電極埋深對地電場觀測數據的影響分析
——以都蘭地震臺為例

白永禎,羅賓生,趙玉紅,盧嘉沁,楊開來,文勇

(1.青海省地震局西寧地震監測中心站,青海 西寧 810001;2.青海省地震局,青海 西寧 810005;3.青海省地震局海西地震監測中心站,青海 都蘭 816100)

0 引 言

地電場是重要的地球物理場,其主要研究對象是地球表層天然電場及其隨時間的變化[1]。其觀測對象包括大地電場以及自然產生的電場。大地電場指的是在外空磁場影響下形成的二次電場,具有廣域性;自然電場指的是由地球內部的各種元素所產生的電場,具有明顯的局部性[2]。眾多研究表明,地震前地電場異?，F象是客觀存在,也是地震地球物理觀測的重要組成部分,在地震預報中的支撐作用不可忽視[3-5]。

目前,青海擁有5個地電場觀測點,它們分布在都蘭、大武、金銀灘、白水河和門源地區。至今為止,上述觀測站大多數已經累計了不少于五年的觀測數據。大武與都蘭地電場是最早被觀測到的地方之一。在瑪多7.4級、阿克塞5.5級等地震發生之前,都蘭臺觀測到的地電場長極距北南向曾出現大幅下降變化。然而,地電場的觀測受到了區域電磁環境、場地狀況、觀測設備和儀器以及氣候條件等多種因素的影響[6],導致近幾年青海地區地電場觀測中出現了強降雨、游散電流等干擾對數據的影響,從而地電場的震前異常信號容易被此類干擾所淹沒,造成數據資源的極大浪費。為了解決此類干擾,提出了埋深電極的試驗方案。試驗場地選擇了觀測資料積累時間較長、震前多次出現異常變化的都蘭地電場,開展了不同深度埋深電極的對比觀測試驗。

本文利用深、淺埋電極產出穩定的觀測數據,根據其數據正常變化形態趨勢,分析計算其相關系數、差值,得出電極埋深對地電場觀測數據的影響,從而判斷埋深電極方案是否能夠有效避免地電場觀測干擾。

1 基本情況

1.1 臺站基本情況

都蘭地電場始建于2007年5月,2008年1月1日開始正式投入使用,后由于觀測數據受到觀測環境的嚴重干擾,進行了搬遷重建改造,自2014年11月搬遷至今,裝置系統穩定,運行正常。臺站海拔3 815 m,觀測場地位于都蘭縣東部地勢平整的草灘上,觀測區域環境較穩定,周圍無民居或其他建筑,適合地電場觀測。該觀測點地處可可西里—巴顏喀拉、柴達木兩個大地震帶之間,地震活動不但頻繁,而且強度高,是破壞性地震的多發地區[7]。圖1為青海地區地電場觀測臺站分布圖。

圖1 青海地區地電場觀測臺站分布

1.2 電極埋深試驗方案與實施

都蘭地電場臺原電極使用7年以上,為了提升觀測效能,利用青海地震臺—都蘭地電場電極更新項目,將同型號電極埋分別埋深5 m和2 m,由于原觀測在正常觀測中,為了保證原觀測數據的連續率,此次施工不改變原來的布極方式(圖2),表1為都蘭地電場不同埋深電極的基本信息。

表1 都蘭地電場不同埋深電極的觀測基本信息

(1)淺埋電極和深埋電極均采用鉆孔埋設。在原電極兩側分別鉆孔埋設深5 m和2 m的新電極,與原電極水平距離2 m,均采用LGB-3固體不極化電極。極距比例成正比,保持埋設的電極處于同一個水平面上(圖3)。

圖3 電極埋設方式

(2)兩套電極外線路均采用2×6 mm2鎧裝電纜連接,外線路架設前,用兆歐表進行絕緣檢測,符合要求再投入使用。外線接頭處做好絕緣及防水處理。電纜采用地埋方式敷設。供電系統也采用原有臺站的供電系統。儀器接地線采用原有臺站的地線。

(3)數采安裝在原來的觀測室中,線路連接保證不影響原來觀測系統的正常運行。

2 數據分析

本文選取都蘭地電場埋深電極試驗后的觀測資料,2023年8月開始產出數據較為穩定,因此計算2023年8月1日～2023年10月31日原始動態曲線、相關系數及差值進行對比分析。通過從日變形態、相關系數以及差值方面來進行評判地電場觀測數據質量。

2.1 日變形態

為了更準確的識別出大地電場的干擾因素,就需要研究其正常的變化形態,日變化是以一個太陽日為周期且依賴于地方時的變化,在地球自轉的過程中,由于太陽位置的持續變化,在測點上方電離層等離子體內形成周期性電流變化,可在地球表面誘導形成有一定規律的地電場,其周期為1天[8]。日常地震監測時,采用地電場日變化分析其與地震之間的聯系[9]。

從圖4中可以清晰地觀察到深埋電極和原電極在10月24～25日的日變形態,能夠明顯展現出“兩峰一谷”的特征。此外,在多個連續的日變形態中,它們近似呈現正弦曲線的形態。根據峰值和谷值出現的時間點來看,深埋電極與原電極幾乎是同步進行的,在早上7時左右和下午16時左右分別出現一個峰值,并且在中午12點左右出現一個谷值。然而,淺埋電極只有部分幾天在早上7時左右出現一個峰值,并且在晚上20時出現一個谷值,其時間點不同步。此外,在記錄了10月21日至23日期間發生地電暴(K=5)事件后發現,地球物理事件如地電暴和地電擾動在這三種類型的電極上表現基本一致,并且淺埋電極振幅較其他兩種類型的振幅要小。

圖4 都蘭地電場深、淺埋電極及原電極觀測日變形態對比

2.2 相關系數與差值

相關系數的計算公式為:

(1)

(2)

差值的計算公式為:

(3)

(4)

根據以上理論,計算了2023年8月至10月期間觀測數據的相關系數和差值,表2為日相關系數及差值日均值統計表。

表2 地電場相關系數及差值均值統計

從深、淺埋電極及原電極的相關系數、差值計算結果可以看出:

(1)深、淺埋電極及原電極的相關系數相當,均在0.995以上,說明此次深、淺埋電極對相關系數上影響不大,可能跟此次試驗深度(2 m與5 m)未達到一個量級上的變化有關。

(2)深埋電極差值相對最小,均值基本在控制在0.06 mV/km左右,原電極在0.08 mV/km左右,而淺埋電極差值均值快接近1 mV/km左右,說明淺埋電極同一方向的觀測數據變化幅度存在一定的漂移現象,而深埋電極具有較高的穩定性。這又意味著淺埋電極的觀測數據易淹沒日變化,從而造成前兆信號提取困難。

3 結 語

通過對電極不同深度埋深試驗得出的觀測數據進行對比分析,可得到以下結論:

(1)從相關系數和差值角度分析得知,當埋深深度達不到一個量級對比時,相關系數方面影響不是很明顯,但是差值方面就顯得比較明顯,深埋電極差值明顯小于淺埋電極,意味著深埋電極產出的數據相對穩定,日變化不被輕易淹沒,從而可更好的提取微弱的地震電信號。

(2)從日變形態來看,都蘭地電場日變形態呈現為兩峰一谷,并發現深埋電極表現日變化形態更加清晰,可以分析為電極埋深越深,我們測得的自然電場成份占比就越大,大地電場主要是太陽各種電流體系在地球內部所產生的感應電場,隨著埋深的增加大地電場的感應電場就會減小,故深埋電極記錄的日變形態清晰度優于淺埋電極。清晰的日變化形態能為預報人員在判斷異常數據是否是前兆信號時提供有力依據。

(3)都蘭地電場觀測系統穩定,包括觀測場地環境保持較好,儀器工作穩定,有了新架設的兩套新電極加原有的電極產出的數據,我們可以在日常工作中做對比分析,在判斷數據異常方面能起到重要作用。