辛建村,齐银峰,杨婉婷,颜文华,冯红武
(陕西省地震局, 陕西 西安 710068)
地电场是重要的地球物理场,也是进行地震监测预报的重要手段之一。近年来伴随着城镇化快速发展,其观测环境受到的各种干扰也日益增多,较常见的有城市轨道交通、高压直流输电线路、厂矿企业等,此外还有磁暴引起的地电暴干扰、同场地地电阻率观测人工供电干扰等。这些干扰源都或多或少的影响了大多数地电场的日常观测,同时也对以往的数据分析处理方法[1-13]带来了新的考验。
地电场观测数据包含了大地电场、自然电场和干扰成分[14]。在多种典型干扰中,地电场观测数据波形表现复杂且变化无规则,应用常规方法一般可识别干扰,而对观测资料的应用、地震异常信息的提取识别等仍有很大困难。根据大地电场岩体裂隙模型[15-16],大地电场峰谷型日变波形来源于固体潮汐和空间Sq电流变化,在固体潮汐作用下,岩石裂隙水以日为周期往返渗流,或在Sq电流电磁感应下,裂隙水中电荷以日为周期沿裂隙往返移动,由此形成大地电场日变波形[4]。基于FFT谐波分析方法,对每日观测数据进行处理,按周期大小排列,前10阶谐波周期分别为24 h、12 h、8 h、6 h、4.8 h、4 h、3.4 h、3 h、2.7 h、2.4 h,这些谐波称为潮汐谐波[4,17]。前5阶谐波振幅远大于其他高阶谐波,其振幅和基本构成了日变波形主体,前10阶谐波振幅和可表示日变波幅度大小[16]。应用地电场两个测向观测数据前10阶谐波振幅和计算场地大地电场优势方位角α,因其计算方法及取值特点,理论上α受干扰影响可能小。作者曾以平凉台为例,模拟一些典型干扰加载到观测数据中,结果表明α在一定条件下受干扰影响确实较小[18]。
目前,实际观测场地周边出现高压直流输电、地电暴、地电阻率观测人工供电、城市轨道交通等干扰日益严重,探索大地电场优势方位角α方法在这些情况下的应用可能存在必要性。本文选取陵阳等13个观测系统较好、日变波形清晰的典型地电场台站,分析了多种典型干扰下这些场地α变化特点。同时,通过2018年9月陕西宁强MS5.3震例分析,表明复杂电磁环境下获取α强震前兆异常信息仍存在可能。
基于大地电场岩体裂隙水(电荷)渗流(移动)模型,在NS向、NW向地电场数据相关性高时,大地电场优势方位角(即裂隙优势方位角,α代表北偏东角度,若为负表示北偏西角度)计算公式如下[19]:
(1)
式中:Ai是第i阶潮汐谐波振幅,计算中应用周期分别为24 h、12 h、8 h、6 h、4.8 h、4 h、3.4 h、3 h、2.7 h、2.4 h的谐波振幅和。需指出,当应用其他方位组合计算时,式(1)需做相应调整。
1.1 高压直流输电干扰和地电暴干扰
在高压直流输电中,供电正常时电流基本上都从两条架空线路经过,一旦出现故障后,会出现很大的不平衡电流,要通过接地极的入地电流来达到平衡,这会对线路两侧台站的地磁观测和电场观测造成干扰,这种干扰称之为高压直流干扰。一般说来,不平衡电流对电场影响较大,对磁场影响主要表现在垂直分量Z上,而对水平分量H和磁偏角D干扰较小,甚至没有干扰[20]。
1.1.1 郯庐断裂带南段附近地电场台站
图1(a)是郯庐断裂带南段附近高压直流输电锡泰线及周边地电场台分布图。图1(b)是2018年4月陵阳台NS向地电场波形,其日变波形表现出清晰的峰谷形态,属于典型的TGF-A潮汐波[4]。陵阳台在4月1、3、4、5、25日分别受到锡泰线高压直流故障干扰,受干扰期间出现方波型突跳。图1(c)是同时间段陵阳地磁台水平分量H曲线,可看出高压直流干扰期间,只有5日的锡泰线故障干扰对H有较明显影响。10日和20日地磁场H分量出现了扰动,同时段观测到的K指数分别达到了4和5[图1(d)],地电场波形出现了明显的高频突跳。图1(e)是基于大地电场岩体裂隙水(电荷)渗流(移动)模型,应用公式(1)计算的陵阳台大地电场优势方位角α曲线。方位角α的变化量Δα≤10°,其岩体裂隙可能处于发育较好阶段[19],可看出高压直流输电故障干扰和地电暴干扰对方位角α计算基本没有影响。
图1 陵阳台波形及方位角(2018年4月)Fig.1 The waveforms and azimuth of Lingyang station (April,2018)
在郯庐断裂带南段周边,江苏高邮和海安、安徽嘉山等台在2018年4月同样受到高压直流输电干扰。其中,在4月1、3、4、5、25日受到锡泰线高压直流故障干扰;13、26日受到锦苏线高压直流输电故障干扰;17日受到溪浙线高压直流输电故障干扰。图2是这3个台地电场波形及优势方位角α变化曲线。
图2(a),(c),(e)中,上述几次高压直流干扰都导致地电场E波形出现了方波型突跳,持续时间在几十分钟到数小时左右。无论4月10、20日地磁场相对剧烈的扰动、还是1、3、4、5、13、17、25、26日几条直流输电线干扰,高邮、海安、嘉山台的大地电场优势方位角α均没有对应的剧烈变化,都处于各台优势方位角正常的变化范围内[图2(b),(d),(f)]。
1.1.2 西北和华北地区地电场台站
一种与1.1.1节类似的地电场波形,其近正弦波形仅在午前午后(6:00—18:00)出现,其他时间段数据曲线平稳,出现这种波形的场地大多数位于岩石含水度高、透水性强、覆盖层厚的区域[4],根据以往的研究西北和华北地区更易出现这种波形。
高压直流输电哈郑线及其周边地电场台站分布如图3所示。图4(a)～(d)是西北地区的瓜州、银川台在2018年4月的地电场波形及方位角,其中7、18、19日哈郑线高压直流故障干扰对瓜州台干扰较大,银川台距离哈郑线相对较远,受干扰小,可看出高压直流故障干扰对方位角计算影响不明显。
需说明21日瓜州台观测区农机作业、19日银川台安装调试空调对方位角计算有影响。
华北地区应城、大柏舍台的地电场波形及方位角如图4(e)～(h)所示。应城台2018年6月13、16日受三常线高压直流故障干扰,21、22、30日受葛上线高压直流故障干扰,18日受到最大K指数为5的地电暴干扰,可看出高压直流输电故障和地电暴对方位角α影响不明显(29日标定仪器,17:17—18:08缺数,故这一天的方位角未计算)。
图2 高邮、海安、嘉山地电场波形及方位角(2018年4月)Fig.2 Waveform and azimuth of Gaoyou, Hai"an, and Jiashan geoelectric fields (April,2018)
图3 哈郑线周边地电场台站分布图Fig.3 Distribution map of geoelectric field stations around Hami-Zhengzhou Line
大柏舍台2019年4月23、24日受哈郑线高压直流故障干扰,28、29日受晋南线高压直流故障干扰,可看出高压直流故障干扰对方位角计算基本没有影响。需说明本月最大K指数为4。
1.2 地电阻率观测人工供电干扰
蒙城台2018年4月5—15日地电场波形及方位角如图5(a),(b)所示,5、7日分别受锡泰线、哈郑线高压直流输电故障干扰,10日22:30仪器时钟错误,重启后数据丢失,故缺数。11日、12日发生地电阻率观测人工供电干扰,导致每隔1小时出现5分钟左右直流脉冲,压制了正常波形变化曲线。可看出地电阻率观测人工供电干扰对场地方位角α计算基本没有影响,高压直流输电干扰和地电暴干扰也基本没有影响。
乾陵台9月3日4:00—12:00地电场仪器主机出现时钟错乱,引起地电阻率观测人工供电干扰,导致观测数据每隔1小时有数分钟较大幅度突跳,校对仪器时钟后,数据恢复正常[图5(c)]。9月3日出现的地电阻率观测人工供电干扰对方位角α没有明显影响[图5(d)]。需说明,9月2日计算的α方位角出现30°左右的变幅,可能和EW向和N45°W测向出现的方波型突跳有关的,目前对该突跳的原因尚不明确,这里不进行分析。
1.3 城市轨道交通干扰
2019年6月23日,兰州轨道交通1号线正式开通试运营。兰州地电场台距离1号线约5 km,地铁开通前(2019-01-17—26)、开通后(2019-06-19—28)地电场曲线如图6(a),(b)所示,地铁正式运营后,每日6:00—23:00对地电场观测产生日复一日的干扰,严重影响了地电场观测质量。开通前方位角变化范围10°≤α≤36°,开通后方位角变化范围17°≤α≤35°,这说明地铁干扰对兰州台方位角α的突跳范围影响不明显[图6(c)]。
图4 西北和华北典型台站地电场及方位角Fig.4 Geoelectric fields and azimuths of typical stations in Northwest and North China
图5 蒙城和乾陵台日变波形及方位角Fig.5 Diurnal waveform and azimuth of Mengcheng and Qianling stations
图6 兰州、成都台地铁干扰Fig.6 Metro interference in Lanzhou and Chengdu stations
2013年6月开始运行的地铁2号线距离成都台约26 km,对该台地电场观测造成了很大干扰,使得地电场数据每日6:00—23:30时段出现高频脉冲现象。图6(d),(e)是地铁2号线开通前(2012-01-05—14)、开通后(2014-01-21—30)成都台观测曲线,开通前方位角Δα≤20°,开通后Δα也在此变化范围[图6(f)],这说明地铁干扰对成都台方位角α突跳范围影响不明显。
宝德线高压直流输电线路及周边台站分布如图7(a)所示,凤翔地电场台距离宝德线高压直流输电线路约111 km,2019年4月30日—5月8日宝德线高压直流输电线路连续多日调试,调试期间凤翔台地电场波形出现了方波型突跳[图7(b)],其干扰幅度达到原始波形5倍以上。图 7(d)是该台2019年1—6月大地电场方位角α,可看出受此干扰影响明显。乾陵台距离宝德线约90 km,图7(c)是乾陵台地电场波形,其干扰幅度不到原始波形的1倍,方位角α受此干扰影响不明显[图7(e)]。
可见,2019年4月30日—5月8日宝德线高压直流输电线路连续多日调试,使凤翔、乾陵场地的地电场分别受到了不同程度的干扰。其中,凤翔台地电场受干扰严重,大地电场方位角α计算结果受影响大;乾陵台地电场受干扰相对小,大地电场方位角α计算结果受影响小。
2018年9月12日陕西宁强发生MS5.3地震,图8计算了2017年—2018年9月15日距离震中约160 km的江油台、281 km的周至台、87 km的汉王台大地电场优势方位角。其中,汉王、周至环境或装置复杂,测区周围存在一定干扰,但这三个台站方位角α震前3个月仍有较明显的准同步异常,这表明复杂环境中计算方位角α对开展地电场短临预测研究可能有应用价值。
图7 宝德线对凤翔和乾陵台的影响Fig.7 The impact of Baoji-Deyang Line on Fengxiang and Qianling stations
图8 江油、汉王、周至台方位角α(2017-01-01—2018-09-15)Fig.8 Azimuths α of Jiangyou,Hanwang, and Zhouzhi stations (2017-01-01—2018-09-15)
高压直流输电故障、地电暴、地电阻率观测人工供电、地铁等可能会给地电场观测带来严重干扰,这对观测资料的应用、地震异常信息的提取识别等造成了困难。地电场优势方位角方法中,一是采取了抽取特定信号分析,这些信号基本是 FFT前10 阶频率固定的谐波;二是计算方位角过程中应用了两个方位谐波振幅和的比值,这两个步骤明显降低了环境干扰对优势方位角计算结果的影响[19]。基于大地电场岩体裂隙水(电荷)渗流(移动)模型,本文分析了陵阳、瓜州等13个地电场台在这些干扰中场地优势方位角的变化情况,初步得到以下结论:
(1) 高压直流输电故障、地电暴、地电阻率观测人工供电、地铁等是地电场观测中常见的典型干扰,在这些干扰不特别严重时,其对实际观测中大地电场优势方位角计算的影响不明显。
(2) 高压直流输电故障对线路附近台站地电场观测的影响日益严重,当这种干扰持续时间长、强度大时,可能对大地电场优势方位角计算带来较明显影响。
通过对2018年9月陕西宁强MS5.3震例分析,表明在复杂的电磁环境中,大地电场优势方位角仍可能在中强地震前表现出较明显异常。地电场观测易受周围或局部电磁环境影响,对数据应用带来了很大困扰,优势方位角计算受这些干扰影响相对较小,对地电场数据应用可能有一定参考意义,但其在地震预测中的应用尚需要更多研究。
致谢:江苏、安徽、宁夏、湖北、河北、四川、陕西、甘肃等省地震局为本项研究提供了地电场数据,作者在此表示衷心的感谢。
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