趙玉紅，李 霞，盧嘉沁

（青海省地震局，青海 西寧 810001）

0 引言

在地震預(yù)報(bào)的多路探索中，預(yù)測(cè)方法的種類也不斷增多，儀器精度也不斷提高，使得地震前兆信息更多的被發(fā)現(xiàn)。而在地震前兆觀測(cè)中地電場(chǎng)觀測(cè)技術(shù)是重要方法之一，它是一門實(shí)驗(yàn)學(xué)科，是以觀測(cè)和研究地球表層地電場(chǎng)的強(qiáng)度以及時(shí)空變化規(guī)律為內(nèi)容［1］，以探索可能與地震孕育和發(fā)生有關(guān)聯(lián)的地電場(chǎng)變化過(guò)程為目的的學(xué)科，其攜帶了大量的地球內(nèi)部重要信息，就目前而言，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)有大量的學(xué)者對(duì)地電場(chǎng)技術(shù)進(jìn)行了研究，并從大量震例看出，強(qiáng)震前地電場(chǎng)記錄到前兆信息是客觀事實(shí)，也為地震預(yù)報(bào)提供有用的信息。

但在地震預(yù)測(cè)研究領(lǐng)域，我們關(guān)鍵在于能否區(qū)分真假前兆異常，然而，地電場(chǎng)異常和地震之間的關(guān)系并不是一一對(duì)應(yīng)，這就是我們地震預(yù)測(cè)的難點(diǎn)，由構(gòu)造作用引起應(yīng)力變化所產(chǎn)生的異?，F(xiàn)象才是我們需要的地震前兆信息，但是除去構(gòu)造作用外，還有很多外界因素影響數(shù)據(jù)變化。隨著地震研究的深入，以及數(shù)子化儀器的加入，雖然大大提高了儀器的采樣率以及靈敏度，但由于地電場(chǎng)觀測(cè)本身受區(qū)域電磁環(huán)境以及氣候因素干擾的特征外，觀測(cè)中所產(chǎn)生的干擾因素也隨之增多，這使得我們?nèi)绾螀^(qū)分和識(shí)別地電場(chǎng)異常變化尤為重要。

因青海省屬于大陸高原地區(qū)，條件較為艱苦，有地電觀測(cè)技術(shù)的臺(tái)站較少，所以本文主要利用青海省都蘭地震臺(tái)觀測(cè)以來(lái)的資料，通過(guò)每日地電場(chǎng)數(shù)據(jù)的變化，對(duì)引起本臺(tái)數(shù)據(jù)變化的各種干擾因素進(jìn)行分析，包括對(duì)觀測(cè)系統(tǒng)、測(cè)區(qū)環(huán)境、以及外線路等問(wèn)題，并進(jìn)行總結(jié)分析，發(fā)現(xiàn)不同干擾源引起的數(shù)據(jù)變化形態(tài)、幅度不同，從而快速判斷，提出相應(yīng)的防范措施，提高數(shù)據(jù)質(zhì)量，為地震預(yù)報(bào)做好基礎(chǔ)工作。

1 基本情況

都蘭地震臺(tái)地電場(chǎng)于2007年10月開始觀測(cè)，后因觀測(cè)資料受干擾產(chǎn)出數(shù)據(jù)不可靠，于2014年11月中旬對(duì)臺(tái)站整體測(cè)點(diǎn)進(jìn)行搬遷，搬遷后數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠。該觀測(cè)點(diǎn)地處柴達(dá)木盆地東南隅，地勢(shì)由東南向西北傾斜。察汗烏蘇河斷裂帶向北西經(jīng)都蘭縣隱伏于柴達(dá)木盆地東南角，由于受喜瑪拉雅運(yùn)動(dòng)的影響，新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)十分強(qiáng)烈，深大活動(dòng)性斷裂規(guī)模大，地處可可西里——巴顏克拉、柴達(dá)木、兩個(gè)大地震帶之間，地震活動(dòng)不但頻繁，而且強(qiáng)度高，是破壞性地震的多發(fā)地區(qū)。

都蘭地震臺(tái)采用的是中國(guó)地震局研制的ZD9A-Ⅱ數(shù)字化地電場(chǎng)儀，采樣率為1次/（分鐘·通道），電極采用固體不極化電極，為了有效的排除臺(tái)站周圍噪聲的影響，都蘭地震臺(tái)采用多極距的觀測(cè)系統(tǒng)即：同一方向上布設(shè)多道長(zhǎng)、短不一的電極距，按照北南、東西、北東3個(gè)方向布設(shè)測(cè)線，外線路采用鎧裝電纜地埋方式，埋設(shè)在地表凍土層以下的沙質(zhì)沉積物中，如圖1所示。地電場(chǎng)觀測(cè)原場(chǎng)地位于一片農(nóng)田，公共極，北長(zhǎng)極和北短極外線路均由一水渠低層穿過(guò)，搬遷后測(cè)區(qū)周圍地形開闊，環(huán)境穩(wěn)定，外線路為地埋，深1.5 m，環(huán)境較穩(wěn)定。

圖1 都蘭地電場(chǎng)電極布極圖Fig.1 Geoelectric flied array diagram at Dulan Seismic Station

2 地電場(chǎng)變化基本情況

地球表面存在天然的電場(chǎng)，臺(tái)站記錄到地電場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)主要包含以下四種：一是大地電場(chǎng)（全球性或區(qū)域性變化的地電場(chǎng)），其場(chǎng)源來(lái)自地球外部電離層中的各種電流體系，包含兩類，一類是平靜變化，該變化是連續(xù)出現(xiàn)的，具有一定的周期性主要反映地電場(chǎng)日變化。另一類是干擾變化，該變化是偶爾發(fā)生的，沒有確定的周期性，干擾變化是間斷出現(xiàn)，持續(xù)一段時(shí)間后消失，如地電暴、地電灣擾和地電脈動(dòng)等；二是自然電場(chǎng)（局部性相對(duì)穩(wěn)定變化的地電場(chǎng)），其源于地下介質(zhì)的物理化學(xué)反應(yīng)引起的正負(fù)電荷分離而產(chǎn)生的電效應(yīng)，包括氧化還原電場(chǎng)、過(guò)濾電場(chǎng)、接觸擴(kuò)散電場(chǎng)等，自然電場(chǎng)是相對(duì)比較穩(wěn)定的，但過(guò)濾電場(chǎng)中山地電場(chǎng)和河流電場(chǎng)會(huì)受到季節(jié)性水位變化的影響［2］。三是由電極極化引起的干擾變化；四是由環(huán)境引起的干擾變化。

在地震監(jiān)測(cè)中一般利用地電場(chǎng)的日變化來(lái)分析與地震的關(guān)系［3］，所以本文僅僅從臺(tái)站記錄到的地電場(chǎng)日變化進(jìn)行分析。而產(chǎn)生地電場(chǎng)日變化的主要原因是在地球自轉(zhuǎn)的作用下，由于太陽(yáng)活動(dòng)的變化，在觀測(cè)點(diǎn)上空產(chǎn)生了電離層等離子體中的周期性電流變化，而這種周期性電流變化對(duì)地球表面具有一定規(guī)律的變化，周期為1天。理想狀態(tài)下，臺(tái)站記錄到比較典型的靜日變化，波形由全日波和半日波等波形疊加而成，形成峰（谷）的變化形態(tài)，可以連續(xù)出現(xiàn)或重復(fù)出現(xiàn)，具有確定的周期性；而在擾日變化中，由于其頻率成分比較豐富，周期性不很明顯，變化幅度可能較大。

由于目前技術(shù)的進(jìn)步，臺(tái)站地電場(chǎng)觀測(cè)系統(tǒng)多采用多極距的布設(shè)方式，這種方式布設(shè)，對(duì)于臺(tái)站附近的干擾源，同一臺(tái)站、不同長(zhǎng)短極距的地電場(chǎng)觀測(cè)資料會(huì)記錄到形態(tài)不同的變化信息，而其他附近臺(tái)站卻不一定能記錄到這種變化，即反映記錄到地電場(chǎng)數(shù)據(jù)變化的局部信息。這也說(shuō)明了地電場(chǎng)觀測(cè)系統(tǒng)能記錄到較大范圍大地電場(chǎng)的各種變化。

2.1 都蘭臺(tái)地電場(chǎng)正常日變化

為了更好的判斷出異常數(shù)據(jù)是否是前兆信息，所以我們需要了解本臺(tái)數(shù)據(jù)正常日變形態(tài)，而臺(tái)站記錄到的正常地電場(chǎng)日變化分為靜日變化、擾日變化。都蘭臺(tái)地電場(chǎng)大部分日變化具有典型的變化形態(tài)，在磁平靜日時(shí)，如圖2顯示，曲線記錄形態(tài)屬于“兩峰一谷”型，每日有兩個(gè)起伏變化，且具有重復(fù)性，也就是說(shuō)不同時(shí)段記錄到的地電場(chǎng)日變化具有相似的變化形態(tài)，包括變化的幅度、波峰點(diǎn)、波谷點(diǎn)出現(xiàn)的時(shí)刻，基本上每天的12時(shí)左右呈低值狀態(tài)。它也反映了地電場(chǎng)日變化可能與每天的太陽(yáng)輻射情況有關(guān),每天正午太陽(yáng)輻射最強(qiáng)時(shí)段,地電場(chǎng)均處于低值,而在輻射較弱的晚上或者夜間,電場(chǎng)變化則均處于平穩(wěn)狀態(tài)，每天的日變化最大幅度也在5～6 mv/km，這也與反映了地電場(chǎng)日變化的幅度也與地理緯度有關(guān)，都蘭臺(tái)屬于高海拔地區(qū)，即緯度越高日變化形態(tài)幅度越小。

圖2 都蘭地震臺(tái)地電場(chǎng)日變形態(tài)Fig.2 Daily variation of geoelectric field of Dulan Seismic Station

2.2 磁暴期間記錄的地電場(chǎng)變化

地電暴與太陽(yáng)活動(dòng)有關(guān)，幾乎在全球同時(shí)發(fā)生，它與地球磁暴具有同步性，是由于太陽(yáng)輻射引起的帶電粒子流，使得臺(tái)站在磁暴期間記錄到地電場(chǎng)急劇變化，在地球赤道處記錄到的變化幅度最大、持續(xù)時(shí)間可長(zhǎng)達(dá)13天，隨著緯度的升高變化幅度逐漸減小。在電磁暴過(guò)程中往往疊加電磁干擾和電磁脈動(dòng)，因此其形態(tài)非常復(fù)雜，它是突然發(fā)生的，電暴結(jié)束后，地電場(chǎng)數(shù)據(jù)恢復(fù)正常。

地電暴每年都會(huì)發(fā)生幾次，其變化形態(tài)很容易被當(dāng)成人為干擾或者其他異常被處理，所以需要我們避免這種問(wèn)題出現(xiàn)。圖3為2016年3月11日都蘭臺(tái)地電場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)，從圖中可以看出臺(tái)站能夠清晰的記錄到地電暴事件，最大K指數(shù)為6，它與地磁變化具有較好的同步性，在磁暴期間，地電場(chǎng)日變化被打破，會(huì)記錄到頻率較高、幅度較大的擾動(dòng)變化，具體變化幅度與磁暴的強(qiáng)度大小有關(guān)，即磁暴的強(qiáng)度越大記錄到的地電場(chǎng)變化幅度也越大，這也反映了地電場(chǎng)觀測(cè)記錄到的一部分信息來(lái)源于外空電流在地球內(nèi)部產(chǎn)生感應(yīng)電場(chǎng)而引起的，也就是說(shuō)太陽(yáng)粒子流引起的磁暴會(huì)使臺(tái)站記錄到的地電場(chǎng)有較大的變化。這種變化對(duì)地電場(chǎng)同方向的長(zhǎng)短極距的影響也是同步的，其相關(guān)系數(shù)一般不會(huì)受到影響，都蘭臺(tái)在大磁暴過(guò)程中，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.999、0.999、0.999。

可以看出，當(dāng)6道長(zhǎng)、短極距日變形態(tài)同步出現(xiàn)這種較大畸變，正常日變形態(tài)被壓制，其變化特征表現(xiàn)為脈沖形式、高頻信息、急劇變化，此時(shí)，我們應(yīng)該與地磁場(chǎng)變化信息進(jìn)行比對(duì)，這種同步響應(yīng)能真實(shí)反映區(qū)域內(nèi)太陽(yáng)活動(dòng)對(duì)觀測(cè)資料的影響，在日常工作中可以不處理此類變化。

圖3 磁暴期間記錄到的地電場(chǎng)同步變化形態(tài)Fig.3 Curves of minute value of the geoelectric field during the geoelectric storm

這兩種數(shù)據(jù)變化是地電場(chǎng)觀測(cè)記錄中正常的變化，但往往地震前兆與這些正常變化夾雜在一起產(chǎn)生，所以需要我們認(rèn)真區(qū)分和識(shí)別這些信息，才能更好的為地震預(yù)報(bào)提供有用的信息。

3 干擾調(diào)研與措施

我國(guó)地電場(chǎng)臺(tái)站觀測(cè)主要受到的變化因素主要有觀測(cè)系統(tǒng)、氣象、觀測(cè)環(huán)境、以及人為因素等。而都蘭臺(tái)自安裝地電場(chǎng)觀測(cè)技術(shù)以來(lái)，在日常運(yùn)行過(guò)程中也出現(xiàn)一些引起數(shù)據(jù)變化的干擾，比如：觀測(cè)系統(tǒng)、測(cè)區(qū)環(huán)境改變干擾、游散電流變化干擾等，下面對(duì)這些干擾進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。

3.1 觀測(cè)系統(tǒng)問(wèn)題

地電場(chǎng)觀測(cè)系統(tǒng)主要由測(cè)量系統(tǒng)、裝置系統(tǒng)、校檢系統(tǒng)組成。也就是臺(tái)站觀測(cè)所用的電極、外線路、儀器、配線盤等構(gòu)成，它們運(yùn)行好壞直接影響著數(shù)據(jù)的質(zhì)量。

3.1.1 電極、外線路

地電場(chǎng)觀測(cè)出現(xiàn)最多的問(wèn)題就是電極問(wèn)題，因?yàn)殡姌O不穩(wěn)定、壽命短、易極化。當(dāng)臺(tái)站將電極埋好后，地表土壤中離子的電位通過(guò)臺(tái)站布設(shè)的電極內(nèi)部的電解質(zhì)傳遞給金屬導(dǎo)線，即土壤中的離子與電極中電解質(zhì)、電極中電解質(zhì)與金屬棒之間的接觸，從而產(chǎn)生極化電位，當(dāng)電解質(zhì)發(fā)生改變時(shí)，會(huì)造成極化電位的不穩(wěn)定變化，這種不穩(wěn)定變化與臺(tái)站記錄到正常日變化信號(hào)相互疊加在一起，造成臺(tái)站觀測(cè)到的數(shù)據(jù)出現(xiàn)各種隨機(jī)曲線變化。所以當(dāng)務(wù)之急我們需要解決這種電極長(zhǎng)期不穩(wěn)定的原因。

而都蘭地震臺(tái)在搬遷前主要的問(wèn)題就是電極長(zhǎng)期不穩(wěn)定和外線路絕緣不好，從圖4中可以看出地電場(chǎng)觀測(cè)到電位差就不穩(wěn)定，記錄到的數(shù)據(jù)出相關(guān)性也會(huì)越差，差值也就越大。記錄到的數(shù)據(jù)不規(guī)則的出現(xiàn)大幅度突跳、不規(guī)則的臺(tái)階，看不出任何地電場(chǎng)正常的日變形態(tài)，相關(guān)系數(shù)也越差，最大變化可以達(dá)到上千毫伏每千米，為正常數(shù)據(jù)變化的上千倍，而造成這種變化的原因是電極是在水中埋設(shè)，采用的是固體不極化電極，距今快4年了，長(zhǎng)期在水中浸泡容易造成電極不穩(wěn)定，以及外線路絕緣不好。

圖4 受電極、外線路干擾記錄到的地電場(chǎng)分鐘曲線圖Fig．4 Minute value curves of unstable electrode interference and external interference

通過(guò)對(duì)這類干擾的排查，總結(jié)出以下變化特征：①數(shù)據(jù)出現(xiàn)漂移；②數(shù)據(jù)出現(xiàn)無(wú)規(guī)則大幅度突跳、臺(tái)階；③相關(guān)系數(shù)較低、差值較大；④變化幅度大于正常幾十倍幾百倍甚至幾千倍；⑤電極埋設(shè)超過(guò)3年以上，所以解決這類問(wèn)題，我們需要及時(shí)更換不極化電極，并且適當(dāng)?shù)脑黾与姌O的埋設(shè)深度，以及每月檢查外線路絕緣問(wèn)題。

3.1.2 儀器時(shí)鐘錯(cuò)誤

地電場(chǎng)數(shù)據(jù)變化與時(shí)間服務(wù)密切相關(guān)，當(dāng)時(shí)鐘偏差時(shí)，數(shù)據(jù)同步性降低，對(duì)數(shù)據(jù)分析也會(huì)造成影響。針對(duì)這類問(wèn)題，所以需要臺(tái)站人員每天進(jìn)行時(shí)鐘的校準(zhǔn)，定時(shí)查看網(wǎng)頁(yè)上的時(shí)間和儀器面板上的時(shí)間。

3.1.3 儀器死機(jī)現(xiàn)象

臺(tái)站位于西部高海拔地區(qū)，屬于典型的高原高寒大陸性氣候。該地區(qū)常年風(fēng)多風(fēng)大、干旱少雨，早晚溫差較大，平均±20℃，平均氣溫2.7℃，海拔3200 m，冬季室內(nèi)溫度較低，地電場(chǎng)儀器會(huì)出現(xiàn)凍死機(jī)現(xiàn)象。圖5是2015年2月16日地電場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)，16日11時(shí)開始長(zhǎng)、短極距出現(xiàn)走直線現(xiàn)象，導(dǎo)致數(shù)據(jù)被壓制出現(xiàn)，看不出日變形態(tài)，所以將走直線部分剔除。根據(jù)臺(tái)站人員的長(zhǎng)期經(jīng)驗(yàn)，17日11時(shí)重啟數(shù)采，所有測(cè)項(xiàng)出現(xiàn)單點(diǎn)突跳現(xiàn)象，后恢復(fù)正常記錄。

圖5 儀器死機(jī)記錄到的地電場(chǎng)日變形態(tài)Fig．5 Interference minute value curves of the instrument crashes

根據(jù)這類干擾現(xiàn)象，總結(jié)出當(dāng)數(shù)據(jù)出現(xiàn)走直線狀態(tài)，可以判斷為儀器被凍死機(jī)，所以解決此類問(wèn)題需要臺(tái)站人員重啟數(shù)采，并用棉布裹住數(shù)采或者在條件允許的情況下放置空調(diào)，保證儀器房?jī)?nèi)恒溫。

3.2 觀測(cè)環(huán)境對(duì)觀測(cè)資料的影響

3.2.1 降雨干擾

降雨對(duì)測(cè)區(qū)環(huán)境的影響屬于局部的自然電場(chǎng)變化，降雨對(duì)觀測(cè)資料的影響主要表現(xiàn)為以下兩點(diǎn)：一是降雨對(duì)電極造成極化現(xiàn)象，二是降雨對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)際變化。電極的極化對(duì)鉛電極較為明顯，本臺(tái)使用的是固體不極化電極，有效的降低了電極極化問(wèn)題。降雨對(duì)都蘭臺(tái)的觀測(cè)數(shù)據(jù)主要表現(xiàn)為相關(guān)系數(shù)降低，造成這類干擾的原因是降雨導(dǎo)致電極附近的含水量發(fā)生變化，導(dǎo)致電位發(fā)生變化，從而使電極的穩(wěn)定性發(fā)生變化，周圍電場(chǎng)的不均勻性改變也同時(shí)影響著觀測(cè)值的變化。

總結(jié)都蘭地震臺(tái)歷年降雨記錄發(fā)現(xiàn)以下特征：降雨量較小時(shí)，長(zhǎng)、短極距的相關(guān)系數(shù)與正常時(shí)變化不大，差值也較?。挥薪涤暝龃髸r(shí)，長(zhǎng)短極距差值明顯增大，相關(guān)系數(shù)也會(huì)降低，隨著降雨量的逐漸減弱，長(zhǎng)短極距差值及相關(guān)系數(shù)又逐漸恢復(fù)到正常水平。

3.2.2 游散電流干擾

地電場(chǎng)觀測(cè)對(duì)測(cè)區(qū)環(huán)境要求較高，在測(cè)區(qū)2 km范圍內(nèi)有任何游散電流存在都會(huì)導(dǎo)致局部自然電場(chǎng)發(fā)生改變引起觀測(cè)數(shù)據(jù)的變化，其表現(xiàn)為數(shù)據(jù)突然出現(xiàn)高頻、毛刺變化。圖6為都蘭臺(tái)2016年12月2日至4日地電場(chǎng)長(zhǎng)、短極距六測(cè)向觀測(cè)曲線，可以看出，連續(xù)三天地電場(chǎng)所有測(cè)道大約在17時(shí)至次日08時(shí)出現(xiàn)急速變化，09時(shí)至當(dāng)日17時(shí)數(shù)據(jù)恢復(fù)正常記錄，表現(xiàn)形態(tài)為夜間干擾，日出干擾減緩，后經(jīng)過(guò)3天現(xiàn)場(chǎng)落實(shí)并綜合分析認(rèn)為：該異常是由于電流電源干擾所致，干擾源來(lái)自當(dāng)?shù)赜文撩癫荚O(shè)的土地電網(wǎng)，而并非工廠用電及民用電、變壓器等漏電產(chǎn)生。因此，該異常為人為因素導(dǎo)致的干擾異常。

可以看出當(dāng)他們工作，發(fā)電機(jī)為設(shè)備供電，并且接有地線，當(dāng)發(fā)電機(jī)啟動(dòng)工作時(shí)，會(huì)有部分游散電流通過(guò)導(dǎo)線流入地表土壤，引起土壤介質(zhì)中帶電離子的電位發(fā)生變化，從而造成地電場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)的突變。

圖6 游散電流干擾記錄到的都蘭臺(tái)地電場(chǎng)日變形態(tài)Fig．6 Daily variation of the geoelectric field of Dulan Seismic Station affected by current interference

這也說(shuō)明了隨著技術(shù)的進(jìn)步，地電場(chǎng)能檢測(cè)到測(cè)區(qū)外很遠(yuǎn)的微小電流存在，所以當(dāng)觀測(cè)數(shù)據(jù)出現(xiàn)這種高頻、毛刺現(xiàn)象，我們應(yīng)該仔細(xì)尋找臺(tái)站周邊有無(wú)這種漏電現(xiàn)象，比如路燈、周邊有無(wú)大型機(jī)械設(shè)備工作等。

4 結(jié)論與討論

通過(guò)研究都蘭臺(tái)地電場(chǎng)異常出現(xiàn)的原因以及應(yīng)對(duì)措施，可以看出：

（1） 如何能快速判斷異常并解決干擾源，是需要我們對(duì)當(dāng)?shù)氐匦蔚孛?、地下?gòu)造、周邊環(huán)境情況、布設(shè)類型、天氣變化、當(dāng)?shù)鼐用竦纳钜?guī)律等各個(gè)因素都非常了解。

（2）在排查過(guò)程中，我們首先要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，大致判斷是什么因素造成的異常，然后采用由室內(nèi)向室外、先裝置、后儀器、外線路、觀測(cè)環(huán)境和觀測(cè)場(chǎng)、再電極”的異常排除方法，逐一檢查、逐一排除，最終解決問(wèn)題。

（3）通過(guò)數(shù)據(jù)不同，變化形態(tài)、幅度是可以快速判斷出數(shù)據(jù)變化的異常源，對(duì)獲得真實(shí)數(shù)據(jù)、提取有用的地震前兆電場(chǎng)信息有很大幫助。