大武地震臺地電場干擾源的識別

大武地震臺地電場干擾源的識別

0“噪聲”信號地球車間是地球上的一個自然變化車間。這是由各種外部輸電系統(tǒng)（電離層、磁層和傳輸層）對地球介質(zhì)的相互作用而產(chǎn)生的表面感覺場所（席繼樓等，2007）。由于地球電壓機(jī)的觀測容易受到外部磁極和其他因素的干擾，觀測數(shù)據(jù)中的不同“噪聲”信號也會增加（孫正江，2009）。青海目前正在運(yùn)行的地電場臺站有2個,分別是大武地震臺和都蘭地震臺。筆者對這2個臺站地電場觀測數(shù)據(jù)包括測區(qū)環(huán)境變化、觀測系統(tǒng)本身的變化、數(shù)據(jù)內(nèi)在質(zhì)量、干擾因素等進(jìn)行綜合分析,排除一些常見干擾,該項工作有利于今后地電場觀測資料的處理和分析,為震情跟蹤研判和地震預(yù)測提供基礎(chǔ)信息。1車站的基本信息1.1都蘭地震臺地質(zhì)背景都蘭地震臺位于海西蒙古族藏族自治州都蘭縣縣政府所在地都蘭縣城和平街6號。該地區(qū)風(fēng)多風(fēng)大,平均氣溫2.7℃,年溫差±20℃。地電場地設(shè)在上莊村一隊,距離觀測室5km,海拔3224m。布極中心點距擺房約450m,共分南北、東西、北西向三道測線。測區(qū)周圍地形是農(nóng)田,公共極、北長極和北短極外線路均有一水渠低層穿過。外線路為地埋,埋深1.5m,環(huán)境較穩(wěn)定,干擾小。都蘭地震臺位于柴達(dá)木盆地的腹部,由于受喜瑪拉雅運(yùn)動的影響,新構(gòu)造運(yùn)動十分強(qiáng)烈,深大活動性斷裂規(guī)模大,地處可可西里———巴顏喀拉、柴達(dá)木2個大地震帶之間,地震活動頻繁、強(qiáng)度高,是破壞性地震的多發(fā)地區(qū)。一年干旱少雨,日照充足,晝夜日照時數(shù)2903.9~3252.5h。大武地震臺位于阿尼瑪卿雪山北麓,格曲河?xùn)|側(cè),坐落于瑪沁腹地———大武灘,又稱格科塘,距西寧440km。城區(qū)四周群山環(huán)抱,東南高,西北低,海拔3719m。主導(dǎo)風(fēng)向為西風(fēng),年平均氣溫為零下0.6℃,最高氣溫26.6℃,最低氣溫零下34.9℃,最大溫差22.4℃,屬高原大陸性氣候。年均降水量443mm,平均蒸發(fā)量1462.4mm,平均氣壓644mm汞柱,最大凍土深度246cm。大武地震臺位于庫瑪斷裂帶東段北側(cè)。庫瑪斷裂帶是青藏高原內(nèi)部一條重要的活動斷裂帶,也是大陸內(nèi)部一條著名的左旋走滑深大斷裂帶,它構(gòu)成了二級構(gòu)造單元,是青藏斷塊與甘青斷塊的分界。該斷裂具有發(fā)育歷史悠久、長期劇烈活動和現(xiàn)代活動強(qiáng)烈的特點,歷史上曾發(fā)生過數(shù)次7~8級強(qiáng)震,僅1900年以來發(fā)生7級以上強(qiáng)震5次,最大地震為2001年11月昆侖山口西8.1級地震(青海省地震局,2005)。1.2該儀器的技術(shù)指標(biāo)都蘭和大武地震臺的大地電場觀測均采用中國地震局地震預(yù)測研究所研制的ZD9A-II地電場儀,電極采用蘭州地震研究所生產(chǎn)的固體不極化電極。兩臺地電場儀均于2007年7月架設(shè),2008年1月1日正式運(yùn)行。該地電場儀綜合了國內(nèi)外同類儀器的大多數(shù)功能,具有靈敏度高、動態(tài)范圍大、存儲容量大、抗干擾能力強(qiáng)以及溫度性能良好等許多特點,主要用于測量大地電場強(qiáng)度及其隨時空的變化(席繼樓等,2007)固體不極化電極,其主要技術(shù)指標(biāo)為:在飽和NaCl溶液中,一對電極之間的極差小于1.0mV;極差漂移(30min穩(wěn)定性):不超過±0.01mV;極差漂移(24h穩(wěn)定性):不超過±0.1mV;極差漂移(30d穩(wěn)定性):不超過±1.0mV;頻率響應(yīng)范圍:0~1Hz;10s內(nèi)短周期噪聲小于等于10μV(趙和云等,1998)。1.3地表地電場強(qiáng)度測試地電場強(qiáng)度矢量是重要的地球物理常量之一(圖1)。在地電場觀測時,按照分量測量、矢量合成的方法,對地表地電場強(qiáng)度進(jìn)行測試。當(dāng)測量得到至少2個(正交)分量以后,由式(1)和式(2)可以計算得到測點O的平均地電場強(qiáng)度值E和方位角α:大武臺以O(shè)點為中心點,采用十字交叉方式如圖2b所示布設(shè)。每個測量方向極距裝置見表1。2觀測數(shù)據(jù)分析選取2008~2011年都蘭和大武地震臺觀測數(shù)據(jù),根據(jù)觀測系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)及資料產(chǎn)出情況,對有代表性的數(shù)據(jù)曲線變化形態(tài)進(jìn)行分析研究。2.1大武地震多元臺質(zhì)量分析即對兩組數(shù)據(jù)的變化過程進(jìn)行分析,相關(guān)系數(shù)能夠反映兩個變化過程的相似程度。一般情況下,就地電場觀測臺站而言,主要對同測向不同測道的觀測數(shù)據(jù),利用計算得到的相關(guān)系數(shù),初步判斷觀測系統(tǒng)是否可靠,所以也稱自相關(guān)分析。自2008年正式運(yùn)行以來,都蘭地震臺觀測數(shù)據(jù)連續(xù)率和完整率都保持在95%以上(表2)。但數(shù)據(jù)的相關(guān)性不是很穩(wěn)定,除去客觀因素導(dǎo)致的儀器故障,如2008年7月因雷擊導(dǎo)致數(shù)采故障,返廠維修;2010年9月外線路維修以外,每逢灌溉季節(jié),觀測數(shù)據(jù)就出現(xiàn)明顯的突跳(臺階),相關(guān)系數(shù)較低,差值很高且不穩(wěn)定,數(shù)據(jù)曲線的變化較大(圖3),表明數(shù)據(jù)不穩(wěn)定。自2008年正式運(yùn)行以來,大武地震臺地電場外線路及數(shù)采故障率較高,連續(xù)率和完整率在87%以上(圖3,表2)。除2008年數(shù)據(jù)相關(guān)性符合規(guī)范要求以外,其余逐年在下降,主要原因為外線路絕緣、雷擊等,導(dǎo)致數(shù)據(jù)不穩(wěn)定,數(shù)據(jù)曲線變化較大。由以上兩個臺大地電場數(shù)據(jù)內(nèi)在質(zhì)量分析得出:(1)觀測系統(tǒng)不穩(wěn)定,導(dǎo)致數(shù)據(jù)的相關(guān)性較差。觀測系統(tǒng)不穩(wěn)定原因可能為大地電場觀測系統(tǒng)的不極化電極使用期限短,觀測資料會出現(xiàn)大幅度、不穩(wěn)定的漂移變化(陸陽泉等,1998)。這是因為固體不極化電極在土壤埋設(shè)時間較長后,電極固體電解液與土壤接觸不良,出現(xiàn)分離,造成接地電阻變大,并且電極本身固化而內(nèi)阻的增大,接地電阻的增大和內(nèi)阻的增大這兩種情況都將導(dǎo)致測數(shù)不正常;(2)引起觀測數(shù)據(jù)變化的原因可能是降雨、澆地干擾,雨(雪)水下滲到電極處,引起電極極化電位變化所導(dǎo)致;(3)外線路絕緣性不好,造成數(shù)據(jù)臺階;(4)雷擊、數(shù)采故障等導(dǎo)致數(shù)據(jù)中斷。2.2與地磁水平分量的日變化為了能夠正確判斷大地電場的干擾因素,就需要對其正常變化形態(tài)進(jìn)行分析。本文所指的日變化是以一個太陽日為周期且依賴于地方時的變化,即在地球自轉(zhuǎn)的作用下,由于太陽位置的不斷變化,產(chǎn)生了測點上空電離層等離子體中的周期性電流變化,這種電流變化可以在地球表面感應(yīng)產(chǎn)生具有一定規(guī)律性的地電場變化,其周期為1天(席繼樓等,2002)。如圖4所示,日變很清晰,但日變形態(tài)有所區(qū)別,即每天中午11時左右會出現(xiàn)低值狀態(tài),兩側(cè)各有一個極大值。就日變而言,其NS向日變形態(tài)應(yīng)與地磁水平分量EW向的日變形態(tài)基本一致;EW向日變形態(tài)應(yīng)與地磁水平分量NS向的日變形態(tài)基本一致,二者相位存在差異。如圖5所示,將都蘭臺日變地電場與地磁靜日正常的日變化規(guī)律做比較分析,地電場與地磁場的快變化部分有相同的場源,應(yīng)具有相同類似的變化。另外,地電場與地磁場在相位上略有差別,一般前者滯后于后者。3干擾因素及原因分析3.1地震數(shù)據(jù)處理大地電場主要起源是外空電流體系,它與地球外部磁場變化有著直接關(guān)系,地球外部磁場的變化,比如磁擾、磁暴、電離暴大多起源于太陽大氣最外層的日冕向空間持續(xù)拋射出來的大量帶電粒子流,由它形成的太陽風(fēng)高速壓縮磁層、電離層,其中的帶電粒子形成的電流沖擊地球磁場,使得磁層內(nèi)對流電場增強(qiáng),環(huán)電流粒子增多;電離層電離激增,電子密度突然增大,使地球磁場強(qiáng)度發(fā)生明顯的變動,從而引起地電場觀測數(shù)據(jù)的急劇變化(徐文耀,2003)。磁擾時大地電場分鐘值觀測曲線變化形態(tài)如圖6所示。2010年4月5日地磁K指數(shù)為5時,地電場觀測記錄到磁擾事件,可以看出磁擾發(fā)生時地電場觀測數(shù)據(jù)變化特征(葉青等,2007)。如圖7所示,地磁觀測記錄同步發(fā)生變化,6道數(shù)據(jù)同時出現(xiàn)異常,形態(tài)表現(xiàn)為高頻脈沖,影響其正常日變形態(tài),其變化幅度與磁擾的強(qiáng)度有關(guān),并隨著磁擾強(qiáng)度的增強(qiáng)而增大;變化時間和磁擾持續(xù)時間有關(guān),磁擾結(jié)束后,地電場觀測數(shù)據(jù)也隨之恢復(fù)正常。3.2大武地臺電場特征對流層中的雷電現(xiàn)象是地電場高頻變化的場源之一,雷電發(fā)生時,帶有電荷的雷云與地面的突起物接近時,它們之間就發(fā)生激烈的放電,從而改變了區(qū)域電場的分布環(huán)境(黃海清等,1984)。由于雷電通常離得較近,電壓很高,在放電的瞬間,導(dǎo)致地電場觀測數(shù)據(jù)變化幅度也較大,持續(xù)時間也相對較長,圖8為大武地電臺2010年6月30日大地電場分鐘值觀測曲線變化形態(tài),自13~14時左右觀測值明顯偏離正常的變化,曲線形態(tài)發(fā)生急促畸變。雷電期間地電場變化特征為:觀測數(shù)據(jù)離散度較大,特別是在放電期間,呈現(xiàn)出典型畸變,觀測數(shù)據(jù)大幅突跳,為正常時數(shù)倍。3.3電極極化電位差引起觀測數(shù)據(jù)變化的原因可能是灌溉(雨、雪)水下滲到電極處,引起電極極化電位變化所導(dǎo)致(圖8、圖9)。由于極化電位不一致,將在測量回路中產(chǎn)生一個附加的電極極化電位差,從而影響到地電場觀測(席繼樓等,2002),引起數(shù)據(jù)變化。這樣的干擾會隨著水分的蒸發(fā),農(nóng)田逐漸干涸,觀測曲線會逐步恢復(fù)到正常日變形態(tài),一般需要持續(xù)幾天。由此可以看出,電極處滲水引起數(shù)據(jù)變化的特征是:地電場觀測數(shù)據(jù)在短時間內(nèi)呈現(xiàn)大幅度的變化,往往是大幅度的上升或者下降,并且滲水量越多引起的“臺階”也就越大,為正常值的數(shù)倍以上,并且在滲水后的一段時間內(nèi)地電場數(shù)據(jù)仍舊是不穩(wěn)定的趨勢變化。3.4外線路破壞自2008年底開始都蘭臺地電場觀測曲線形態(tài)出現(xiàn)異常變化(圖11)。通過對外線路接地檢查,發(fā)現(xiàn)接地電阻均小于2kΩ。2010年8月對外線路進(jìn)行部分維修時發(fā)現(xiàn),外線路絕緣皮損壞,造成銅芯線外露,后經(jīng)更換部分外線,處理接線頭后,觀測數(shù)據(jù)恢復(fù)正常,經(jīng)分析數(shù)據(jù)出現(xiàn)突跳(臺階)變化系外線路絕緣性能降低導(dǎo)致漏電和線路接頭接觸不良所致。在地電場觀測中,線路的完好和接觸良好也是非常重要的。如果線路中出現(xiàn)漏電、接觸不良的情況,地電場數(shù)據(jù)會隨時間的變化而產(chǎn)生“臺階”和高頻變化。3.5外線路對內(nèi)線路的粘連性在實際工作中,由于一些特殊情況需要將地電場觀測外線路暫時斷開,比如檢查外線路絕緣度等原因,這些事件也會引起觀測數(shù)據(jù)的變化(圖12)。因為大地電場觀測系統(tǒng)是一個封閉的環(huán)路,為保障觀測數(shù)據(jù)的可靠性,需要定期斷開外線路來檢查其絕緣度。都蘭臺2008年12月27日分鐘值觀測曲線變化形態(tài)圖表明對大地電場外線路進(jìn)行絕緣度檢查時觀測數(shù)據(jù)發(fā)生變化(圖12)。其特征為外線路斷開后,觀測數(shù)據(jù)出現(xiàn)大幅度變化,其變化幅度為正常值的數(shù)倍,且直線下降,速度快,變化明顯。當(dāng)線路接通后,數(shù)據(jù)又立刻直線回升,恢復(fù)正常。它與磁擾和雷電干擾的區(qū)別在于線路斷開后,變化形態(tài)成直線快速漂移,并且幅度變化大,觀測數(shù)據(jù)恢復(fù)也較快。3.6中國標(biāo)準(zhǔn)6大地電場觀測使用的是固體不極化電極,突出問題就是電極老化使用時間較短(路陽泉等,1998)。如果電極老化,觀測到的地電場電位不穩(wěn)定,觀測數(shù)據(jù)相關(guān)系數(shù)越來越低(圖13),顯示觀測數(shù)據(jù)隨機(jī)大幅突跳、階躍,曲線形態(tài)產(chǎn)生飄移,看不出地電場正常的日變形態(tài),這種不穩(wěn)定變化就會和地電場信號疊加在一起,造成觀測數(shù)據(jù)隨機(jī)變化。4觀測系統(tǒng)規(guī)劃建議都蘭臺和大武臺的大地電場觀測普遍受降雨(雪)、雷電、電磁暴、觀測環(huán)境、農(nóng)田灌溉干擾,日變和電極的穩(wěn)定性、背景噪聲、地下電性結(jié)構(gòu)、季節(jié)有密切關(guān)系,這兩個臺站大地電場自觀測以來映震能力不好,這可能和電場容易受各種自然因素干擾及其他干擾有一定關(guān)系,電極也是制約觀測資料最重要的因素。筆者討論了都蘭和大武地電數(shù)據(jù)相關(guān)性逐年降低,即逐年變差的主要原因,針對這些分析提出以下建議:(1)地電場觀測系統(tǒng)電極的不穩(wěn)定干擾及降雨、農(nóng)田灌溉,是可以抑制的干擾源。影響地電場觀測資料穩(wěn)定性的主要原因是不極化電極。不極化電極使用時間不能過長,否則資料出現(xiàn)大幅度漂移變化;更換電極,觀測資料的連續(xù)性較差。建議使用較穩(wěn)定的電極(2)對地電臺址