2020, Vol. 41
2. 中国河南 450046 河南省地震局郑州地震台
2. Zhengzhou Seismic Station, Henan Earthquake Agency, Henan Province 450046, China
地电场由大地电场和自然电场组成。大地电场为地球高层大气中的各种电流体系在地球内部产生的感应电场，是由固体地球外部磁层和电离层中各种电流体系与地球介质相互作用，分布于地表的感应电场；自然电场为地球表面分布的天然稳定电场，由地球介质局部的各类物理化学作用而产生（席继楼等，2015；罗娜等，2016；席继楼，2019）。我国地震地电场观测始于20世纪90年代，“九五”期间，国家地震局分析预报中心研制完成ZD9A地电场仪，实现观测数据远程自动准时传输；“十五”期间，国家对地震监测加大投入力度，地电场台网建设进入新的时期，在“数字地震网络工程项目”建设中，新建观测点实现IP到仪器和观测数据通过以太网实时在线传输功能。
洛阳地震台（下文简称洛阳台）地电场观测系统始建于2007年，在2018年进行配套防雷设施升级改造期间，短极距NS、NE测道数据分别产生幅度为-420 mV/km和-290 mV/km的阶跃变化。为了落实此大幅度数据变化产生的原因，查找并解决可能存在的技术问题，本文通过工频漏电、线路破损、接地测试、仪器标定、避雷设备检测等途径和方式，对洛阳台地电场观测环境、观测场地和观测系统，开展异常核实、故障排查和技术处理等工作。
1 洛阳台地电场观测概况 1.1 地质构造背景洛阳台地处秦岭纬向构造带南侧，祁吕贺山字型构造弧顶部位，新华夏构造在此交会。台址附近分布2条大断裂：①测区东的伊河大断裂，沿伊河分布，走向北偏东；②新安—草店大断裂，走向NW，倾向WS，倾角60°—70°。伊河大断裂与新安—草店大断裂均为活断层，多处温泉出露。
新安—草店大断裂为正断层，断层上盘为新地层，下盘为老地层（石碳系泥岩、寒武系沙岩、奥陶系石灰岩及震旦系冰层石英岩）。洛阳台座落在该断层破碎带上，地电场布极区位于断层南侧（上盘）一级或二级阶地上。电极多埋设于第四纪覆盖层，覆盖层由北向南逐渐加厚。布极中心区长约130 m；地下水位自西向东逐渐变浅，西部约5 m，东部约2 m；深部为石灰岩，含有大量优质地下水，水位约10 m。
1.2 地电场观测系统洛阳台地电场观测系统于2007年8月1日建成并投入运行，采用中国地震局地震预测研究所研制的ZD9A-Ⅱ地电场仪进行地电场观测。地电观测系统测量通道6个，数据产出为1组/min；观测装置系统采用双L型布设方式，见图 1。其中，在NS、EW向分别按照2个极距布设，长极距为280 m、短极距为185 m，在斜道N45°E方向，长、短极距分别为395 m、255 m；测量电极采用柱状铅电极，电极埋深3 m；测量外线路采用电缆架空方式，使用定制的多层、多芯绝缘铜导线，对地绝缘电阻大于50 MΩ（艾萨·伊斯马伊力等，2016；李雪浩等，2018）。
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图 1 洛阳台地电场观测装置系统布设 Fig.1 The layout of the geoelectric field observation device system at Luoyang Seismic Station |
对地震台站造成破坏的雷害多为感应雷，主要入侵途径为：交流电源供电线路、通信线路和信号线路、接地体低电位反击电压。台站防雷主要环节是对交流配电系统、通信信号线路、接地与等电位连接、观测系统布线等实施保护，避免雷击对观测系统的破坏。在2018年地震台站综合观测技术保障系统改造项目中，洛阳台作为示范点进行系统升级，主要内容为：①完善台站交流配电防雷级数；②增加通信传输线路及设备信号引线；③清理现有接地体，改进与完善电磁屏蔽、接地极与等电位装置；④分开强弱电线路（电源线、信号线、数据网络线），部署防雷设备信号I/O线，避免造成环路现象，规范化整理各种观测仪器与设施的综合线路及部署仪器位置等。
洛阳台观测系统避雷设备安装，严格按照2018年地震台站综合观测技术保障系统改造项目要求实施。该台观测技术保障系统分布见图 2。其中：B级防雷器前串联63 A空气开关，接线采用10 mm2多股铜导线，线耳连接，安装在总配电处；C级防雷器接线采用10 mm2多股铜导线，线耳连接，安装在观测室配电处；D级防雷器选用防雷插座，各仪器设备、通信设备等直接插到防雷插座上；接地线均采用6 mm2多股铜导线，线耳连接；地震专业仪器信号防雷器按照每款仪器的工作电压、接口方式、采集线芯数一一对应，通过专业航空接口与被保护设备连接。其中，地电观测系统D级防雷器、地震专业仪器信号防雷器和地电仪器设备，共同安装在地电机柜内部，由机柜连接接地铜排接入地网，实现设备接地，见图 3。
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图 2 洛阳台观测技术保障系统分布 Fig.2 Distribution of observation technology support system of Luoyang Seismic Station |
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图 3 洛阳台地电观测技术保障系统安装 Fig.3 Installation of geoelectrical observation technology support system at Luoyang Seismic Station |
2018年8月27日08:46至9月10日20:00，洛阳台地电场观测系统短极距NS、NE测道数据突然向下产生幅度分别为-420 mV/km和-290 mV/km的阶跃变化，见图 4。初步检查发现，本次异常仅出现在短极距2个测道，与前期地电暴、地电异常特征进行对比排查，认为由观测系统存在干扰所致。
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图 4 2018年洛阳台地电场短极距NS、NE测道数据干扰分值 Fig.4 Short polar-distance NS and NE observation items interference data of geoelectric field at Luoyang Seismic Station in 2018 |
洛阳台位于地电场测区东北角，毗邻龙门石窟景区，对地电场测区周边环境进行行调查，结果如下：测区北部为龙门西山，西短极距正北80 m为云成宫；公共极布设在洛阳台西院空地；测区西南方向为魏湾村。调查发现，测区及周边存在变压器、水井、盘山路金属管道护栏等设施，具体分布位置示意见图 5。以上设施可能对观测系统有一定影响，为此进行走访调查。
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图 5 洛阳台地电场测区周边变压器、水井分布 Fig.5 Distribution of transformers and water wells around the geoelectric field measurement area of Luoyang Seismic Station |
（1）测区及周边共分布6个变压器，容量均为100 kV·A（表 1）。如图 5所示，变压器编号1为云成宫供电变压器，2为洛阳台供电变压器，3、5为魏湾村民用变压器，4为龙门石窟供电变压器，6为西山宾馆供电变压器。查询可知，8月27日前后无线路整改及变压器更换改造等事宜，变压器运行正常。为此，对变压器进行接地电阻测试，检查结果见表 1，可见接地电阻符合标准；对变压器依次断电处理，发现地电观测系统数据阶跃变化仍然存在，可见不存在对观测系统的影响。
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表 1 洛阳台地电场测区变压器接地电阻测试 Table 1 Transformer grounding resistance test in the geoelectric field measurement area of Luoyang Seismic Station |
（2）测区及周边存在3个水井，均采用无塔供水模式。如图 5所示，水井编号1为云成宫及魏湾村供水井，2为洛阳台流体观测井及生活用井，3为西山宾馆用水井。调查发现，8月27日前后当地无强降雨，3个水井用水量正常，地下水位无明显变化（图 6，图 7）。因此，地电观测数据的阶跃变化仍与气象及地下水位变化无关，排除水井影响。
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图 6 洛阳台2018年8月1日—10月1日降水量原始分值 Fig.6 Original precipitation data per minute of Luoyang Seismic Station during August 1 to October 1, 2018 |
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图 7 洛阳台2016—2018年下半年水位原始日值同期对比 Fig.7 Comparison of the original daily water level values of Luoyang Seismic Station from 2016 to the second half of 2018 |
（3）测区附近以居民区为主，近期无大型施工用电、用水及设备改造等，不存在对地电观测系统的影响。
3.2 观测系统检查 3.2.1 观测装置巡检与测试。2018年8月27日起，干扰排查小组对观测装置进行巡检与测试，结果见表 2，可见：观测室内部线路连接线无破皮、接口无松动等现象；仪器设备临时标定显示各项指数正常，偏差合格；外线路绝缘检查、漏电检查、电极区测试检查、钢绞线漏电测试结果显示均正常。可见，地电观测系统数据阶跃变化非受观测装置影响所致，可能是观测系统内部存在的问题。
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表 2 洛阳台地电场外线路绝缘检查 Table 2 Insulation inspection of external lines of the geoelectric field at Luoyang Seismic Station |
在前期检查基础上，排查小组将地电场外线路布设系统与内部观测系统进行分离，设置2个人工测点，分别对各测道进行人工测量。洛阳台地电场观测系统分布示意见图 8。如图 8所示，在测点1和测点2分别对各测道进行人工测量，结果见图 9。测量发现，测点1所测数据与前期正常数据基本一致，NS测道数值在-265— -285 mV/km范围内变化，NE测道数值在-230— -240 mV/km范围内变化，结果见图 9(a)；连接机柜、接入防雷保障系统后，在测点2进行测量，短极距数据阶跃变化再次出现，其中NS测道数值在-690— -710 mV/km范围内变化，NE测道数值在-510— -520 mV/km范围内变化，结果见图 9(b)，且测点2观测值与ZD9A-Ⅱ地电场仪测量数据[图 9(c)]基本一致。
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图 8 洛阳台地电场观测系统分布 Fig.8 Distribution of geoelectric field observation system at Luoyang Seismic Station |
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图 9 洛阳台地电场短极距人工与观测系统测量数据对比 (a)测点1人工测量结果；(b)测点2人工测量结果；(c)ZD9A-Ⅱ地电场仪测量数据 Fig.9 Comparison of short polar-distance data of the geoelectric field measured by manual observation and observation system at Luoyang Seismic Station |
2018年洛阳台观测技术保障系统升级改造期间，对机柜、设备连接等布线方式统一进行规范化、标准化处理，做到强弱电分离布设；地电场观测数据阶跃出现后，对机柜连接进行接地测量，发现机柜本身携带约1—6 V交流电；拆除机柜地线后测量发现，机柜本身携带约60—90 V交流电。由此次测量可知：机柜内某设备存在漏电现象，经某条线路使得机柜携带电流，进而影响地电场观测，可能是本次数据阶跃的原因所在。对机柜内地电外线连接仪器、仪器设备等供电电源线进行逐一检查，未发现破损并接触机柜导致漏电现象，故排除机柜内布线漏电隐患。
3.2.3 信号防雷设备检查。地电观测信号防雷系统升级改造安装以下设备：一组（2个）LT-DDD-6TP地电场仪信号防雷器和一组（4个）LT-DDY-4TP地电阻率仪信号防雷器。二者采用串联模式安装在机柜内部，接入原防雷器上端，与地电外线路直连；接地线通过2组防雷器并联方式，利用接地排固定到机柜进行接地安装，测量发现接地排携带约6—13 V交流电，且初期安装时间与数据阶跃时间基本对应。拆除2组信号防雷器，脱离机柜固定安装到墙面，测量发现，NS测道数值阶跃产生约8 mV/km的变化，NE测道数值阶跃出现约5 mV/km的变化，但阶跃依旧存在，故排除此设备对地电场观测系统的主体影响。
3.2.4 电源防雷插座及接地线检查。通过前期逐项排查，机柜内仅电源防雷插座和设备接地线未检查。受信号防雷器接地线带电情况启发，从接地线开始逐项入手检查。
（1）拆除地电场仪接地线，发现地电场观测数据出现错乱现象，但前期已知观测仪器运行正常，应有其他设备对其产生影响，还原地电场仪地线，在保证其目前运行状态下，将其他观测设备接地线脱离机柜再逐一接回，发现各仪器设备接地线正常，对地电场观测无影响。
（2）着手拆除电源防雷插座接地线，测量发现，NS测道数值阶跃出现约70 mV/km的变化，NE测道数值阶跃出现约55 mV/km的变化，但主体阶跃依旧存在，且插座接地线携带约30 V交流电，证明电源防雷插座存在漏电现象。
（3）拆除防雷电源PDU插排接地线，测量发现，NS测道数值阶跃出现约150 mV/km的变化，NE测道数值阶跃出现约130 mV/km的变化，主体阶跃主体恢复，数据处于回升阶段，且PDU插排接地线携带约60 V交流电，说明PDU插排存在漏电现象。
3.3 异常处理基于以上异常排查，可知电源防雷插排漏电和机柜内接地线未明确分类，是导致本次数据异常的主要原因。更换2个电源防雷插排，重新接入地线，发现地电场观测数据持续恢复正常。因本次阶跃因机柜内接地线未明确分类[图 10(a)]，进而影响到地电场观测系统，使得地电场数据出现异常。鉴于机柜内部各类设备及布线复杂，为避免今后再次出现类似数据干扰，将各设备接地线脱离机柜单独接入接地铜排，见图 10(b)。
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图 10 洛阳台地电观测系统地线分布 (a)初期接地线分布；(b)改进接地线分布 Fig.10 Ground line distribution of the geoelectrical observation system at Luoyang Seismic Station |
将地电观测系统接地线重新布设后，2018年洛阳台地电场短极距NS、NE测道观测数据整体较为平稳，其中：8月27日至9月10日因漏电干扰产生阶跃，后期逐渐恢复正常；11月28日至30日因更换电极产生数据台阶。由2016—2018年洛阳台短极距NS、NE测道年变整体趋势变化（图 11）可知，2018年度地电场观测数据变化趋势与往年基本一致，符合年变趋势，故本次漏电干扰及干扰落实未对地电场年变造成影响。
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图 11 2016—2018年洛阳台地电场短极距NS、NE测道日值曲线 Fig.11 Daily value curves of short polar-distance NS and NE observation items from 2016 to 2018 at Luoyang Seismic Station |
针对2018年8月洛阳台地电场观测系统升级改造期间出现的大幅度数据阶跃变化，开展多方面调查、巡查、检查和处理工作。
（1）通过对测区周边环境的走访调查，排除降雨、变压器、大型施工和水位辅助监测等干扰。
（2）通过对观测系统内部各线路接口的简要检查，对仪器设备的临时标定，发现各项指数正常，偏差合格。
（3）通过外线路巡视、绝缘检查、漏电检查、电极区测试检查和钢绞线漏电测试，发现均正常。
（4）通过机柜接地及设备布线、信号防雷设备和防雷电源及接地线检查，判断本次地电场数据阶跃变化应为不规范接地产生的共模干扰所致。
（5）通过排查和更换故障设备，并采取分类接地等技术措施，排除此次数据干扰。
综上所述，利用地电机柜连接各仪器、电源等设备接地，测试发现，防雷电源PDU插排接地线携带约60 V交流电，防雷电源插座接地线携带约30 V交流电，信号防雷器接地线携带约6—13 V交流电等，以上接地线同时连接机柜，产生共模干扰，是导致此次地电场数据异常变化的主要原因。因此，在地电场观测系统建设和运维过程中，完善室内布线，规范化观测室接地系统布局和连接方法，是避免此类非正常数据变化的重要技术途径之一。
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