元谋水化站地电场观测质量及典型干扰分析*

肖鑫，王杰，施建明，周建荣

(1.云南省地震局楚雄地震监测中心站,云南 楚雄 675000;2.云南省地震局,云南 昆明 650000)

地球表面存在着天然的变化电场和稳定电场，总称地电场。地电场是重要的地球物理场。地电场主要包括两部分：大地电场和自然电场。前者源于外太空电离层的电流体系及其变化，分布在整个地表的较大区域，后者源于地下场源，具有相对的局部稳定性[1～3]。我国将地电场用于地震地球物理观测始于1966年邢台地震之后，自此积累了一定的观测资料。由于地电场观测的场地范围较大，容易受到场地环境因素以及其他不明因素的干扰[2]。通过对元谋水化站地电场观测数据资料、数据内在质量及同震效能、地电暴、测区观测环境进行综合分析，归纳了引起地电场变化的典型干扰及核实过程。这对正确认识地电场正常变化 、减少异常核实工作量以及今后地电场观测资料的处理和分析都有重要帮助，对进一步提高地电观测资料质量具有一定意义 。

1.1 观测场地

元谋地震台水化站地电场(简称元谋水化站地电场)隶属云南省地震局楚雄地震监测中心站，该测点地理坐标为101.82°E、25.72°N，海拔1 065.2 m，观测场地位于云南省元谋县元马镇热水塘村田坝地域，属于龙川江河流冲击区内，场地为耕作农田，土厚度为2.8 m，地下水位埋深为14.64 m。地电场中心杆距离仪器室仪器68 m，离元谋地震台近十公里的距离。

测点位于元谋断陷盆地绿汁江大断裂带西侧3 km地热异常区，东面约120 km处是著名的小江断裂带，对监测滇中北部地区南北构造带—南北向绿汁江大断裂和小江断裂一带的地震活动有一定的作用。

1.2 观测仪器及观测系统情况

图1 元谋水化站地电场布极示意图

元谋水化站地电场使用中国地震局预测研究所研制的ZD9A-II地电场仪进行观测，按照“多方向、多极距”的观测方法，布设“双L”测量线路，即NS、EW及N45° E共三个测量方向，每个测量方向分别采用独立装置进行对比观测[4～7]。地电场于2006年11月初完成建设投入运行。2011年11月底至12月初对外线路和电极进行改造，采用铅板制作为规格为500 mm×500 mm×3 mm的圆柱形电极，电极埋深15 m，接地电阻在10.0～25.0 Ω之间，电极引线为4×6 mm2铜芯电缆线，外线路采用4×6 mm2铜芯电缆线，按照规范要求进行架空敷设。2012年1月至4月完成调试后数据无论是抗干扰能力还是内在精度都得到有效提升，室内配线、避雷装置、接地线符合规范要求，满足观测要求。

表1 元谋水化站地电场布极参数及各极接线极性

选取2012年元谋水化站地电场改造后的观测数据，根据观测系统运转及资料产出情况，对有代表性的数据曲线变化形态进行分析研究。

2.1 数据质量分析

在地电场观测中，在同一地区自然电场部分基本稳定，因此同一测向两个测道观测的数据变化规律应当接近。若变化趋势一致，说明数据可信度较高；
反之，需要考虑观测系统工作是否正常，测区内是否存在干扰等。通过对同测向不同测道的观测数据计算得到的相关系数与差值，评价地电场的观测质量，并初步判断观测系统可信度。相关系数越接近1，差值越小，同一测向两个测道的观测数据越一致，观测数据越稳定。

相关系数计算方法：

(1)

差值计算方法：

(2)

由(1)式、(2)式计算得到元谋水化站地电场相关系数，通过查阅中国地震前兆台网数据处理系统得到数据连续率和完整率(表2)。

表2 元谋水化站地电场数据统计

对元谋水化站地电场相关系数、差值、数据连续率、完整率(表2)分析，元谋水化站地电场相关系数良好，相同测向不同测道数据变化规律相当接近，数据可信度较高，且仪器运行情况良好，数据连续率与完整率均维持在较高水平。

2.2 同震响应

在地震前兆观测手段的数据质量评价中，是否有同震响应是对数据可信度做出有效判断的一种方式，并有利于对地震应力释放过程及机理研究提供帮助与解释。元谋水化站地电场在多次远近大震中均有同震响应，以2014年8月3日鲁甸6.5级地震和2015年4月25日尼泊尔8.1级地震为例，元谋水化站地电场同震响应有一定规律，北南测向对于同震响应更明显且能响应到地震震中距较远的地震，东西测向则在震中距较远的地震中没有同震响应且数据响应幅度低于北南测向。

图2 2015年4月25日尼泊尔8.1级地震同震响应

图3 2014年8月3日鲁甸6.5级地震同震响应

2.3 地电暴事件记录

地电暴与地球磁暴同源，是由太阳黑子活动等造成的强电磁辐射现象，在全球具有广域性，对地电观测的干扰表现为数据高频扰动或脉冲式突跳，变化幅度与地电暴强度正相关，并与地下介质电性结构有关。地电暴干扰影响可在一定程度上反映台址条件及观测仪器的映震效能。在2012年改造后，元谋水化站地电场观测数据多次清晰完整记录到地电暴事件，且由于地电暴事件的产生原理，东西测向数据记录到的变化幅度大于北南测向。

3.1 异常特征

自从2014年10月起，元谋水化站地电场北南测向与北西测向数据就开始出现有规律的台阶变化，变化幅度约3～15mv/km，数据形状类似于方波，有明显的开始时间与结束时间(图5)，此台阶频繁出现于农户耕作时间。在连续晴天及农忙等特殊时段内，且会有一天多个台阶出现的情况。

图4 地电暴典型数据曲线

图5 元谋水化站地电场2015年11月19日及10月5日数据分钟值曲线

3.2 观测系统工作状态检查与环境调查

3.2.1 仪器工作状态检查

(1)经过排查，装置系统、数据采集传输系统等工作正常。

(2)在台阶出现的时间内，台站仪器工作正常，未对仪器做过维修及观测参数调整，按学科要求进行的月度、季度、及半年标定检查等均符合规范。

3.2.2 观测环境干扰情况调查

元谋属南亚热带干热气候，年平均温度较高，是全国重要的冬早蔬菜主产区，农业发达。干热河谷地区干旱少雨，年蒸发量远大于降雨量，但是地下水资源却很丰富，导致元谋地区农业灌溉用水主要以打井抽取地下水为主。经核实只要是未降雨或降雨量偏少的时段，测区内农户便会进行机械抽水灌溉作业。经多次对元谋水化站地电场测区进行观测环境巡视、检查，发现测区内有9口农户抽水井，均用机械抽水的方式来灌溉农田，抽水时段多为6～22时，抽水时长不固定。其中距离北端电极最近的抽水井(井4)距离电极仅约4 m，距离东端电极最近的抽水井(井7)距离电极仅约20 m(图6)。此外测区内还建有钢架大棚。

图6 测区抽水井分布示意图

从观测数据情况看，水化站地电场东西测向数据很少出现干扰。主要由于东端电极附近有小河沟，农户灌溉主要是引河沟里的水自然流淌到农田内，且测区东边农田农业种植经常处于闲置状态或种草饲养牛用，东端电极附近井7和井8是因2010年云南旱灾时抗灾所打，目前使用率较低。干扰台阶主要出现在南北测向及北45°东测向，由此确定了干扰主要存在于南北向，通过测区环境调查的结果，大体确定此干扰可能来自北端电极附近。

根据以上情况，台站多次组织工作人员在台阶经常出现的6时至22时，在北端电极附近的井3、井4和井5进行蹲点记录。发现观测数据记录到的台阶出现时间与井4农户抽水时间能较好耦合；
且在蹲点记录时发现井4会出现同一口井有两台电机同时工作进行抽水的情况。以2016年10月8日至10月9日调查结果为例。期间井4共进行了四次抽水作业，且两台抽水电机都有使用的情况，具体抽水和数据变化情况见图7及表3。综上所述，判定水化站地电场南北测向及北45°东测向数据出现类似台阶的干扰为井4农户机械抽水时设备漏电造成，同时由于抽水设备距离电极较近，且为铅电极，故停止抽水后有电极充电后缓慢恢复的情况。

图7 2016年10月8日至10月9日水化站地电场分钟值曲线

表3 2016年10月8日至10月9日井4抽水情况统计

利用元谋水化站地电场现有观测数据，对数据质量及有代表性的数据曲线变化形态进行分析研究。并通过多次场地调查及2016年10月8日至10月9日调查结果。对元谋水化站地电场观测质量及数据可信度做出评价，对观测中常见地球物理事件及典型干扰的数据曲线变化特征进行分析，得出如下结论：

(1)元谋水化站地电场数据可信度较高，对于部分中强震有同震响应。同震响应受地震震级大小和震中距的影响，震级越大，震中距越近，同震响应越明显。地电暴事件几乎能清晰完整记录。

(2)元谋水化站地电场使用了铅电极，在地电观测中具有较好的适用性。元谋地区农业发展较快，地电观测受农业抽水、灌溉、大棚建设干扰较为明显，除偶尔的农户设备漏电与雷电造成电极充电外，这些干扰并未对地电场数据造成趋势性的改变，而且铅电极受干扰充电后恢复时间较快。

从布极上，元谋水化站地电场两套装置极距均为300 m的相同极距对比观测，电极之间距离仅有10 m，无法形成同测向长短电极的对比。虽然相关性较好，但在干扰源位置确定及地震震后的应力分析等问题上，没法通过极距差来较好的反推具体方位。今后建台需严格按照地电台站建设规范布设长短极距。元谋水化站地电场测区位于农田内，农业生产易对地电场观测造成影响。特别是电极一旦损坏，重新埋设新电极会涉及青苗补偿、调整农户农业生产等问题，存在一定执行困难。故在农业发达地区进行地电场观测，稳定的铅电极对于长期观测在可行性上不一定低于固体不极化电极。由于农业干扰较多，因此需要台站工作人员熟悉干扰类型，与测区内干扰源，一旦出现前兆异常或干扰时，可迅速判别。