史红军，赵卫星，李 宁，朱伟楠，王卓识

（榆树地震台，吉林 长春 130400）

0 引言

在地震地电观测中，观测仪器，尤其是数字化观测仪器记录到的信息，既包含着有用的前兆信息，又隐藏着许多干扰信息，对分析预报人员而言，首先需要甄别、排除这些干扰信息。目前，关于地电阻率、地电场观测中干扰因素的识别、排除的研究较多，如张磊等对观测环境变化、直流用电系统等对地电阻率观测产生的干扰进行分析和调研后，研究了各类干扰产生的原因及识别方法，并对地电阻率观测抑制干扰的技术和方法提出了相应的建议[1]；解滔等对地埋钢缆对地电阻率产生的干扰进行了定量分析[2]；张世中等对地电台站受城市轨道交通干扰进行了测试分析，并研究出抗干扰措施[3]；唐波等分析了直流输电线路干扰地电阻率观测的原因，探讨了减小直流输电线路对地电阻率观测干扰的方法[4]；林向东等对与地震无关，包括测区环境变化、观测系统本身变化等引起地电场数据变化的特征以及物理原理进行了分析与探讨[5]；文献6 对地电场观测过程中存在的地电阻率同场观测干扰、雷电干扰、电极长期稳定性问题引起的数据漂移及数据传输错误等进行了分析，提出了识别不同干扰的方法；方炜等分析了高压直流输电对地电场观测的影响[7]；王同利等分析了北京地区多年来的地电场观测数据受城市轨道交通干扰的情况[8]；席继楼等提出了地电场观测中的工频干扰抑制方法[9]。上述干扰因素多限于单台或不同台站间的单一观测，而对于同一台站同场址两套观测系统间的比对观测却未涉及。对同一台站同场址两套观测系统产出的数据进行比对分析，将更有利于地电观测中的干扰因素的甄别，对同一干扰因素的判定也更具有说服力。

1 台站概况

榆树台所处大地构造位置为东北断块区松辽断陷沉降带东部隆起区，位于北东向伊通—舒兰、四平—长春两个深大断裂带北延部分的中间地带，卡岔河断裂西侧2.5 公里平原地区[10]。第四系盖层较厚，一般为70～90 m，基底为巨厚白垩系、侏罗系泥岩页岩及粉砂岩，台址基岩为粉砂岩。榆树台台址电测深方位为N52°E、N75°E 和N37°W，电测深曲线（图1）类型为HKH 型，电性剖面视为松辽平原标准电性剖面[11]。

图1 榆树台电测深双对数坐标曲线图Fig.1 The double logarithmic coordinate diagram of Yushu Seismic Station

按照中国地震背景场探测项目的整体部署和要求，榆树台于2013 年完成背景场项目暨地电阻率、地电场改（扩）建项目各1 个，新建成的背景场项目与原来观测的地电场、地电阻率并址观测，于2013 年10 月产出数据，并于2014 年1 月正式运行。两套观测系统、测量系统布设情况见表1。ZD8M 地电仪在保持ZD8BI地电仪先进性能的基础上，配备了ZD8T 装置检查仪可进行外线路的自动查漏电检查①北京震苑迪安防灾技术研究中心、中国地震局地壳应力研究所.2012.ZD8M 地电阻率仪使用说明书.北京：中国地震局地壳应力研究所，2012.；ZD9A-II 地电场仪为分钟采样，而ZD9A-2B 地电场仪则为秒采样，将每秒中测量得到的所有数据进行干扰分析、数据处理等工作后得到分钟值数据②中国地震局地震预测研究所、北京陆洋科技开发公司.2012.ZD9A-2B 地电场仪使用说明书：北京：中国地震局地震预测研究所，2012.。两台套不同的观测系统和测量系统并址运行观测，近3 年的产出资料，为地电观测数据的比对分析提供了可能。

表1 榆树地震台地电观测系统和测量系统

2 干扰判定分析

2.1 场地干扰判定分析

2014 年8 月4—6 日，原系统和背景场地电阻率观测N45°W 向地电阻率观测数据出现同步突跳变化（图2），数据最大变化幅度高达1.81%。两套观测系统均是N45°W 向地电阻率观测数据出现变化，并且在时间上同步，可以直接排除仪器、线路原因，最可能的原因就是N45°W 向观测场地附近存在同一干扰源。巡视发现，距N45°W 向A4 供电极105 m 处的粮食收储企业正在进行电焊作业，其作业时间与地电阻率观测数据变化时间完全吻合。

图2 榆树台N45°W 向地电阻率小时值曲线（2015.08.01—08.31）Fig.2 The curves of hourly value of earth resistivity in N45°W of Yushu Seismic Station（2015.08.01-08.31）

由图2 可见，两台观测系统的地电阻率测值基准值存在明显差异，计算结果显示，原系统测值基准值较背景场测值基准值高出1.62 Ω·m，分析认为，系2003 年11 月初原系统地电阻率改造，同一方位上的一对测量极均向相同方向引出25 m 埋设，由于场地条件限制，测量极相对位置改变引起装置系数K 值变化，从而导致改造后N45°E 向、N45°W 向地电阻率较改造前分别上升2.18 Ωm、1.61 Ω·m[12]。N45°W 向原系统测值基准值较背景场测值基准值高出1.62 Ω·m，与原系统改造后基值上升1.61 Ω·m 基本一致。

地电阻率的观测系统采用对称四极法（AMNB），其装置原理如图3 所示[13]。图中A、B为供电极，M、N 为测量极，E 为供电电源，KM 为供电开关。其测量方法是：供电电源E通过A、B 供电极向地下供直流电，测定供电电流强度I 和测量极M、N 之间人工电场的电位差ΔV，根据式（1）计算出地电阻率ρs值：

式中，K 为装置系数。

图3 地电阻率测量原理图Fig.3 The schematic diagram of earth resistivity measurement

图4 地电阻率测量中叠加电场示意图Fig.4 The sketch map of superimposed electric field in ground resistivity measurement

由图3 可知，在地电阻率正常观测时，供电极附近的电焊作业，相当于叠加一供电电源E′，其产生叠加电位差ΔV′，如图4 所示。

由式（1），可推导得出关于测量极M、N之间人工电场的电位差ΔV 公式：

对两台地电仪实时观测数据进行统计，原系统地电阻率观测，其N45°W 向供电电流为2.010 A，人工电场的电位差为46.95～47.30 mV，而背景场地电阻率观测，其N45°W 向供电电流为2.009A，人工电场的电位差为45.15～45.38mV。场地干扰期间，原系统地电阻率观测、背景场地电阻率观测地电阻率实测值最大分别达到45.20 Ω·m、44.26 Ω·m，由式（2），在供电电流保持不变的情况下，估算出相应的人工电场的电位差分别为48.20 mV、47.20 mV，较正常观测时的最大人工电场的电位差至少高出0.90mV、1.82 mV。再由式（1）可知，正是这部分叠加的电位差造成了地电阻率ρs值的突跳变化。

2.2 降雨干扰分析

在日常观测中，记录到的地电数据既包含了地震前兆信息，也包含了各种干扰信息，大气降水即为干扰因素之一[14]。受本身台址条件的限制，榆树台地电阻率电极埋深为2.5 m，观测深度较浅，因此观测值同样受到降水这一气象因素的影响。

2015 年8 月17 日，原系统、背景场地电阻率观测N45°E 向地电阻率数据出现快速同步下降（图5），原系统地电阻率数据下降幅度最大，达到0.51%。考虑到原系统、背景场地电阻率观测同是N45°E 向地电阻率数据出现变化，并且同步，故可以初步排除仪器和线路原因，但进行场地和测区环境巡视检查时未发现明显异常情况。调取台站气象资料，发现8 月16—18 日大到暴雨，3 天降雨量达到68 mm，最大日降雨量为30.5 mm，出现在16 日，而原系统、背景场地电阻率观测N45°E 向地电阻率数据的下降刚好出现在此之后。因此，可以判定原系统、背景场地电阻率观测N45°E 向的地电阻率数据变化正是受此次降雨影响所致。由图5 可见，降雨对地电阻率数据产生即时影响的同时，还产生了滞后效应。

图5 榆树台地电阻率与降雨量对比图（2015.07.01—09.30）Fig.5 The contrast diagram of resistivity and rainfall in Yushu Seismic Station（2015.07.01—09.30）

对近三年降雨季节地电阻率实测值进行统计，发现大到暴雨（日降雨量在50 mm 以上）会对地电阻率测值产生即时影响，即降雨后引起同测向原系统、背景场地电阻率观测的地电阻率观测值下降，变化幅度为0.3～0.54%；地电阻率观测值下降后，短则3～5 天，多则1～2月，才恢复到下降前的数值，表现为降雨的滞后效应。

2.3 雷电干扰分析

一般情况下，地电场高频变化的场源是对流层中的雷电，周期为10/10000～1s[15]，主要是雷电改变了区域的电场分布环境。在出现雷雨天气的情况下，雷电通常离得较近，在放电的瞬间，引起数据变化幅度也较大，持续时间也相对较长。雷电期间地电场变化特征为：观测数据离散度较大，特别是在放电期间，数据呈现典型的畸变，幅度可达100 mV/km，远远大于正常时段的地电场日变化幅度[16]。

2015 年8 月17—18 日，原系统、背景场地电场多测道观测数据出现近乎同步的突跳或阶跃变化（图6），背景场地电场观测数据变化幅度为10～18 mV/km，原系统地电场观测数据变化幅度高达70 mV/km，均远大于地电场正常日变幅度。经对测量仪器、测量线路检查，未发现问题；巡视检查测区环境和观测场地，未发现明显异常情况；调查台站气象资料，8 月16—18 日大到暴雨，尽管3 天的降雨量达到68 mm，但仍然可以排除降雨影响——数据出现变化的时间为8 月17 日21 时16 分至8 月18 日04 时04 分，而最大日降雨量30.5 mm 的降雨出现在8 月16 日。进一步调查发现，8 月16—18 日大到暴雨期间，伴随有雷电，强雷电集中出现的时间在8 月17 日21 时左右至8 月18 日凌晨，这一时间段与原系统、背景场地电场观测数据发生变化的时间段相吻合。故判断8 月17—18日原系统、背景场地电场观测数据出现的同步的突跳或阶跃变化受雷电干扰所致。

图6 榆树台地电场受雷电干扰变化曲线图Fig.6 The variation curves of electric field under lightning interference at Yushu Seismic Station

进一步统计发现，无论是原系统地电场观测，还是背景场地电场观测，强雷电期间，两台地电场仪多测道观测数据近乎同步出现明显的突跳或阶跃变化，数据呈现畸变，一般持续几十分钟至几小时，最大变化幅度达十几至上百mV/km，远大于正常时段的地电场日变化幅度。

3 地电扰动分析

在地电场日常观测中，经常会记录到地电扰动变化，但观测人员，尤其是观测时间较短、又没有地磁测项的地电场台站观测人员，并不能准确识别地电扰动变化，尤其是地电暴变化[17]。2015 年6 月22 日00 时38 分至6 月25 日23时46 分，原系统、背景场地电场各测道观测数据记录到明显的扰动变化（图7），原系统地电场观测数据最大变化幅度为14.60 mV/km，背景场地电场观测数据最大变化幅度为45.15 mV/km。这些数据变化在时间上同步，并且出现在原系统地电场和背景场地电场的所有测道，可以初步排除测量仪器、测量线路原因；经巡视检查测区环境，未发现没有巡查情况。经调查，这期间有地电扰动活动，最大地磁K 指数为7，出现于6 月23 日，属于典型的地电暴变化。

图7 榆树台地电场地电暴变化曲线图Fig.7 The curves of geoelectric storm of electric field at Yushu Seismic Station

对近三年地磁K 指数≥6 期间地电场数据进行统计，发现原系统地电场观测、背景场地电场观测的地电场各测道观测数据都出现明显的扰动变化，数据变化幅度在十几至几十mV/km，略有差异，但数据变化的初始时间、结束时间完全相同，持续时间十几小时至几天。

4 结论

同一台站地电阻率、地电场各两套观测系统并址运行观测，记录到的信息具有同源性，对于干扰信息，由于在时间上具有同步性，在变化形态上具有相似性，更有利于干扰的识别、判断。降雨对地电阻率的干扰，一般会在两套不同观测系统的同一方向同时出现，在产生即时影响的同时，还会产生迟滞效应；强雷电期间和地磁K 指数≥6 期间，地电场观测数据尽管都会出现近乎同步的扰动或畸变，但强雷电干扰并不一定出现在所有测道，一般持续几十分钟至几小时，而地电场所有测道都会记录到地电暴变化，持续时间达到十几小时至几天。同一台站比对观测，对地电观测中的干扰因素的甄别、判定亦是一种有效的尝试。