人工源地電場(chǎng)“選擇性”現(xiàn)象研究

趙文舟， 馬欽忠*， 李偉， 周江南

1 上海市地震局， 上海 200062 2 上海佘山地球物理國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站， 上海 200062

0 引言

在地球物理觀測(cè)中存在著一些源自地下的異常變化只被部分臺(tái)站觀測(cè)到的現(xiàn)象，地震電磁觀測(cè)中的“選擇性”現(xiàn)象就是典型例子.在地電場(chǎng)觀測(cè)中，“選擇性”現(xiàn)象是指一個(gè)臺(tái)站僅能觀測(cè)到源自某些特定方位的信號(hào)，這樣的臺(tái)站即為所謂的“敏感點(diǎn)”臺(tái)站，它與臺(tái)站臺(tái)址條件以及觀測(cè)點(diǎn)至信號(hào)源之間廣大區(qū)域的地下電性結(jié)構(gòu)的非均勻性和各向異性密切相關(guān).大量研究表明，地震前會(huì)出現(xiàn)電磁異常現(xiàn)象，而“選擇性”現(xiàn)象是其中一個(gè)重要特性(Varotsos and Alexopoulos，1984a,b;Varotsos，2005;Huang and Ikeya, 1998；Orihara et al., 2002；馬欽忠和錢(qián)家棟，2003；馬欽忠等,2014,2016,2017).因此，深入研究和認(rèn)識(shí)這種“選擇性”特征對(duì)地震前兆現(xiàn)象的研究非常重要.已有研究一方面是從震前觀測(cè)現(xiàn)象的震例總結(jié)而得(Varotsos and Lazaridou，1991；Varotsos et al.，1993；Varotsos， 2005)；另一方面是通過(guò)一些特定的模型進(jìn)行數(shù)值模擬而加以認(rèn)識(shí)(Sarlis et al., 1999; 馬欽忠和錢(qián)家棟，2003；黃清華和林玉峰，2010).在推進(jìn)深入認(rèn)識(shí)“選擇性”現(xiàn)象的研究中，利用大功率、確定性的人工源信號(hào)和大面積臺(tái)站觀測(cè)網(wǎng)進(jìn)行研究則顯得更為直觀、更有說(shuō)服力.

近年來(lái)，由于我國(guó)特高壓直流輸電工程的建設(shè)，其注入大地的電流強(qiáng)度可達(dá)上千安培(馬欽忠等，2014，2016)，這為開(kāi)展地電場(chǎng)觀測(cè)中出現(xiàn)的“選擇性”現(xiàn)象的研究提供了大功率人工信號(hào)源.與此同時(shí)，地電場(chǎng)觀測(cè)臺(tái)站的布局或分布特征(如臺(tái)站密度、臺(tái)站與不同地質(zhì)構(gòu)造之間的相對(duì)位置關(guān)系等)與觀測(cè)到的主動(dòng)源信號(hào)的“選擇性”特征也存在著密切關(guān)系.對(duì)于位置不同的信號(hào)源和布設(shè)方式不同的地電場(chǎng)觀測(cè)網(wǎng)而言，其所呈現(xiàn)出的“選擇性”特征也各不相同.而利用這樣的大功率人工源和各地區(qū)地電場(chǎng)觀測(cè)臺(tái)網(wǎng)進(jìn)行地電場(chǎng)“選擇性”現(xiàn)象的研究目前國(guó)內(nèi)外還未開(kāi)展.上海地區(qū)4個(gè)高壓輸電換流站接地極裝置(南橋接地極、奉賢接地極、華新接地極、同里接地極)注入地下的大電流可以被上海地區(qū)地電場(chǎng)觀測(cè)臺(tái)站清晰地觀測(cè)到，并產(chǎn)生附加地電場(chǎng)信號(hào)，其中所呈現(xiàn)的“選擇性”特征明顯.另外，不少存在大功率人工源和地電場(chǎng)觀測(cè)網(wǎng)的地區(qū)也都出現(xiàn)了特征不同的“選擇性”現(xiàn)象，通過(guò)對(duì)山東青州接地極(扎青線)放電信號(hào)和魯豫皖地區(qū)地電場(chǎng)臺(tái)站的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)了顯著的“選擇性”現(xiàn)象.因此認(rèn)為地電場(chǎng)臺(tái)站的“選擇性”現(xiàn)象具有普遍性.在前期研究中我們主要針對(duì)源自大電流的附加地電場(chǎng)信號(hào)進(jìn)行了空間分布特征的總結(jié)(馬欽忠等，2014，2016，2017)，也看到理論模擬工作顯示地下電性結(jié)構(gòu)的非均勻性可能會(huì)造成“選擇性”現(xiàn)象的發(fā)生(Ma，2002；馬欽忠和錢(qián)家棟，1995，2003；Huang and Lin，2010)，但是大尺度地下電性結(jié)構(gòu)的深部勘探結(jié)果將會(huì)是解釋地震電信號(hào)“選擇性”現(xiàn)象的直接證據(jù).本文基于上海地區(qū)和魯豫皖地區(qū)地電場(chǎng)觀測(cè)網(wǎng)觀測(cè)到的源自人工源大電流所產(chǎn)生的附加地電場(chǎng)資料，結(jié)合在上海地區(qū)開(kāi)展的大尺度地下電性結(jié)構(gòu)勘探結(jié)果，對(duì)地電場(chǎng)“選擇性”現(xiàn)象進(jìn)行更加深入的研究，以期為地震地電學(xué)研究提供具有重要意義的新內(nèi)容.

1 主動(dòng)源觀測(cè)格局

地質(zhì)背景：上海位于下?lián)P子臺(tái)褶帶和浙西—皖南臺(tái)褶帶兩個(gè)二級(jí)構(gòu)造單元，新構(gòu)造劃分在蘇北—南黃海沉降區(qū)，區(qū)域內(nèi)第四紀(jì)沉積厚度為300～400 m，淺層區(qū)域地下地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，研究區(qū)斷裂構(gòu)造分布主要為NE向和NW向，EW向和NNE向次之；莫霍面深度基本保持不變并向東緩慢抬升，深度30 km左右(顧澎濤和王堯舜，1988).山東及沿海地區(qū)位于華北構(gòu)造區(qū)東部，全區(qū)可以劃分為包含2個(gè)隆起區(qū)和5個(gè)凹陷區(qū)的7分隔新構(gòu)造單元，且存在郯廬斷裂段即中國(guó)東部最大的地質(zhì)斷裂構(gòu)造帶(晁洪太等，1995).地電場(chǎng)觀測(cè)臺(tái)站及接地極位置如圖1所示.

觀測(cè)臺(tái)站：上海地區(qū)的地電場(chǎng)觀測(cè)臺(tái)站有4個(gè)，分別是崇明臺(tái)、長(zhǎng)江農(nóng)場(chǎng)臺(tái)、青浦臺(tái)和張江臺(tái)；魯豫皖地區(qū)的地電場(chǎng)觀測(cè)臺(tái)站9個(gè)，分別是無(wú)棣臺(tái)、乳山臺(tái)、安丘臺(tái)、莒縣臺(tái)、鄒城臺(tái)、菏澤臺(tái)、郯城臺(tái)、周口臺(tái)、蒙城臺(tái).觀測(cè)儀器均為中國(guó)地震局地震預(yù)測(cè)研究所研制的ZD9A-Ⅱ型地電場(chǎng)儀；頻率范圍為DC-0.005 Hz；采樣率為1次/min；觀測(cè)電極采用Pb-PbCl2不極化電極；均采用多極距觀測(cè)布設(shè)測(cè)量電極——在北南、東西、北東方向布設(shè)長(zhǎng)短不一的極距，用于排除各類(lèi)噪聲信號(hào)；觀測(cè)系統(tǒng)的建設(shè)和布極區(qū)的條件均滿(mǎn)足觀測(cè)條件(席繼樓，2009)；上海地區(qū)地電場(chǎng)觀測(cè)時(shí)間每月進(jìn)行本機(jī)校時(shí)，校時(shí)前最大誤差±10 s～5 min之間，因此在上海地區(qū)臺(tái)站的數(shù)據(jù)對(duì)比和展示時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)在時(shí)間軸上進(jìn)行了歸一化處理；獲得的觀測(cè)數(shù)據(jù)為電場(chǎng)強(qiáng)度.

人工源：高壓直流輸電網(wǎng)(HVDC)換流站都有一接地極保護(hù)裝置，當(dāng)高壓電網(wǎng)出現(xiàn)故障時(shí)則會(huì)形成單極大地回路系統(tǒng)，強(qiáng)大電流通過(guò)接地極保護(hù)裝置注入大地，電流強(qiáng)度最高可達(dá)5000多安培(馬欽忠等，2017；蔣延林，2014；王洪亮，2007)，對(duì)地電場(chǎng)研究而言，這是極為寶貴的主動(dòng)源資源.

圖1 地電場(chǎng)觀測(cè)臺(tái)站及接地極位置分布圖 (a) 上海及鄰區(qū)； (b) 山東及鄰區(qū). ① 太倉(cāng)—奉賢斷裂； ② 南通—上海斷裂； ③ 張堰—南匯斷裂； ④ MT測(cè)點(diǎn)1-1和2-1； ⑤ MT測(cè)點(diǎn)1-13； ⑥ MT測(cè)點(diǎn)2-8.Fig.1 Distribution map of geoelectric field stations and grounding electrodes (a) Shanghai and adjacent areas； (b) Shandong and adjacent areas. ① Taicang-Fengxian fracture; ② Nantong-Shanghai fracture; ③ Zhangyan-Nanhui fracture; ④ MT point 1-1 and 2-1; ⑤ MT point 1-13; ⑥ MT point 2-8.

目前在上海地區(qū)有四條高壓直流輸電線路，分別是錦蘇線(涼山—蘇州)、向上線(向家壩—上海)、葛上線(葛洲壩—上海)、三上線(宜昌—上海)；對(duì)應(yīng)的四個(gè)接地極裝置系統(tǒng)分別為同里換流站接地極、奉賢接地極、南橋接地極、華新接地極.扎青線(內(nèi)蒙古扎魯特旗——山東青州)2017年開(kāi)始進(jìn)行不平衡大電流測(cè)控實(shí)驗(yàn)，其青州接地極位于山東省青州市何官鎮(zhèn)孟家村.通過(guò)地電場(chǎng)觀測(cè)網(wǎng)觀測(cè)到的源自主動(dòng)源信號(hào)可對(duì)地電場(chǎng)信號(hào)的“選擇性”現(xiàn)象進(jìn)行深入研究.

2 研究區(qū)地電場(chǎng)信號(hào)的“選擇性”特征

2.1 上海地區(qū)

圖2是2010—2015年間不同時(shí)段4個(gè)不同信號(hào)源(接地極)的上海地電場(chǎng)臺(tái)網(wǎng)所觀測(cè)到的附加地電場(chǎng)信號(hào)曲線，通過(guò)數(shù)據(jù)對(duì)比、網(wǎng)站查詢(xún)、異常核實(shí)工作，確定了圖2所示的所有曲線中方波信號(hào)均是由在接地極處向地下注入大電流所產(chǎn)生的附加地電場(chǎng)信號(hào)，其中圖2a所示的方波信號(hào)是源自同里接地極的異常信號(hào)；圖2b所示的方波信號(hào)是源自奉賢接地極的異常信號(hào)；圖2c所示的方波信號(hào)是源自華新接地極的異常信號(hào)；圖2d所示的方波信號(hào)是源自南橋接地極的異常信號(hào).在這些信號(hào)源處注入地下的大電流為2000～5500 A之間，臺(tái)站與信號(hào)源(接地極)的分布如圖1a所示.此外圖2c中存在青浦臺(tái)結(jié)束時(shí)間與其他兩個(gè)臺(tái)站不一致的問(wèn)題，經(jīng)查，只有華新極放電時(shí)會(huì)出現(xiàn)青浦結(jié)束時(shí)間比崇明和長(zhǎng)江農(nóng)場(chǎng)提前3～5 min的情況，其余三個(gè)臺(tái)站并未出現(xiàn)類(lèi)似情況，這個(gè)問(wèn)題待后續(xù)進(jìn)一步分析研究.

(1)在張江臺(tái)只能觀測(cè)到源自信號(hào)源南橋極的附加地電場(chǎng)信號(hào)，而觀測(cè)不到源自其西南方向信號(hào)源同里極、奉賢極、華新極的附加地電場(chǎng)信號(hào).從相對(duì)距離上看，張江地電場(chǎng)臺(tái)距離同里極116 km、距離奉賢極64 km、距離華新極64 km、距離南橋極40 km，同樣時(shí)間段，崇明臺(tái)和長(zhǎng)江臺(tái)均能接收到距離139 km外的同里極放電信號(hào)，說(shuō)明張江臺(tái)與接地極的相對(duì)距離并不是影響信號(hào)接收的決定性因素.結(jié)合張江地電場(chǎng)與接地極的方位特征及淺層介質(zhì)非均勻性對(duì)信號(hào)的影響，可以認(rèn)為相對(duì)距離會(huì)對(duì)長(zhǎng)、短極距接收到的附加電場(chǎng)信號(hào)大小、長(zhǎng)短極距比值產(chǎn)生影響，但是不至于造成信號(hào)嚴(yán)重衰減乃至無(wú)法被觀測(cè)到的情況出現(xiàn)，說(shuō)明在張江地電場(chǎng)臺(tái)和奉賢極、同里極、華新極之間存在某些特殊的條件，對(duì)信號(hào)傳輸通道產(chǎn)生了“阻礙”作用.因此，該現(xiàn)象并不是偶然事件，這種現(xiàn)象的存在可能與地下介質(zhì)的電性結(jié)構(gòu)特征相關(guān).

圖2 四個(gè)地電場(chǎng)臺(tái)站長(zhǎng)極距的附加電信號(hào)(其中豎線為人工源起始時(shí)間) (a) 2013年7月25日同里極； (b) 2014年5月27日奉賢極； (c) 2010年7月7日華新極； (d) 2015年9月16日南橋極.Fig.2 The additional electrical signal of long dipole of four stations (The vertical line is the starting time of artificial source) (a) Tongli electrode at July 25, 2013; (b) Fengxian electrode at May 27, 2014; (c) Huaxin electrode at July 7, 2010; (d) Nanqiao electrode at Sep 16, 2015.

圖3 四個(gè)接地極放電時(shí)4個(gè)地電場(chǎng)臺(tái)站的附加地電場(chǎng)信號(hào) 南橋極：2014年5月14日和1月24日；奉賢極：2014年6月10日和5月26日；華新極：2014年1月10日和1月8日； 同里極：2014年4月10日和1月2日.Fig.3 The additional electrical signal of four stations derived from four electrodes Nanqiao electrode: May 14 and January 24, 2014; Fengxian electrode: June 10 and May 26, 2014; Huaxin electrode: January 10 and January 8, 2014; Tongli electrode: April 10 and January 2, 2014.

(2)在崇明臺(tái)、長(zhǎng)江農(nóng)場(chǎng)臺(tái)、青浦臺(tái)能夠觀測(cè)到源自信號(hào)源同里極、奉賢極、華新極、南橋極的附加地電場(chǎng)信號(hào)，但是臺(tái)站各個(gè)測(cè)道的附加電場(chǎng)變化幅值卻有極大差異：(a)崇明臺(tái)能接收到四個(gè)接地極放電信號(hào)，六條測(cè)道的長(zhǎng)、短極距變化較為近似，長(zhǎng)、短極距比在0.88～1.10之間；(b)長(zhǎng)江農(nóng)場(chǎng)臺(tái)記錄到的接地極放電現(xiàn)象明顯，具有典型性特征，同時(shí)六條測(cè)道長(zhǎng)、短極距附加電場(chǎng)比值差異較大；(c)青浦臺(tái)能夠觀測(cè)到接地極放電信號(hào)，EW向長(zhǎng)、短極距附加電場(chǎng)變化幅度近似，但是NS、NE向長(zhǎng)短極距比值的變換范圍較大.

接地極相對(duì)于臺(tái)站存在一定的方位變化，但是這種方位變化對(duì)臺(tái)站接收到的附加電場(chǎng)強(qiáng)度變化影響不明顯.對(duì)于崇明臺(tái)來(lái)說(shuō)，從同里極到南橋極，相對(duì)于崇明臺(tái)的角度變化范圍從171°～232°(N向?yàn)?°)，相對(duì)距離從80～133 km不等，并且由于各次主動(dòng)源強(qiáng)度的差異性，附加電場(chǎng)的幅度變化量存在不同，但是同向測(cè)道附加電場(chǎng)幅度變化較為接近、長(zhǎng)短極距比值變化范圍波動(dòng)較?。婚L(zhǎng)江農(nóng)場(chǎng)臺(tái)和青浦臺(tái)六測(cè)道附加電場(chǎng)幅度變化量不同，同向測(cè)道長(zhǎng)短極距附加電場(chǎng)幅度變化和比值變化范圍較大，但是比值變化的范圍卻是相對(duì)固定的.

上述結(jié)果也表現(xiàn)出附加電場(chǎng)變化幅度和比值關(guān)系受到臺(tái)站、臺(tái)站裝置系統(tǒng)和測(cè)區(qū)地下淺層介質(zhì)非均勻性的影響，與已有研究結(jié)果較為一致(馬欽忠和錢(qián)家棟，1995，2003)，但是這兩者的影響還不能完全解釋張江臺(tái)出現(xiàn)“選擇性”現(xiàn)象的原因.

2.2 山東及鄰區(qū)

2017年12月21—24日期間國(guó)家電網(wǎng)扎青線進(jìn)行不平衡大電流測(cè)控實(shí)驗(yàn)，其中12月24日當(dāng)天在青州接地極注入大地電流量達(dá)到6700 A，圖1b所示的區(qū)域中有9個(gè)臺(tái)站清晰記錄到此次事件，附加電場(chǎng)強(qiáng)度和變化形態(tài)如圖4和圖5所示.

表1 各個(gè)接地極至對(duì)應(yīng)臺(tái)站之間的距離Table 1 Distance from each electrode to the corresponding station

從圖4和圖5和可以看出，扎青線青州接地極的放電時(shí)的9個(gè)地電場(chǎng)臺(tái)站的附加電場(chǎng)變化情況，其變化特征如下：

(1)安丘臺(tái)、莒縣臺(tái)、菏澤臺(tái)、郯城臺(tái)、無(wú)棣臺(tái)能夠清晰記錄到12月24日青州接地極的放電情況，鄒城臺(tái)和乳山臺(tái)無(wú)法觀測(cè)到源自青州接地極的附加電場(chǎng)信號(hào)，但是距離相對(duì)更遠(yuǎn)的周口臺(tái)和蒙城臺(tái)卻接收到了附加電場(chǎng)信號(hào).利用多極距原理對(duì)臺(tái)站情況進(jìn)行分析，認(rèn)為：鄒城臺(tái)和乳山臺(tái)并不屬于地電場(chǎng)和地電阻率同臺(tái)觀測(cè)的臺(tái)站，不存在電阻率觀測(cè)的影響，同時(shí)利用2015年6月23日的地電爆數(shù)據(jù)對(duì)臺(tái)站接收能力進(jìn)行標(biāo)定，發(fā)現(xiàn)鄒城臺(tái)和乳山臺(tái)能夠接收到地電爆信號(hào)，因此認(rèn)為鄒城臺(tái)和乳山臺(tái)的臺(tái)址條件和場(chǎng)地影響情況不足以導(dǎo)致上述兩個(gè)臺(tái)站無(wú)法接收到接地極放電信號(hào)；

(2)菏澤臺(tái)NS、EW、NW向長(zhǎng)短極距的比值較為接近，說(shuō)明菏澤臺(tái)觀測(cè)場(chǎng)地下方的場(chǎng)地均勻性較好；安丘臺(tái)、莒縣臺(tái)、郯城臺(tái)、無(wú)棣臺(tái)、周口、蒙城三個(gè)測(cè)向的比值存在一定程度的差異，這種差異說(shuō)明觀測(cè)場(chǎng)地下方的介質(zhì)不均勻.從5個(gè)臺(tái)站與接地極的距離來(lái)看，L無(wú)棣E無(wú)棣>E莒縣>E郯城≈E菏澤≈E蒙城>E周口；

(3)圖4從起始和結(jié)束時(shí)間上看，觀測(cè)到高壓直流輸電信號(hào)的5個(gè)臺(tái)站存在較為一致的臺(tái)階時(shí)間；乳山臺(tái)和鄒城臺(tái)雖然存在一段時(shí)間的臺(tái)階變化，但是時(shí)間上存在約0.5～1 h的誤差，同時(shí)查詢(xún)“地磁臺(tái)網(wǎng)高壓直流輸電判別處理系統(tǒng)”發(fā)現(xiàn)當(dāng)日僅有扎青線和麗深線兩條高壓直接輸電線路放電，而麗深線接地極與乳山臺(tái)和鄒城臺(tái)的距離超過(guò)1000 km，對(duì)上述兩個(gè)臺(tái)站的影響微乎其微，因此可以認(rèn)為乳山臺(tái)和鄒城臺(tái)的臺(tái)階變化和本次高壓直流輸電無(wú)關(guān)；

(4)同樣的時(shí)間段的條件下，存在近似距離的臺(tái)站接收能力不一致、近距離臺(tái)站接收能力弱或無(wú)法接收到接地極放電信號(hào)的情況，可以理解為是“選擇性”現(xiàn)象的一種體現(xiàn).

圖4 青州接地極放電時(shí)9個(gè)地電場(chǎng)臺(tái)站的長(zhǎng)極距附加電場(chǎng)形態(tài)Fig.4 The additional electrical signal of nine stations derived from Qingzhou electrode

圖5 青州接地極放電時(shí)9個(gè)地電場(chǎng)臺(tái)站的附加電信號(hào)及臺(tái)站及接地極的距離 (千米數(shù)為各個(gè)臺(tái)站到青州極的距離)Fig.5 The additional electrical signal of 9 stations derived from Qingzhou electrode and the distance between the stations and the electrode

2.3 其他區(qū)域

此外在前期研究工作中(馬欽忠等，2017)，對(duì)陜甘寧晉地區(qū)和西南地區(qū)的高壓直流輸電和附加電場(chǎng)特征有一定的研究，發(fā)現(xiàn)研究區(qū)域內(nèi)也存在相應(yīng)的“選擇性”現(xiàn)象，表現(xiàn)出來(lái)的特征均為：部分遠(yuǎn)場(chǎng)臺(tái)站觀測(cè)到的附加電場(chǎng)值大于近場(chǎng)臺(tái)站，近似距離、不同方位的兩個(gè)臺(tái)站出現(xiàn)不能同時(shí)接收到附加電場(chǎng)信號(hào)的情況，部分遠(yuǎn)場(chǎng)臺(tái)站能接收到相應(yīng)信號(hào)、而近場(chǎng)臺(tái)站無(wú)法接收到的情況.

3 上海地區(qū)地電場(chǎng)信號(hào)選擇性機(jī)理解釋

在地電場(chǎng)觀測(cè)中裝置系統(tǒng)和臺(tái)站場(chǎng)地條件對(duì)觀測(cè)中出現(xiàn)的“選擇性”現(xiàn)象也有一定的貢獻(xiàn)(馬欽忠等，2017)，但大區(qū)域地質(zhì)條件非均勻性對(duì)電信號(hào)傳播帶來(lái)的影響是更重要的因素.因此，對(duì)大區(qū)域地下電性結(jié)構(gòu)非均勻性在“選擇性”中所起的作用很值得深入研究.

3.1 大地電磁測(cè)深剖面解釋

針對(duì)大區(qū)域地下電性結(jié)構(gòu)非均勻性在“選擇性”中所起的作用問(wèn)題，我們于2018—2019年在上海地區(qū)開(kāi)展了兩條大地電磁剖面探測(cè)工作，分別是65 km長(zhǎng)的張江—奉賢接地極(Line1)剖面和40 km長(zhǎng)的張江—南橋接地極(Line2)剖面，圖1a所示.兩條剖面穿過(guò)了上海市地震局于2004—2005年間開(kāi)展的上海奉賢至浙江湖州的深部探測(cè)剖面(姚保華，2007；于鵬等，2008)，通過(guò)對(duì)相交點(diǎn)的電阻率對(duì)比分析，可以確定本次大地電磁的結(jié)果是可靠的.同時(shí)需要說(shuō)明的是，由于上海地區(qū)受外界干擾情況嚴(yán)重，本次大地電磁剖面工作開(kāi)展了野外測(cè)試、抗干擾檢查、復(fù)測(cè)、布設(shè)遠(yuǎn)參考站、數(shù)據(jù)預(yù)處理、資料反演等一系列工作，用于保障數(shù)據(jù)質(zhì)量；同時(shí)由于本文側(cè)重點(diǎn)不同，因此本次研究?jī)H僅使用了最后的結(jié)論，具體內(nèi)容參見(jiàn)研究報(bào)告(1)中國(guó)地震局地球物理勘探中心，2018.上海市浦東—金山和奉賢大地電磁測(cè)深剖面研究報(bào)告.上海：上海市地震局..圖6為兩條測(cè)線的大地電磁測(cè)深反演結(jié)果：

(1)從圖6a中可以看出，浦東-金山整個(gè)剖面存在較為明顯的豎向分界面，位于測(cè)點(diǎn)6下方且存在明顯的左高右低趨勢(shì).在測(cè)點(diǎn)13-6之間存在如下現(xiàn)象：

a) 在地表至平均1.5 km的范圍內(nèi)，存在橫向連續(xù)的低阻區(qū)，電阻率在30～100 Ωm之間，其中13號(hào)點(diǎn)之下，低阻區(qū)延續(xù)至地下7 km左右的位置；在測(cè)點(diǎn)6-1號(hào)點(diǎn)之間，電阻率大幅降低，出現(xiàn)了多塊不連續(xù)的低電阻率區(qū)域且最大不超過(guò)200 Ωm，甚至在5號(hào)點(diǎn)下方1 km的范圍內(nèi)出現(xiàn)了3 Ωm的低值；

b) 2～30 km有大范圍的高阻區(qū)存在并有繼續(xù)向下延伸的趨勢(shì)，電阻率在316～3100 Ωm之間，其中測(cè)點(diǎn)10-6號(hào)點(diǎn)之間存在大范圍橫向和縱向均連續(xù)的高阻體異常區(qū)間，且高阻異常區(qū)等值線稀疏；

c) 高阻極值區(qū)域位于6-7號(hào)點(diǎn)之間，由近地表延伸至地下約13 km的位置，次高值區(qū)域延伸至地下約25 km位置，并且在6、7號(hào)點(diǎn)之間可能存在高阻體延伸至近地表、進(jìn)而破壞了低阻區(qū)在淺層連續(xù)分布的情況.

(2)從圖6b中可以看出，浦東-奉賢整個(gè)剖面存在一定程度的豎向分界面，但是分界面不如浦東—金山分界面一樣豎直，電阻率等值線變化呈現(xiàn)如下現(xiàn)象：

a) 在4號(hào)測(cè)點(diǎn)位置出現(xiàn)高低電阻率分界，整體主要為左高右低趨勢(shì)，但是越往下低阻體逐漸向高阻部分推擠，使得2號(hào)點(diǎn)和3號(hào)點(diǎn)下方的等值線出現(xiàn)相對(duì)密集狀態(tài)，直至2號(hào)點(diǎn)下方約15 km的位置，后逐步回退至4號(hào)點(diǎn)下方.

b) 在0～3 km的淺層，1-8號(hào)點(diǎn)電阻率變化范圍在30～100 Ωm之間，但是在3號(hào)點(diǎn)出現(xiàn)了出露地表的高阻體，電阻率高達(dá)10000 Ωm，深度到達(dá)地下約10 km范圍；

c) 在3～30 km的深部區(qū)域，1-3號(hào)點(diǎn)下方呈現(xiàn)出高電阻率變化，電阻率值變化范圍在320～10000 Ωm之間；4-8號(hào)點(diǎn)呈現(xiàn)出低電阻率變化，其中4-5號(hào)點(diǎn)下方約3 km出現(xiàn)低電阻率區(qū)域，按照平均間距5 km、異常體長(zhǎng)20 km計(jì)算，則存在一塊電阻率10 Ωm、截面積約100 km2的矩形低阻區(qū)域.

3.2 大地電磁測(cè)深剖面所展示的斷層特征

圖6 二維反演結(jié)果 (a) Line 1; (b) Line 2.Fig.6 Two-dimensional inversion results

上海地區(qū)斷裂構(gòu)造走向主要以NE向和NW向?yàn)橹?，EW向和NNE向?yàn)檩o.NW向斷裂主要有太倉(cāng)—奉賢斷裂(圖1a①)和南通—上海斷裂(圖1a②)，前者屬晚更新世早期活動(dòng)斷裂，從江蘇福山過(guò)支塘、太倉(cāng)、上海外崗、萃莊、奉賢最后進(jìn)入杭州灣，斷裂走向?yàn)镹W330°，傾向NE，順著斷裂線存在的是晚新生代至今的一條主要的地質(zhì)地貌界線，其東為長(zhǎng)江三角洲沉積區(qū)，其西為太湖沉積區(qū)(章振銓等，2004).測(cè)線Line1在橫穿通過(guò)該斷裂的位置位于圖6中測(cè)點(diǎn)1-5和1-6之間，在該斷裂的兩側(cè)電阻率分界面非常明顯，左側(cè)為高阻體，在測(cè)點(diǎn)1-6下方等值線稀疏，電阻率值達(dá)到3000 Ωm；右側(cè)為相對(duì)低阻值的區(qū)域.由該圖可以看到該斷裂上海境內(nèi)的南段深度已經(jīng)下切很深，達(dá)到了莫霍界面的30 km深度. 而南通—上海斷裂由江蘇南通狼山西側(cè)向東南，經(jīng)江蘇瀏河進(jìn)入上海市，總體走向NW320°-330°.測(cè)線Line1橫切該斷裂南端的位置位于圖1中測(cè)點(diǎn)1-2處，由圖6a圖可以看到在此測(cè)點(diǎn)下方電阻率分界面也非常明顯，其垂向等值線略向NE方向傾斜，最外等值線垂向段下切深度在17 km左右.由此可見(jiàn)，圖6測(cè)線line1所示的太倉(cāng)—奉賢斷裂和南通—上海斷裂沿縱深方向是呈現(xiàn)出NE向傾斜，前者南段下切深度比后者南段的下切深度大許多，分別為30 km和17 km.

張堰—南匯斷裂(圖1a③)被測(cè)線line2橫切，具體位置大約在測(cè)點(diǎn)2-4和2-5范圍區(qū)域內(nèi).由圖6b可見(jiàn)，在測(cè)點(diǎn)2-4和2-5下方都存在著十分明顯的縱向電阻率分界面，測(cè)點(diǎn)2-4之下的界面延伸至15 km左右，略呈北傾，推測(cè)是張堰—南匯斷裂在此處左側(cè)的縱向剖面；測(cè)點(diǎn)2-5之下的界面延伸至20 km左右，10 km之下段落呈約45°南傾，推測(cè)是張堰—南匯斷裂在此處右側(cè)的縱向剖面，由圖1可以看到該斷裂在此處有大約6 km的錯(cuò)斷距離，這與前人結(jié)果較為吻合(火恩杰等，2004).由圖可見(jiàn)張堰—南匯斷裂NE端下切深度在15～20 km.

3.3 地電場(chǎng)“選擇性”現(xiàn)象的數(shù)值解分析

對(duì)于圖6a所展示出的大地電磁剖面，高阻區(qū)域較為集中且從地面延伸至地下30 km，在高阻體左右兩側(cè)均形成了近乎垂直的接觸面，形成兩側(cè)低、中間高的電性結(jié)構(gòu).在此Line1剖面可以視作被兩條垂直接觸面劃分出的三層介質(zhì)結(jié)構(gòu).由于大電流人工源的位置距離臺(tái)站非常遠(yuǎn)，因此可以將其視為一個(gè)向下供電的點(diǎn)源A(I)，示意圖如圖7所示.

圖7 點(diǎn)源垂直三層電性結(jié)構(gòu)模型Fig.7 Vertical three-layer electrical structure model of point source

其中A(I)代表位于近地表的接地極放電點(diǎn)源，垂直向下釋放電流，B1和B2分別代表垂直于地面的垂直分界面，并將地面下方介質(zhì)從左至右劃分為三層介質(zhì)，電阻率分別為ρ1、ρ2和ρ3，其中ρ1和ρ2的厚度分別為d1和d2.對(duì)于上述圖7，存在如下邊界條件：

(1)

其中δ為狄拉克函數(shù)，ui為位函數(shù)(i=1,2,3)，由于ui是關(guān)于Y軸對(duì)稱(chēng)，是y的偶函數(shù)，對(duì)(1)式做余弦變換，則有

(2)

(3)

經(jīng)余弦變換后將三維邊值問(wèn)題變?yōu)槎S邊值問(wèn)題，解二維邊值問(wèn)題可得譜函數(shù)Ui，其各層表達(dá)式可以表述為

(4)

其中其層間系數(shù)B1、A2、B2、A3均可用相應(yīng)邊界條件求解得出.通過(guò)反變換有

(5)

在y=0的XZ截面且z=0的地表，則有

(6)

取I=4000 A，d1=10000 m，d2=20000 m，分別取ρ1=300 Ωm、ρ2=3200 Ωm、ρ3=300 Ωm的模型和ρ1=ρ2=ρ3=300 Ωm的均勻介質(zhì)，則在地表電場(chǎng)強(qiáng)度變化情況如圖8所示.

圖8 地表電場(chǎng)強(qiáng)度隨距離的變化Fig.8 Variation of surface electric field intensity with distance

從圖8可以看到，距離點(diǎn)電源越遠(yuǎn)，地表電場(chǎng)強(qiáng)度值越低，在垂直接觸面兩側(cè)，形成了躍變的臺(tái)階，而這種躍變的形成是由于接觸面兩側(cè)的電阻率存在巨大差異所致.由于中間層ρ2為高阻體，在ρ1至ρ2和ρ2至ρ3的分界面上出現(xiàn)了抬升變化，并且越過(guò)ρ2至ρ3的分界面后趨勢(shì)明顯下降.同時(shí)可以看到，由于高阻體ρ2存在，ρ3區(qū)域的地表電場(chǎng)強(qiáng)度變化較均勻介質(zhì)(ρ1=ρ2=ρ3)時(shí)有了較為明顯的降低，因此在ρ3區(qū)域的一定范圍內(nèi)，存在電場(chǎng)強(qiáng)度趨于零的區(qū)域，即儀器觀測(cè)不到信號(hào)的情況.因此計(jì)算結(jié)果說(shuō)明在圖6Line1的地質(zhì)條件下，高阻體對(duì)張江臺(tái)的信號(hào)接收能力具有很明顯的阻礙作用.

3.4 地電場(chǎng)“選擇性”現(xiàn)象的機(jī)制

從 “選擇性”現(xiàn)象的解釋來(lái)看，源區(qū)和接收區(qū)之間可能存在地下介質(zhì)的不均勻性，這種不均勻性可以表現(xiàn)在裝置系統(tǒng)、臺(tái)址淺層電性結(jié)構(gòu)和大區(qū)域構(gòu)造等幾個(gè)方面.然而在現(xiàn)有的接地極——定點(diǎn)觀測(cè)臺(tái)站體系下，對(duì)于張江臺(tái)地電場(chǎng)信號(hào)“選擇性”接收信號(hào)這一現(xiàn)象來(lái)說(shuō)，裝置系統(tǒng)和臺(tái)址淺層電性結(jié)構(gòu)的影響微小.因?yàn)橄鄬?duì)于不同接地極的每一次對(duì)地注入大電流，張江臺(tái)的裝置系統(tǒng)和其下方的地下介質(zhì)是不變的，改變的只是人工大電流源(接地極)相對(duì)于張江臺(tái)的位置，而位置的改變直接要面對(duì)大區(qū)域構(gòu)造的變化，恰恰是這種變化可能帶來(lái)了張江臺(tái)“選擇性”觀測(cè)到電信號(hào)的現(xiàn)象.由圖6、圖1和上述大地電磁測(cè)深勘探結(jié)果解釋及數(shù)值模型計(jì)算分析可以看到：

(1)圖6顯示的是沿著測(cè)線方向的地下二維電阻率剖面，按照二維剖面結(jié)構(gòu)理解的話，圖6中l(wèi)ine1所示的電性結(jié)構(gòu)剖面應(yīng)該在其垂直方向或北西方向一直延伸.這樣的話，從張江地電場(chǎng)臺(tái)站至其西南方向的華新接地極和同里接地極之間也存在著相同的地下電阻率電性結(jié)構(gòu).

(2)在張江地電場(chǎng)臺(tái)至其西南方向的奉賢接地極之間的測(cè)點(diǎn)1-6到1-11范圍(30 km左右)地下存在著深度達(dá)到30 km莫霍界面的高阻體，并有持續(xù)向下延伸的趨勢(shì)，其頂部基本到了地表.因?yàn)榻橘|(zhì)中電阻率高阻體具有排斥電流線的特征，因此該巨大高阻體阻礙了電信號(hào)的傳輸，換句話說(shuō)，相當(dāng)于在張江地電場(chǎng)臺(tái)站至其西南方向的三個(gè)接地極之間大區(qū)域構(gòu)造格局中存在著一個(gè)寬度30 km、深度達(dá)到莫霍界面的巨大高阻“墻體”，該“墻體”阻礙了源自奉賢極、華新極和同里極大電流信號(hào)向張江地電場(chǎng)臺(tái)站的傳輸.因此，在張江地電場(chǎng)臺(tái)觀測(cè)不到源自其西南方向的這些信號(hào).

國(guó)家會(huì)相繼出臺(tái)和完善碳會(huì)計(jì)信息披露體系，制定相關(guān)法律，在促進(jìn)企業(yè)環(huán)境投資方面也必定會(huì)有更大力度和更多方面的優(yōu)惠制度，相當(dāng)于給企業(yè)減輕了財(cái)務(wù)負(fù)擔(dān)。

(3)在張江地電場(chǎng)臺(tái)站至其南向的南橋接地極之間的大區(qū)域構(gòu)造格局中其下方的電性結(jié)構(gòu)以低阻體為主，縱向上分為2層，分界面沿剖面起伏.首層為0～5 km，顯示低阻，電阻率值為10 Ωm以?xún)?nèi)，分界面在2-3區(qū)域出露地表，在2-4到2-7號(hào)點(diǎn)區(qū)域分界面自NW到ES逐漸變深，深度達(dá)5 km，為沉積蓋層.2-1到2-4號(hào)點(diǎn)區(qū)域下方顯示高阻，但該高阻區(qū)范圍相對(duì)不大，其直徑約10 km；在2-4到2-5的范圍其下方存在著一個(gè)巨大的低阻區(qū)，此區(qū)域埋深為25 km，呈長(zhǎng)方形狀，電阻率值為10 Ωm.2-5到2-8號(hào)點(diǎn)下方電阻率值為200 Ωm左右.由此可見(jiàn)，在該方向上不存在巨大的高阻“墻體”，因而源自南橋接地極的入地大電流可以順利在張江地電場(chǎng)臺(tái)站被觀測(cè)到.

對(duì)于高壓直流輸電信號(hào)在傳輸過(guò)程中的信號(hào)接收問(wèn)題，馬欽忠等(2014，2017)對(duì)陜甘寧晉地區(qū)、川滇地區(qū)、山東及周邊地區(qū)的研究中發(fā)現(xiàn)：巨大山系、大型斷裂帶的存在會(huì)阻斷電信號(hào)的傳播或極大地降低電信號(hào)的能量.因此，結(jié)合圖6的結(jié)果和上述解釋可以推測(cè)，由于地殼均衡作用，高大山系由基巖組成的反山根深度往往很深，并具有很高的電阻率，因此可以阻礙電信號(hào)的傳輸.

4 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)源自上海及山東周邊多個(gè)高壓輸電換流站接地極入地大電流的附加地電場(chǎng)信號(hào)在地電場(chǎng)臺(tái)站的響應(yīng)進(jìn)行研究；通過(guò)MT電磁測(cè)深的研究，探明了上海地區(qū)浦金剖面和浦奉剖面地下電性結(jié)構(gòu)特征；對(duì)一些斷層的下切深度進(jìn)行了解釋?zhuān)贸鋈缦陆Y(jié)論：

(1)在上海地區(qū)、魯豫皖地區(qū)，人工源地電場(chǎng)“選擇性”現(xiàn)象明顯.結(jié)合大地電磁測(cè)深勘探結(jié)果和數(shù)值模擬結(jié)果可以看到，上海地區(qū)在崇明臺(tái)、長(zhǎng)江農(nóng)場(chǎng)臺(tái)和青浦臺(tái)能觀測(cè)到源自數(shù)十公里至140 km外4個(gè)接地極上千安培入地大電流引起的附加地電場(chǎng)信號(hào)，而在張江臺(tái)不能觀測(cè)到源自其西南方向3個(gè)接地極入地大電流的信號(hào)；只能觀測(cè)到源自其正南方向南橋接地極的附加地電場(chǎng)信號(hào).浦金線方向地下巨大深部高阻體的存在阻擋了源自張江臺(tái)西南方向3個(gè)接地極入地大電流信號(hào)的傳輸，使之不能被張江臺(tái)觀測(cè)到.張江臺(tái)至南橋接地極信號(hào)源之間的浦奉線地下以中低阻體和低阻體為主，在此路徑上地電場(chǎng)信號(hào)傳輸通暢.

(2)此次MT大地電磁測(cè)深的結(jié)果，較好的揭示了浦金和浦奉剖面的二維電阻率結(jié)構(gòu)，獲得了地表至上地幔頂端的電阻率變化形態(tài).通過(guò)探測(cè)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)浦金測(cè)線下方存在約30 km寬、深度超過(guò)30 km至少達(dá)到上地幔頂端、電阻率變化范圍在1000～3100 Ωm的高阻體；浦奉測(cè)線下方以大范圍低阻體和中低阻體為主，同時(shí)還伴生有一塊半徑為10 km、電阻率為10000 Ωm的高阻體.

(3)首次探明了上海地區(qū)部分大斷裂的下切深度和斷層錯(cuò)斷情況：(a)太倉(cāng)—奉賢斷裂至少下切至30 km, 達(dá)到上地幔頂端并有繼續(xù)向下延伸的趨勢(shì)；(b)南通—上海斷裂下切至約17 km深度；(c) 在張堰—南匯斷裂在地表的投影與浦奉線交匯處，出現(xiàn)明顯的斷裂錯(cuò)動(dòng)現(xiàn)象，斷裂NE段下切深度在15～20 km之間，并且在NE段斷裂錯(cuò)動(dòng)區(qū)域的兩盤(pán)下切深度顯示出差異性.

(4)上述“選擇性”現(xiàn)象與大區(qū)域構(gòu)造方向上地下介質(zhì)電性結(jié)構(gòu)的非均勻性密切相關(guān).然而局部臺(tái)址范圍地下淺層電性結(jié)構(gòu)對(duì)于“選擇性”現(xiàn)象并非是毫無(wú)作用，它對(duì)地電場(chǎng)信號(hào)的均勻度(長(zhǎng)、短極距信號(hào)幅值比)和觀測(cè)點(diǎn)靈敏度也有重要貢獻(xiàn)(馬欽忠等，2016).因此影響地電場(chǎng)觀測(cè)效果的因素與大尺度和局部小尺度地下電性結(jié)構(gòu)非均勻性密切相關(guān).

本文較好地完成了上海地區(qū)浦金剖面和浦奉剖面MT電磁測(cè)深工作，極大地補(bǔ)充了上海地區(qū)深部構(gòu)造的地球物理探測(cè)結(jié)果，并為深入認(rèn)識(shí)地震電信號(hào)“選擇性”現(xiàn)象提供了直接的大尺度區(qū)域的勘探依據(jù).

致謝感謝中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心國(guó)家地震科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http:∥data.earthquake.cn/)提供數(shù)據(jù)支撐，感謝審稿專(zhuān)家和編輯對(duì)本文提出的寶貴修改意見(jiàn).