由于在同一局部地区,自然地电场是基本稳定的,因此在理论上,同一测向不同测道的数据变化规律应该是比较一致的。用相关系数来衡量在同一方向上的长短极距变化趋势,若趋势一致,则说明数据可信度较高; 若趋势不一致,则需要考虑观测系统是否正常工作,测区内是否存在干扰等。相关系数的计算方法:将每天的1 440个分钟值数据分别参与计算,然后采用去极值的方法计算其算术平均值,得到该天数据的相关系数。相关系数的公式为

γ_xy=(∑_i(X_i-X^-)(Y_i-Y^-))/((∑_i(X_i-X^-)²∑_i(Y_i-Y^-)²)^1/2).(3)

根据公式(3),本文对2007～2011年山东地区各地电场台3个测向长短极距观测数据的相关系

表4 相关系数
Tab.4 Correlation coefficient

数进行计算,结果详见表4。从表中可以看出5年的平均相关系数为0.69,基本满足相关系数不小于0.6的基本要求。从各年均值来看,刚投入观测时,相关系数较好; 随着时间推移,由于电极老化等原因,相关系数下降较多,由2007年的0.71降至2008年的0.6; 2009～2010年,有4个台站更换了电极,相关性随之大幅提高; 到2011年,相关系数达到了0.83,数据质量保持在较高的水准。从表中可以看出,郯城、菏泽、陵阳和大山台及震的相关性较好(更换电极后大于0.95),安丘和乳山的相关性一般,邹城则较差。

由于在某一局部地区地电场是基本稳定的,因此在理论上,同一测向不同测道观测数据的变化幅度应该是比较一致的。用归零差值可以判断同一方向的观测数据变化幅度是否一致,是否存在漂移现象。归零差值的计算方法:首先去掉地电场数据中的背景值。将所有观测数据与该测道的00:00数据(或第一个测量数据)相减,得到该测道的归零日变化数据; 然后计算同方向两个测道归零数据的差值序列; 最后求出差值序列的算术绝对平均值,得到归零差值。

Δ_xy=(∑_i〖JB<1*|〗(X_i-X₀)-(Y_i-Y₀)〖JB>1*|〗)/N.(4)

式中,X_i、Y_i为参与计算的两个测道的分钟测量数据(i =0,1,2,…),N为参加计算的数据总数,X₀、Y₀为每天测量数据的初始值。

根据式(4)本文2007～2011年山东地区各地电场台3个测向长短极距观测数据的归零差值进行计算,结果详见表5。从表中可以看出,5年的平均归零差值为18.69,整体偏大。从各台站看,归零差值最好的是大山台,5年的平均值仅为0.72 mV/km,其他台归零差值都偏大。郯城、菏泽、陵阳和大山台观测数据的归零差值较好(更换新电极后控制在1 mV/km左右),说明这4个台同一方向的观测数据变化幅度比较一致,不存在漂移现象,观测系统运行正常,具有较高稳定性。其他台归零差值则普遍较大,超出技术规范要求,主要原因是电极老化导致观测系统不稳定,造成的数据变化幅度过大。

表5 归零差值(mV/km)
Tab.5 Difference of return-to-zero(mV/km)

一般情况下,地电场曲线形态呈“峰—谷”型,其记录台站多数位于海洋、湖泊等水域附近,因为在大水域附近,观测到的地电场主要是由固体潮引起裂隙水周期性渗流形成的过滤电场。数据曲线拥有类似形变观测数据的曲线特征,即:有比较规则的“双峰—双谷”形态,呈现连续的近正弦形态,这种地电场称为TGF-A型潮汐地电场。山东区域仅有乳山台和陵阳台属于TGF-A型潮汐地电场。

乳山台距离海洋较近,陵阳台虽远离海洋和大水域,但其所处的地理位置紧邻小湖群,台站西南侧约0.2 km处有一个小水库,北侧约0.8 km处有一小水库,北侧及东侧约2.5 km处分别有一小水库。乳山台日变形态见图3a,陵阳台日变形态见图3b。两个台均可观测到比较明显的“双峰—双谷”形态,且多日的连续形态呈近似正弦形。但从峰值和谷值出现的时间点来看,两个台并不同步。乳山台每日在7时左右及19时左右分别出现1个谷值,在2时左右及14时左右分别出现1个峰值。而陵阳台每日在3时左右及15时左右分别出现1个谷值,在9时左右及21时左右分别出

图3 TGF-A型地电场日变形态图
Fig.3 Daily variation curves of TGF-A geo-electric field

若台站附近没有水域或距离地表水域稍远,但其地下岩石含水度高、透水性较好,那么观测到的地电场主要是Sq电流系在地表的感应电场引起裂隙水周期性渗流产生大地电流场。数据曲线特征为:早晚相对平静呈近直线状,午时左右出现近正弦波形,连续多天呈近梯形状,这种地电场称为TGF-B型潮汐地电场。

山东区域多数地电场观测台属于TGF-B型潮汐地电场,如:郯城台、安丘台、菏泽台和大山台,各台曲线形态如图4所示。从图中可见,每个台的波谷时间点相对稳定且一致,早晚相对平静呈近直线状,每日午时前后约6小时左右呈近似正弦形态,全天近正弦波形出现间断,连续多日的形态呈近梯形状。另外,各台曲线形态的特征在时间点上具有很好的同步性。因此,TGF-B型潮汐地电场具有一定的广域性。

图4 山东区域TGF-B型潮汐地电场日变形态图
Fig.4 Daily variation curves of TGF-B geo-electric field

大地电场主要起源是外空电流体系,它与地球外部磁场变化有直接关系。地球外部磁场的变化都会引起大地电场的变化。磁暴是来自外空电离层的天然电磁源之一,磁暴期间地电场会记录到频率较高、且幅度较大的扰动变化,一般称之为“地电暴”。地电暴也是地电场天然背景变化的典型形态之一。地电暴发生时,数据产生突跳,各测向变化幅度可达到正常日变幅度的几倍以上。由于它是全球同时性的强烈磁扰引起的,因此地电场台站均可同步记录到较明显的波动异常(张学民等,2006)。

北京时间2011年2月18日9时30分(对应世界时为2011年2月18日1时30分)发生了地电暴事件,山东区域的7个地电场观测台站同时记录到了该地电暴事件。该事件造成了本区域内7个观测台产生了持续约8小时的变化,并且各台的变化时间段基本同步、变化形态相似、变化幅值近乎相等(图5a)。

大气电场与地电场有对立统一性,既相互独立、又相互影响并形成一种场电变化体系。它们除了其它物理量的相互交换外,还有电的交换,雷电就是它们相互作用的产物。在无雷暴云天气时,大气电场与地电场在场电的疏密区呈相对平衡状态,形成对立统一的自然场电动态体系。地电场是一个相对稳定的、有一定自身变化规律的静态电场,与大气电场中雷暴云电场相比梯度要小的多,因为地球表面的电导率远远大于空气的电导率。一般情况下,地电场高频变化的场源是对流层中的雷电,主要是雷电改变了区域电场分布环境,特别是在雷雨天气的情况下,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,可达正常时的数倍,持续时间也相对较长(张建国等,2003)。

图5b为2010年4月22日出现雷电现象时,邹城地震台地电场数据变化形态,观测值明显偏离正常的变化。从图中可以看出,雷电期间电场变化特征为:观测数据离散度较大,特别是在放电期间,因强烈电流瞬间干扰,数据呈现出典型的畸变,地电场变幅可达几百甚至上千mV/km,可达正常值的几倍乃至几十倍,最严重时还会将仪器直接击坏。

(1)线路开路。2007年9月24日20时29分起,邹城台地电场数据各个测向同时出现大的变化,经检查观测系统及外线路发现,悬空架设的外线路被盗割。外线路使用的是7×φ1 mm软铜线,以每档约50 m计,共盗割约1 050 m,NS向8档线中的5档双线和3档单线全部被盗割,EW向8档线中有4档双线被盗割,被盗割线路的示意图如图5c所示,盗割前后数据变化如图5d所示。

(2)开关跳闸。2010年3月10日邹城台地电场NS向长极距和NW向长极距数据出现异常变化,在9时8分数据突然出现大的突跳。对观测系统及外线路进行详查,发现NS向长极距接线盒的空气开关跳闸,闭合开关后,数据恢复正常。开关跳闸及闭合前后的数据变化情况,如图5e所示。笔者分析认为此次数据突跳变化系NS向长极距接

图5 地电场观测中的干扰
Fig.5 Interferences in geo-electric field observation data

线盒的空气开关跳闸所致。另外,存在因线路接触不良引起的数据突变的可能性,线路接触不良主要包括:室内接头虚接(应作焊接处理)、室外连接开关锈蚀或开关未接触到位(应作定期检查)、避雷器接触点螺钉未紧固或开关未接触到位(应作定期检查)。