肖鑫，王杰，施建明，周建榮

(1.云南省地震局楚雄地震監(jiān)測中心站,云南 楚雄 675000;2.云南省地震局,云南 昆明 650000)

0 引 言

地球表面存在著天然的變化電場和穩(wěn)定電場，總稱地電場。地電場是重要的地球物理場。地電場主要包括兩部分：大地電場和自然電場。前者源于外太空電離層的電流體系及其變化，分布在整個(gè)地表的較大區(qū)域，后者源于地下場源，具有相對的局部穩(wěn)定性[1～3]。我國將地電場用于地震地球物理觀測始于1966年邢臺地震之后，自此積累了一定的觀測資料。由于地電場觀測的場地范圍較大，容易受到場地環(huán)境因素以及其他不明因素的干擾[2]。通過對元謀水化站地電場觀測數(shù)據(jù)資料、數(shù)據(jù)內(nèi)在質(zhì)量及同震效能、地電暴、測區(qū)觀測環(huán)境進(jìn)行綜合分析，歸納了引起地電場變化的典型干擾及核實(shí)過程。這對正確認(rèn)識地電場正常變化 、減少異常核實(shí)工作量以及今后地電場觀測資料的處理和分析都有重要幫助，對進(jìn)一步提高地電觀測資料質(zhì)量具有一定意義 。

1 臺站基本情況

1.1 觀測場地

元謀地震臺水化站地電場(簡稱元謀水化站地電場)隸屬云南省地震局楚雄地震監(jiān)測中心站，該測點(diǎn)地理坐標(biāo)為101.82°E、25.72°N，海拔1 065.2 m，觀測場地位于云南省元謀縣元馬鎮(zhèn)熱水塘村田壩地域，屬于龍川江河流沖擊區(qū)內(nèi)，場地為耕作農(nóng)田，土厚度為2.8 m，地下水位埋深為14.64 m。地電場中心桿距離儀器室儀器68 m，離元謀地震臺近十公里的距離。

測點(diǎn)位于元謀斷陷盆地綠汁江大斷裂帶西側(cè)3 km地?zé)岙惓^(qū)，東面約120 km處是著名的小江斷裂帶，對監(jiān)測滇中北部地區(qū)南北構(gòu)造帶—南北向綠汁江大斷裂和小江斷裂一帶的地震活動(dòng)有一定的作用。

1.2 觀測儀器及觀測系統(tǒng)情況

圖1 元謀水化站地電場布極示意圖

元謀水化站地電場使用中國地震局預(yù)測研究所研制的ZD9A-II地電場儀進(jìn)行觀測，按照“多方向、多極距”的觀測方法，布設(shè)“雙L”測量線路，即NS、EW及N45° E共三個(gè)測量方向，每個(gè)測量方向分別采用獨(dú)立裝置進(jìn)行對比觀測[4～7]。地電場于2006年11月初完成建設(shè)投入運(yùn)行。2011年11月底至12月初對外線路和電極進(jìn)行改造，采用鉛板制作為規(guī)格為500 mm×500 mm×3 mm的圓柱形電極，電極埋深15 m，接地電阻在10.0～25.0 Ω之間，電極引線為4×6 mm2銅芯電纜線，外線路采用4×6 mm2銅芯電纜線，按照規(guī)范要求進(jìn)行架空敷設(shè)。2012年1月至4月完成調(diào)試后數(shù)據(jù)無論是抗干擾能力還是內(nèi)在精度都得到有效提升，室內(nèi)配線、避雷裝置、接地線符合規(guī)范要求，滿足觀測要求。

表1 元謀水化站地電場布極參數(shù)及各極接線極性

2 觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量分析

選取2012年元謀水化站地電場改造后的觀測數(shù)據(jù)，根據(jù)觀測系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)及資料產(chǎn)出情況，對有代表性的數(shù)據(jù)曲線變化形態(tài)進(jìn)行分析研究。

2.1 數(shù)據(jù)質(zhì)量分析

在地電場觀測中，在同一地區(qū)自然電場部分基本穩(wěn)定，因此同一測向兩個(gè)測道觀測的數(shù)據(jù)變化規(guī)律應(yīng)當(dāng)接近。若變化趨勢一致，說明數(shù)據(jù)可信度較高；反之，需要考慮觀測系統(tǒng)工作是否正常，測區(qū)內(nèi)是否存在干擾等。通過對同測向不同測道的觀測數(shù)據(jù)計(jì)算得到的相關(guān)系數(shù)與差值，評價(jià)地電場的觀測質(zhì)量，并初步判斷觀測系統(tǒng)可信度。相關(guān)系數(shù)越接近1，差值越小，同一測向兩個(gè)測道的觀測數(shù)據(jù)越一致，觀測數(shù)據(jù)越穩(wěn)定。

相關(guān)系數(shù)計(jì)算方法：

(1)

差值計(jì)算方法：

(2)

由(1)式、(2)式計(jì)算得到元謀水化站地電場相關(guān)系數(shù)，通過查閱中國地震前兆臺網(wǎng)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)得到數(shù)據(jù)連續(xù)率和完整率(表2)。

表2 元謀水化站地電場數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

對元謀水化站地電場相關(guān)系數(shù)、差值、數(shù)據(jù)連續(xù)率、完整率(表2)分析，元謀水化站地電場相關(guān)系數(shù)良好，相同測向不同測道數(shù)據(jù)變化規(guī)律相當(dāng)接近，數(shù)據(jù)可信度較高，且儀器運(yùn)行情況良好，數(shù)據(jù)連續(xù)率與完整率均維持在較高水平。

2.2 同震響應(yīng)

在地震前兆觀測手段的數(shù)據(jù)質(zhì)量評價(jià)中，是否有同震響應(yīng)是對數(shù)據(jù)可信度做出有效判斷的一種方式，并有利于對地震應(yīng)力釋放過程及機(jī)理研究提供幫助與解釋。元謀水化站地電場在多次遠(yuǎn)近大震中均有同震響應(yīng)，以2014年8月3日魯?shù)?.5級地震和2015年4月25日尼泊爾8.1級地震為例，元謀水化站地電場同震響應(yīng)有一定規(guī)律，北南測向?qū)τ谕痦憫?yīng)更明顯且能響應(yīng)到地震震中距較遠(yuǎn)的地震，東西測向則在震中距較遠(yuǎn)的地震中沒有同震響應(yīng)且數(shù)據(jù)響應(yīng)幅度低于北南測向。

圖2 2015年4月25日尼泊爾8.1級地震同震響應(yīng)

圖3 2014年8月3日魯?shù)?.5級地震同震響應(yīng)

2.3 地電暴事件記錄

地電暴與地球磁暴同源，是由太陽黑子活動(dòng)等造成的強(qiáng)電磁輻射現(xiàn)象，在全球具有廣域性，對地電觀測的干擾表現(xiàn)為數(shù)據(jù)高頻擾動(dòng)或脈沖式突跳，變化幅度與地電暴強(qiáng)度正相關(guān)，并與地下介質(zhì)電性結(jié)構(gòu)有關(guān)。地電暴干擾影響可在一定程度上反映臺址條件及觀測儀器的映震效能。在2012年改造后，元謀水化站地電場觀測數(shù)據(jù)多次清晰完整記錄到地電暴事件，且由于地電暴事件的產(chǎn)生原理，東西測向數(shù)據(jù)記錄到的變化幅度大于北南測向。

3 典型干擾源分析及確定過程

3.1 異常特征

自從2014年10月起，元謀水化站地電場北南測向與北西測向數(shù)據(jù)就開始出現(xiàn)有規(guī)律的臺階變化，變化幅度約3～15mv/km，數(shù)據(jù)形狀類似于方波，有明顯的開始時(shí)間與結(jié)束時(shí)間(圖5)，此臺階頻繁出現(xiàn)于農(nóng)戶耕作時(shí)間。在連續(xù)晴天及農(nóng)忙等特殊時(shí)段內(nèi)，且會(huì)有一天多個(gè)臺階出現(xiàn)的情況。

圖4 地電暴典型數(shù)據(jù)曲線

圖5 元謀水化站地電場2015年11月19日及10月5日數(shù)據(jù)分鐘值曲線

3.2 觀測系統(tǒng)工作狀態(tài)檢查與環(huán)境調(diào)查

3.2.1 儀器工作狀態(tài)檢查

(1)經(jīng)過排查，裝置系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)等工作正常。

(2)在臺階出現(xiàn)的時(shí)間內(nèi)，臺站儀器工作正常，未對儀器做過維修及觀測參數(shù)調(diào)整，按學(xué)科要求進(jìn)行的月度、季度、及半年標(biāo)定檢查等均符合規(guī)范。

3.2.2 觀測環(huán)境干擾情況調(diào)查

元謀屬南亞熱帶干熱氣候，年平均溫度較高，是全國重要的冬早蔬菜主產(chǎn)區(qū)，農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)。干熱河谷地區(qū)干旱少雨，年蒸發(fā)量遠(yuǎn)大于降雨量，但是地下水資源卻很豐富，導(dǎo)致元謀地區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉用水主要以打井抽取地下水為主。經(jīng)核實(shí)只要是未降雨或降雨量偏少的時(shí)段，測區(qū)內(nèi)農(nóng)戶便會(huì)進(jìn)行機(jī)械抽水灌溉作業(yè)。經(jīng)多次對元謀水化站地電場測區(qū)進(jìn)行觀測環(huán)境巡視、檢查，發(fā)現(xiàn)測區(qū)內(nèi)有9口農(nóng)戶抽水井，均用機(jī)械抽水的方式來灌溉農(nóng)田，抽水時(shí)段多為6～22時(shí)，抽水時(shí)長不固定。其中距離北端電極最近的抽水井(井4)距離電極僅約4 m，距離東端電極最近的抽水井(井7)距離電極僅約20 m(圖6)。此外測區(qū)內(nèi)還建有鋼架大棚。

圖6 測區(qū)抽水井分布示意圖

從觀測數(shù)據(jù)情況看，水化站地電場東西測向數(shù)據(jù)很少出現(xiàn)干擾。主要由于東端電極附近有小河溝，農(nóng)戶灌溉主要是引河溝里的水自然流淌到農(nóng)田內(nèi)，且測區(qū)東邊農(nóng)田農(nóng)業(yè)種植經(jīng)常處于閑置狀態(tài)或種草飼養(yǎng)牛用，東端電極附近井7和井8是因2010年云南旱災(zāi)時(shí)抗災(zāi)所打，目前使用率較低。干擾臺階主要出現(xiàn)在南北測向及北45°東測向，由此確定了干擾主要存在于南北向，通過測區(qū)環(huán)境調(diào)查的結(jié)果，大體確定此干擾可能來自北端電極附近。

根據(jù)以上情況，臺站多次組織工作人員在臺階經(jīng)常出現(xiàn)的6時(shí)至22時(shí)，在北端電極附近的井3、井4和井5進(jìn)行蹲點(diǎn)記錄。發(fā)現(xiàn)觀測數(shù)據(jù)記錄到的臺階出現(xiàn)時(shí)間與井4農(nóng)戶抽水時(shí)間能較好耦合；且在蹲點(diǎn)記錄時(shí)發(fā)現(xiàn)井4會(huì)出現(xiàn)同一口井有兩臺電機(jī)同時(shí)工作進(jìn)行抽水的情況。以2016年10月8日至10月9日調(diào)查結(jié)果為例。期間井4共進(jìn)行了四次抽水作業(yè)，且兩臺抽水電機(jī)都有使用的情況，具體抽水和數(shù)據(jù)變化情況見圖7及表3。綜上所述，判定水化站地電場南北測向及北45°東測向數(shù)據(jù)出現(xiàn)類似臺階的干擾為井4農(nóng)戶機(jī)械抽水時(shí)設(shè)備漏電造成，同時(shí)由于抽水設(shè)備距離電極較近，且為鉛電極，故停止抽水后有電極充電后緩慢恢復(fù)的情況。

圖7 2016年10月8日至10月9日水化站地電場分鐘值曲線

表3 2016年10月8日至10月9日井4抽水情況統(tǒng)計(jì)

4 結(jié)論與討論

利用元謀水化站地電場現(xiàn)有觀測數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)質(zhì)量及有代表性的數(shù)據(jù)曲線變化形態(tài)進(jìn)行分析研究。并通過多次場地調(diào)查及2016年10月8日至10月9日調(diào)查結(jié)果。對元謀水化站地電場觀測質(zhì)量及數(shù)據(jù)可信度做出評價(jià)，對觀測中常見地球物理事件及典型干擾的數(shù)據(jù)曲線變化特征進(jìn)行分析，得出如下結(jié)論：

(1)元謀水化站地電場數(shù)據(jù)可信度較高，對于部分中強(qiáng)震有同震響應(yīng)。同震響應(yīng)受地震震級大小和震中距的影響，震級越大，震中距越近，同震響應(yīng)越明顯。地電暴事件幾乎能清晰完整記錄。

(2)元謀水化站地電場使用了鉛電極，在地電觀測中具有較好的適用性。元謀地區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展較快，地電觀測受農(nóng)業(yè)抽水、灌溉、大棚建設(shè)干擾較為明顯，除偶爾的農(nóng)戶設(shè)備漏電與雷電造成電極充電外，這些干擾并未對地電場數(shù)據(jù)造成趨勢性的改變，而且鉛電極受干擾充電后恢復(fù)時(shí)間較快。

從布極上，元謀水化站地電場兩套裝置極距均為300 m的相同極距對比觀測，電極之間距離僅有10 m，無法形成同測向長短電極的對比。雖然相關(guān)性較好，但在干擾源位置確定及地震震后的應(yīng)力分析等問題上，沒法通過極距差來較好的反推具體方位。今后建臺需嚴(yán)格按照地電臺站建設(shè)規(guī)范布設(shè)長短極距。元謀水化站地電場測區(qū)位于農(nóng)田內(nèi)，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)易對地電場觀測造成影響。特別是電極一旦損壞，重新埋設(shè)新電極會(huì)涉及青苗補(bǔ)償、調(diào)整農(nóng)戶農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等問題，存在一定執(zhí)行困難。故在農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)地區(qū)進(jìn)行地電場觀測，穩(wěn)定的鉛電極對于長期觀測在可行性上不一定低于固體不極化電極。由于農(nóng)業(yè)干擾較多，因此需要臺站工作人員熟悉干擾類型，與測區(qū)內(nèi)干擾源，一旦出現(xiàn)前兆異常或干擾時(shí)，可迅速判別。