电极埋深对地电场观测数据的影响分析——以都兰地震台为例

白永祯,罗宾生,赵玉红,卢嘉沁,杨开来,文勇

(1.青海省地震局西宁地震监测中心站,青海 西宁 810001;2.青海省地震局,青海 西宁 810005;3.青海省地震局海西地震监测中心站,青海 都兰 816100)

0 引 言

地电场是重要的地球物理场,其主要研究对象是地球表层天然电场及其随时间的变化[1]。其观测对象包括大地电场以及自然产生的电场。大地电场指的是在外空磁场影响下形成的二次电场,具有广域性;自然电场指的是由地球内部的各种元素所产生的电场,具有明显的局部性[2]。众多研究表明,地震前地电场异常现象是客观存在,也是地震地球物理观测的重要组成部分,在地震预报中的支撑作用不可忽视[3-5]。

目前,青海拥有5个地电场观测点,它们分布在都兰、大武、金银滩、白水河和门源地区。至今为止,上述观测站大多数已经累计了不少于五年的观测数据。大武与都兰地电场是最早被观测到的地方之一。在玛多7.4级、阿克塞5.5级等地震发生之前,都兰台观测到的地电场长极距北南向曾出现大幅下降变化。然而,地电场的观测受到了区域电磁环境、场地状况、观测设备和仪器以及气候条件等多种因素的影响[6],导致近几年青海地区地电场观测中出现了强降雨、游散电流等干扰对数据的影响,从而地电场的震前异常信号容易被此类干扰所淹没,造成数据资源的极大浪费。为了解决此类干扰,提出了埋深电极的试验方案。试验场地选择了观测资料积累时间较长、震前多次出现异常变化的都兰地电场,开展了不同深度埋深电极的对比观测试验。

本文利用深、浅埋电极产出稳定的观测数据,根据其数据正常变化形态趋势,分析计算其相关系数、差值,得出电极埋深对地电场观测数据的影响,从而判断埋深电极方案是否能够有效避免地电场观测干扰。

1 基本情况

1.1 台站基本情况

都兰地电场始建于2007年5月,2008年1月1日开始正式投入使用,后由于观测数据受到观测环境的严重干扰,进行了搬迁重建改造,自2014年11月搬迁至今,装置系统稳定,运行正常。台站海拔3 815 m,观测场地位于都兰县东部地势平整的草滩上,观测区域环境较稳定,周围无民居或其他建筑,适合地电场观测。该观测点地处可可西里—巴颜喀拉、柴达木两个大地震带之间,地震活动不但频繁,而且强度高,是破坏性地震的多发地区[7]。图1为青海地区地电场观测台站分布图。

图1 青海地区地电场观测台站分布

1.2 电极埋深试验方案与实施

都兰地电场台原电极使用7年以上,为了提升观测效能,利用青海地震台—都兰地电场电极更新项目,将同型号电极埋分别埋深5 m和2 m,由于原观测在正常观测中,为了保证原观测数据的连续率,此次施工不改变原来的布极方式(图2),表1为都兰地电场不同埋深电极的基本信息。

表1 都兰地电场不同埋深电极的观测基本信息

(1)浅埋电极和深埋电极均采用钻孔埋设。在原电极两侧分别钻孔埋设深5 m和2 m的新电极,与原电极水平距离2 m,均采用LGB-3固体不极化电极。极距比例成正比,保持埋设的电极处于同一个水平面上(图3)。

图3 电极埋设方式

(2)两套电极外线路均采用2×6 mm2铠装电缆连接,外线路架设前,用兆欧表进行绝缘检测,符合要求再投入使用。外线接头处做好绝缘及防水处理。电缆采用地埋方式敷设。供电系统也采用原有台站的供电系统。仪器接地线采用原有台站的地线。

(3)数采安装在原来的观测室中,线路连接保证不影响原来观测系统的正常运行。

2 数据分析

本文选取都兰地电场埋深电极试验后的观测资料,2023年8月开始产出数据较为稳定,因此计算2023年8月1日～2023年10月31日原始动态曲线、相关系数及差值进行对比分析。通过从日变形态、相关系数以及差值方面来进行评判地电场观测数据质量。

2.1 日变形态

为了更准确的识别出大地电场的干扰因素,就需要研究其正常的变化形态,日变化是以一个太阳日为周期且依赖于地方时的变化,在地球自转的过程中,由于太阳位置的持续变化,在测点上方电离层等离子体内形成周期性电流变化,可在地球表面诱导形成有一定规律的地电场,其周期为1天[8]。日常地震监测时,采用地电场日变化分析其与地震之间的联系[9]。

从图4中可以清晰地观察到深埋电极和原电极在10月24～25日的日变形态,能够明显展现出“两峰一谷”的特征。此外,在多个连续的日变形态中,它们近似呈现正弦曲线的形态。根据峰值和谷值出现的时间点来看,深埋电极与原电极几乎是同步进行的,在早上7时左右和下午16时左右分别出现一个峰值,并且在中午12点左右出现一个谷值。然而,浅埋电极只有部分几天在早上7时左右出现一个峰值,并且在晚上20时出现一个谷值,其时间点不同步。此外,在记录了10月21日至23日期间发生地电暴(K=5)事件后发现,地球物理事件如地电暴和地电扰动在这三种类型的电极上表现基本一致,并且浅埋电极振幅较其他两种类型的振幅要小。

图4 都兰地电场深、浅埋电极及原电极观测日变形态对比

2.2 相关系数与差值

相关系数的计算公式为:

(1)

(2)

差值的计算公式为:

(3)

(4)

根据以上理论,计算了2023年8月至10月期间观测数据的相关系数和差值,表2为日相关系数及差值日均值统计表。

表2 地电场相关系数及差值均值统计

从深、浅埋电极及原电极的相关系数、差值计算结果可以看出:

(1)深、浅埋电极及原电极的相关系数相当,均在0.995以上,说明此次深、浅埋电极对相关系数上影响不大,可能跟此次试验深度(2 m与5 m)未达到一个量级上的变化有关。

(2)深埋电极差值相对最小,均值基本在控制在0.06 mV/km左右,原电极在0.08 mV/km左右,而浅埋电极差值均值快接近1 mV/km左右,说明浅埋电极同一方向的观测数据变化幅度存在一定的漂移现象,而深埋电极具有较高的稳定性。这又意味着浅埋电极的观测数据易淹没日变化,从而造成前兆信号提取困难。

3 结 语

通过对电极不同深度埋深试验得出的观测数据进行对比分析,可得到以下结论:

(1)从相关系数和差值角度分析得知,当埋深深度达不到一个量级对比时,相关系数方面影响不是很明显,但是差值方面就显得比较明显,深埋电极差值明显小于浅埋电极,意味着深埋电极产出的数据相对稳定,日变化不被轻易淹没,从而可更好的提取微弱的地震电信号。

(2)从日变形态来看,都兰地电场日变形态呈现为两峰一谷,并发现深埋电极表现日变化形态更加清晰,可以分析为电极埋深越深,我们测得的自然电场成份占比就越大,大地电场主要是太阳各种电流体系在地球内部所产生的感应电场,随着埋深的增加大地电场的感应电场就会减小,故深埋电极记录的日变形态清晰度优于浅埋电极。清晰的日变化形态能为预报人员在判断异常数据是否是前兆信号时提供有力依据。

(3)都兰地电场观测系统稳定,包括观测场地环境保持较好,仪器工作稳定,有了新架设的两套新电极加原有的电极产出的数据,我们可以在日常工作中做对比分析,在判断数据异常方面能起到重要作用。