黑龙江省大地电场观测数据的分析与应用

刘长生，段莉莉，高 岩

（1黑龙江省地震局，黑龙江 哈尔滨 150090；2哈尔滨市防震减灾技术中心，黑龙江 哈尔滨 150021；3绥化地震台，黑龙江 绥化 152000）



黑龙江省大地电场观测数据的分析与应用

刘长生1，段莉莉2，高 岩3

（1黑龙江省地震局，黑龙江 哈尔滨 150090；2哈尔滨市防震减灾技术中心，黑龙江 哈尔滨 150021；3绥化地震台，黑龙江 绥化 152000）

摘要：首先对黑龙江省7个大地电场观测台站的概况进行了简单的介绍，然后评估了大地电场观测数据的效能，分析了大地电场观测的日变化特征和干扰因素以及大地电场的正常场和异常信息。结果表明，典型的干扰主要有降雨、共用电极和地磁暴，其中大磁暴干扰一般会出现在高频信号中并破坏正常的日变形态，其主要表现为多个台站同时出现异常信号。在观测系统和环境因素正常的情况下，只有绥化台、德都台、肇东台、通河台、林甸台、望奎台的大地电场观测曲线有明显的日变化形态，其与地磁日变化形态相似，而密山台由于受到严重的干扰，大地电场观测曲线没有出现较好的日变形态。另外，笔者对一些可能与地震相关的异常现象进行了初步的分析探讨。

关键词：大地电场；日变化特征；效能评估；共用电极；震兆异常

0　引言

地电场包括大地电场和自然电场两个部分，其主要存在于固体地球内部。它的主要观测内容是地电场的时空变化和地表分量。大地电场具有广域性，它是全球性和区域性的地电场，其场源来自地球外部电离层和磁层中的各种电流体系；自然电场具有局部性，它的场源是地球内部由各种因素形成的。大地电场的变化又可分为两类：一种变化是地电场连续出现的平静变化，它具有不同时段的周期性，该周期变化与太阳黑子活动、太阳公转、地球自转等规律性活动有关，如日变周期等；另一类的变化则是偶然发生的，是对地电场观测有影响的干扰变化，该变化没有固定的周期，如地电暴、地电干扰、地电脉动及高频地电变化等。大地电场与地球变化磁场有着密切的关系，它是大地电磁场的重要组成部分[1]。

本文基于黑龙江省7个大地电场观测台站的实际情况，从大地电场观测的日变化特征、干扰因素以及大地电场的正常场和异常形态等方面，分析了绥化台、德都台、肇东台、通河台、林甸台、望奎台和密山台的大地电场观测日变化形态。同时还对一些可能与地震相关的异常现象进行了初步的分析探讨。本文旨在为从事大地电场观测的同仁们提供一定的借鉴和参考。

1　观测情况简介

黑龙江省地震局的7个大地电场观测台站所使用的观测仪器均为中国地震局分析预报基金项目 黑龙江地震局一般性科研项目（201402）中心研制的ZD9A-Ⅱ型地电场数字化观测仪，数据采样频率为分钟值采样。在日常观测中，所有台站皆严格依照《地震台站观

黑龙江省地震局在中国地震局进行“十五”数字观测网络改造过程中新增了大地电场观测项目，该项目在黑龙江省共建立了7个大地电场观测台站，它们分别布设在绥化地震台、德都地震台、通河地震台、林甸地震台、肇东地震台、望奎地震台、密山地震台，具体如图1所示。观测外线路均采用双“L”形布极方式，布设采用地埋的方式，电极的埋藏深度为3.0±0.5m，中心点在同一坑内埋设两个电极，从表1中可以看到各个地震台站观测系统的配置参数。双“L”形布极，即在测区内共布设3个观测方向：北南向、东西向和一个斜道方向（北东或北西向），也可以根据测区地质构造的特点，布设与台站附近断层走向平行、垂直、斜交的3个方向。省内各大地电场观测台的基本信息见表1，布极方式见图2。测环境技术要求（GB/T 19531.2-2004）》（中华人民共和国国家标准，2004）[2]和《地震台站建设规范（DB/T 18.2-2006）》（中华人民共和国地方标准，2006）[3]进行观测环境的堪选，在布极区内无铁、磁物体及铁磁管线，而且地形开阔平坦，观测区及附近区域没有河流、湖泊和水渠，因为它们对观测有非常大的影响，同时也没有电磁信号的干扰源和工业游散电流出现。

在观测中所有地震台站均进行多方向、多极距观测，该方法对数据的可靠性可以进行准确的判断，同时可以发现和排除观测系统中的常见问题以及正确识别出降雨、电极极化、场地影响及近场电磁干扰[4]。另一种布设方式是

2　资料正常场分析

2.1资料的效能评估

根据中国地震局（中震测发（2010）94号）《中国地震局关于加强地震监测预报工作的意见》的有关要求，笔者对黑龙江省的7个大地电场观测台站分别从基础资料、资料质量、影响因素和震例评估四个方面进行了评估，结果如表2所示。

从表2统计的7个大地电场观测台站的评估结果可以看出：无A类和D类大地电场观测台站；B类大地电场观测台站有：绥化台、德都台、肇东台、望奎台，占总数的57％；C类大地电场观测台站有：通河台、林甸台、密山台，占总数的43％。由此可鉴，黑龙江省的大地电场观测台站的观测质量一般，其原因可能是外界的干扰因素较多，所以导致了观测数据不能较好地反映出应有的映震效能。目前，黑龙江省的大地电场观测台站之间的直线距离最近的为62.7km，最远的为546.0km，且主要集中在松辽盆地内部，而对黑龙江省西部的嫩江断裂带和东部的大面积区域覆盖不够，这就造成了大地电场观测台站布局分散，为此笔者建议，应加密黑龙江省大地电场观测台站的分布，使其能够覆盖更大的区域。

表1　黑龙江省区域大地电场观测台站基本信息表

表2　黑龙江省大地电场观测台站的预报评估得分统计表

2.2大地电场日变化特征

大地电场数据的变化受台站所处布极环境、地形地貌、地下构造、地理位置及观测系统运行情况等很多外部环境及内在的影响，具有非常复杂的变化形态。主要可分为四种类型：峰—谷型、近直线型、无序变化型和混和型，从黑龙江省大地电场观测曲线的日变化形态来看，峰—谷型为主要类型，形态如图3所示。

2.3大地电场日变化与地磁场日变化的比较

除了天然的稳定电场会影响大地电场以外，外空磁场也会影响大地电场的观测，日变化会成为其主要的周期成分。就日变化来说，因大地电场和地磁场都来自相同的场源，所以从日变化形态上看，大地电场北南方向分量与地磁场东西方向分量非常一致见图4。从图中可以看出，德都台的大地电场日变化与地磁场的日变化具有较好的一致性特点，大地电场极小值出现在11h左右，其略滞后于地磁场出现极小值的时间[5]。

3　典型干扰

3.1电极干扰

电极的埋设状态是影响观测质量稳定性的重要因素之一。若电极埋设状态不好，可能会造成在同一时段观测中的多组数据相关性减小，同时大多数观测数据会出现长期的漂移现象和不稳定的变化。有时会出现某些异常信号在六个测道中只有部分异常信号被记录，甚至从记录的异常幅度上都可以发现两个极距的明显不同。根据电信号随着距离衰减的特性，只有近场的信号或者共用电极极化才能产生类似的现象[6]。

鉴于地震的孕育是一个应力积累的过程，而震源区是一个应力比较集中的区域，但随着应力的积累外围区域也会随着应力的增强而导致岩石产生微破裂[7]。目前，有些学者认为大地电场异常是流体运移引起的过滤电场产生的[8]，其出现的主要原因是地下水的流动。因此，无论是震源区还是震源区以外的区域，地下流体的运移都会引起电场的异常。而距离台站较近的场源容易引起大地电场在不同测道上产生幅度不同的变化，因此不能否定近场的异常信息就不是地震异常。而此类异常的幅度变化与电极干扰比较接近，如果能够有效地消除共用电极极化的干扰，将有利于地震异常信息的提取和分析。

图5是2010年9月至2010年11月记录到的绥化台的大地电场变化曲线，从曲线的变化中可以明显地看到电极干扰，如出现了三次明显的起伏：第一次异常波动出现在NS向长极距和NS向短极距测道上，波动异常幅度相差一倍；第二次异常波动出现在EW向和NE向短极距测道上，波动异常幅度相差较大；第三次异常波动出现在NS向和EW向长极距测道上，波动异常幅度相近。根据大地电场多极距观测系统原理，图5中“信号1”代表真实的大地电场异常变化；“信号2”代表电极A2的极化噪声；“信号3”代表O1电极极化噪声。

3.2降雨影响

降雨对大地电场观测的影响非常常见。黑龙江省2008年以来的大地电场观测资料表明，由于降雨、电极极化、极化电位等因素的影响，造成了过滤电场和真实的大地电场叠加在了一起，这给识别短临异常带来了一定的困难，如图6所示。从图中可以看到，随着4月21日绥化地区出现持续的降雨，相应的大地电场观测到的不同测道数据出现了较为明显的上升或下降形态的变化。

4　其它事件的影响

对电磁观测产生影响的另一个现象就是地磁暴现象，它的来源主要是当太阳上黑子和耀斑增多时，发出的强烈射电，扰乱地球外面的电离层，从而影响地面的无线电短波通讯，严重的时候甚至出现短暂的中断。地球磁场会受到太阳抛出的带电粒子流的扰动。因地磁暴现象是容易被大地电场台站记录到的，所以又称为地电暴。地电暴一方面与太阳活动有关，另一方面地电暴的变化幅度也会受到地下岩石不同的磁、电性质的影响。

在大的地磁暴发生期间，地电暴（地磁暴）对大地电场观测会产生明显的影响，各个大地电场观测台站都会同时记录到比较大的波动异常。如图7是发生地磁暴时德都台记录到的大地电场波动异常，一般情况下当地磁暴指数K>6时，地电暴在大地电场观测台站不同极距、不同方向上都能记录到同步的波动异常，而且异常形态非常相似[9]。

地电暴异常的一个突出特点是，当发生地磁暴时多个大地电场台站都能观测到类似形态的同步异常，异常形态表现为高频或脉冲信号。此类异常可以采用多台站对比的方法加以排除，单个台站也可以通过长、短极距的等幅特点识别出来，或与正常的地磁资料作对比，就可以非常简便地进行识别。

总之，除此上述对大地电场观测数据有影响的因素之外，还有其它的影响因素，例如在雷雨天气时大地电场观测台站记录到的异常多为大幅度的脉冲信号异常，该信号在各测项中都能被观测到，也是可以辨别的；还有浇地、抽水等外部环境因素的变化也会引起大地电场观测出现突变异常，如通河台站受农田灌溉和排水引起了电极进水干扰，造成了大地电场观测数据在短时间内出现大幅度的变化，这时只要及时核实就能很快将干扰识别出来。

5　地震前的大地电场异常

自2008年黑龙江省展开大地电场观测以来，在绥化台使用固体不极化电极观测的2～3年中，曾发生过2009年5月10日绥化安达市ML5.0级地震，地震震中距离绥化台128km，发震断层为滨州断裂。安达ML5.0级地震释放的能量并不充分，几乎没有完整的地震余震序列。安达ML5.0级地震发生前，绥化台大地电场观测记录出现了明显的短期异常变化。在地震发生前的近1个月，在大地电场观测的6个测道上，同时出现了上升或下降的异常形态。其中，北南向长极距、东西向长极距和东西向短极距均出现了“下降—上升”变化；而北东向长极距、北东向短极距和北南向短极距则出现了“上升—下降”变化。当6个测道的异常变化几乎同时结束后，就发生了安达ML5.0级地震。而与此同时，并未发现外界干扰源，由此可以判断这些异常信号可能与地下异常电场有关，如图8所示。

同时，笔者还发现了另外一个异常变化，在安达地震前绥化台大地电阻率同样出现了异常信息，如图9所示。由绥化台大地电阻率曲线计算出的各测项的异常曲线可以明显地看到，在林甸和安达地震前均出现了比较明显的“U”形异常形态。图中方框内的观测记录为台站搬迁后还未稳定出现的干扰变化。由此笔者判断这次出现的大地电场异常，其可信度较高。

6　结论

（1）在大地电场观测和环境因素正常的情况下，绥化台、德都台、林甸台、通河台、肇东台、望奎台能记录到典型的大地电场日变化形态，其形态与地磁日变化形态类似。同时，这些台站都能记录到某些时刻的大地电场显著变化，在一定程度上可反映出大地电场观测的某些区域特征。而密山台由于受到外界干扰较为严重，大地电场日变化不明显。

（2）黑龙江省大地电场观测台站受到的主要干扰类型有：地磁暴干扰、共用电极干扰和降雨干扰。其中，地磁暴和降雨干扰属于外界干扰，而共用电极干扰则是人为造成的干扰。黑龙江省的大地电场观测台站在“十五”期间全部采用了共用电极，其布极方式为双“L”形。采用共用电极观测的两个测项的记录会出现几乎一致的变化形态，不同台站记录到的形态也有区别。由此可见，采用共用电极布设方式有利也有弊，其好处是利于判断观测系统出现的问题，即根据观测数据判断测道出现的问题，从而可以判断出哪个电极出现了问题；但弊端是共用电极同时会影响到东西和北南两个方向观测数据的好坏，不利于干扰的识别。

（3）鉴于黑龙江省大地电场观测台站布局现状以及所受环境干扰的实际情况，笔者建议增加台站布设密度，更新目前台站中老化的观测设备及观测外线路。还有就是观测电极的寿命太短，2～3年就会出现老化现象，这对观测数据的连续性有非常大的影响，同时对于震例的总结也具有不利的影响。

（4）在安达ML5.0级地震发生前，绥化台的大地电场观测中的6个测道数据均出现了明显的异常反应，同时绥化台地电阻率数据也出现了明显的异常变化。由绥化台大地电阻率曲线计算出的各测项的异常曲线可以明显地看到，在林甸和安达地震前均出现了比较明显的“U”形异常形态。当6个测道的异常变化几乎同时结束后，就发生了安达ML5.0级地震。所以笔者判断这次出现的大地电场异常，其可信度较高，异常与地震的发生有较好的对应关系。考虑到大地电场异常的复杂性、多样性以及各大地电场的差异性，仅用大地电场观测资料进行地震预报是不够的，还应结合其他测项的观测资料进行地震的综合分析预报。

参考文献:

[1]张素琴，杨冬梅.磁暴时磁场变化率与地电场相关性研究[J].地震地磁观测与研究，2010.31（3）：7 -12.

[2]中华人民共和国国家标准.地震台站观测环境技术要求（GB/T 19531.2-2004）[M].北京，地震出版社.2004.

[3]中华人民共和国地方标准.地震台站建设规范（DB/T 18.2-2006）[M].北京，地震出版社.2006.

[4]马钦忠，冯志生，宋治平等.崇明与南京台震前地电场变化异常分析[J].地震学报.2004.26(3):304-312.

[5]解用明，韩和平等，大地电场日变化特征[J].山西地震，2006.127（3）：1-5.

[6]张学民，郭建芳，郭学增.河北省数字地电场数据分析[J].中国地震，2006.22（1）:64-75.

[7]钱复业，赵玉林，卢军，等.孔压弱化失稳的系统辨识及大地电场短临前兆[A]见：石特临编.地震地电学发展与展望[C].兰州：兰州大学出版社，1998 .151-155.

[8]赵玉林，卢军，张洪魁等.电测量在中国地震预报中的应用[J].地震地质，2001.23（2）:277-285.

[9]沈红会，冯志生，李伟等.地电场观测中若干问题的讨论[J].华南地震，2005.25（2）:10-16.

[10]刘长生，包秀敏.绥化台地电阻率震前异常特征初探[J].地震地磁观测与研究，2012.33增刊（1）：37-42.

ANALYSIS OF OBSERVATION DATA OF GEOELECTRIC FIELD DATAIN HEILONGJIANG PROVINCE

LIU Chang-sheng1，DUAN Li-li2，GAO Yan3
（1.Earthquake Administration of Heilongjiang Province,Heilongjiang Harbin 150090,China 2.Earthquake Disaster Mitigation Technology Center of Harbin City，Heilongjiang Harbin 150021,China 3.Suihua Seismic Station，Heilongjiang Suihua 152000，China）

Abstract：Firstly,we introduce the situation of the seven geoelectric field stations in Heilongjiang Province.Then the evaluation results on the observation data of effectiveness are introduced.The daily variation characteristics and normal and abnormal changes of the geoelectric field are analyzed.The results show that typical interferences are mainly of rainfall,a common electrode and storm.Big storm interference generally show a high frequency signal disrupting the shape of normal daily variation which are recorded synchronously at each station.Usually,only at the stations of Suihua,Dedu,Zhaodong,Tonghe,Lindian,Wangkui observation curve presents obvious diurnal variation,which similar to the daily variation of geomagnetic field in shape.At Mishan station data is severely disrupted,and cannot be in better shape of diurnal variation.Finally,some possible anomalous phenomena associated with earthquakes are discussed.

Key words：Geoelectric field;Diurnal variation;Correlation analysis

作者简介：刘长生（1981-），男，黑龙江省齐齐哈尔市人，中国科技大学，在职研究生，工程师，现主要从事电磁学科预报工作。E-mail: lcs971215@163.com

收稿日期：2015-09-26

修订日期：2015-11-25

基金项目：黑龙江地震局一般性科研项目（201402）

中图分类号：P319

文献标志码：A

DOI:10.13693/j.cnki.cn21-1573.2016.01.007

文章编号：1674-8565（2016）01-0038-09