昌黎臺地電場干擾分析

昌黎臺地電場干擾分析

0自然電場場源和振動場源的自然場場地場觀測和地磁場觀測是地球物理場觀測的重要組成部分，是相互依存的兩個分支。地電場主要包括大地電場和自然電場,大地電場是太陽、太陰活動和地球自轉(zhuǎn)及星際磁場等引起的地球外部的各種電流系,在地球內(nèi)部感應(yīng)產(chǎn)生的分布于整個地球表面或較大區(qū)域的變化電場;自然電場是地殼局部物理、化學(xué)條件變化引起的局部性電場。一般說來,自然電場場源的空間尺度與大地電場的場源相比要小的多,因此局部結(jié)構(gòu)所造成的場的空間分布的差異,自然電場比大地電場要大。大地電場作為前兆觀測手段之一,日常觀測資料記錄到的干擾形態(tài)有多種,因素也不盡相同。震前異常信號的識別對分析預(yù)報(bào)工作非常重要,但要想清楚地判斷其是否為我們所需要的震兆信號,首先必須掌握和識別該臺站各種干擾類型的變化形態(tài),做到一目了然,而許多相關(guān)工作人員在處理數(shù)據(jù)或者分析干擾原因時因缺乏識別經(jīng)驗(yàn)無法定論。鑒于此,本文對昌黎臺大地電場2002—2010年受到的主要干擾進(jìn)行了認(rèn)真整理和分析,希望對同類臺站識別類似干擾有借鑒價值。1ew-l測向昌黎臺大地電場觀測始于“九五”改造期間的2001年10月,儀器型號為ZD9A,采樣率為分鐘值,采用Pb-PbC1z固體不極化電極,“L”式布設(shè),架設(shè)NS、EW、N45°E三個測向,長、短共6個測道,“O”為NS、EW方向垂直公共點(diǎn),NS、EW測向長、短極距各為300m、150m(圖1)。由于昌黎臺視電阻率比較大(大于100Ω·m),150m的極距可以記錄到非常清晰的地電日變化。基于觀測方向問題,EW-L測道信號極性與其它測道相反。2011年1月將原“九五”儀器ZD9A更換為“十五”儀器ZD9A-Ⅱ,本文分析所用數(shù)據(jù)均為“九五”儀器產(chǎn)出的原始分鐘值數(shù)據(jù)。2地電暴擾動的同步性磁靜日(一般磁情K≤2)時昌黎地電場具有規(guī)則日變形態(tài),表現(xiàn)為EW測向極小值出現(xiàn)在北京時04時左右,雙峰雙谷;SN測向極小值出現(xiàn)在北京時12時左右,雙峰單谷。但當(dāng)磁場擾動偏大時(K≥5)大地電場可以清晰地記錄到磁擾變化,尤其以地電暴最為明顯。無論是地電暴還是地磁暴都具有廣域同步性,其變化在時間域具有同步性,在頻率域具有優(yōu)勢頻率變化一致性等整體性特點(diǎn)。經(jīng)研究,當(dāng)?shù)仉姳_動強(qiáng)度劇烈時,也可以記錄到初相、主相和恢復(fù)相完整形態(tài),當(dāng)?shù)仉姳?qiáng)度偏弱時,其變化形態(tài)逐漸不清晰,但地電暴不一定都有完整的3個變化形態(tài)。除受外空地磁場正常變化影響以外,日常大地電場觀測本身容易受區(qū)域電磁環(huán)境以及氣候等因素干擾,隨著數(shù)字化儀器靈敏度和采樣率的提高,數(shù)據(jù)中夾雜的各類信息隨之增多,諸如雷電、降雨、直流供電干擾、氣溫(或季節(jié))變化、震前異常信號(簡稱SES信號)等都有可能被記錄到,本文通過對昌黎臺大地電場數(shù)據(jù)整理,針對日常干擾做了初步總結(jié),認(rèn)為主要有以下幾種類型:(1)日變形態(tài)的變化通過整理不同程度降雨,發(fā)現(xiàn)其影響結(jié)果并不一致。例如降小雨、中雨或大雨時,緩急程度不一,地表電場變化不盡相同;降雨時是否伴有打雷,數(shù)據(jù)畸變形態(tài)也有所區(qū)別。本文抽取如圖2～圖4所示的不同降雨變化,顯示了蒙蒙細(xì)雨、小雨(無雷)、中雨(伴有打雷)時地表電場變化特征。2007年5月23日凌晨至16時50分降蒙蒙細(xì)雨,6個測道數(shù)據(jù)均未受到明顯干擾,但無規(guī)則日變形態(tài),即雙峰雙谷或雙峰單谷的正常日變消失(為節(jié)省篇幅,在此只抽取一個測道舉例繪圖);2007年4月12日降小到中雨,雨勢緩緩加重,期間無打雷,降雨量約15mm,6個測道出現(xiàn)變幅不等、極性不同的離散型畸變,打破日變規(guī)則;2007年5月15日伴有打雷的中雨影響則表現(xiàn)為6個測道數(shù)據(jù)畸變比較密集、頻次更高,尤其在雷電期間數(shù)據(jù)離散程度往往偏明顯、無規(guī)則日變。以上3種情況反映2個共同特征:①緩急程度不同的降雨造成的數(shù)據(jù)離散程度并非完全一致。一般情況下緩緩細(xì)雨或小雨時不會出現(xiàn)大幅數(shù)據(jù)突跳,中等以上降雨或雷電時主要表現(xiàn)為數(shù)據(jù)叢簇出現(xiàn),并伴有高頻的非極性相同的離散型數(shù)據(jù);②不同程度的降雨或雷電都會影響正常日變形態(tài),且各測向長短極距相關(guān)性明顯降低。根據(jù)臺站觀測日志統(tǒng)計(jì),每逢雷雨期間,各測向相關(guān)系數(shù)均由正常的0.8左右降至0.6左右,甚至更低。降雨對測區(qū)環(huán)境的影響屬局部自然電場發(fā)生變化導(dǎo)致地表電性結(jié)構(gòu)發(fā)生的改變,一般在1、2天左右恢復(fù)正常日變形態(tài)。(2)干擾信號的自適應(yīng)測試目前地電場觀測臺站外線路一般采用銅芯制成,時間長了容易生銹造成接觸不良,也有因線路包扎不牢,氣溫受季節(jié)變化導(dǎo)致線路接頭處凝結(jié)水珠,造成觀測數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確等情況。昌黎臺曾多次記錄到與線路故障有關(guān)的異常變化(圖5),2003年12月8日00—05時干擾信號只出現(xiàn)在EW和NS測向的4個測道,NE方向2個測道無異常記錄,2個測向長短極距同步同向變化且變化幅度差異較大,可判斷最大可能為公共點(diǎn)O有異常情況,重新擦拭電極處接頭數(shù)據(jù)恢復(fù)正常。06—07時的緩慢臺階變化同時出現(xiàn)在EW-L、NS-L兩測道,相關(guān)短測道無干擾,根據(jù)形態(tài)特征分析認(rèn)為干擾源屬同一個,但應(yīng)排除測區(qū)內(nèi)外環(huán)境、線路等故障,與磁擾、降雨、直流干擾等情況又有所不同,故判斷可能是觀測系統(tǒng)出現(xiàn)問題。2007年9月7日EW-L、NE-L兩測道全天出現(xiàn)多簇臺階變化,其它測道數(shù)據(jù)正常,當(dāng)時曾連續(xù)多日出現(xiàn)此類干擾,經(jīng)仔細(xì)排查線路,發(fā)現(xiàn)東西向A點(diǎn)線路接頭存有水汽,擦拭后重接數(shù)據(jù)恢復(fù)正常。(3)干擾變幅與干擾源的確定該臺有ZD8B地電阻率和大地電場并行觀測,采樣率為整點(diǎn)值,采樣時間為5～13min,二者觀測場地相距僅200m左右。通常地電阻率觀測以直流供電進(jìn)行采樣,故對大地電場觀測會造成臺階影響,為避免此類干擾,二者主機(jī)有一個供電準(zhǔn)許工作參數(shù)存放地址401A,當(dāng)該地址參數(shù)設(shè)置為01時,ZD9A觀測ZD8B收到供電暫停信號,觀測完畢后ZD8B收到指令允許向外供電。此方法避免了二者互相影響。昌黎臺大地電場曾記錄到6次臺階干擾(圖6),統(tǒng)計(jì)每次各測道干擾變幅見表1。表1數(shù)據(jù)顯示:①干擾出現(xiàn)時間與地電阻率觀測供電開始時間基本同步,但部分結(jié)束時間比供電時間超長,此問題難以說清。②6組變化形態(tài)呈現(xiàn)2種不同變化形式:正反向變化和同向變化。2004年7月30日雖然只有2分鐘干擾(此處不再繪圖),但NS-S、NE-S呈現(xiàn)上下臺階變化,其余4個測道臺階均為上升變化。其余5次與圖6所示相同。③6組中有5組干擾變化量基本一致,說明屬同一因素影響。依據(jù)上述3點(diǎn),判斷表2中的干擾源應(yīng)該為地電阻率供電影響。當(dāng)然此情況并非經(jīng)常出現(xiàn),偶有發(fā)生的主要原因可能為參數(shù)改變,地電阻率不再受電場儀控制,二者同時觀測地電場必然受到干擾。那么昌黎臺大地電場記錄到的2種變化形態(tài)是否都為地電阻率觀測的影響呢?經(jīng)與儀器相關(guān)專家席繼樓老師討論,認(rèn)為地電阻率供電時雖然采取正反向供電方式,但其對地電場造成的影響可能會存在以上2種情況,地電阻率正反向供電的周期為幾秒鐘,地電場(九五)為1分鐘測1個點(diǎn),所以測量得到的真正的干擾變化應(yīng)該是隨機(jī)的脈沖,也可能收到人工供電信號自然衰減的影響,呈現(xiàn)某一個方向的變化。例如北京延慶臺在2004年2月17—19日進(jìn)行地電阻率觀測實(shí)驗(yàn)時曾記錄到地電場數(shù)據(jù)呈正、負(fù)的高頻變化;2000年4月21日蒙城臺電場NS向分鐘值因受地電阻率觀測影響多個小時呈現(xiàn)同方向變化,但也有部分時段呈正反方向變化;2008年3月27日寧夏石嘴山和固原臺地電場全天受到地電阻率觀測供電干擾,二者的變化形態(tài)分別為同向變大和同向變小。(4)控制溶液濃度測量電極用于拾取觀測場地上的地電場信號,是地電場觀測系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件。昌黎大地電場采用過2種電極觀測,即Pb-PbC1z固體不極化電極和金屬鉛(板)電極。2種電極的區(qū)別在于:金屬鉛電極由于直接放置于土壤介質(zhì)中,電極周圍的Pb2+離子濃度會隨著環(huán)境溫度、地下水的流動速度以及土壤介質(zhì)條件的變化而變化,所以電極極化電位的個體差別較大,且隨著周圍環(huán)境的變化而變化;不極化電極則是將金屬電極放置于含有同類金屬離子溶液中,可以通過控制溶液濃度來人為控制其極化電位,提高極化電位的穩(wěn)定性,減少個體之間的差別。根據(jù)昌黎臺實(shí)際使用情況顯示,Pb-PbC1z固體不極化電極性能穩(wěn)定期偏短(1年左右),易發(fā)生單方向漂移,而鉛板電極穩(wěn)定性優(yōu)于Pb-PbC1z固體不極化電極。圖7顯示了固體不極化電極穩(wěn)定性差的數(shù)據(jù)漂移特征,2002年4月8日NE-S、NS-S測道失去正常日變形態(tài),2個測向長短測道相關(guān)系數(shù)降至0.6以下,該情況多日連續(xù)出現(xiàn),此時距埋設(shè)時間約6個月,反映了NE-S、NS-S測道公共點(diǎn)A′電極的不穩(wěn)定性。此情況不僅會造成無正常日變,而且在降雨、澆地等情況下會產(chǎn)生不同于正常干擾變化的畸變。如圖8所示,2008年6月23日04:52—12:25降雨,降雨量8mm,該時段只降雨無雷,EW-S、NE-S測道在降雨開始出現(xiàn)突跳,后出現(xiàn)3次緩慢升降變化,而其它4個測道只出現(xiàn)類似圖2的變化(在此不再繪圖),但這并非是降雨造成的實(shí)際影響,疑似EW-S與NE-S測道公共點(diǎn)A′電極產(chǎn)生了不同于其它電極的極化電位,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。此情況有時影響正常日變,1、2天才恢復(fù)正常。理想的參與觀測的一對或一組電極的極化電位比較接近,但實(shí)際上每個電極的極化電位還是存在差異,這種極化電位會隨著周圍與之接觸的介質(zhì)條件的改變而改變,如電化學(xué)極化、濃差極化、電阻極化、電流極化等,由此可見極化電位的一致性對地電場觀測至關(guān)重要。(5)同步錯誤時也有個別測道的錯誤現(xiàn)象大地電場觀測系統(tǒng)主要包括測量電極、避雷裝置、測量儀器以及通信處理系統(tǒng)等主要組成部分,一般的觀測系統(tǒng)故障主要表現(xiàn)為主機(jī)故障,各測道多出現(xiàn)數(shù)據(jù)同步錯誤,較容易判別。但也有個別測道數(shù)據(jù)產(chǎn)生階變、漂移等錯誤現(xiàn)象。例如:某一測道數(shù)據(jù)出現(xiàn)階變,可能是與該測道有關(guān)的芯塊出現(xiàn)故障;有時各測道數(shù)據(jù)在整點(diǎn)時出現(xiàn)臺階,則可能存儲芯塊出現(xiàn)故障(九五儀器);也有2個測道數(shù)據(jù)同時漂移的,例如圖5(a)中提及的06—07時緩慢臺階變化,從變化形態(tài)分析可能與公共點(diǎn)“O”電極不穩(wěn)定有關(guān),但相應(yīng)各短測道數(shù)據(jù)未發(fā)生變化,應(yīng)排除電極問題,很可能為觀測系統(tǒng)(主要為儀器內(nèi)部)不穩(wěn)定所致。3非極性數(shù)據(jù)處理經(jīng)分析昌黎臺大地電場數(shù)據(jù),認(rèn)為主要存在以下5種干擾變化,其特征為:(1)雷電、降雨影響:①緩急程度不同的降雨造成的數(shù)據(jù)離散程度并非完全一致。一般情況下緩緩細(xì)雨或小雨時不會出現(xiàn)大幅數(shù)據(jù)突跳,中等以上降雨或雷電時主要表現(xiàn)為數(shù)據(jù)叢簇出現(xiàn),并伴有高頻的非極性相同的離散型數(shù)據(jù);②不同程度的降雨或雷電都會影響正常日變形態(tài),且各測向長短極距相關(guān)性明顯降低。(2)線路接觸不良:數(shù)據(jù)易發(fā)生非連續(xù)性同向突跳或臺階,長短測道幅度變化差別較大,但同一測道各變幅基本接近,此現(xiàn)象不同于雷雨的無規(guī)則