尹天杰 赵桂宝 孙亮亮 张明明

摘 要：通过对安徽省蒙城和嘉山两个地电场台站的大地电场分钟值资料进行分析，发现安徽省地电场的日变形态较为清晰，呈现出“双峰单谷”或者“单峰双谷”的变化形态;同一方向不同极距变化形态及相位一致，嘉山台日变形态较蒙城台更为平滑;地电场日变化形态特征与地磁场相似，但地磁场日变化形态较为平缓，且地电场相位对比地磁场而言较为滞后;磁暴发生时，地电场有较为灵敏的响应;高压直流输电线路故障是近年来影响地电场日变形态最主要的干扰之一。

关键词：地电场;日变化;地磁场;地电暴;高压直流输电

中图分类号：P319.3文献标识码：A文章编号：1003-5168（2021）16-0138-03

Abstract： Based on the analysis of the minute value data of the geoelectric field at the Mengcheng and Jiashan geoelectric field stations in Anhui Province， it is found that the diurnal variation of the geoelectric field in Anhui is relatively clear， showing the change of double peaks and single valleys or single peaks and double valleys. Shape; the same direction and different pole distances change shape and phase are the same， the daily variation of Jiashan station is smoother than that of Mengcheng station; the characteristics of the diurnal variation of the geoelectric field are similar to the geomagnetic field， but the diurnal variation of the geomagnetic field is more gentle， and the phase compared with the geomagnetic field， it lags behind; when a magnetic storm occurs， the geoelectric field has a more sensitive response; the failure of high-voltage direct current transmission lines has become one of the most important disturbances affecting the daily change of geoelectric field in recent years.

Keywords： geoelectric field;diurnal variation;geomagnetic field;geoelectric storm;high-voltage direct current transmission

地电场观测是目前较为成熟的地震前兆观测手段。在映震和孕震过程中，有较为敏锐的前兆异常变化。对于短临预报，地电场的单日数据变化具有较大的参考意义，但是因为地电场往往会有较为规则的周期日变形态，在开展预测预报工作时，需要剔除正常的日变形态背景，这样才能对前兆异常数据有一个准确的定位[1]。正确识别地电场的日变化特征以及了解各类典型特殊干扰事件下地电场的变化形态，在日常数据预处理以及前兆异常跟踪分析等工作中具有举足轻重的意义。

1 地电场台站概况

安徽省现有蒙城和嘉山两个地电场观测台。蒙城台、嘉山台地电场观测均采用三角形布极方式，即三个方向，两个极距。蒙城臺有NS、EW、N45°W三个方向，NS向和EW向长极距为226 m，短极距为113 m，N45°W向长极距为320 m，短极距为160 m。嘉山台有NS、EW、N45°E三个方向，NS向和EW向长、短极距分别为240 m和160 m，N45°E向长、短极距分别为339 m和226 m。其中，两台站NS、EW向长短极距电极均为斜长长短极距共用，中心电极为NS、EW两测道长短极距共用;线路采用架空方式;配备主机均为ZD9A-2B型电场仪。

2 资料分析

2.1 地电场日变化

图1为蒙城台地电场NS方向2020年8月15日—20日的分钟值曲线图。从图1可以看出，蒙城台NS向日变化具有较为规律的周期变化，其单日有两个最大值，基本上稳定在上午07：00—08：00和下午17：00—18：00，最小值基本稳定在正午12：00左右。每日呈现出“双峰单谷”的正弦波形态[2]。

2.2 地电场日变化的差异性

以蒙城台、嘉山台NS向和EW向为例，探讨2020年8月15日—20日其地电场日变化的差异性，结果如图2和图3所示。从图2、3可以看出，嘉山台或蒙城台同一方向上，长短极距的变化趋势及形态均一致，每日出现极大值和极小值的时间基本吻合[3]。

与蒙城台“双峰单谷”的变化形态不同，嘉山台日变化所呈现的是“单峰双谷”的变化形态，即每日出现一个最大值，两个最小值。造成此类差异的原因是两台站地下介质的电性结构和空间电离层电流系不同[4]。

从图2、3可以发现，蒙城台曲线变化毛刺更为明显，嘉山台日变曲线较蒙城台更为平滑，且不同方向曲线变化的对称性上较蒙城台更为明显。日变曲线的平滑与否是体现测区背景噪声大小的重要指标[5]。嘉山台于2015年和2017年对测区电极和外线路线缆进行整体更换，装置系统优化后，长短极距差值变小，各测向相关系数均接近1，观测质量大幅度提高。此类数据曲线特征反映出嘉山台地电场的测区环境及抗干扰能力优于蒙城台。

2.3 地电场与地磁场日变化对比

由于地电场的主要部分与同一空间内的变化磁场来自同一场源，所以理論上地电场与地磁场在变化形态上应存在一定的共性[6]。蒙城台同时具备地电场和地磁场两种前兆观测手段，为了便于比较，选取蒙城台地磁场水平分量[H]与地电场NS向进行对比（见图4），发现地磁水平分量[H]的变化形态同样具有峰谷特点，但变化趋势较地电场NS向更为平缓;地电场每日极小值出现在正午12：00左右，而地磁场水平分量[H]则在凌晨01：00—02：00时出现极小值，即地电场NS向出现波谷的时间较地磁场滞后，因此得出二者存在相位差。

2.4 大地电场对磁暴的响应

磁暴是一种源于地球磁场的全球性剧烈扰动现象，同时也是电磁前兆观测最为常见的非地震地球物理事件，一般用[K]指数来反映其剧烈程度[7]。以地电场观测为例，当[K][<]5时，按照国家地电学科组要求称之为地电扰动，此时对地电场正常日变化往往不会产生较大曲线压制;当[K]≥5时，磁暴对地电场数据会造成巨大的扰动，称之为地电暴[8]。

2017年9月8日08：00—20：00，地电场受到[K]指数为7的磁暴影响，蒙城站、嘉山站分别记录到特征鲜明的地电暴数据变化。绘制两台站EW向长极距数据曲线（见图5），可知该时段地电暴持续时间长达13 h之久。磁暴期间，数据出现大幅度突跳。两台站变化幅度均达到200 mV/km以上，对正常时段的日变曲线造成了明显的压制。

2.5 高压直流输电干扰下地电场数据变化

当高压直流输电出现输电故障时，会产生较大的不平衡入地电流，此时远端的地电场数据由于受不平衡入地电流的影响，会在原有观测值上叠增一个电位差，观测数据会发生畸变[9]，畸变形态一般为矩形方波状台阶。

安徽省地电场台站目前受到晋北—南京线、锡林郭勒—泰州线、昌吉—宣城线等多条线路影响，各条线路影响频次多达10次/a，严重影响了地电场的正常观测。2020年3月9日，两台站受到晋北—南京高压直流输电线路干扰。通过查询可知，干扰期间蒙城台最大变化幅度高达206.35 mV/km，嘉山台最大变化幅度高达363.99 mV/km，矩形方波状台阶对日变曲线造成了明显的压制，峰谷状的日变形态不复存在（见图6）。

3 结语

本文以安徽省为例，从地电场日变化特征及其差异性、地电场与地磁场日变化相关性以及磁暴和高压直流输电干扰下地电场变化特征几个方面进行梳理分析，得到以下结论。

①安徽省地电场具有明显的周期性日变化，蒙城台表现为“双峰单谷”的变化形态，嘉山台则表现为“单峰双谷”的变化形态。

②同一方向上，长短极距的变化形态一致，相位也一致;嘉山台日变形态较蒙城台清晰，曲线形态较为平滑，造成此类情况的原因与装置系统和测区环境有关。

③地磁场日变化较地电场日变化平缓，但变化形态上仍呈现峰谷型特征，相位方面地电场较地磁场滞后。

④磁暴发生时，大地电场有较为灵敏的响应，磁暴下的地电场剧烈扰动现象称之为地电暴，数据呈现大幅度的突跳变化，严重影响到地电场的正常日变化形态。

⑤高压直流输电干扰是近年来影响地电场观测频次较高的干扰之一，干扰期间多呈现矩形方波状台阶，会对地电场正常日变化曲线造成压制。

参考文献：

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[2]范晔，崔腾发，杜学彬，等.中国大陆地电场日变化特征及影响因素[J].中国地震，2020（2）：234-243.

[3]张彩艳，雷功明，赵月梅，等.甘肃嘉峪关、瓜州地电场日变化与地电暴差异机理分析[J].地震工程学报，2020（3）：671-679.

[4]孙璐媛，王慧，何杨帆.磁暴期间电离层电磁离子回旋波的地方时分布差异[J].空间科学学报，2021（2）：250-260.

[5]李飞，孙君嵩，鲍海英，等.地电场日变幅各向异性度异常提取方法初步研究[J].地震工程学报，2020（4）：890-897.

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[9]李飞，孙君嵩，卜玉菲.高压直流输电对新沂台地电场的影响及机理分析[J].震灾防御技术，2020（3）：624-634.