元謀水化站地電場(chǎng)觀測(cè)質(zhì)量及典型干擾分析*

肖鑫，王杰，施建明，周建榮

(1.云南省地震局楚雄地震監(jiān)測(cè)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(chǎng)和穩(wěn)定電場(chǎng)，總稱地電場(chǎng)。地電場(chǎng)是重要的地球物理場(chǎng)。地電場(chǎng)主要包括兩部分：大地電場(chǎng)和自然電場(chǎng)。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(chǎng)源，具有相對(duì)的局部穩(wěn)定性[1～3]。我國(guó)將地電場(chǎng)用于地震地球物理觀測(cè)始于1966年邢臺(tái)地震之后，自此積累了一定的觀測(cè)資料。由于地電場(chǎng)觀測(cè)的場(chǎng)地范圍較大，容易受到場(chǎng)地環(huán)境因素以及其他不明因素的干擾[2]。通過(guò)對(duì)元謀水化站地電場(chǎng)觀測(cè)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(cè)區(qū)觀測(cè)環(huán)境進(jìn)行綜合分析，歸納了引起地電場(chǎng)變化的典型干擾及核實(shí)過(guò)程。這對(duì)正確認(rèn)識(shí)地電場(chǎng)正常變化 、減少異常核實(shí)工作量以及今后地電場(chǎng)觀測(cè)資料的處理和分析都有重要幫助，對(duì)進(jìn)一步提高地電觀測(cè)資料質(zhì)量具有一定意義 。

1 臺(tái)站基本情況

1.1 觀測(cè)場(chǎng)地

元謀地震臺(tái)水化站地電場(chǎng)(簡(jiǎn)稱元謀水化站地電場(chǎng))隸屬云南省地震局楚雄地震監(jiān)測(cè)中心站，該測(cè)點(diǎn)地理坐標(biāo)為101.82°E、25.72°N，海拔1 065.2 m，觀測(cè)場(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)中心桿距離儀器室儀器68 m，離元謀地震臺(tái)近十公里的距離。

測(cè)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(duì)監(jiān)測(cè)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(cè)儀器及觀測(cè)系統(tǒng)情況

圖1 元謀水化站地電場(chǎng)布極示意圖

元謀水化站地電場(chǎng)使用中國(guó)地震局預(yù)測(cè)研究所研制的ZD9A-II地電場(chǎng)儀進(jìn)行觀測(cè)，按照“多方向、多極距”的觀測(cè)方法，布設(shè)“雙L”測(cè)量線路，即NS、EW及N45° E共三個(gè)測(cè)量方向，每個(gè)測(cè)量方向分別采用獨(dú)立裝置進(jìn)行對(duì)比觀測(cè)[4～7]。地電場(chǎng)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(duì)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(wú)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(cè)要求。

表1 元謀水化站地電場(chǎng)布極參數(shù)及各極接線極性

2 觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量分析

選取2012年元謀水化站地電場(chǎng)改造后的觀測(cè)數(shù)據(jù)，根據(jù)觀測(cè)系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)及資料產(chǎn)出情況，對(duì)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(chǎng)觀測(cè)中，在同一地區(qū)自然電場(chǎng)部分基本穩(wěn)定，因此同一測(cè)向兩個(gè)測(cè)道觀測(cè)的數(shù)據(jù)變化規(guī)律應(yīng)當(dāng)接近。若變化趨勢(shì)一致，說(shuō)明數(shù)據(jù)可信度較高；反之，需要考慮觀測(cè)系統(tǒng)工作是否正常，測(cè)區(qū)內(nèi)是否存在干擾等。通過(guò)對(duì)同測(cè)向不同測(cè)道的觀測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算得到的相關(guān)系數(shù)與差值，評(píng)價(jià)地電場(chǎng)的觀測(cè)質(zhì)量，并初步判斷觀測(cè)系統(tǒng)可信度。相關(guān)系數(shù)越接近1，差值越小，同一測(cè)向兩個(gè)測(cè)道的觀測(cè)數(shù)據(jù)越一致，觀測(cè)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(chǎng)相關(guān)系數(shù)，通過(guò)查閱中國(guó)地震前兆臺(tái)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(chǎng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

對(duì)元謀水化站地電場(chǎng)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(chǎng)相關(guān)系數(shù)良好，相同測(cè)向不同測(cè)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(cè)手段的數(shù)據(jù)質(zhì)量評(píng)價(jià)中，是否有同震響應(yīng)是對(duì)數(shù)據(jù)可信度做出有效判斷的一種方式，并有利于對(duì)地震應(yīng)力釋放過(guò)程及機(jī)理研究提供幫助與解釋。元謀水化站地電場(chǎng)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(jí)地震和2015年4月25日尼泊爾8.1級(jí)地震為例，元謀水化站地電場(chǎng)同震響應(yīng)有一定規(guī)律，北南測(cè)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(cè)向則在震中距較遠(yuǎn)的地震中沒(méi)有同震響應(yīng)且數(shù)據(jù)響應(yīng)幅度低于北南測(cè)向。

圖2 2015年4月25日尼泊爾8.1級(jí)地震同震響應(yīng)

圖3 2014年8月3日魯?shù)?.5級(jí)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(yáng)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(duì)地電觀測(cè)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(tái)址條件及觀測(cè)儀器的映震效能。在2012年改造后，元謀水化站地電場(chǎng)觀測(cè)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(cè)向數(shù)據(jù)記錄到的變化幅度大于北南測(cè)向。

3 典型干擾源分析及確定過(guò)程

3.1 異常特征

自從2014年10月起，元謀水化站地電場(chǎng)北南測(cè)向與北西測(cè)向數(shù)據(jù)就開(kāi)始出現(xiàn)有規(guī)律的臺(tái)階變化，變化幅度約3～15mv/km，數(shù)據(jù)形狀類(lèi)似于方波，有明顯的開(kāi)始時(shí)間與結(jié)束時(shí)間(圖5)，此臺(tái)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(tái)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(chǎng)2015年11月19日及10月5日數(shù)據(jù)分鐘值曲線

3.2 觀測(cè)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(guò)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(tái)階出現(xiàn)的時(shí)間內(nèi)，臺(tái)站儀器工作正常，未對(duì)儀器做過(guò)維修及觀測(cè)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(cè)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(guó)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(cè)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(duì)元謀水化站地電場(chǎng)測(cè)區(qū)進(jìn)行觀測(cè)環(huán)境巡視、檢查，發(fā)現(xiàn)測(cè)區(qū)內(nèi)有9口農(nóng)戶抽水井，均用機(jī)械抽水的方式來(lái)灌溉農(nóng)田，抽水時(shí)段多為6～22時(shí)，抽水時(shí)長(zhǎng)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(cè)區(qū)內(nèi)還建有鋼架大棚。

圖6 測(cè)區(qū)抽水井分布示意圖

從觀測(cè)數(shù)據(jù)情況看，水化站地電場(chǎng)東西測(cè)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(cè)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(tái)階主要出現(xiàn)在南北測(cè)向及北45°東測(cè)向，由此確定了干擾主要存在于南北向，通過(guò)測(cè)區(qū)環(huán)境調(diào)查的結(jié)果，大體確定此干擾可能來(lái)自北端電極附近。

根據(jù)以上情況，臺(tái)站多次組織工作人員在臺(tái)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(cè)數(shù)據(jù)記錄到的臺(tái)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(tái)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(tái)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(jiàn)圖7及表3。綜上所述，判定水化站地電場(chǎng)南北測(cè)向及北45°東測(cè)向數(shù)據(jù)出現(xiàn)類(lèi)似臺(tái)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(chǎng)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(chǎng)現(xiàn)有觀測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)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(guò)多次場(chǎng)地調(diào)查及2016年10月8日至10月9日調(diào)查結(jié)果。對(duì)元謀水化站地電場(chǎng)觀測(cè)質(zhì)量及數(shù)據(jù)可信度做出評(píng)價(jià)，對(duì)觀測(cè)中常見(jiàn)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(chǎng)數(shù)據(jù)可信度較高，對(duì)于部分中強(qiáng)震有同震響應(yīng)。同震響應(yīng)受地震震級(jí)大小和震中距的影響，震級(jí)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(chǎng)使用了鉛電極，在地電觀測(cè)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(cè)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(duì)地電場(chǎng)數(shù)據(jù)造成趨勢(shì)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(chǎng)兩套裝置極距均為300 m的相同極距對(duì)比觀測(cè)，電極之間距離僅有10 m，無(wú)法形成同測(cè)向長(zhǎng)短電極的對(duì)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(wèn)題上，沒(méi)法通過(guò)極距差來(lái)較好的反推具體方位。今后建臺(tái)需嚴(yán)格按照地電臺(tái)站建設(shè)規(guī)范布設(shè)長(zhǎng)短極距。元謀水化站地電場(chǎng)測(cè)區(qū)位于農(nóng)田內(nèi)，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)易對(duì)地電場(chǎng)觀測(cè)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(wèn)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(chǎng)觀測(cè)，穩(wěn)定的鉛電極對(duì)于長(zhǎng)期觀測(cè)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(tái)站工作人員熟悉干擾類(lèi)型，與測(cè)區(qū)內(nèi)干擾源，一旦出現(xiàn)前兆異?；蚋蓴_時(shí)，可迅速判別。