菏澤地電臺(tái)電極改造前后觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比研究

蔡 璐

(山東省菏澤市地震監(jiān)測(cè)中心，山東 菏澤 274000)

大地電場(chǎng)是地球表面存在著的天然變化電場(chǎng)，是由電離層E層(高約100 km)中的電流體系在地下感應(yīng)產(chǎn)生的電場(chǎng)[1]。地電場(chǎng)受控于地球外部各種電流體系和地球內(nèi)部的介質(zhì)電性性質(zhì)，蘊(yùn)涵了豐富的電性結(jié)構(gòu)及電流源信息，積累了大量震例資料，也受到國(guó)內(nèi)外越來(lái)越多的關(guān)注[2-5]。菏澤臺(tái)地處聊考斷裂帶中南段東側(cè)約25 km處，在山東省菏澤市定陶區(qū)張灣鎮(zhèn)境內(nèi)。地理位置較偏僻，測(cè)區(qū)場(chǎng)地空曠，附近無(wú)干擾源，觀測(cè)環(huán)境極為優(yōu)越。隨著菏澤地電臺(tái)的建立，對(duì)提取震前電場(chǎng)異常積累經(jīng)驗(yàn)和改善分析方法，避免資源浪費(fèi)，是很有意義的。

但由于臺(tái)站電極在使用達(dá)到一定年限后易出現(xiàn)老化，影響觀測(cè)數(shù)據(jù)精確度。本文通過(guò)前后兩次電極改造，盡可能找到影響地電場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)變化的干擾源，對(duì)資料的進(jìn)一步分析和研究具有重大意義，從而為地震分析預(yù)報(bào)提供更加連續(xù)可靠的第一手觀測(cè)資料。

1 基本情況

1.1 臺(tái)站簡(jiǎn)介

菏澤臺(tái)地處聊考斷裂帶中南段東側(cè)約25 km處，在山東省定陶縣張灣鎮(zhèn)境內(nèi)。地理位置較偏僻，離最近鄉(xiāng)鎮(zhèn)約4 km，離最近村莊約1 km，離最近河流約3 km，離最近鄉(xiāng)鎮(zhèn)變電所約4 km。測(cè)區(qū)場(chǎng)地空曠，附近無(wú)干擾源,觀測(cè)環(huán)境良好。

圖1 地電、大地電場(chǎng)布極示意圖

1.2 儀器情況

ZD9A-Ⅱ地電場(chǎng)儀是用于測(cè)量地電場(chǎng)的智能化、數(shù)字化的專用儀器。該地電場(chǎng)儀具有靈敏度高，大動(dòng)態(tài)范圍和較高的可靠性等特點(diǎn)[6]。

1.3 儀器布極方式

菏澤臺(tái)大地電場(chǎng)以O(shè)點(diǎn)為中心點(diǎn)，布設(shè)了NS、EW、N45°E六條測(cè)線，地電場(chǎng)獨(dú)立布設(shè)電極和線路，采用地電場(chǎng)常用的L型觀測(cè)裝置布設(shè)，具體為：在場(chǎng)地中心點(diǎn)向北和向西布設(shè)測(cè)線，每個(gè)方向均有兩個(gè)測(cè)道，選取不同極距埋設(shè)電極，室內(nèi)分線組合成6個(gè)輸入端進(jìn)入儀器，形成6個(gè)測(cè)道，它們分別是：南北向長(zhǎng)極距0.350 km、南北向短極距0.200 km、東西向長(zhǎng)極距0.350 km、東西向短極距0.200 km、北西向長(zhǎng)極距0.495 km、北西向短極距0.283 km。

1.4 資料選取

自2008年儀器投入運(yùn)行觀測(cè)至今，選取自2010年10月-2015年12月兩次更換電極前后具有代表性的觀測(cè)數(shù)據(jù)以及曲線變化形態(tài)進(jìn)行對(duì)比分析、研究。

2 觀測(cè)數(shù)據(jù)相關(guān)性分析

根據(jù)地電場(chǎng)具有區(qū)域性的特點(diǎn)，在同一臺(tái)站同一方向長(zhǎng)短極距所記錄的地電場(chǎng)數(shù)據(jù)應(yīng)該具有相似的形態(tài)。因此，應(yīng)用相關(guān)系數(shù)來(lái)驗(yàn)證觀測(cè)數(shù)據(jù)的可靠性，檢驗(yàn)觀測(cè)結(jié)果的質(zhì)量，若在同一方向上的長(zhǎng)短極距變化趨勢(shì)相同，即相關(guān)系數(shù)較好，數(shù)據(jù)可信度較高。若長(zhǎng)短極距變化趨勢(shì)不一樣測(cè)需要考慮是否存在干擾。相關(guān)系數(shù)的計(jì)算公式如下：

(1)

式中：x、y表示為不同測(cè)道數(shù)據(jù)，n表征相關(guān)分析的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度。利用每小時(shí)對(duì)應(yīng)的60個(gè)觀測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算小時(shí)相關(guān)系數(shù)，每天得到24個(gè)數(shù)據(jù)；在剔除其中的最大值和最小值，計(jì)算剩余數(shù)據(jù)的算數(shù)平均值，得到每天觀測(cè)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)平均相關(guān)系數(shù)數(shù)據(jù)。

根據(jù)式1，分別對(duì)2010年、2015年兩次更換電極和2016年地電場(chǎng)外線路升級(jí)改造前后數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)。從統(tǒng)計(jì)結(jié)果來(lái)看，在2010年11月首次進(jìn)行鉛電極改造前，地電場(chǎng)日相關(guān)系數(shù)都偏低，一半以上的日相關(guān)系數(shù)都低于0.6的規(guī)范要求。在鉛電極升級(jí)改造完成后，所有測(cè)向相關(guān)系數(shù)均在0.9以上，觀測(cè)質(zhì)量取得明顯改善(見(jiàn)表1)；在2015年11月-12月更換不及化電極期間所有的相關(guān)系數(shù)都偏低，基本都為負(fù)數(shù)，已不滿足大于0.6的規(guī)范要求，數(shù)據(jù)可信度很低(見(jiàn)表2)，由此可見(jiàn)此次地電場(chǎng)電極升級(jí)改造后觀測(cè)質(zhì)量并未有所提高，日相關(guān)系數(shù)在電極改造前后無(wú)明顯變化；但在2016年4月對(duì)外線路更新改造完成后大多數(shù)NS測(cè)向相關(guān)系數(shù)都在0.95以上，個(gè)別天的相關(guān)系數(shù)在0.9左右，數(shù)據(jù)質(zhì)量較高；NW測(cè)向相關(guān)系數(shù)2016年4月-5月基本都在0.9以上，數(shù)據(jù)質(zhì)量較高。相關(guān)系數(shù)系數(shù)大于0.6，可以判定地電場(chǎng)觀測(cè)系統(tǒng)工作較為穩(wěn)定，運(yùn)轉(zhuǎn)基本正常，在同一方向上的長(zhǎng)短極距變化趨勢(shì)相同，數(shù)據(jù)可信度較高(見(jiàn)表3)，由此可知此次地電場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)的改善主要與地電場(chǎng)外線路升級(jí)改造有關(guān)。

表1 2010年電極改造前后長(zhǎng)短極距相關(guān)系數(shù)統(tǒng)計(jì)

表2 2015年電極改造前后長(zhǎng)短極距相關(guān)系數(shù)統(tǒng)計(jì)

表3 2016年外線路改造后地電場(chǎng)長(zhǎng)短極距相關(guān)系數(shù)統(tǒng)計(jì)

圖2 2010年8-10月菏澤臺(tái)地電場(chǎng)更換電極前

圖3 2010年11月-2011年2月菏澤臺(tái)地電場(chǎng)更換電極后

3 兩次更換電極對(duì)觀測(cè)資料的影響

3.1 2010年11月更換鉛柱電極

2009年以來(lái)電極出現(xiàn)老化現(xiàn)象，一遇陰雨天容易出現(xiàn)漂移，相關(guān)系數(shù)偏低(如圖2)。2010年11月3日更換為Φ5 cm、高25 cm的鉛柱電極，埋深7.5～8.0 m，測(cè)量數(shù)據(jù)全部合格。更換電極后相關(guān)系數(shù)明顯提高，大大改善了觀測(cè)精度(如圖3)。

3.2 2015年11月更換不極化電極

菏澤臺(tái)自2010年11月更換鉛柱電極以來(lái)相對(duì)于2006年7月安裝的不極化電極在觀測(cè)資料的質(zhì)量有很大提高，但是隨著應(yīng)用時(shí)間久等原因，鉛電極不穩(wěn)定，尤其是受降雨影響很大。

表4 菏澤地電臺(tái)觀測(cè)數(shù)據(jù)與降雨關(guān)系

圖4 菏澤臺(tái)地電場(chǎng)受降雨影響圖

圖5 兩次更換電極前后數(shù)據(jù)變化圖

從表4可以看出，菏澤臺(tái)地電場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)在2015年7月14日-7月17日期間相關(guān)系數(shù)及差值受降雨影響較大，并且在降雨停止后地電場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)受到的影響還會(huì)持續(xù)數(shù)天(如圖4)。由此也可以看出隨著電極的老化，引起地電觀測(cè)數(shù)據(jù)非正常變化，導(dǎo)致觀測(cè)數(shù)據(jù)精度降低，有必要對(duì)電極進(jìn)行重新更換。

圖6 2015年12月-2016年1月更換不極化電極

為了提高地電場(chǎng)觀測(cè)質(zhì)量，在2015年11月對(duì)電極進(jìn)行第二次升級(jí)改造。在此次升級(jí)改造中用不極化電極替換了之前的鉛電極，更換不極化電極按照預(yù)定方案進(jìn)行電極安裝。但因更換電極期間連續(xù)降雨，空氣濕度大，11月26日更換不極化電極觀測(cè)2 d數(shù)據(jù)質(zhì)量較差，28日重新更換回原來(lái)的鉛電極觀測(cè)5 d，觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量也不理想(如圖5)。

12月2日重新把鉛電極更換回不極化電極，但通過(guò)對(duì)更換電極前后觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比研究，發(fā)現(xiàn)更換電極后觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量變化不明顯。在確認(rèn)電極安裝準(zhǔn)確無(wú)誤后，通過(guò)不斷實(shí)驗(yàn)，查找原因，最后發(fā)現(xiàn)有可能是外線路漏電造成更換電極后效果不明顯(如圖6)。在2016年4月對(duì)地電場(chǎng)外線路進(jìn)行更換后，發(fā)現(xiàn)地電場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)明顯改善(如圖7)。

圖7 2016年4月更換外線路后

4 結(jié)語(yǔ)

菏澤地電臺(tái)在觀測(cè)系統(tǒng)及測(cè)區(qū)環(huán)境相對(duì)穩(wěn)定的情況下，觀測(cè)數(shù)據(jù)齊全，精度較高，觀測(cè)數(shù)據(jù)能夠比較真實(shí)的反應(yīng)地電場(chǎng)強(qiáng)度的變化。但是由于臺(tái)站電極在使用達(dá)到一定年限后易出現(xiàn)老化現(xiàn)象，影響觀測(cè)數(shù)據(jù)精確度。

(1)在2010年對(duì)電極進(jìn)行鉛電極改造后相關(guān)系數(shù)明顯提高，觀測(cè)精度有所改善。

(2)在2015年的不極化電極改造中，改造前后觀測(cè)數(shù)據(jù)無(wú)明顯變化。通過(guò)不斷實(shí)驗(yàn)，查找原因，發(fā)現(xiàn)有可能是外線路漏電，影響了此次電極改造后的效果。

(3)在2016年4月對(duì)外線路進(jìn)行改造后，地電場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)得到明顯改善。