2021年山東菏澤地電場觀測數據異常識別及干擾排除

申茂正,周銘輝,張 軍,陳亞紅,張繼紅,馮梁樂

(1.山東省地震局菏澤地震監測中心站,山東 菏澤 274000;2.山東省地震局,山東 濟南 250014)

0 引言

地電場是重要的地球物理場之一。根據場源的不同,地電場可分為大地電場和自然電場兩部分。大地電場由地球外部的各種場源作用在地球表面感應產生,一般具有廣域性;自然電場由地下場源產生,是地下介質電性結構、地表、裂隙流體及地下金屬體的物理、化學變化引起的局部性電場變化,一般具有局部性(或稱為地域性)[1-2]。大地電場觀測作為地震前兆監測的重要手段,易受到電暴(磁暴)、人類活動、雷電、降水、觀測系統本身變化(包含更換電極)、電阻率測量、公用接地網等因素干擾,為地震前兆信息的識別帶來困難[3]。

菏澤電磁臺GEF-Ⅱ地電場儀觀測數據于2021年9月至2022年2月出現異常變化,為明確異常出現的原因,開展研究工作。通過巡查觀測區環境、檢查觀測系統及外裝置系統、調用相鄰臺站地電場備機開展試驗等方式,逐步排查,找到引起觀測數據變化的因素。最終排除故障、恢復正常觀測,保證觀測數據的連續性及觀測資料質量。

1 菏澤地電場觀測概況

菏澤地電場采用常用的L型觀測裝置布設,有NS、EW、NW向六條測線,獨立布設電極和線路。具體為:在場地中心點向北和向西布設測線,每個方向均有兩個測道,選取不同極距埋設電極,室內分線組合成六個輸入端進入儀器,形成六個測道為南北向長極距0.350 km、短極距0.200 km,東西向長極距0.350 km、短極距0.200 km,北西向長極距0.495 km、短極距0.283 km[4]。

2015年11月更換為蘭州地震研究所生產的新型固體不極化電極,2016年6月30日至7月5日更換地電場觀測外線路及配電盒。由于電極老化,到達使用年限,于2021年12月16日18時更換為蘭州大地物探研究所生產的LGB-3型不極化電極。電極采用蘭州地震研究所生產的固體不極化電極6個,埋設在地表凍土層以下的潮濕土壤中,深度8 m,各電極基本處于同一平面,電極坑中土質相同[5]。地電場外線均采用鎧裝電纜架空方式敷設,地電場配電盒按照規范要求設置,觀測室內配電盤裝有避雷設施,配電盤和儀器均做接地處理。

2 異常觀測數據分析

菏澤臺地電場各測道觀測數據自2021年9月以來,經常出現錯誤數據,嚴重時一天內有10 h以上的錯誤數據(見圖1)。短極距北南向、東西向觀測數據出現此種情況尤為嚴重,日變幅最高時達到6 548 mV/km-1。同時,各測道測值相關系數也出現大幅度降低,有時為負相關(見圖2)。此情況影響了觀測數據的準確性,為日常前兆觀測資料分析造成極大干擾。為此,2021年12月16日更換LGB-3型不極化電極,之后,觀測數據恢復正常。12月23日后,地電場短極距觀測數據出現間歇性突跳,日變幅最高時達到6 548 mV/km-1(見圖1)。臺站工作人員針對2021年9月及12月更換電極前后出現的觀測數據異常情況,開展現場核實、檢查工作。

圖2 2021年9月至2022年2月地電場測值相關系數Fig.2 Correlation coefficients of geoelectric field measurements from September 2021 to February 2022

2.1 檢查供電線路

出現數據異常后,對觀測樓內供電線路進行檢查測量,發現臺站整個觀測樓內零線帶電,零線對地電壓為200 V左右。經過咨詢,使零線帶電的原因有很多種:線路上有電氣設備漏電,保護裝置未發揮作用;線路上有一相接地,電網中的總保護裝置沒有得到保護;零線斷裂等。

9月10日請專業人員對辦公樓線路進行全面檢查,發現一條火線被老鼠咬斷,維修之后電壓恢復正常,零線帶電情況解決。漏電情況解決后,短極距東西向、南北向觀測數據出現長時段錯誤數據情況仍未好轉,故排除臺站內供電線路漏電原因。

2.2 巡查外裝置系統

對外線路、室內線路接線插頭、外線路絕緣電阻、電極引線與外線路連接處等進行排查發現,電極引線與外線路連接處正常;室內線路接線插頭無虛接現象;外線路外觀正常、無破損及人為破壞情況,利用絕緣電阻測試儀對外線路進行絕緣測試,搖表數值大于200 MΩ,說明外線路絕緣性能良好。由此,排除由外裝置系統故障引起觀測數據異常的情況。

2.3 觀測試驗對比

為判斷是否由觀測儀器故障引起觀測數據異常變化,于2021年9月16日借來乳山臺地電場備機進行對比試驗。試驗之前,對備用儀器進行校準和參數設置,保證試驗時備用儀器與菏澤臺在用儀器處在相同的狀態下進行工作。對比圖1、圖2發現,2021年9月17日以來的觀測數據異常情況沒有明顯改善,相關系數與更換儀器前相比沒有升高。由此判定,菏澤臺在用地電場觀測儀器不存在問題。

2.4 更換地電場電極

從觀測儀器對比測試、觀測線路以及觀測場地等方面檢查結果來看,這些環節均正常,不是引起此次數據異常變化的原因。觀測日志記錄顯示菏澤臺地電場電極上次更換時間為2015年,至今已有六年時間,使用年限已超過固體不極化電極的使用壽命。結合以上試驗及排查情況,為解決觀測數據異常變化的問題,于2021年12月16日對中心點公共長短電極、南北向和東西向長短電極進行更換。對比更換電極前后原始數據曲線、日相關系數和差值看出,相關系數和差值在更換電極后明顯提高,觀測數據質量得到明顯改善(見表1、表2)。

表1 更換電極前后測值日相關系數Table 1 Daily correlation coefficients before and after electrode replacement

表2 更換電極前后測值日差值Table 2 Daily differences in measurements before and after electrode replacement

2.5 公共電極及外線路檢查

菏澤地電臺GEF-Ⅱ地電場儀觀測數據自2021年12月16日18時更換電極后觀測數據一直正常,但從23日開始,短極距東西向、南北向觀測數據出現畸變、錯誤數據,短極距北西向觀測數據正常,判斷可能是中心點公共短電極、外線路、閘刀、儀器內部公共短測道的問題。經過和山東省地震局專家論證后,決定對電極以及外線路分別進行測試。

(1) 12月26日在室內配線盤,斷開中心點公共短電極,引入室內的公共短電極外線路,把儀器端中心點公共短電極測量線并接到中心點公共長電極測量線上。在測量長、短極距南北向、東西向數據時,共用中心點公共長極距外線路及公共長電極。

(2) 在26日試驗基礎上,27日在野外中心點公共電極處,斷開公共長電極與外線路的連接,用中心點公共長電極外線路連接中心點公共短電極。在測量長、短極距南北向、東西向觀測數據時,共用中心點公共長電極外線路及中心點公共短電極。

(3) 兩次試驗包含對中心點公共長電極、公共短電極、公共長電極外線路的檢測,對比前后的觀測數據(見表3、表4),未發現明顯變化,說明試驗中包含的電極和外線路不存在問題。初步判定故障點可能出現在中心點公共短電極外線路及外線路與電極連接線處的閘刀之間。

表3 檢查前后測值日相關系數Table 3 Correlation coefficients of measurements before and after investigation

表4 檢查前后測值日差值Table 4 Daily differences in measurements before and after investigation

(4) 確定故障點后,巡查中心點短電極外線路及外線路與電極連接線處的閘刀。中心點短極距外線路外觀無破損情況,通過絕緣電阻測試儀對該外線路對地絕緣電阻進行測試,接近無窮大,表明外線路無故障;檢查發現中心點公共短電極引線與外線路連線閘刀處由于更換公共短電極引線時操作不當,導致閘刀出現問題,使得外線路與中心點公共短電極引線接觸不良,將外線路與該電極引線避開閘刀進行直連后,觀測數據恢復正常。

3 結論與討論

菏澤臺地電場觀測數據出現異常變化后,臺站工作人員結合異常特征,從觀測儀器、外裝置系統、更換電極和公共點對比實驗等多方面進行綜合研判,最終確定造成觀測數據異常變化的原因為電極老化和外線路與公共短電極引線處的閘刀接觸不良所致,排除地球物理場異常變化。

菏澤地電臺地電場布極區位于農田,受到的自然條件及人為干擾因素較多,主要受農田機械作業、農田灌溉、灌溉設備漏電、高壓直流輸電、地電暴等因素影響。異常落實工作應在異常數據出現后,通過分析異常數據形態,初步確定產生異常的原因,制定具體的異常落實方案和措施。如果地電場所有測道的觀測數據在同一時間都記錄到干擾,可以考慮地電暴、高壓直流輸電、降雨、雷電等因素的影響;如果是個別測道或者兩個測道的觀測數據出現異常變化,要分析兩個測道共用的電極,大致確定排查干擾的方向,避免盲目地進行異常核實而延長數據異常時間,耽誤震前異常信息的捕捉。

感謝山東省地震局張繼紅研究員和中國地震局席繼樓研究員給予的幫助與指導!