安徽省地電場日變化特征初步分析

尹天杰 趙桂寶 孫亮亮 張明明

摘 要：通過對安徽省蒙城和嘉山兩個地電場臺站的大地電場分鐘值資料進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)安徽省地電場的日變形態(tài)較為清晰，呈現(xiàn)出“雙峰單谷”或者“單峰雙谷”的變化形態(tài);同一方向不同極距變化形態(tài)及相位一致，嘉山臺日變形態(tài)較蒙城臺更為平滑;地電場日變化形態(tài)特征與地磁場相似，但地磁場日變化形態(tài)較為平緩，且地電場相位對比地磁場而言較為滯后;磁暴發(fā)生時，地電場有較為靈敏的響應(yīng);高壓直流輸電線路故障是近年來影響地電場日變形態(tài)最主要的干擾之一。

關(guān)鍵詞：地電場;日變化;地磁場;地電暴;高壓直流輸電

中圖分類號：P319.3文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1003-5168（2021）16-0138-03

Abstract： Based on the analysis of the minute value data of the geoelectric field at the Mengcheng and Jiashan geoelectric field stations in Anhui Province， it is found that the diurnal variation of the geoelectric field in Anhui is relatively clear， showing the change of double peaks and single valleys or single peaks and double valleys. Shape; the same direction and different pole distances change shape and phase are the same， the daily variation of Jiashan station is smoother than that of Mengcheng station; the characteristics of the diurnal variation of the geoelectric field are similar to the geomagnetic field， but the diurnal variation of the geomagnetic field is more gentle， and the phase compared with the geomagnetic field， it lags behind; when a magnetic storm occurs， the geoelectric field has a more sensitive response; the failure of high-voltage direct current transmission lines has become one of the most important disturbances affecting the daily change of geoelectric field in recent years.

Keywords： geoelectric field;diurnal variation;geomagnetic field;geoelectric storm;high-voltage direct current transmission

地電場觀測是目前較為成熟的地震前兆觀測手段。在映震和孕震過程中，有較為敏銳的前兆異常變化。對于短臨預(yù)報，地電場的單日數(shù)據(jù)變化具有較大的參考意義，但是因為地電場往往會有較為規(guī)則的周期日變形態(tài)，在開展預(yù)測預(yù)報工作時，需要剔除正常的日變形態(tài)背景，這樣才能對前兆異常數(shù)據(jù)有一個準(zhǔn)確的定位[1]。正確識別地電場的日變化特征以及了解各類典型特殊干擾事件下地電場的變化形態(tài)，在日常數(shù)據(jù)預(yù)處理以及前兆異常跟蹤分析等工作中具有舉足輕重的意義。

1 地電場臺站概況

安徽省現(xiàn)有蒙城和嘉山兩個地電場觀測臺。蒙城臺、嘉山臺地電場觀測均采用三角形布極方式，即三個方向，兩個極距。蒙城臺有NS、EW、N45°W三個方向，NS向和EW向長極距為226 m，短極距為113 m，N45°W向長極距為320 m，短極距為160 m。嘉山臺有NS、EW、N45°E三個方向，NS向和EW向長、短極距分別為240 m和160 m，N45°E向長、短極距分別為339 m和226 m。其中，兩臺站NS、EW向長短極距電極均為斜長長短極距共用，中心電極為NS、EW兩測道長短極距共用;線路采用架空方式;配備主機(jī)均為ZD9A-2B型電場儀。

2 資料分析

2.1 地電場日變化

圖1為蒙城臺地電場NS方向2020年8月15日—20日的分鐘值曲線圖。從圖1可以看出，蒙城臺NS向日變化具有較為規(guī)律的周期變化，其單日有兩個最大值，基本上穩(wěn)定在上午07：00—08：00和下午17：00—18：00，最小值基本穩(wěn)定在正午12：00左右。每日呈現(xiàn)出“雙峰單谷”的正弦波形態(tài)[2]。

2.2 地電場日變化的差異性

以蒙城臺、嘉山臺NS向和EW向為例，探討2020年8月15日—20日其地電場日變化的差異性，結(jié)果如圖2和圖3所示。從圖2、3可以看出，嘉山臺或蒙城臺同一方向上，長短極距的變化趨勢及形態(tài)均一致，每日出現(xiàn)極大值和極小值的時間基本吻合[3]。

與蒙城臺“雙峰單谷”的變化形態(tài)不同，嘉山臺日變化所呈現(xiàn)的是“單峰雙谷”的變化形態(tài)，即每日出現(xiàn)一個最大值，兩個最小值。造成此類差異的原因是兩臺站地下介質(zhì)的電性結(jié)構(gòu)和空間電離層電流系不同[4]。

從圖2、3可以發(fā)現(xiàn)，蒙城臺曲線變化毛刺更為明顯，嘉山臺日變曲線較蒙城臺更為平滑，且不同方向曲線變化的對稱性上較蒙城臺更為明顯。日變曲線的平滑與否是體現(xiàn)測區(qū)背景噪聲大小的重要指標(biāo)[5]。嘉山臺于2015年和2017年對測區(qū)電極和外線路線纜進(jìn)行整體更換，裝置系統(tǒng)優(yōu)化后，長短極距差值變小，各測向相關(guān)系數(shù)均接近1，觀測質(zhì)量大幅度提高。此類數(shù)據(jù)曲線特征反映出嘉山臺地電場的測區(qū)環(huán)境及抗干擾能力優(yōu)于蒙城臺。

2.3 地電場與地磁場日變化對比

由于地電場的主要部分與同一空間內(nèi)的變化磁場來自同一場源，所以理論上地電場與地磁場在變化形態(tài)上應(yīng)存在一定的共性[6]。蒙城臺同時具備地電場和地磁場兩種前兆觀測手段，為了便于比較，選取蒙城臺地磁場水平分量[H]與地電場NS向進(jìn)行對比（見圖4），發(fā)現(xiàn)地磁水平分量[H]的變化形態(tài)同樣具有峰谷特點(diǎn)，但變化趨勢較地電場NS向更為平緩;地電場每日極小值出現(xiàn)在正午12：00左右，而地磁場水平分量[H]則在凌晨01：00—02：00時出現(xiàn)極小值，即地電場NS向出現(xiàn)波谷的時間較地磁場滯后，因此得出二者存在相位差。

2.4 大地電場對磁暴的響應(yīng)

磁暴是一種源于地球磁場的全球性劇烈擾動現(xiàn)象，同時也是電磁前兆觀測最為常見的非地震地球物理事件，一般用[K]指數(shù)來反映其劇烈程度[7]。以地電場觀測為例，當(dāng)[K][<]5時，按照國家地電學(xué)科組要求稱之為地電擾動，此時對地電場正常日變化往往不會產(chǎn)生較大曲線壓制;當(dāng)[K]≥5時，磁暴對地電場數(shù)據(jù)會造成巨大的擾動，稱之為地電暴[8]。

2017年9月8日08：00—20：00，地電場受到[K]指數(shù)為7的磁暴影響，蒙城站、嘉山站分別記錄到特征鮮明的地電暴數(shù)據(jù)變化。繪制兩臺站EW向長極距數(shù)據(jù)曲線（見圖5），可知該時段地電暴持續(xù)時間長達(dá)13 h之久。磁暴期間，數(shù)據(jù)出現(xiàn)大幅度突跳。兩臺站變化幅度均達(dá)到200 mV/km以上，對正常時段的日變曲線造成了明顯的壓制。

2.5 高壓直流輸電干擾下地電場數(shù)據(jù)變化

當(dāng)高壓直流輸電出現(xiàn)輸電故障時，會產(chǎn)生較大的不平衡入地電流，此時遠(yuǎn)端的地電場數(shù)據(jù)由于受不平衡入地電流的影響，會在原有觀測值上疊增一個電位差，觀測數(shù)據(jù)會發(fā)生畸變[9]，畸變形態(tài)一般為矩形方波狀臺階。

安徽省地電場臺站目前受到晉北—南京線、錫林郭勒—泰州線、昌吉—宣城線等多條線路影響，各條線路影響頻次多達(dá)10次/a，嚴(yán)重影響了地電場的正常觀測。2020年3月9日，兩臺站受到晉北—南京高壓直流輸電線路干擾。通過查詢可知，干擾期間蒙城臺最大變化幅度高達(dá)206.35 mV/km，嘉山臺最大變化幅度高達(dá)363.99 mV/km，矩形方波狀臺階對日變曲線造成了明顯的壓制，峰谷狀的日變形態(tài)不復(fù)存在（見圖6）。

3 結(jié)語

本文以安徽省為例，從地電場日變化特征及其差異性、地電場與地磁場日變化相關(guān)性以及磁暴和高壓直流輸電干擾下地電場變化特征幾個方面進(jìn)行梳理分析，得到以下結(jié)論。

①安徽省地電場具有明顯的周期性日變化，蒙城臺表現(xiàn)為“雙峰單谷”的變化形態(tài)，嘉山臺則表現(xiàn)為“單峰雙谷”的變化形態(tài)。

②同一方向上，長短極距的變化形態(tài)一致，相位也一致;嘉山臺日變形態(tài)較蒙城臺清晰，曲線形態(tài)較為平滑，造成此類情況的原因與裝置系統(tǒng)和測區(qū)環(huán)境有關(guān)。

③地磁場日變化較地電場日變化平緩，但變化形態(tài)上仍呈現(xiàn)峰谷型特征，相位方面地電場較地磁場滯后。

④磁暴發(fā)生時，大地電場有較為靈敏的響應(yīng)，磁暴下的地電場劇烈擾動現(xiàn)象稱之為地電暴，數(shù)據(jù)呈現(xiàn)大幅度的突跳變化，嚴(yán)重影響到地電場的正常日變化形態(tài)。

⑤高壓直流輸電干擾是近年來影響地電場觀測頻次較高的干擾之一，干擾期間多呈現(xiàn)矩形方波狀臺階，會對地電場正常日變化曲線造成壓制。

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