張建濤 王明貴 陳星星 周 超

1）中國(guó)武漢 430071 中國(guó)地震局地震研究所

2）中國(guó)武漢 430071 中國(guó)地震局地震大地測(cè)量重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

0 引言

地電場(chǎng)由自然電場(chǎng)和大地電場(chǎng)構(gòu)成，是重要的地球物理監(jiān)測(cè)指標(biāo)，我國(guó)于1984 年起將其用于地震監(jiān)測(cè)。國(guó)內(nèi)外諸多研究表明，震前地電場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)可能出現(xiàn)諧波振幅增大、優(yōu)勢(shì)方位角和極化特性改變等明確的異常信號(hào)（安張輝等，2013；王宇等，2020；于晨等，2020）。然而，地電場(chǎng)易受環(huán)境變化、人為活動(dòng)、觀測(cè)系統(tǒng)故障等因素的影響，從而導(dǎo)致觀測(cè)數(shù)據(jù)曲線發(fā)生畸變，僅從曲線形態(tài)和變化幅度難以區(qū)分地震異常和干擾，因此需要對(duì)地電場(chǎng)數(shù)據(jù)日變化和各種干擾特征進(jìn)行有效識(shí)別。為此，我國(guó)地震工作者開(kāi)展了一系列研究，如：高慧慧等（2014）對(duì)青海省都蘭、大武臺(tái)各種干擾因素進(jìn)行分析；李希亮等（2015）對(duì)山東地電場(chǎng)自然環(huán)境和人為干擾等典型因素進(jìn)行了分析；羅娜等（2016）對(duì)河北地電場(chǎng)常見(jiàn)干擾源的表現(xiàn)形態(tài)和干擾機(jī)制進(jìn)行了分析。但是對(duì)湖北省地電場(chǎng)有關(guān)干擾識(shí)別的研究尚屬空白。作為湖北省當(dāng)前唯一正常運(yùn)行的地電場(chǎng)，應(yīng)城地電場(chǎng)自2018 年投入觀測(cè)以來(lái)，在震情監(jiān)測(cè)中發(fā)揮了積極作用，選擇地電場(chǎng)分鐘值觀測(cè)數(shù)據(jù)，通過(guò)頻譜分析和諧波擬合等方法，對(duì)其日變形態(tài)及干擾特征進(jìn)行分析，研究結(jié)果有助于提升地電場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)的應(yīng)用價(jià)值。

1 臺(tái)站概況

應(yīng)城地震臺(tái)（下文簡(jiǎn)稱應(yīng)城臺(tái)）位于湖北省應(yīng)城市湯池鎮(zhèn)打榨村，屬重慶云陽(yáng)—湖北應(yīng)城地震條帶。臺(tái)站所在區(qū)是湖北地震活動(dòng)較活躍的地區(qū)之一。應(yīng)城臺(tái)地電場(chǎng)測(cè)項(xiàng)由“東半球空間環(huán)境地基綜合監(jiān)測(cè)子午鏈”工程新建，地電測(cè)區(qū)地形開(kāi)闊平坦，周邊無(wú)干擾源，于2018 年投入觀測(cè)，配備儀器為ZD9A-2B 地電場(chǎng)儀，采用UPS 電源進(jìn)行供電。地電場(chǎng)布極方式為雙L 型，共布設(shè)NS、EW 和NE 3 個(gè)測(cè)向，每個(gè)測(cè)向包含長(zhǎng)、短極距2 個(gè)測(cè)道，其中NS、EW 測(cè)向長(zhǎng)極距均200 m，NE 測(cè)向長(zhǎng)極距283 m，各測(cè)向短極距均為長(zhǎng)極距的1/2。外線路采用地埋方式，每季度進(jìn)行絕緣性檢查。電極采用圓柱形固體不極化電極，埋深3.5—7 m。

2 正常數(shù)據(jù)特征

大地電場(chǎng)源于遠(yuǎn)源空間電流及日月潮汐，變化具有一定的周期性、全球性特征；自然電場(chǎng)源于電極附近介質(zhì)的物理和化學(xué)活動(dòng)，地方性特征較為明顯（范曄等，2020；張波等，2020）。應(yīng)城地電場(chǎng)各測(cè)道數(shù)據(jù)相關(guān)性較好，除偶爾受觀測(cè)系統(tǒng)故障和降雨影響外，6 個(gè)測(cè)道的數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)一致，僅以NS 測(cè)向長(zhǎng)極距數(shù)據(jù)為例，分析應(yīng)城地電場(chǎng)變化特征。

2.1 大地電場(chǎng)變化

地電場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)中包含許多高頻擾動(dòng)成分，在原始數(shù)據(jù)曲線中可見(jiàn)較多突跳，導(dǎo)致日變形態(tài)不清晰，需進(jìn)行預(yù)處理。2018 年7 月15 日為國(guó)際磁靜日，應(yīng)城地電場(chǎng)無(wú)高壓直流等干擾，以當(dāng)日數(shù)據(jù)為例，分析地電場(chǎng)正常日變曲線及周期成分（圖1）。利用快速傅里葉變換提取其前5 階振幅，周期分別為12 h、8 h、24 h、6 h 和4.8 h，且周期為12 h 的半日波成分突出[圖1(b)]，與范曄等（2020）對(duì)我國(guó)大陸地區(qū)地電場(chǎng)日變特征的研究結(jié)果一致。對(duì)前5 階振幅進(jìn)行傅里葉逆變換得到新的數(shù)據(jù)序列，應(yīng)城地電場(chǎng)雙峰單谷的日變形態(tài)清晰可見(jiàn)，見(jiàn)圖1(c)，可見(jiàn)：北京時(shí)間6—18 時(shí)地電場(chǎng)為正弦波形態(tài)，其他時(shí)間曲線呈平緩變化，地電場(chǎng)強(qiáng)度極小值出現(xiàn)在12 時(shí)前后，2 個(gè)極大值分別出現(xiàn)在8 時(shí)和18 時(shí)前后。

圖1 地電場(chǎng)正常日變曲線及周期成分(a)原始數(shù)據(jù)；(b)周期成分；(c)傅里葉逆變換Fig.1 Curves of normal diurnal variation and periodic components of geoelectric field

選取2018 年應(yīng)城地電場(chǎng)每月日變形態(tài)最清晰的1 d 數(shù)據(jù)，采用上述方法進(jìn)行預(yù)處理，逐月擬合曲線見(jiàn)圖2，可見(jiàn)：應(yīng)城地電場(chǎng)1 月波形呈單峰單谷形態(tài)，其余11 個(gè)月均具有兩峰一谷形態(tài)；地電場(chǎng)達(dá)極大值時(shí)間不斷變化，其中1—6 月極大值時(shí)間不斷提前，7—12 月則越來(lái)越晚；地電場(chǎng)日變幅度存在周期性變化。

圖2 地電場(chǎng)日變逐月擬合曲線Fig.2 Monthly fitting curves of diurnal variation of geoelectric field

選取應(yīng)城地電場(chǎng)2018—2019 年磁場(chǎng)平靜、無(wú)高壓直流干擾的數(shù)據(jù)，分別計(jì)算各測(cè)道日變幅月均值。結(jié)果表明，每年11 月至次年1 月日變幅較小，長(zhǎng)極距NS 測(cè)道約為15 mV/km；在3月和9月前后日變幅最大，約為30 mV/km；其他時(shí)間日變幅約為25 mV/km。3 個(gè)測(cè)向日變化幅度有所差異，其中NE 測(cè)向日變幅略大于NS 測(cè)向，EW 測(cè)向日變幅僅為NS 測(cè)向的1/2，同測(cè)向長(zhǎng)、短極距測(cè)道日變幅基本相同。

頻譜分析結(jié)果表明，12 月數(shù)據(jù)中存在周期約0.1 h 的高頻成分，其他年份同期觀測(cè)數(shù)據(jù)同樣存在該成分。根據(jù)譚大誠(chéng)等（2010）的相關(guān)研究，地電場(chǎng)觀測(cè)曲線形態(tài)可分為：①TGF-A 型：近正弦形態(tài)、雙峰雙谷；②TGF-B 型：夜晚呈近直線，白天近正弦形態(tài)、雙峰單谷；③無(wú)日變型。

應(yīng)城地電場(chǎng)11 月至次年2 月日變形態(tài)不明顯，綜合全年觀測(cè)數(shù)據(jù)，地電場(chǎng)觀測(cè)曲線形態(tài)應(yīng)屬于TGF-B 型。

2.2 自然電場(chǎng)變化

當(dāng)觀測(cè)環(huán)境場(chǎng)地干擾較小時(shí)，每日觀測(cè)數(shù)據(jù)均值可視為自然電場(chǎng)（譚大誠(chéng)等，2014），而自然電場(chǎng)的一階差分可以反映觀測(cè)系統(tǒng)和環(huán)境的穩(wěn)定性。

2018—2019 年應(yīng)城臺(tái)自然電場(chǎng)曲線見(jiàn)圖3(a)，可見(jiàn)曲線存在許多突跳和臺(tái)階型變化。對(duì)觀測(cè)系統(tǒng)及測(cè)區(qū)環(huán)境進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)突跳由高壓直流線路干擾所致，臺(tái)階型變化由測(cè)區(qū)環(huán)境改變?cè)斐?。如圖3(a)中①所示，2018 年6 月13 日，受湖北宜昌—江蘇常州（三常線）高壓直流輸電影響，自然電場(chǎng)出現(xiàn)幅度為25 mV/km 的突跳。如圖3(a)中②、③和④所示，2019年自然電場(chǎng)出現(xiàn)3 次明顯的臺(tái)階變化，其中：2019 年1 月30 日，當(dāng)?shù)爻霈F(xiàn)降水天氣，自然電場(chǎng)呈下降臺(tái)階變化，幅度約12 mV/km，3 月2 日突然升高，變化幅度約12 mV/km；5 月25 日起當(dāng)?shù)剡B續(xù)降雨，5月26 日自然電場(chǎng)升高20 mV/km；12 月11日—24 日，受三常線高壓直流輸電連續(xù)干擾，自然電場(chǎng)出現(xiàn)臺(tái)階變化。

圖3 自然電場(chǎng)及日差值曲線Fig.3 Curves of spontaneous electric field and daily difference

由應(yīng)城地電場(chǎng)一階差分曲線[圖3(b)]可知，應(yīng)城地電場(chǎng)測(cè)區(qū)環(huán)境穩(wěn)定性較差，分析認(rèn)為原因如下：①降水干擾顯著，應(yīng)城當(dāng)?shù)亟邓S富，2018—2021 年平均年降雨量大于800 mm，且多次單日降雨量超70 mm，電極周圍介質(zhì)狀態(tài)難以保持穩(wěn)定；②布極區(qū)位置不合理，地電場(chǎng)布極區(qū)緊鄰水庫(kù)，電極與水庫(kù)的最近距離不足3 m，且電極埋設(shè)區(qū)域地勢(shì)低，易受巖石裂隙水滲流產(chǎn)生的過(guò)濾電場(chǎng)干擾（范曄等，2020）；③長(zhǎng)極距未達(dá)到電磁學(xué)科建設(shè)要求，應(yīng)城地電場(chǎng)NS、EW 測(cè)向長(zhǎng)極距僅200 m，未達(dá)到電磁學(xué)科對(duì)地電場(chǎng)建設(shè)的要求（300 m），不能保證觀測(cè)數(shù)據(jù)的可靠性。

3 干擾數(shù)據(jù)特征

統(tǒng)計(jì)2018年—2021年應(yīng)城臺(tái)地電場(chǎng)異常跟蹤記錄，發(fā)現(xiàn)高壓直流輸電為主要干擾源，電磁暴、降雨和雷電等為次要干擾源。

3.1 高壓直流輸電干擾

當(dāng)高壓直流輸電線路出現(xiàn)故障或進(jìn)行調(diào)試時(shí)，會(huì)產(chǎn)生較大不平衡電流，影響換流站周圍的電磁觀測(cè)（蘇小蕓等，2020）。作為電網(wǎng)全國(guó)互聯(lián)、西電東輸?shù)闹行氖》?，湖北省擁有三峽、葛洲壩等大型水電樞紐，高壓直流輸電線路分布密集，地電場(chǎng)觀測(cè)受干擾嚴(yán)重（表1）。

表1 應(yīng)城地電場(chǎng)周邊高壓直流輸電線路影響統(tǒng)計(jì)Table 1 Effect statistics of HVDC transmission lines around geoelectric field in Yingcheng

由表1 可知，三常線、三廣線、葛上線、三上線和陜湖線對(duì)地電場(chǎng)影響較大，酒湖線、錦蘇線等線路的影響較?。桓邏褐绷鬏旊姼蓴_一般持續(xù)幾小時(shí)，有時(shí)僅存在幾分鐘，同一高壓直流輸電線路對(duì)地電場(chǎng)造成的干擾，階躍方向和幅度并不固定。干擾曲線形態(tài)表現(xiàn)為規(guī)則的方波型階變，且各測(cè)道變化在時(shí)間上具有同步性。2021 年8 月4 日—5 日，受陜西榆林—湖北武漢高壓直流輸電線路的影響，應(yīng)城地電場(chǎng)6 個(gè)測(cè)道同步出現(xiàn)臺(tái)階，各測(cè)道數(shù)據(jù)曲線的階變方向相同，干擾幅度存在差別（圖4）。統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，各高壓直流輸電線路對(duì)應(yīng)城地電場(chǎng)的干擾幅度，與換流站和地震臺(tái)站間距及線路電流大小有關(guān)，線路額定電流越大，臺(tái)站與換流站距離越近，干擾幅度越大，如受陜湖線干擾，應(yīng)城地電場(chǎng)最大階躍幅度超過(guò)600 mV/km。

圖4 地電場(chǎng)受陜湖線高壓直流干擾曲線Fig.4 Curves of geoelectric field subjected to HVDC interference

3.2 電磁暴干擾

地電暴和地磁暴密切相關(guān)（董蕾等，2018）。在磁暴期間，相比地磁場(chǎng)變化，地電場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)記錄的高頻信號(hào)更為豐富（圖5）。

圖5 地電場(chǎng)受電磁暴干擾曲線Fig.5 Curve of geoelectric field subjected to electromagnetic storm

2021 年5 月12 日應(yīng)城臺(tái)記錄到最大K指數(shù)為6 的急始型地磁暴，地電場(chǎng)NS 測(cè)道日變幅升至250 mV/km，是5 月磁靜日地電場(chǎng)日變幅的10 倍。2018 年8 月25 日應(yīng)城臺(tái)記錄到最大K指數(shù)為5 的緩始型磁暴，NS 測(cè)道日變幅達(dá)110 mV/km。分析發(fā)現(xiàn)，電磁暴期間地電場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)反復(fù)振蕩，高頻擾動(dòng)成分顯著增多，日變曲線嚴(yán)重畸變，但地電場(chǎng)變化幅度與地磁K指數(shù)之間并非線性相關(guān)。如：2020 年4 月20 日應(yīng)城臺(tái)記錄到最大K指數(shù)為6的急始磁暴，NS 測(cè)道日變幅僅95 mV/km；2019 年1 月4 日K指數(shù)為3，地電場(chǎng)NS 測(cè)道日變幅達(dá)50 mV/km，后半日數(shù)據(jù)反復(fù)振蕩。

3.3 氣象干擾

應(yīng)城臺(tái)周邊無(wú)其他建筑物，緊鄰大面積水域，遭受雷擊概率較大，雖已采取多重防雷措施，但雷擊事故依然多發(fā)，地電場(chǎng)儀就多次記錄雷擊事件。雷電干擾引發(fā)的地電場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)曲線畸變與高壓直流輸電干擾有一定相似性，均表現(xiàn)為所有測(cè)道同步產(chǎn)生階躍，且數(shù)據(jù)相關(guān)性不受影響；二者不同之處在于，雷擊引起的階躍幅度小，干擾期間數(shù)據(jù)為恒定值[圖6(a)]，如：2019 年8 月15 日13:45—14:45，受雷電活動(dòng)影響，應(yīng)城地電場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)出現(xiàn)恒值和臺(tái)階，持續(xù)1 h 后數(shù)據(jù)恢復(fù)正常，2020 年6 月27 日、2021 年5 月15 日雷雨期間也存在相同現(xiàn)象。

強(qiáng)降雨形成的地表水流可能產(chǎn)生感應(yīng)電場(chǎng)，而且降雨導(dǎo)致觀測(cè)場(chǎng)地土壤含水量增加，電極周圍地下介質(zhì)的電性結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，結(jié)果均反映在地電場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)曲線上（劉華姣等，2020）。2020 年1 月應(yīng)城臺(tái)遭遇連續(xù)降雨天氣，5 日至10 日累計(jì)降雨量高達(dá)95 mm，地電場(chǎng)6 個(gè)測(cè)道測(cè)值均發(fā)生改變。如圖6(b)所示，1 月9 日，EW、NE 測(cè)道長(zhǎng)極距地電場(chǎng)強(qiáng)度出現(xiàn)不同程度的下降，而NS 測(cè)道長(zhǎng)極距地電場(chǎng)則上升10 mV/km，后均呈較平緩的趨勢(shì)變化；同日，EW 測(cè)道短極距地電場(chǎng)強(qiáng)度開(kāi)始緩慢下降，NS 和NE 測(cè)道短極距數(shù)據(jù)干擾形態(tài)則與之相反，隨著電極周邊介質(zhì)中含水量的降低，短極距測(cè)道觀測(cè)值逐漸趨于穩(wěn)定。分析認(rèn)為，雨水可能造成電極引線接頭受潮和接觸不良，使觀測(cè)數(shù)據(jù)出現(xiàn)漂移，且長(zhǎng)、短極距相關(guān)系數(shù)降低。

圖6 地電場(chǎng)受氣象因素干擾曲線(a)雷電干擾；(b)降雨干擾Fig.6 Curves of geoelectric field subjected to meteorological factors

4 結(jié)論與討論

應(yīng)城臺(tái)地電場(chǎng)屬于TGF-B 型，正常日變形態(tài)表現(xiàn)為兩峰一谷。受高壓直流輸電、降水及電磁活動(dòng)等影響，地電場(chǎng)日變形態(tài)不夠清晰。受高壓直流輸電、降水影響，應(yīng)城地電場(chǎng)干擾嚴(yán)重，其中高壓直流輸電會(huì)同步造成所有測(cè)道高達(dá)600 mV/km 以上的階躍，而降水干擾主要表現(xiàn)為數(shù)據(jù)漂移和臺(tái)階變化，且干擾持續(xù)時(shí)間可達(dá)幾十天。地電場(chǎng)觀測(cè)對(duì)磁場(chǎng)活動(dòng)敏感性較高，即使地磁最大K指數(shù)只有3，數(shù)據(jù)曲線也可能出現(xiàn)嚴(yán)重畸變。電磁暴會(huì)導(dǎo)致地電場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)離散度增大，日變化幅度可達(dá)正常幅度的10 倍。受雷電影響，地電場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)呈階躍變化，但幅度較小，持續(xù)時(shí)間一般不大于1 h，且干擾期間各測(cè)道數(shù)據(jù)均為恒值。

應(yīng)城地電場(chǎng)所受干擾頻率較高且類型多樣，日常工作務(wù)必認(rèn)真細(xì)致。對(duì)于降水等氣象干擾，需加強(qiáng)對(duì)觀測(cè)系統(tǒng)和環(huán)境的檢查，及時(shí)疏通觀測(cè)場(chǎng)地的排水設(shè)施，及時(shí)檢查并維護(hù)防雷裝置，以保障地電場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量。而且，應(yīng)城地電場(chǎng)在選址和建設(shè)上存在不規(guī)范之處，導(dǎo)致測(cè)區(qū)觀測(cè)環(huán)境穩(wěn)定性不足，削弱了數(shù)據(jù)的可用性，若湖北省將來(lái)建設(shè)新的地電場(chǎng)臺(tái)站，務(wù)必嚴(yán)格按照學(xué)科規(guī)范進(jìn)行場(chǎng)地勘選和設(shè)計(jì)。