括大地电场和自然电场。大地电场源于地球外部电离层各种电流体系与地球介质的相互作用，而在地球内部产生的感应电场，如日变、地电暴等，具有区域性变化特征。自然电场源于由地球介质局部物理、化学条件所形成的局部性电场，具有相对稳定的变化特征，但也会由于局部性地下水系、裂隙等的作用，在时间、空间上产生剧烈变化（莫承彬等，1995；席继楼等，2018）。有关地震电磁异常的研究认为，在地震孕育过程中，受地应力作用加强的影响，岩石电阻率、土壤中溶液的溶解度和电离度、地下水的渗透条件等会发生一系列变化，这均可能引起大地电场和自然电场发生相应变化（邹润莉，2008）。

随着城市化进程的加快，地电场地表监测网测区环境受到严重影响，不明原因干扰的频次逐年增加。据昌黎地震台（下文简称昌黎台）地电场多年观测情况，诸多不明原因干扰的特征多为阶变且可恢复，具有偶然性和方位难断性。但也有部分干扰阶变具有不可恢复性，且异常调查工作较困难。本文以2019年5月昌黎台开展的1次地电场场地环境干扰调查为例，对干扰研判的实施过程和方法进行介绍，以期为其他台站同类异常核实提供参考。

1 台站概况

1.1 测区环境

昌黎台建于1972 年，地处燕山山前冲积平原，第四系覆盖层厚70 m，其中，含水层总厚度20—30 m，基岩风化层厚8 m，地下水主要开采深度为20 m、30 m，含水层岩性为粗砂和中砂；下伏基岩为燕山期花岗岩。昌黎台周边地势平坦，以东约5 km 处分布NE走向的宁河—昌黎深断裂，西侧约20 km、65 km处分别为NW走向的滦县—乐亭断裂、NE 走向的唐山断裂。台站以西1.5 km 处深部承压热矿水开采使用多年，水位和水温较高，矿化度大，属CaNa 水型；西侧、南侧数千米范围内分布多家粉丝厂，距台站西电极最近约20 m。粉丝晾晒场地架设铁丝绳并入地。

1.2 场地布设及电性结构

昌黎台在同一测区布设地电场和地电阻率2 种地电观测手段。地电场观测始于2001 年10 月，观测电极采用Pb-PbC12固体不极化电极，配备ZD9A 型地电场仪进行分钟值采样，2011 年1 月更换为ZD9A-Ⅱ型，2013 年5 月经背景场项目改造后，采用ZD9A-2B 型地电场仪进行分钟值采样。地电场场地采用“三角形”式布设（图1），沿NS、EW、NE 方向布设长、短6 个测道，分别为NS_L、EW_L、NE_L、NS_S、EW_S、NE_S；其中，NS、EW向长、短极距分别为300 m、150 m，NE向长、短极距分别为424 m、212 m，长、短测道公共点为O、O′。

图1 昌黎台地电场线路布设方式Fig.1 Layout of geoelectric field lines at Changli Station

昌黎台及周边第四系为低阻层，电阻率几至几百Ω·m，下伏基岩为高阻层，电阻率几千至几万Ω·m（孙华等，2001）。由测区深部电测深曲线［图2（a）］及10 m 内浅部电测深曲线[图2（b）]可见，地层电性结构划分为4 层，第1—3 层属第四系覆盖层，第4 层属基岩层，其中，第1 层：h1=6 m，ρ1=45 Ω·m；第2 层：h2=24 m，ρ2=90 Ω·m；第3层：h3=85 m，ρ3=55 Ω·m；第4层：h4=∞，ρ4=1 300 Ω·m（张学民等，2006）。

图2 昌黎台地电场测区地下介质电性结构（a）深部电测深；（b）浅部电测深Fig.2 Electrical structure of underground of geoelectric field observation area at Changli Station

2 异常概述

2019 年5 月17 日至6 月4 日，昌黎台地电场6 个测道观测数据连续多日在19 h 至次日8 时出现不同程度的同步阶变，且各测道变幅不一致，其中，NS、EW 测向4 个测道变幅较大，NE 测向2 个测道变幅微弱，异常变化为几至二十几mV·km-1，具体表现为地电场NS 测向呈下降变化，EW 测向呈上升变化，NE 测向变化不明显（图3）。经初步调查发现，昌黎台此前无此类现象发生，且异常出现前2 日测区环境巡检时未发现明显干扰源。为明确该异常性质，河北省地震局预测中心和唐山地震监测中心站于5 月19 日至6 月6 日进行了异常核实。

图3 2019 年5 月15 日至6 月7 日昌黎台地电场变化Fig.3 The change curve of the minute sampling of geoelectric field observation data at Changli Station from May 15th to June 7th,2019

2.1 异常调查

2.1.1 初步分析。此次干扰出现时间有明显规律，基本出现在19:00 至次日8:00 之间，每天各测道变化幅度、形态基本一致。经查阅多年观测日志和干扰类型发现，以往未曾出现类似情况。除了漏电或高压直流输电干扰具有类似阶变以外，日常其他诸多干扰的特征均与此次不符。经多方调研得知，此次干扰期间未出现雷电天气和地球物理场强磁扰变化；未发现电极附近每天有浇地现象；经查询国家地磁台网中心高压直流输电干扰发布系统得知，每天同时间段内不存在高压线路直流供电现象，且以往的高压直流输电干扰特征，与此次变化特征并不相符。

与同类台站相比，2009 年10 月徐庄子地震台地电场曾出现EW、NS 测向同步不规则方波状干扰变化，NE 测向变化微弱。经核实，确定干扰源为附近木材加工厂电器供暖设备漏电；2009 年10 月高邮地震台地电场也出现过类似各测向同步方波变化，经核实，确定干扰源为距台站2 km 附近的印染车间控温设备加热管击穿对地漏电；2012 年蒙城地震台地电场出现过类似方波干扰变化，经核实，确定干扰源为黄柏村变压器漏电。昌黎台地电场的变化与徐庄子台、蒙城台、高邮台地电场所受干扰形态类似，结合昌黎台测区环境变化、仪器状态及其他台站类似形态的地电场变化，初步判断测区附近存在漏电现象，该现象导致地电场数据出现同步方波形变化。

按照《中国地震局关于加强地震监测预报工作的意见》（中震测发[2010]94 号），各省地球物理台网（原名地震前兆台网）正式开展的数据跟踪分析工作要求，对地球物理异常事件的全方位调查包括6 类：观测系统、自然环境、场地环境、人为干扰、地球物理场、不明原因。经上述初步分析后，以下主要从观测系统、自然环境、地球物理场、场地环境等4 个方面调查分析。

2.1.2 观测系统检查。2019 年5 月18 日，台站值班人员对运行的地电场观测仪进行过全方位检查，重新检查仪器工作参数，未发现异常现象。经与ZD9A-Ⅱ型备用地电场仪数据进行对比发现，各时段地电场变化形态完全一致，备用仪器同样记录到了阶变干扰，说明运行仪器工作状态正常。依据《地震及前兆数字观测技术规范：电磁观测》（中国地震局，2001），查阅同年4月21日台站季度大检查记录可知，地电场仪器标定结果、接地电阻检测、线路接头情况、避雷装置等均合格。5 月22 日，工作人员在仪器正常工作条件下，利用万用表（交流档位）对室内各电极对地电位差进行测量，测量时间为11:17—21:20，其中，11—18 h 无干扰，19—21 h 为干扰时段（图4，横坐标刻度线只代表测量时刻和数值的间隔线，并非时刻平均分布线）。结果未显示在干扰时间内电位有异常变化，说明观测线路没有交流电干扰，判断观测区域存在工频漏电干扰的可能性较大。5 月25 日，工作组对地电场观测外线路进行了巡查，仔细检查了外线路及入地电极的连接情况、线杆瓷瓶及漏电保护装置等的状况。结果表明，昌黎台地电场外线路情况良好，电极连接良好，外线路无破损，线杆及瓷瓶无损毁，漏电保护正常。

图4 2019 年5 月22 日观测室各电极对地电位差测量结果Fig.4 Measurement result of the potential difference of each electrode in the observation room to the ground

2.1.3 自然环境调查。异常出现期间，昌黎台附近无降雨、雷电现象。

2.1.4 地球物理场调查。一般指地电暴影响，与地磁暴一样是由太阳活动引起的固体地球外部的空间电流体系活动（谢伦等，2004）。地电暴期间，地电场同方向长、短极距的影响是同步的。经查询日本地磁网站提供的世界数据服务系统（http://wdc.kugi.kyoto-u.ac.jp/dstdir/index.html）发现，2019 年5 月17—25 日该系统未记录到Dst指数明显扰动（图5）。此次异常出现前后，昌黎台周围1 000 km 内无M≥7 地震，500 km 内无6 ≤M＜7 地震，300 km 内无5 ≤M＜6 地震，200 km 内无 4 ≤M＜5 地震。

图5 2019 年5 月全球Dst 指数变化Fig.5 Changes in the global Dst index in May 2019

2.1.5 场地环境调查。场地环境调查分近区域、远区域调查。依台站条件而定，近区域一般指几千米范围内，远区域一般指几十至几百千米范围内。

（1）近区域。测区无新增建筑或施工，在测区周边5 km 范围内的加工厂、面粉厂、粉丝厂、电网管理站、养老院、养鱼场、温泉馆、养鸡场、塑料袋加工厂、飞机场等均未发现干扰源，测区无灌溉活动。虽然调查工作量较大，但肉眼观察可能对工厂内部某些细节有疏漏，故后期须开展野外实验观测。

（2）远区域。依据台站测区实情和跟踪分析工作细则，目前昌黎台存在的远源场地环境干扰为高压直流输电干扰。高压直流输电线路多采用双极两端中性点接地方式，正常状况下，由于不平衡电流较小，当额定电流不超过1 200 A 时，对距线路12 km 之外的电磁观测基本不会造成干扰。当运行出现故障时，会产生较大的不平衡电流，在输电线及换流站周围产生的磁场与当地磁场叠加而出现异常变化，尤其是对输电线路两侧300 km 范围内的电磁观测的影响尤为剧烈（蒋延林等，2014）。昌黎台地电场主要受扎鲁特—青州线（简称扎—青线）、伊敏—穆家线（简称呼—辽线）、宁夏—山东线（简称宁—东线）、锡林浩特—泰州线（简称锡—泰线）等高压直流输电影响，表现形态主要为阶变。其中，扎—青线、呼—辽线、宁—山线、锡—泰线距台站分别约180 km、270 km、320 km、180 km。由于各线路所处方位、距离、漏电电压的不同，昌黎台地电场记录到的历次变化特征也不一致，本文选取部分干扰特征予以统计（表1）。2019 年5 月，昌黎台地电场仅1 日、24 日受扎—青线高压直流输电影响，6 个测道同步出现台阶变化。每次高压直流干扰的时间并不固定，与此次异常的时间，即每日19 h 到次日8 h 的规律性变化不相符，变化形态方面也不相符。从周围地电场台站数据来看，滦县地震台、曹妃甸地震台等并未记录到与昌黎台类似的异常变化，因此认为，此次异常与高压直流干扰无关。

表1 影响昌黎台地电场观测的主要高压直流输电干扰特征Table 1 Features of main HV-DC transmission interference of affecting the geoelectric field observation at Changli Station

续表1

2.2 实验排查

经多方调研，并结合地电场变化趋势，即NS 测向呈下降阶变，EW 测向呈上升变化，认为昌黎台地电场数据变化应为干扰所致，异常干扰源可能位于“O”点西北和东南方向。为此，开展野外实验，进一步排查干扰源位置。

考虑到昌黎台测区附近大多数工业及民用生产设施基本沿G205 国道呈东西向分布，因此野外布设点也基本沿东西向展布，观测对比实验使用简易电极在测区周边布设5 个临时地电场观测点位，每个点位的布设方式为 “三角形”型或“十”字型，使用ZD9A-Ⅱ型备用地电场仪，根据实验场地的不同，极距设置为不同的长度，一般选取为100 m 或200 m不等。因此次干扰所致地电场的变化形态为台阶变化，故使用至少涵盖了1 次台阶的1 h数据进行台阶估算分析，以准确捕捉干扰源。

图6 为实验点位空间分布和各点位布线方式，共5 个点位。观测电极采用简易钢钎（点位1）或铅板电极（点位2—5），铅板电极完全埋于地下约50 cm。

图6 实验点位空间分布示意和5 个点位的布线（a）实验观测点位；（b）点位1；（c）点位2；（d）点位3；（e）点位4；（f）点位5Fig.6 Schematic diagram of the spatial distribution of experimental points (a) and 5 point wiring diagrams (b-f)

（1）点位1 于2019 年5 月24 日下午布设，位于台站西北约800 m 处，布设方式为“三角形”型，可观测东、南、西、北等4个点位与O极之间的地电场变化（下文中均省略O或O′，如测向E 即代表OE 或O′E），4 个短极距均为100 m，只有E′为200 m，线路与观测仪器连接后用万用表检测O 极与4 个电极之间的电位差，并与观测仪器记录的数据进行对比，以检查仪器工作状态是否稳定与正常。同时，在观测室正南20 m 处布设“L”型线路，用万用表直流档检测东100 m、南100 m 处的对地电压，检验是否能检测到与地电场同源的干扰。其中，点位1 观测时间为24 日19 时至25 日8 时，万用表测量时间为24 日19—20 h。

选取 25 日7:00—7:56 地电场数据（图7），与运行仪器记录的数据进行对比，发现4 个测道地电场均有同步干扰，干扰幅度小于16 mV·km-1（表2）。总体来看，N 与S 之间地电场数据变化量大致相当，而E、E′、W 三者之间变化量差异较大，说明干扰源有较大可能分布在测区的东西方向上。在点位1 采用了简易钢钎做电极，数据存在漂移现象，但对分析是否存在干扰源影响不大，之后实验电极更换为铅板电极。由于同时在临时点位布设的万用表的数据不能存储，只能作为辅助观察使用，其只记录到地电阻率受直流供电干扰的变化，而未记录到地电场受到的干扰变化，这说明此次地电场数据异常有可能为交流漏电干扰所致。

图7 2019 年5 月25 日07:00—07:56 点位1 测值Fig.7 The curves at point 1 from 07:00 to 07:56 on May 25,2019

表2 点位1 各测点地电场台阶变化Table 2 Step change of geoelectrical filed data of each measuring point at point 1

（2）点位2、3 观测分析。点位2 位于台站西北方向约2.84 km 处，点位3 位于台站东侧偏北约1.82 km 处，2 个点位同时于2019 年5 月28 日傍晚布设，观测至29 日上午结束。选取3:00—3:56 地电场数据（图8），由图8 可见，当干扰出现时，第2 点位地电场整体数据变幅比第1 点位略小，尤其是西方向，几乎看不到台阶变化。而第3 点位地电场台阶变化量则较大，量级远大于第1、2 点位，此时推断干扰源在测区西侧的可能性减小。随后工作人员加强了对台站东侧各村庄及各类中小企业、手工作坊等的排查力度，但仍未发现干扰源。

图8 2019 年5 月29 日03:00—03:56 点位2、3 测值Fig.8 The curves of geoelectrical field data of points 2 and 3 from 03:00 to 03:56 on May 29,2019

（3）点位4、5 观测分析。2019 年5 月29 日晚在距台站更远的西、东两侧再次同时布置第4、第5 点位，点位4 位于台站西侧偏北约5.32 km 处，点位5 位于台站东偏北约2.34 km处。选取2 个点位30 日03:00—03:56 地电场数据（图9），由图9 可见，点位4 已基本看不到地电场台阶变化，但点位5 阶变仍较明显。

图9 2019 年5 月29 日03:00—03:56 点位4、5 地电场变化Fig.9 The curves of geoelectrical field data of points 4 and 5 from 03:00 to 03:56 on May 29,2019

从西侧的点位2 到点位4 大约3 km，干扰造成的地电场变化在这样一段距离上迅速衰减并消失，说明干扰源属于近源，并且在点位4 附近达到最大边界值。由此推断，干扰源干扰范围约为5 km。为了进一步确定干扰源的方位，对点位3 与点位5 的地电场干扰幅度进行对比（表3）。由于经验不足，在野外布点时未能将2 个点位的布设方式与极距设为一致，以至在后续分析时有些测向不能作直接对比，但仍能从其中得到一些清晰认识。如点位5 的3 个东西方向上（E、W、EW）地电场干扰幅度明显大于点位3（E、E′、EE′），而在3 个南北方向上（N、S、NS）点位5 地电场干扰幅度却均小于点位3，再结合2 个点位的位置关系（第5 点位在第3 点位东侧、北侧）分析认为，干扰源在点位5 的东侧方向、点位3 的南侧方向（图10），再根据由点位4 计算出的干扰源的大致干扰范围及衰减性，最终认为干扰源基本情况为：点位3（或5）东南方向、国道205 周边、直径2 km 范围、交流工业源。

图10 台站、实验观点位、干扰源点位空间分布示意Fig.10 Schematic diagram of the spatial distribution of stations,experimental viewpoints,and interference sources

表3 点位3、5 地电场干扰幅度对比Table 3 Comparison of interference amplitudes at points 3 and 5

3 调查结果及处置措施

异常核实期间，恰逢2019 年6 月4 日晚昌黎县安山镇变电所524 线路停电1 h，19:30恢复通电，而昌黎台地电场数据19:33 才受到干扰，19:00—19:30 未记录到干扰，故可以推断该干扰在524 线路辖区内。经咨询安山镇变电所停电区域是否存在加工厂后得知，该辖区有1 家铸件加工厂，以生产铁球为主，并得知此生产车间的生产时间与干扰时间较吻合。该厂位于台站东偏南7°约3.78 km 处。干扰成因：该厂在生产过程中把废旧钢丝绳等通过电加热融化，然后切断电源，将铁水倒入模具，这个过程需十几分钟，照此反复操作。但由于电缆漏电，在通电过程中有电流流入大地，导致昌黎台地电场数据受到干扰。当晚，经过多次停电、通电实验，发现台站地电场数据变化与之完全吻合。由此判断，干扰源即为该铸件加工厂（图11）。