上海崇明地震臺地電場觀測影響因素分析與研究

龔　耀，李　偉，馬欽忠，周江南

(1.上海市地震局崇明地震臺，上?！?02164；2.上海市地震局，上海　202155)

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上海崇明地震臺地電場觀測影響因素分析與研究

龔耀1，李偉2，馬欽忠2，周江南2

(1.上海市地震局崇明地震臺，上海202164；2.上海市地震局，上海202155)

摘要：以崇明地震臺地電場觀測資料為基礎(chǔ)，對影響地電場觀測的因素進(jìn)行分析與研究，并對不同影響因素提出解決方法與思路，該研究結(jié)果對提高觀測資料的內(nèi)在質(zhì)量和正確識別各類信號有著重要意義。

關(guān)鍵詞：地電場；崇明地震臺；影響因素

0引言

地電場是大地電磁場的重要組成部分，也是地球物理場研究的重要內(nèi)容之一。地電場觀測主要的研究對象是DC-0.1 Hz頻帶內(nèi)的地表電場強度及其隨時間和空間的變化規(guī)律，并在此基礎(chǔ)上探索地電場觀測用于地震預(yù)測研究實踐的途徑和方法。目前，影響地電場觀測的主要因素有電磁環(huán)境、高壓直流、觀測場地、觀測系統(tǒng)本身等。崇明地震臺(以下簡稱崇明臺)地電場觀測始于2000年，在觀測初期就首次觀測到潮汐現(xiàn)象，但隨著城市的快速發(fā)展，地鐵、高壓直流的影響，使觀測記錄的成分十分復(fù)雜，難以識別干擾與地震異常。文章通過對影響崇明臺地電觀測的因素進(jìn)行分析，為正確識別干擾，提高觀測資料質(zhì)量有積極意義。

1崇明臺地電場觀測概況

1.1崇明臺的基本情況

崇明臺地處長江入?？诔缑鲘u的中南部，隸屬崇明縣豎新鎮(zhèn)行政區(qū)，始建于1974年，1976年投入觀測，屬國家級基本臺站，有電磁和流體兩大前兆觀測學(xué)科 ，11個觀測項目。崇明臺地勢平坦，水系發(fā)達(dá)，位于揚子地塊東南邊緣的上海斷塊隆起區(qū)，臺址周圍構(gòu)造穩(wěn)定，底下為燕山晚期花崗巖，10公里以內(nèi)未見較大斷裂。

1.2崇明臺地電場觀測

“九五”期間，崇明臺大地電場觀測項目開始啟動，2000年4月開始觀測，后因儀器故障和多次改造暫時停止觀測，2011年恢復(fù)。目前使用ZD9A—2B型地電場儀，該儀器具有靈敏度高、動態(tài)范圍大、存儲容量大、抗干擾能力強等技術(shù)性能特點[1]。崇明臺大地電場布極方式采用雙L型(見圖1)，分別為北南向、東西向、北東向測道，各方向均有一長一短2個測道。北南向長極距300 m，短極距150 m；東西向長極距300 m，短極距170 m；北東向長極距424 m，短極距227 m。采用6個Pb-PbCL2固體不極化電極，電極埋深大于1.3 m，6個測道同時測量。中心電極距離觀測室30 m，測線全部采用屏蔽電纜懸空架設(shè)，抗拉強度高，絕緣電阻大于300 MΩ。系統(tǒng)供電采用UPS不間斷電源供電，采用四級避雷。

圖1　崇明臺地電場電極布設(shè)圖Fig.1　Electrode arrangement of geoelectric field in Chongming

2崇明臺地電場觀測資料分析

2.1正常變化分析

2.1.1日變化形態(tài)特征

大地電場日變化的主要周期成分是以12 h、24～25 h、8 h周期成分為中心周期，其中12 h的半日波周期成分最為主要，其次是24～25 h和8 h周期成分，還存在短周期成分。其日變化的主要周期成分是由地球自轉(zhuǎn)、太陽風(fēng)、太陰活動引起地面電流體系強度發(fā)生晝夜交替變化引起的。崇明臺地電場觀測資料也有同樣的特征，顯示雙峰雙谷形態(tài)(見圖2)。從圖2還可以看到，三方向的長短極距曲線圖形態(tài)完全一致，相關(guān)性很好。

圖2　崇明臺大地電場NS、EW、NE向長、短極距日變化曲線Fig.2　Diurnal variation of long and short polar distance in orientation of NS,EW,NE of geoelectric field at Chongming Station

2.1.2地電暴

地電暴與地球磁暴具有同源性，在時間域和頻率

域具有較好的同步性和相關(guān)性。圖3就是地電場儀記錄到磁暴期間地電暴的一個同步變化。在地電暴開始之前，電場的日變化很正常；在地電暴開始后，日變化明顯打亂，其異常特征是以高頻信號或脈沖形式出現(xiàn)，具體變化幅度與地電暴的強度有關(guān)，與地下介質(zhì)的電性結(jié)構(gòu)有關(guān)，并隨著地電暴強度的增強而幅度增大，與地理經(jīng)度無關(guān)。由于磁暴和地電暴的發(fā)生是全球同時性的強烈擾動，電場的日變形態(tài)產(chǎn)生較大畸變，在一定區(qū)域內(nèi)對電場同方向長短極距的影響是同步的，一般不會降低大地電場的相關(guān)系數(shù)。

圖3　崇明臺地電場儀記錄到地電暴的觀測曲線Fig.3　Observation curve of geoelectric field influenced by geoelectric storm at Chongming Station

2.1.3潮汐現(xiàn)象

崇明臺距長江邊僅2.3 km，從圖4近一個月的觀測數(shù)據(jù)中可見類似潮汐變化的形態(tài)，這也是全國臺站首次能記錄到該現(xiàn)象。潮汐現(xiàn)象是指海水在天體(主要是月球和太陽)引潮力作用下所產(chǎn)生的周期性運動。研究表明，這與水域岸邊的巖性結(jié)構(gòu)、地質(zhì)構(gòu)造活動、地理條件等因素有關(guān)。

圖4　崇明臺地電場2001年6月分鐘值曲線Fig.4　Minute point value of geoelectric field at Chongming Station in June, 2001

2.2干擾變化分析

2.2.1地鐵干擾

在圖2中，可以清晰地看到地鐵運行所造成的干擾，高頻成分疊加在日變化曲線上，起始時間與地鐵運行的時間相吻合(圖2中，方框中的曲線是未受到地鐵干擾的)。隨著城市的快速發(fā)展，地電場受地鐵干擾也越來越明顯。

2.2.2高壓直流放電干擾

由于西電東輸?shù)男枰珖鴱奈鞯綎|建起多條高壓直流輸電線路，并在沿線建設(shè)多個換流站，對臺站的地電場觀測造成直接影響，如圖5所示。方框中的曲線就是2014年1月24日12時43分至21時51分葛上線高壓直流放電造成的干擾，干擾幅度大(其幅度大小取決于距換流站的距離和放電量的大小)。

圖5　崇明臺地電場受高壓直流放電影響的觀測曲線Fig.5　Observation curve of geoelectric field influenced by high voltage DC discharge at Chongming Station

2.2.3電極故障干擾

圖6是2011年8月21日至29日的地電場分鐘值曲線圖，東西向長極距出現(xiàn)大幅度變化，對比其他方向和短極距的圖形，判斷出是受東西向長極距電極發(fā)生故障的影響。

圖6　崇明臺地電場受電極故障影響的觀測曲線Fig.6　Observation curve of geoelectric field influenced by electrode fault at Chongming Station

2.2.4外線路干擾

2012年6月30日，崇明臺東西向長極距架空電纜被盜，導(dǎo)致觀測數(shù)據(jù)出現(xiàn)突跳變化(見圖7)。

3崇明臺地電場觀測主要影響因素的分析與處理

影響地電場觀測的主要因素有兩方面，一是觀測系統(tǒng)本身的影響，包括電極、外線路、測量裝置、觀測場地等；二是外部的電流體系干擾，主要是地鐵和高壓直流放電。

圖7　崇明臺地電場受外線路影響的觀測曲線Fig.7　Observation curve of geoelectric field influenced by outside line at Chongming Station

3.1觀測系統(tǒng)的影響

地電場觀測系統(tǒng)主要由觀測裝置、避雷裝置、測量裝置以及通信處理系統(tǒng)組成，通過分析觀測曲線，對比發(fā)現(xiàn)觀測系統(tǒng)存在的問題。雙L型布設(shè)極距的特點之一就是有助于判斷哪個方向電極產(chǎn)生故障，通過日變化曲線圖來判斷，如圖8所示，各個方向日變形態(tài)都很好，南北向長短極距形態(tài)基本一致，但方向相反。第34頁表1列出2013年3月1日至15日各方向長短極距之間的相關(guān)系數(shù)，看出，北南向長短極距呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，北東向長短極距相關(guān)性也不好，而東西向長短極距相關(guān)性很好。

圖8　崇明臺地電場2013年3月15日NS、EW、NE向長極距日變化曲線Fig.8　Diurnal variation of long polar distance in orientation of NS, EW, NE of geoelectric field at Chongming Station on March 15, 2013

日期R(NS向)R(EW向)R(NE向)1-0.5480.9970.1072-0.5240.9990.0983-0.6750.9980.1094-0.6210.9980.1345-0.6910.9910.0986-0.5740.9960.1567-0.4990.9920.1418-0.6690.9960.1839-0.6080.9980.14810-0.6670.9970.09611-0.6380.9980.16512-0.6460.9980.12813-0.7200.9980.10814-0.5270.9970.20315-0.5390.9980.172

3.2原因分析及處理

產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因初步認(rèn)為有以下幾種情況：南北向電極故障、儀器本身故障、儀器信號線連接出錯等。

3.2.1電極故障判斷

以圖8為例，假設(shè)南北向長極距處電極有問題，則在日變化曲線圖上，北東向長極距也應(yīng)該有問題，但觀測曲線并非如此；同樣，假設(shè)南北向短極距處電極有問題，則在日變化曲線圖上，北東向短極距曲線也應(yīng)該有問題，但圖中兩條曲線顯然也不一致，因此，判斷不是由電極的原因造成。如果是電極原因，更換即可。

3.2.2儀器本身故障判斷

用備用儀器進(jìn)行替換測試，經(jīng)過更換備用儀器，現(xiàn)象依然存在，則排除儀器本身有故障的情況。

3.2.3儀器信號線連接錯誤判斷

按照說明書上的要求，結(jié)合臺站的布極特點，對儀器信號線連接端的端子一一做檢查和對照，并對進(jìn)戶的每條測量線利用兆歐表進(jìn)行檢測。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在接線端出現(xiàn)了連接錯誤，隨即修正。但之后發(fā)現(xiàn)依然有問題，各個方向的相關(guān)性也都不好(見表2)。

3.2.4外線路的檢查

在確定各個連接環(huán)節(jié)無誤的情況下，對外線路及電極與線路的連接箱進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)有一處的連接閘刀沒有推到位，還有一處電極引線與閘刀的連接出現(xiàn)氧化和松動，似連非連。經(jīng)過反復(fù)認(rèn)真的檢查，確認(rèn)無誤后再進(jìn)行測量，曲線恢復(fù)了正常形態(tài)(見圖9)，各方向的相關(guān)性也明顯提高(見第35頁表3)，故障被排除。對于外線路一般還需查看是否有破壞和漏電發(fā)生。

表2　崇明臺地電場3月17日至31日各方向

圖9　崇明臺地電場2013年4月11日NS、EW、NE向長極距日變化曲線圖Fig.9　Diurnal variation of long polar distance in orientation of NS, EW, NE of geoelectric field at Chongming Station on April 11, 2013

日期R(NS向)R(EW向)R(NE向)100.9991.0000.999110.9381.0000.979120.9961.0000.993130.9351.0000.954140.9071.0000.945150.9751.0000.965160.9411.0000.972170.9320.9990.962180.9630.9990.982190.9271.0000.980200.8170.9980.884210.9541.0000.976220.9370.9990.977230.8810.9990.910240.9571.0000.977250.9441.0000.959260.8821.0000.943270.9351.0000.978280.9761.0000.997290.9130.9990.958300.9531.0000.983

3.3外部電流體系的影響及解決方法

3.3.1地鐵影響

2000年12月，上海地鐵3號線開通，臺站與其直線距離約20 km左右，干擾不可避免。同時，臺站還受地鐵1號線(距離25 km)、10號線(距離28 km)的影響，情況較復(fù)雜。對于這種干擾，只有通過儀器的改進(jìn)和后期的數(shù)據(jù)處理來進(jìn)行抑制和改善，無法徹底消除。

(1) 在ZD9A—2B儀器中，對擾動性干擾使用120 s滑動平均算法，使擾動性干擾得到消除，但對于由此產(chǎn)生的對直流分量的影響目前無法消除，如圖10、圖11是儀器使用該算法前后的對比記錄。

(2) 小波變換對于尖峰和突變的非平穩(wěn)信號分析和去噪，具有無可比擬的優(yōu)勢[2]，地鐵的干擾頻帶一般集中在0.004～0.03 Hz，可以利用Symlet小波函數(shù)系列中的Sym3函數(shù)對觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行多級分解和重構(gòu)處理，有效抑制地鐵造成的地電場干擾。圖12就是原始數(shù)據(jù)曲線和利用Sym3小波進(jìn)行小波變換抑制后的曲線，從效果看，既抑制噪聲，又保留原始信號。但這種數(shù)據(jù)處理方法一般用在數(shù)據(jù)分析研究中，原始數(shù)據(jù)的日常處理目前未得到推廣使用。

圖10　崇明臺地電場2013年2月8日分鐘值曲線Fig.10　Minute point value of geoelectric field at Chongming Station on February 8, 2013

圖11　崇明臺地電場2013年7月10日分鐘值曲線Fig.11　Minute point value of geoelectric field at Chongming Station on July 10, 2013

圖12　抑制前后曲線圖Fig.12　Curves before and after inhibition

3.3.2高壓直流放電影響

目前，臺站受高壓直流放電影響的線路有南橋變電站、葛洲壩至上海、三峽至上海、向家壩至上海等。高壓直流放電對地電場觀測的影響明顯存在，形態(tài)也便于掌握。因此，只要熟知各條線路的放電時間、放電量的大小，即可對數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，消除其影響。

4討論

影響崇明臺地電場觀測的主要因素有觀測系統(tǒng)本身故障、軌道交通、高壓直流放電等，對于這些因素產(chǎn)生的影響，在數(shù)據(jù)處理時要仔細(xì)分析，區(qū)別對待，以免把有效的地震前兆信息遺漏。

(1) 觀測系統(tǒng)出現(xiàn)問題時，從數(shù)據(jù)出發(fā)，分析其可能發(fā)生故障的原因，從儀器、電極、線路、避雷裝置、接線端子、電極與測量線的連接箱等進(jìn)行檢查。對日常的外線路巡視、電極測試或者儀器標(biāo)定，做好復(fù)查工作，確保各部件恢復(fù)如初。在臺站或觀測系統(tǒng)進(jìn)行改造時，對儀器原來的工作狀態(tài)、線路的布設(shè)等做好記錄，便于改造后的對比。這些對于確保觀測資料的連續(xù)、準(zhǔn)確、可靠都是重要的保證。

(2) 地鐵產(chǎn)生的影響可以通過各類數(shù)學(xué)方法進(jìn)行后期的處理與消除，但在處理過程中會不會將地震有關(guān)的前兆信號也處理掉，值得深思。筆者認(rèn)為，平時要對一些異常信號的特征多歸納、多總結(jié)，盡量減少誤處理。

(3) 經(jīng)多次實踐認(rèn)為，高壓直流放電的影響可以通過試驗，明確距離、放電量與干擾幅度的關(guān)系，進(jìn)行后期的數(shù)據(jù)處理。

參考文獻(xiàn)：

[1]席繼樓，趙家騮，王燕瓊，等.地電場觀測技術(shù)研究[J].地震,2002,22(2):67 -73.

[2]李偉，馬欽忠，宋治平，等.小波變換在地電場數(shù)據(jù)分析中的應(yīng)用[J].地震學(xué)報，2013，35(1):26-35.

Analysis of Influence Factors of Geoelectric Field Observation at Chongming Seismic Station in Shanghai

GONG Yao1, LI Wei2, MA Qin-zhong2, ZHOU Jiang-nan2

(1.Chongming Seismic Station of Earthquake Administration of Shanghai Municipality, Shanghai 202164, China；2.Earthquake Administration of Shanghai Municipality, Shanghai 200062, China)

Abstract:The influence factors of geoelectric field observation are analyzed and studied based on the observation data at Chongming Seismic Station. Methods and ideas are put forward in the light of different influence factors. The research results have important significance to improve the internal quality of observation data of and identify all kinds of signals correctly.

Key words:Geoelectric field; Chongming Seismic Station; Influence factor

中圖分類號：P315.63

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

作者簡介：第一龔耀(1973—)，男，上海市人。2001年畢業(yè)于上海大學(xué)，工程師。

收稿日期：2015-07-05

文章編號：1000-6265(2016)01-0031-06