关于青浦金泽台地电场观测所受干扰的研究＊

贾思超，赵文舟，吴珊珊，李 伟，裴 晓，方国庆

（上海市地震局，上海 200000；上海佘山地球物理国家野外科学观测研究站，上海 200000）

地电场作为地球物理基本场在地震预报工作中是主要的监测对象，同时地电场观测也是获得地震前兆观测数据的重要手段之一。作为上海西部唯一的一处地电观测台站，青浦金泽台大地电场观测在上海地区的地震预报和获取地球物理观测数据等方面发挥着重要的作用。

从10 多年来的观测效果上看，该台站的观测数据反映了较为丰富的异常观测信号形态。对该台站在观测中遇到的干扰进行分析探讨，不仅利于识别地球物理场的异常变化，更有助于理解异常数据的形成机制，更好地解读地电观测数据所展现的物理意义，从而为地震预测提供有效的理论依据。本文通过地电场多极距观测原理（2014 年）结合席继楼[1]（2019 年）针对地电场观测的干扰源、干扰方式、干扰机理的研究，对青浦金泽台地电场观测中出现的异常数据进行识别分析，初步判定地电观测中可能存在的多种干扰因素及干扰类型，对异常观测数据与干扰类型的相关性进行探讨。

1 地电场观测情况概述

1.1 青浦金泽台基本情况

青浦金泽台于2007 年9 月正式建设完成，地处上海西部青浦区商榻镇的一处苗圃用地中，距离市中心约50 km。台站东邻淀山湖，西邻周庄风景区，四周自然河道广布。台站周围有苗圃、耕地和鱼塘，农业生产活动繁杂，渔业养殖较多，测区西面测量电极距最近的鱼塘仅3 m 远。地电场测线中心点东100 m 左右为青浦台观测室；东北方向190 m 左右为超静减振器公司，目前该公司已经搬离，已拆除原有产房。青浦金泽台站及周围环境如图1 所示。

图1 青浦金泽台站及周围环境图

1.2 青浦金泽台地电场观测

青浦金泽台地电场观测在10余年的观测时间里曾使用过ZD9A-Ⅱ型地电场仪，后因仪器故障更换为目前使用的GEF-2 型地电场仪。该台测区内东北方为苗圃而西南方为水田，致使测区地下电性结构差异较大，非均匀性较强，故电极采用“十”字形布设方式埋设于地下，外线路架设方式采用架空式，测区共分为6个测道，南北和东西长短极距分别为200 m 和150 m，北东向长短极距分别为180 m 和70 m，如图2 所示。该台地电场观测虽然在一定程度上受周围环境因素的干扰，但各测道相关性均能达到0.9 以上，且日变与潮汐变化对应性较稳定。

图2 青浦金泽台地电场电极布设示意图

建台之初沿中心电极北西和北东2 条测线进行了电测深的探测。2 条电测深曲线视电阻率在17～40 Ω·m范围，2条电测深曲线的类型均为AKH形曲线。比较2 条曲线供电极距的视电阻率，随深度增大视电阻率变化的形态基本相同，视电阻率变化范围小，说明测深点附近纵向、横向比较均匀。同时证明电测深结果是比较可靠的。北西测线随测线长度的增加，视电阻率持续增大，说明低层介质电阻率增大，出现了电阻率相对高的电性层。北东测线的浅层电阻率略高于北西测线，按照叶青等（2007 年）的研究成果，台站的浅层电阻率和日变幅变化相关性性问题呈现出正相关的趋势，这种变化在台站北南向和东西向数据幅度变化上是有所体现的[2-3]。

2 典型干扰成因与特点分析[4-14]

利用相关软件对近13 年间的地电场观测数据进行初步处理，从近14 500 条可能存在异常的数据中筛选出500 余条有明显分析价值的异常干扰数据。通过初步分析和整理，同时对比台站运行日志及数据跟踪分析事件，将青浦金泽台地电场观测所受到的干扰大体上归为5 类，即自然环境干扰、场地环境干扰、观测系统干扰、人为干扰和地球物理事件干扰，下文将对典型干扰和其特点进行分析研究。

2.1 自然环境干扰

自然环境干扰会对大地电场的正常动态产生影响，引起地电场观测数据曲线变化。经过分析实际观测数据后发现，青浦金泽台由于采用了架空式的外线路架设方式和埋设式的电极安装方式，在特殊天气条件下，更容易遭受雷电、降雨及雷电与降雨结合所产生的雷雨等自然环境干扰的影响，使地电场观测数据曲线出现高频抖动、趋势性上升或下降等变化。

2.1.1 雷电、雷雨干扰

雷电、雷雨干扰主要为闪电等强电流直接注入地下，产生电荷积累从而影响观测电极，使地电场观测场内电位迅速升高。这种干扰所形成的电位差会导致区域电场原有的分布环境发生改变，在一段观测时间内造成观测数据曲线畸变。在数据波形上多表现为不规律的尖峰形态，数据曲线往往会出现反复上升、下降的变化趋势，且雷击强度越大、频率越高，干扰所造成的尖峰也越大、越密。

图3 为2015-03-15—22 发生的数次雷电干扰事件，地电场仪器6 条测道同时记录到此次干扰，其形态特征基本一致，观测数据曲线均呈现典型的高频上下突跳的畸变，其单一测道最大变化幅度可达到日均值的4～5 倍，而在雷电天气结束后，波形很快恢复正常日变形态。

在实际观测中发现，雷雨干扰与雷电干扰在数据波形上基本一致，在判别雷雨干扰时，需结合气象三要素等辅助仪器数据进行研判，确定测区附近是否同时存在降雨。而雷雨引起的地电场观测数据波形变化形态、幅度与降水量的大小、时间长短及介质的渗透参数等诸多因素有关。青浦金泽台地电场观测因测区电极埋深较浅，地下水位较高等原因，致使雷雨对青浦金泽台地电观测影响较小，记录相对较少，故在此不赘述。

2.1.2 降雨

降雨为测区及周边的降雨或雷雨对测区环境的影响，属于局部自然电场发生变化从而导致地表电性结构发生改变。降雨引起地电场观测数据突跳或阶跃，表现形态为趋势性的漂移变化，观测数据曲线会在短时间内出现大幅上升或下降，一般可以在短时间内恢复正常日变形态。

图4 为2018-08-31 发生的降雨干扰事件，观测数据曲线出现大幅上升的漂移变化，并在降雨结束后的1 h 内恢复正常形态。

图4 降雨干扰

2.1.3 实际观测情况

由于上海属北亚热带季风性气候，雨量充沛，春、夏、秋这3 季均有集中降水，结合实际观测数据统计可以发现（如图5 所示），春末夏初的梅雨季节是降雨、雷雨等干扰多发期；而雷电干扰除3、4 月偶有发生外，多集中爆发于6—10 月，特别是夏秋之交雷电干扰更易频发。2016 年青浦金泽台进行了防雷改造，雷击干扰明显减少，但仍需注意此类干扰的发生。

图5 雷电干扰及降雨、雷雨干扰统计图

2.2 场地环境干扰

场地环境干扰一般认为是观测点周围场地表面发生的变化在一定程度上改变了测区环境，从而影响正常观测记录，其干扰因素一般包含工厂运行、载荷、振动、基建、爆破干扰、塌方干扰、抽水、蓄水、灌溉、设备漏电、高压直流输电及城市轨道交通等。经过长时间观测和多次实地异常核实后发现，影响青浦金泽台地电场观测的场地环境因素主要为灌溉和耕种、设备漏电、高压直流输电及城市轨道交通，其余因素影响不常见或不显著，故不单独分析。

2.2.1 灌溉和耕种

灌溉导致测区及周边土壤中的含水量在短时间内发生较大变化，从而使土壤的导电性增强，一定程度上改变各观测电极之间的电位差。耕种对地电场观测产生影响的机理与之类似，通过改变地表电阻率和导电性从而影响地电观测数据的结果。灌溉干扰在观测数据曲线上通常表现为大幅向下倾斜的台阶或畸变，随着时间逐渐衰减恢复稳定，恢复稳定时间较灌溉结束时间有滞后。相较之下耕种对实际观测的影响效果远不及灌溉，在观测数据曲线上较难发现，多需借助台站外安装的视频监控设备来加以判定。

图6 为2020 年5 月出现的一次灌溉干扰，由于青浦金泽地台电场观测的部分测量电极埋设于农田内，灌溉的积水下渗引起地下介质电阻率发生改变，造成地电场观测数据曲线产生大幅向下倾斜的畸变，后随灌溉结束逐渐恢复。

图6 灌溉干扰

根据实际观测数据统计（如图7 所示），4—8 月为全年灌溉干扰出现的高峰期；而耕种干扰则具有明显的时间间隔性，集中出现在单数月份，这可能与长三角地区的农作物种类及耕作方式有一定的联系。

图7 灌溉和耕种干扰统计图

2.2.2 设备漏（放）电

观测场地内及观测电极布设区域周围的设备漏（放）电会产生新的电流体系，这些杂散电流会将附加的磁场和电场叠加到大地电场上，从而增大或减小地电场测值，使观测数据曲线表现形态出现大幅度变化的高频次脉冲。由于地磁场和地电场的矢量性，地电观测设备各测道对漏电点位置及方向的不同产生不同幅值的变化。青浦金泽台地电场测区附近有鱼塘、工厂、养鸡场等设施，存在一定数量如鱼塘增氧泵、工厂机床及养鸡场取暖器等带有接地极的用电设备，这些设备工作时不可避免地对测区内地电观测造成一定的影响。

图8 为2018-07-17 发生的设备漏电干扰事件，经现场初步核实认为是鱼塘增氧设施漏电所致。从数据形态方面看，设备漏电的变化形态与高压直流输电干扰的形态较为一致，呈现出方波形态。但是从影响范围和多极距分析方法上来看，设备漏电影响范围较小，距离漏电点较近位置的电极可以感应到，其他各点无任何变化，在曲线变化上即呈现出2 道方波、4 道正常曲线，与高压直流输电6 道方波的情况形成鲜明的对比。

图8 设备漏电干扰

从观测数据曲线上看，设备漏（放）电持续时间短、频次高、漏电量不稳定的，往往表现为数据突跳；而设备漏（放）电持续一段时间或者反复出现持续性漏电时，观测数据曲线往往会出现阶变；其变幅与漏（放）电电流强度成正比，漏（放）电电流越强，影响越大，且漏（放）电点与电极之间的距离越近，影响越明显，反之亦然。

2.2.3 高压直流输电

近年来随着西电东送等重大工程的推进，高压直流输电线路和变电站等基础设施也在不断建设，高压直流输电对地电观测影响日渐显著。作为一种直流电源持续对地放电的干扰方式，电流的干扰可以影响到距接地极约500 km 远的地电场观测台站。目前距离青浦金泽台较近的有三上线、葛上线、向上线、锦苏线的注电干扰源，同时周边还存在多个变电站，其放电工作无周期性，无时间规律。

通常情况下高压直流输电会使观测数据曲线在形态上产生畸变，出现大幅度台阶或突跳，台阶长度受放电时长影响，成正相关。图9 为2019-03-09—10 锦苏线高压直流放电造成的干扰事件，观测数据曲线出现大幅度上升台阶，最大干扰幅度203.94 mV/km。此类干扰严重影响观测数据质量，不利于地震异常发现和判定。

图9 高压直流输电干扰

2.2.4 城市轨道交通

城市轨道交通的建设和运行对周围的地电观测环境具有较大的影响，以地铁为例，它运行对地电场的干扰可被视为一种间歇性、电量相对稳定的漏电。在距青浦金泽台30 km 范围内有多条地铁线路运行，地电场观测自建台观测以来，几乎每日的04：00—23：00 都会不同程度受到地铁的干扰，且观测数据曲线的变化与每天地铁的运营时间存在明显的对应关系。一般情况下00：00—04：00 地铁未运行期间，所受干扰最小，地电场信号最为平静，信号变化相对平稳；而在地铁运行时段内观测数据噪声明显增大，出现周期性的高频干扰，使得观测数据曲线出现畸变。

图10 为上海17 号线地铁开通前后青浦金泽台地电场观测数据曲线对比，因上海17 号线地铁西向终点站距离青浦金泽台地电场测区仅13 km，自2017-12-30通车后，在地铁运行时段内干扰明显增大，通过实际观测数据测定，高频幅值最大增长近10 倍。由此可见，城市轨道交通尤其是地铁的运行对地电场观测的影响已十分严重。

图10 城市轨道交通（地铁）干扰对比图

2.3 观测系统干扰

一般来说地电场观测系统都是由测量仪器、测量电极、通信系统、供电设备以及避雷装置等几部分组成，其中任何部分出现干扰或发生故障问题，地电场的数据观测质量都会在一定程度上受到不同的影响。

2.3.1 外线路故障

青浦金泽台地电场观测因在建台时采用架空法架设的通讯线路，不可避免地使线路常年暴露在外。随着观测时间不断增长，线路老化日趋严重，加之受到测区周围苗圃内树木生长的拖拽、剐蹭等问题致使外线路受损，于2019 年11 月在短极距北南向和短级距北东向观测道出现外线路故障，导致观测数据错误。后对现有架空线路进行整体维修更换，于2020 年12月全面竣工，观测恢复正常。

外线路故障如图11 所示。

图11 外线路故障

2.3.2 电极极化

电极极化是一种地电场观测中常见的干扰，早期观测所使用的电极在土壤中埋藏时间过长，电极自身所含铅离子在地下水位、环境温度与土壤介质等多重因素的共同作用下游离进入到土壤中。由于铅离子带正电可产生极化电位，致使测点电位发生变化，干扰了正常的地电场观测。

图12 为电极极化前后对比，当电极因老化和长期埋藏出现极化现象后，导致地电观测数据曲线出现数据漂移、阶跃等现象，各观测数据曲线之间相关性减弱，观测数据可信度降低。青浦金泽台地电场观测2011年之前出现过电极极化干扰，之后通过定期更新测区电极的方式基本消除了此干扰。

图12 电极极化对比图

2.4 人为干扰

人为干扰的类型是多样的，诸如仪器安装、仪器更换、防雷改造、仪器标定等，且多数情况下人为干扰都会造成观测数据中断。从实际观测情况来看，对青浦金泽台地电场观测影响最大的人为干扰是仪器标定，其余人为干扰相对罕见，故不赘述。青浦金泽台地电场观测按要求每年对仪器进行2～4 次标定，标定时观测数据发生变化，观测数据曲线表现形态为台阶或突跳，因波动幅值过大会将实际观测数据压制成近直线（如图13 所示），在标定结束后，数据自行恢复正常，一般处理方法为对所产生的错误数据进行缺数、台阶处理。

图13 仪器标定

2.5 地球物理事件干扰

电离层是日地空间的重要组成部分，极易受太阳活动、地磁活动、热层活动、低层大气活动等众多扰动源的影响，从而产生了复杂的电离层扰动现象。这种扰动每年都会发生很多次，并且具有全球性特点，虽然每次持续时间与扰动强度大同小异，但在发生期间各地电场台站几乎都会同时记录到高频脉冲或异常波动，从而影响地电场观测数据波形的日变形态。

电离层扰动在地电场观测数据波形的时间域与频率域都具有较好的同步性和相关性，异常的持续时间、强度也与该扰动的持续强度呈很好的正相关。

在青浦金泽台地电场观测中这种干扰较为常见（如图14 所示），但目前对此干扰的研究相对有限，只有通过对比分析相隔较远的台站在相同时段内是否存在类似扰动作为初步判定干扰的方法和依据，但由于各个台站的地下电性结构存在差异，电极布极方式不尽相同，故对该类型干扰的辨别仍需进一步研究。

图14 电离层扰动

3 结论

本文以青浦金泽台地电场观测为研究对象，通过梳理该台站10 余年的地电场观测资料，多方面系统剖析地电场观测数据中出现的各种干扰因素，将青浦金泽台地电场观测所受干扰总结归纳为5 类，并对每种干扰的成因、观测数据波形的形态与特点进行了阐述，经过分析得到以下结论。

很多自然环境干扰和场地环境干扰，都是以叠加或削减的方式改变观测电极周边的真实电场强度，从而影响地电场的正常观测，其中很多干扰因素对地电场影响的机理和特征都存在共性，例如降雨和灌溉一定程度上使土壤的导电性增强，改变各观测电极之间的电位差；而设备漏（放）电、高压直流输电和城市轨道交通的影响本质都属于漏电。对于这些存在共性的干扰因素，在数据处理时要仔细分析，避免混淆。

通过气象三要素仪器、视频监控设备等辅助手段的配合，将有效提高判断干扰类型、分析干扰源时的真实性和准确性。遇到疑似观测系统干扰或人为干扰时，可从观测数据出发，分析造成干扰的原因是否与故障或校测有关，在查阅仪器校测记录和巡检记录的同时，尽可能到实地对电场观测系统进行检查。在台站或观测系统改造后，要做好仪器状态和线路布设等关键情况的记录，以便在出现新的异常干扰时能及时进行对比分析。

充分认识地球物理场的异常变化，识别地电场观测中的各类干扰，对异常数据的形态特征加以探究讨论，有利于台站一线观测人员在今后的工作中排查无意义的干扰，可有效捕捉对地震预报有意义的前兆信号，获取更为真实、可靠的地球物理观测数据。同时，也可为其他受类似干扰的台站在异常信号的判定上提供参考依据，为上海及周边地区的地震预测以及新建地球物理台站的选址提供一定的帮助。