都兰地震台位于海西蒙古族藏族自治州都兰县县政府所在地都兰县城和平街6号。该地区风多风大,平均气温2.7 ℃,年温差±20 ℃。地电场地设在上庄村一队,距离观测室5 km,海拔3 224 m。布极中心点距摆房约450 m,共分南北、东西、北西向三道测线。测区周围地形是农田,公共极、北长极和北短极外线路均有一水渠低层穿过。外线路为地埋,埋深1.5 m,环境较稳定,干扰小。都兰地震台位于柴达木盆地的腹部,由于受喜玛拉雅运动的影响,新构造运动十分强烈,深大活动性断裂规模大,地处可可西里——巴颜喀拉、柴达木2个大地震带之间,地震活动频繁、强度高,是破坏性地震的多发地区。一年干旱少雨,日照充足,昼夜日照时数2 903.9～3 252.5 h。

大武地震台位于阿尼玛卿雪山北麓,格曲河东侧,坐落于玛沁腹地——大武滩,又称格科塘,距西宁440 km。城区四周群山环抱,东南高,西北低,海拔3 719 m。主导风向为西风,年平均气温为零下0.6℃,最高气温26.6℃,最低气温零下34.9℃,最大温差22.4℃,属高原大陆性气候。年均降水量443 mm,平均蒸发量1 462.4 mm,平均气压644 mm汞柱,最大冻土深度246 cm。大武地震台位于库玛断裂带东段北侧。库玛断裂带是青藏高原内部一条重要的活动断裂带,也是大陆内部一条著名的左旋走滑深大断裂带,它构成了二级构造单元,是青藏断块与甘青断块的分界。该断裂具有发育历史悠久、长期剧烈活动和现代活动强烈的特点,历史上曾发生过数次7～8级强震,仅1900年以来发生7级以上强震5次,最大地震为2001年11月昆仑山口西8.1级地震(青海省地震局,2005)。

都兰和大武地震台的大地电场观测均采用中国地震局地震预测研究所研制的ZD9A-II地电场仪,电极采用兰州地震研究所生产的固体不极化电极。两台地电场仪均于2007年7月架设,2008年1月1日正式运行。该地电场仪综合了国内外同类仪器的大多数功能,具有灵敏度高、动态范围大、存储容量大、抗干扰能力强以及温度性能良好等许多特点,主要用于测量大地电场强度及其随时空的变化(席继楼等,2007)

固体不极化电极,其主要技术指标为:在饱和NaCl溶液中,一对电极之间的极差小于1.0 mV; 极差漂移(30 min稳定性):不超过±0.01 mV; 极差漂移(24 h稳定性):不超过±0.1 mV; 极差漂移(30 d稳定性):不超过±1.0 mV; 频率响应范围:0～1 Hz; 10 s内短周期噪声小于等于10 μV(赵和云等,1998)。

地电场强度矢量是重要的地球物理常量之一(图1)。在地电场观测时,按照分量测量、矢量合成的方法,对地表地电场强度进行测试。当测量得到至少2个(正交)分量以后,由式(1)和式(2)可以计算得到测点O的平均地电场强度值E和方位角α:

E=(E²_x+E²_y)^1/2.(1)

α=90°-tg^-1(E_y)/(E_x).(2)

都兰台以O点为中心点,如图2a所示,按照“多方向、多极距”观测方法布设测量线路,即双

图1 地电场矢量图
Fig.1 Electric field vector

大武台以O点为中心点,采用十字交叉方式如图2b所示布设。每个测量方向极距装置见表1。

图2 都兰(a)、大武(b)地震台电场电极分布图
Fig.2 The electrode layout of geoelectric field at Dulan(a)and Dawu(b)Stations

表1 都兰、大武电场布极装置参数
Tab.1 Parameters of electrode layout of geoelectric field at Dulan and Dawu Stations

质量分析即对两组数据的变化过程进行分析,相关系数能够反映两个变化过程的相似程度。一般情况下,就地电场观测台站而言,主要对同测向不同测道的观测数据,利用计算得到的相关系数,初步判断观测系统是否可靠,所以也称自相关分析。

自2008年正式运行以来,都兰地震台观测数据连续率和完整率都保持在95%以上(表2)。但数据的相关性不是很稳定,除去客观因素导致的仪器故障,如2008年7月因雷击导致数采故障,返厂维修; 2010年9月外线路维修以外,每逢灌溉季节,观测数据就出现明显的突跳(台阶),相关系数较低,差值很高且不稳定,数据曲线的变化较大(图3),表明数据不稳定。

自2008年正式运行以来,大武地震台地电场外线路及数采故障率较高,连续率和完整率在87%以上(图3,表2)。除2008年数据相关性符合规范要求以外,其余逐年在下降,主要原因为外线路绝缘、雷击等,导致数据不稳定,数据曲线变化较大。

表2 2008～2011年都兰、大武地电场数据统计
Tab.2 Statistic of geoelectric field data at Dulan and Dawu Stations from 2008 to 2011

图3 都兰台观测数据年均相关系数图
Fig.3 Average annual coefficient of observation data at Dulan and Dawu Stations

为了能够正确判断大地电场的干扰因素,就需要对其正常变化形态进行分析。本文所指的日变化是以一个太阳日为周期且依赖于地方时的变化,即在地球自转的作用下,由于太阳位置的不断变化,产生了测点上空电离层等离子体中的周期性电流变化,这种电流变化可以在地球表面感应产生具有一定规律性的地电场变化,其周期为1天(席继楼等,2002)。如图4所示,日变很清晰,但日变形态有所区别,即每天中午11时左右会出现低值状态,两侧各有一个极大值。

就日变而言,其NS向日变形态应与地磁水平分量EW向的日变形态基本一致; EW向日变形态应与地磁水平分量NS向的日变形态基本一致,二者相位存在差异。如图5所示,将都兰台日变地电场与地磁静日正常的日变化规律做比较分析,地电场与地磁场的快变化部分有相同的场源,应具有相同类似的变化。另外,地电场与地磁场在相位上略有差别,一般前者滞后于后者。

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着直接关系,地球外部磁场的变化,比如磁扰、磁暴、电离暴大多起源于太阳大气最外层的日冕向空间持续抛射出来的大量带电粒子流,由它形成的太阳风高速压缩磁层、电离层,其中的带电粒子形成的电流冲击地球磁场,

图4 2007年10月15日都兰台长极距(a)及短极距(b)电场日变化分钟值曲线图
Fig.4 Minute value curve of daily change of electric field in long(a)and short(b)polar distance at Dulan Station on Oct.15,2007

图5 2008年3月7日都兰台NS长极距地电场观测(a)及其与地磁场同时段数据变化图(b)
Fig.5 Data change of geoelectric field in long polar distance in NS(a)and geomagnetic field(b)at the same time at Dulan Station on Mar.7,2008

磁扰时大地电场分钟值观测曲线变化形态如图6所示。2010年4月5日地磁K指数为5时,地电场观测记录到磁扰事件,可以看出磁扰发生时地电场观测数据变化特征(叶青等,2007)。如图7所示,地磁观测记录同步发生变化,6道数据同时出现异常,形态表现为高频脉冲,影响其正常日变形态,其变化幅度与磁扰的强度有关,并随着磁扰强度的增强而增大; 变化时间和磁扰持续时间有关,磁扰结束后,地电场观测数据也随之恢复正常。

对流层中的雷电现象是地电场高频变化的场源之一,雷电发生时,带有电荷的雷云与地面的突起物接近时,它们之间就发生激烈的放电,从而改变了区域电场的分布环境(黄海清等,1984)。

由于雷电通常离得较近,电压很高,在放电的瞬间,导致地电场观测数据变化幅度也较大,持续时间也相对较长,图8为大武地电台2010年6月30日大地电场分钟值观测曲线变化形态,自13～14时左右观测值明显偏离正常的变化,曲线形态发生急促畸变。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,呈现出典型畸变,观测数据大幅突跳,为正常时数倍。

引起观测数据变化的原因可能是灌溉(雨、雪)水下渗到电极处,引起电极极化电位变化所导致(图8、图9)。由于极化电位不一致,将在测量回路中产生一个附加的电极极化电位差,从而影响到地电场观测(席继楼等,2002),引起数据变化。这样的干扰会随着水分的蒸发,农田逐渐干涸,观测曲线会逐步恢复到正常日变形态,一般需要持续几天。

图6 2010年4月5日磁扰时都兰台长极距(a)、短极距(b)地电场地电场分钟值曲线
Fig.6 Minute value curve of geoelectric field in long(a)and short(b)polar distance interfered by magnetic disturbance at Dulan Station on Apr.5, 2010

图7 2010年4月5日磁暴都兰台地磁分钟值曲线
Fig.7 Minute value curve of geomagnetism interfered by magnetic storm at pulan staion on Apn5,2010

图8 2010年6月30日大武台长极距(a)、短极距(b)地电场雷击分钟值曲线图
Fig.8 Minute value curve of geoelectric field in long(a)and short(b)polar distance interfered by lightning at Dawu Station on Jul.30,2010

图9 2008年1月12日大武台长极距(a)、短极距(b)地电场下雪分钟值曲线图
Fig.9 Minute value curve of geoelectric field in long(a)and short(b)polar distance interfered by snow at Dawu Station on Jan.12,2008

图 10 2009年9月14日大武台长极距(a)、短极距(b)地电场下雨分钟值曲线图
Fig.10 Minute value curve of geoelectric field in long(a)and short(b)polar distance interfered by rain at Dawu Station on Sep.14,2009

由此可以看出,电极处渗水引起数据变化的特征是:地电场观测数据在短时间内呈现大幅度的变化,往往是大幅度的上升或者下降,并且渗水量越多引起的“台阶”也就越大,为正常值的数倍以上,并且在渗水后的一段时间内地电场数据仍旧是不稳定的趋势变化。

自2008年底开始都兰台地电场观测曲线形态出现异常变化(图 11)。通过对外线路接地检查,发现接地电阻均小于2 kΩ。2010年8月对外线路进行部分维修时发现,外线路绝缘皮损坏,造成铜芯线外露,后经更换部分外线,处理接线头后,观测数据恢复正常,经分析数据出现突跳(台阶)变化系外线路绝缘性能降低导致漏电和线路接头接触不良所致。

在地电场观测中,线路的完好和接触良好也是非常重要的。如果线路中出现漏电、接触不良的情况,地电场数据会随时间的变化而产生“台阶”和高频变化。

在实际工作中,由于一些特殊情况需要将地电场观测外线路暂时断开,比如检查外线路绝缘度等原因,这些事件也会引起观测数据的变化(图 12)。

因为大地电场观测系统是一个封闭的环路,为保障观测数据的可靠性,需要定期断开外线路来检查其绝缘度。都兰台2008年12月27日分钟值观测曲线变化形态图表明对大地电场外线路进行绝缘度检查时观测数据发生变化(图 12)。

图 11 2010年8月26日都兰台长极距(a)、短极距(b)地电场外线路断路分钟值曲线图
Fig.11 Minute value curve of geoelectric field in long(a)and short(b)polar distance interfered by external circuit breaker on Aug.26.2010 at Dulan Station

图 12 2008年12月27日都兰台长极距(a)、短极距(b)地电场外线路绝缘检查分钟值曲线
Fig.12 Minute value curve of geoelectric field interfered by insulation check of external circuit at Dulan Station on Dec.27, 2008

其特征为外线路断开后,观测数据出现大幅度变化,其变化幅度为正常值的数倍,且直线下降,速度快,变化明显。当线路接通后,数据又立刻直线回升,恢复正常。它与磁扰和雷电干扰的区别在于线路断开后,变化形态成直线快速漂移,并且幅度变化大,观测数据恢复也较快。

大地电场观测使用的是固体不极化电极,突出问题就是电极老化使用时间较短(路阳泉等,1998)。如果电极老化,观测到的地电场电位不稳定,观测数据相关系数越来越低(图 13),显示观测数据随机大幅突跳、阶跃,曲线形态产生飘移,看不出地电场正常的日变形态,这种不稳定变化就会和地电场信号叠加在一起,造成观测数据随机变化。

图 13 2010年3月5日大武台长极距(a)、短极距(b)地电场电极老化分钟值曲线
Fig.13 Minute value curve of geoelectric field in long(a)and short(b)polar distance interfered by electrode aging at Dawu Station on Mar.5,2010