2021年山东菏泽地电场观测数据异常识别及干扰排除

申茂正,周铭辉,张 军,陈亚红,张继红,冯梁乐

(1.山东省地震局菏泽地震监测中心站,山东 菏泽 274000;2.山东省地震局,山东 济南 250014)

0 引言

地电场是重要的地球物理场之一。根据场源的不同,地电场可分为大地电场和自然电场两部分。大地电场由地球外部的各种场源作用在地球表面感应产生,一般具有广域性;自然电场由地下场源产生,是地下介质电性结构、地表、裂隙流体及地下金属体的物理、化学变化引起的局部性电场变化,一般具有局部性(或称为地域性)[1-2]。大地电场观测作为地震前兆监测的重要手段,易受到电暴(磁暴)、人类活动、雷电、降水、观测系统本身变化(包含更换电极)、电阻率测量、公用接地网等因素干扰,为地震前兆信息的识别带来困难[3]。

菏泽电磁台GEF-Ⅱ地电场仪观测数据于2021年9月至2022年2月出现异常变化,为明确异常出现的原因,开展研究工作。通过巡查观测区环境、检查观测系统及外装置系统、调用相邻台站地电场备机开展试验等方式,逐步排查,找到引起观测数据变化的因素。最终排除故障、恢复正常观测,保证观测数据的连续性及观测资料质量。

1 菏泽地电场观测概况

菏泽地电场采用常用的L型观测装置布设,有NS、EW、NW向六条测线,独立布设电极和线路。具体为:在场地中心点向北和向西布设测线,每个方向均有两个测道,选取不同极距埋设电极,室内分线组合成六个输入端进入仪器,形成六个测道为南北向长极距0.350 km、短极距0.200 km,东西向长极距0.350 km、短极距0.200 km,北西向长极距0.495 km、短极距0.283 km[4]。

2015年11月更换为兰州地震研究所生产的新型固体不极化电极,2016年6月30日至7月5日更换地电场观测外线路及配电盒。由于电极老化,到达使用年限,于2021年12月16日18时更换为兰州大地物探研究所生产的LGB-3型不极化电极。电极采用兰州地震研究所生产的固体不极化电极6个,埋设在地表冻土层以下的潮湿土壤中,深度8 m,各电极基本处于同一平面,电极坑中土质相同[5]。地电场外线均采用铠装电缆架空方式敷设,地电场配电盒按照规范要求设置,观测室内配电盘装有避雷设施,配电盘和仪器均做接地处理。

2 异常观测数据分析

菏泽台地电场各测道观测数据自2021年9月以来,经常出现错误数据,严重时一天内有10 h以上的错误数据(见图1)。短极距北南向、东西向观测数据出现此种情况尤为严重,日变幅最高时达到6 548 mV/km-1。同时,各测道测值相关系数也出现大幅度降低,有时为负相关(见图2)。此情况影响了观测数据的准确性,为日常前兆观测资料分析造成极大干扰。为此,2021年12月16日更换LGB-3型不极化电极,之后,观测数据恢复正常。12月23日后,地电场短极距观测数据出现间歇性突跳,日变幅最高时达到6 548 mV/km-1(见图1)。台站工作人员针对2021年9月及12月更换电极前后出现的观测数据异常情况,开展现场核实、检查工作。

图2 2021年9月至2022年2月地电场测值相关系数Fig.2 Correlation coefficients of geoelectric field measurements from September 2021 to February 2022

2.1 检查供电线路

出现数据异常后,对观测楼内供电线路进行检查测量,发现台站整个观测楼内零线带电,零线对地电压为200 V左右。经过咨询,使零线带电的原因有很多种:线路上有电气设备漏电,保护装置未发挥作用;线路上有一相接地,电网中的总保护装置没有得到保护;零线断裂等。

9月10日请专业人员对办公楼线路进行全面检查,发现一条火线被老鼠咬断,维修之后电压恢复正常,零线带电情况解决。漏电情况解决后,短极距东西向、南北向观测数据出现长时段错误数据情况仍未好转,故排除台站内供电线路漏电原因。

2.2 巡查外装置系统

对外线路、室内线路接线插头、外线路绝缘电阻、电极引线与外线路连接处等进行排查发现,电极引线与外线路连接处正常;室内线路接线插头无虚接现象;外线路外观正常、无破损及人为破坏情况,利用绝缘电阻测试仪对外线路进行绝缘测试,摇表数值大于200 MΩ,说明外线路绝缘性能良好。由此,排除由外装置系统故障引起观测数据异常的情况。

2.3 观测试验对比

为判断是否由观测仪器故障引起观测数据异常变化,于2021年9月16日借来乳山台地电场备机进行对比试验。试验之前,对备用仪器进行校准和参数设置,保证试验时备用仪器与菏泽台在用仪器处在相同的状态下进行工作。对比图1、图2发现,2021年9月17日以来的观测数据异常情况没有明显改善,相关系数与更换仪器前相比没有升高。由此判定,菏泽台在用地电场观测仪器不存在问题。

2.4 更换地电场电极

从观测仪器对比测试、观测线路以及观测场地等方面检查结果来看,这些环节均正常,不是引起此次数据异常变化的原因。观测日志记录显示菏泽台地电场电极上次更换时间为2015年,至今已有六年时间,使用年限已超过固体不极化电极的使用寿命。结合以上试验及排查情况,为解决观测数据异常变化的问题,于2021年12月16日对中心点公共长短电极、南北向和东西向长短电极进行更换。对比更换电极前后原始数据曲线、日相关系数和差值看出,相关系数和差值在更换电极后明显提高,观测数据质量得到明显改善(见表1、表2)。

表1 更换电极前后测值日相关系数Table 1 Daily correlation coefficients before and after electrode replacement

表2 更换电极前后测值日差值Table 2 Daily differences in measurements before and after electrode replacement

2.5 公共电极及外线路检查

菏泽地电台GEF-Ⅱ地电场仪观测数据自2021年12月16日18时更换电极后观测数据一直正常,但从23日开始,短极距东西向、南北向观测数据出现畸变、错误数据,短极距北西向观测数据正常,判断可能是中心点公共短电极、外线路、闸刀、仪器内部公共短测道的问题。经过和山东省地震局专家论证后,决定对电极以及外线路分别进行测试。

(1) 12月26日在室内配线盘,断开中心点公共短电极,引入室内的公共短电极外线路,把仪器端中心点公共短电极测量线并接到中心点公共长电极测量线上。在测量长、短极距南北向、东西向数据时,共用中心点公共长极距外线路及公共长电极。

(2) 在26日试验基础上,27日在野外中心点公共电极处,断开公共长电极与外线路的连接,用中心点公共长电极外线路连接中心点公共短电极。在测量长、短极距南北向、东西向观测数据时,共用中心点公共长电极外线路及中心点公共短电极。

(3) 两次试验包含对中心点公共长电极、公共短电极、公共长电极外线路的检测,对比前后的观测数据(见表3、表4),未发现明显变化,说明试验中包含的电极和外线路不存在问题。初步判定故障点可能出现在中心点公共短电极外线路及外线路与电极连接线处的闸刀之间。

表3 检查前后测值日相关系数Table 3 Correlation coefficients of measurements before and after investigation

表4 检查前后测值日差值Table 4 Daily differences in measurements before and after investigation

(4) 确定故障点后,巡查中心点短电极外线路及外线路与电极连接线处的闸刀。中心点短极距外线路外观无破损情况,通过绝缘电阻测试仪对该外线路对地绝缘电阻进行测试,接近无穷大,表明外线路无故障;检查发现中心点公共短电极引线与外线路连线闸刀处由于更换公共短电极引线时操作不当,导致闸刀出现问题,使得外线路与中心点公共短电极引线接触不良,将外线路与该电极引线避开闸刀进行直连后,观测数据恢复正常。

3 结论与讨论

菏泽台地电场观测数据出现异常变化后,台站工作人员结合异常特征,从观测仪器、外装置系统、更换电极和公共点对比实验等多方面进行综合研判,最终确定造成观测数据异常变化的原因为电极老化和外线路与公共短电极引线处的闸刀接触不良所致,排除地球物理场异常变化。

菏泽地电台地电场布极区位于农田,受到的自然条件及人为干扰因素较多,主要受农田机械作业、农田灌溉、灌溉设备漏电、高压直流输电、地电暴等因素影响。异常落实工作应在异常数据出现后,通过分析异常数据形态,初步确定产生异常的原因,制定具体的异常落实方案和措施。如果地电场所有测道的观测数据在同一时间都记录到干扰,可以考虑地电暴、高压直流输电、降雨、雷电等因素的影响;如果是个别测道或者两个测道的观测数据出现异常变化,要分析两个测道共用的电极,大致确定排查干扰的方向,避免盲目地进行异常核实而延长数据异常时间,耽误震前异常信息的捕捉。

感谢山东省地震局张继红研究员和中国地震局席继楼研究员给予的帮助与指导!