0 引言

地电场观测是开展地震预测预报的重要方法之一（安张辉等，2013；席继楼等，2016；谭大诚等，2019）。国内外研究表明，在中国大陆多次中强地震发生前，均观测到地电场的异常变化。然而，地电场观测受到诸多因素干扰，除观测系统自身因素外，观测场地复杂的环境干扰因素也对观测数据造成显著影响。如：“十五”地电场观测系统投入使用以来，由于地电场数字化仪器采样率与灵敏度的大幅度提高，大地电场的高频异常信息日益丰富，其干扰因素复杂，观测曲线形态变化多样（李飞等，2020）；随着社会的发展，台站周边工农业用电情况越来越复杂，导致地电场观测数据所受干扰日益增多（范晔等，2020）。

研究表明，电极不稳定、降雨、温度变化、工业大负荷用电、漏电等均可引起数据阶变，严重影响地电场观测数据的产出与应用。影响因素的复杂性，给引起地震地球物理观测资料异常变化的原因查找、性质判定等带来困难。为了能够正确识别震前异常信号，需排除各种干扰，以确保产出数据的稳定性和可靠性，发挥数据在监测预报中的应用。本文以琼中地电场观测为例，基于观测系统、自然环境、场地环境、人为干扰、地球物理场等方面，采取相关实验逐一进行干扰源排查，并查找数据阶跃的产生原因，为地电观测数据的分析应用提供保障。

1 台站概况 1.1 观测条件

海南省在背景场项目中建设2个地电台站，分别为琼中和翁田台站，见图 1。其中琼中基准地震台（下文简称琼中台）地处区域性基底隆起的岩体侵入地区，岩性为海西—印支期花岗岩，地壳稳定性较好。其海拔高程约209 m，地电场址地势平坦，地形高差小于5 m，通信、供电和交通条件良好。根据电磁观测环境国家标准要求，该台基本符合大地电场台站建设勘选要求（中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局等，2004）。

1.2 观测系统

受场地条件限制，琼中地电场布设方式见图 2，其中NS测向长极距为83 m，EW测向长极距为102 m，NW测向长极距为142 m，NS测向短极距为57 m，EW测向短极距为71 m，NW测向短极距为98 m，南北和东西向存在一定夹角（约110°）。2013年安装ZD9A地电场仪器进行地电场观测，2015年接入观测台网。琼中地电场观测由观测场地和地电场观测系统两部分组成（图 3）。校检系统隶属观测系统，主要用来检测测量仪器的运行情况。

地电场观测数据干扰主要是受到观测场地环境变化及观测装置影响。在实际应用中，一般采用多方向、多极距观测方法，即采用正交的NS、EW向进行测量，而琼中地电场由于场地条件原因存在一定夹角，在每个测向布设长短不同的极距进行测量。通过对同一测向长短极距测量值进行相关系数差值检测来判定数据可靠性，从而验证观测数据内在质量。

2 观测数据干扰现象

琼中地电场自2014年1月25日投入观测至今，长期受环境干扰，每次干扰时长几小时到十几小时不等，干扰幅度为几十mV/km至几千mV/km，数据质量较差，观测曲线形态主要表现为突跳或台阶，同测道长短极距相关系数较低，差值较大，严重影响数据的产出与应用。以2022年9—10月地电场观测数据为例，分析干扰特征，观测曲线见图 4。由图 4可见，各测道数据每日18—19时至23—24时出现同步台阶变化，其中NS向长短极距数据曲线台阶向下，EW向长短极距数据曲线台阶向上，NW向长短极距数据曲线台阶向下。

3 干扰排查

根据中国地震局关于地震台站观测数据跟踪分析工作思路，对异常事件进行分析主要从观测系统、自然环境、场地环境、人为干扰、地球物理场等5个方面进行分析排查。其中：①人为干扰：一般来自地电场季度或临时标定等，其操作不当导致数据变化，可通过查看观测日志排查。②地球物理场：地电暴和地磁暴为受远源空间电流体系剧烈扰动影响产生的全球性扰动现象。在地电观测记录中，地电暴表现为明显阶跃，可根据同台地磁数据的同步变化进行识别。③自然环境干扰：主要是气象因素影响。每年5—10月，海南台风、暴雨及雷电较多，容易对电极、线缆接触、外线路绝缘度等造成影响，导致地电场背景噪声偏大。

经对地电场观测数据的核实及分析，排除自然环境、人为干扰及地球物理场的影响，重点就观测系统、场地环境进行相关实验排查。

3.1 观测系统排查

（1）地电场外线路检查及处置。从测量仪器、观测装置及外线路、配线盘、电极接线等入手，采取以下检查措施：①检查外线路、室内线路接头处是否存在生锈、接触不良等情况；②检查配线盘避雷装置和线路接线端子、闸刀等是否正常，特别是易忽略的闸刀固定螺丝及其生锈等问题；③测试外线路对地绝缘情况；④测量接地电阻等是否正常。

2023年2月19日，琼中地电场EW、NW测向短极距观测数据测值较大（图 5），其中：EW向短极距测值由-1 221 mV/km变为-707 mV/km，NW向短极距测值由1 096 mV/km变为561 mV/km。按照上述方案对观测系统进行排查，对线路接线进行梳理，发现西端短电极电线接线处发生氧化，导致接触不良，进行处理后，EW、NW测向短极距测值出现明显变化。

（2）主机排查。新、旧地电场仪共用1套线路并行观测，下载并绘制同日数据曲线，发现各测向长、短极距的12条曲线重合（图 6），表明主机运行正常。

3.2 观测场地环境排查

琼中台周边环境比较复杂，观测数据曲线干扰明显，一般表现为瞬时突变，长时间数据突变时间点为18—19时、23—24时，可利用长、短极距比值干扰源定位方法（田山等，2009；马钦忠等，2016；张宇等，2017；谭洁玉等，2023），分析干扰源所在方位及距离，以便进一步针对性地展开干扰排查。

根据VAN法，认为地电场信号产生于“点”源，这种“点”源分远源和近源2种（石特临等，1998），若为远源信号，理论上同一测向观测到的ΔEAB=ΔEA₁B₁，而琼中台NS、EW、NW测向长、短极距测值明显不同，且各测线短极距测值较大，为长极距测值的几倍，由此可以判定数据干扰源距观测场地较近。根据观测曲线的台阶方向（NS测向台阶向下，EW测向台阶向上）及测试数据，初步认为在台站N偏W向可能存在交流电漏电干扰（图 7中S点位置）。当地电场观测中发生漏电干扰时，计算不同测向长、短极距比值，将所得可能坐标点画在同一幅图中，交点便为干扰源的可能位置。

当漏电位置在地表时，可将该干扰源视为地表点电流源，设地面为无限大平面，地下充满均匀且各向同性的导电介质，该点源会在一定范围内形成一个稳定电场（李金铭，2005）。假设整个地下区域为均匀各向同性介质，则电场强度计算公式为

$ U=\frac{I \rho}{2 \pi R} $

(1)

$ E=\frac{U_1-U_2}{L} $

(2)

式中，E为电场强度，ρ为电阻率，I为电流强度，R为干扰源到测量电极的距离，L为两测量电极间的距离。

在图 7所示布极图中，B₁、B₂为NS测向长、短电极，A₁、A₂为EW测向长、短电极，其中A₁坐标为（102，0），B₁坐标为（0，83），假设S为漏电点，其坐标为（x，y），根据电流连续性定理，式中U₁为干扰源S在测量电极A₁处产生的电势，U₂为干扰源在测量电极B₁处产生的电势，将式（1）代入式（2），有

$ E_{\mathrm{L}}=\left(\frac{I \rho}{2 \pi \sqrt{(102-x)^2+y^2}}-\frac{I \rho}{2 \pi \sqrt{(83+y)^2+x^2}}\right) \times \frac{1}{\sqrt{102^2+83^2}} $

(3)

将短极距电极坐标和干扰源坐标带入式（2），有

$ E_{\mathrm{S}}=\left(\frac{I \rho}{2 \pi \sqrt{(71-x)^2+y^2}}-\frac{I \rho}{2 \pi \sqrt{(57+y)^2+x^2}}\right) \times \frac{1}{\sqrt{71^2+57^2}} $

(4)

计算长、短极距电场值的比值，有

$ \frac{E_{\mathrm{L}}}{E_{\mathrm{S}}}=\frac{\left(\frac{1}{2 \pi \sqrt{(102-x)^2+y^2}}-\frac{1}{2 \pi \sqrt{(83+y)^2+x^2}}\right) \times \frac{1}{\sqrt{102^2+83^2}}}{\left(\frac{1}{2 \pi \sqrt{(71-x)^2+y^2}}-\frac{1}{2 \pi \sqrt{(57+y)^2+x^2}}\right) \times \frac{1}{\sqrt{71^2+57^2}}} $

(5)

由式（5）可知：地电场长、短极距比值E_L/E_S与干扰源的电阻和电流强度无关，仅与各测量电极和干扰源的坐标有关。地电场台站中各测向长、短极距测量电极坐标固定，只需求得干扰源坐标并代入式（5），即可得到该干扰源引起的各测向长、短极距增量的比值。

假设地电场观测布极方式为正交L形，根据观测数据曲线其变化幅度计算得到NS、EW、NW测向长、短极比值分别为1.068、1.084、1.093，将两测向等值线画在同一坐标系中，可得2个交点，即为干扰源的可能位置，则可知漏电点位置约在NW向坐标（52，350）附近红、蓝曲线相交处，结果见图 8。

4 干扰源判定及数据质量分析 4.1 漏电干扰源

基于琼中地电场观测曲线台阶方向及长、短极距比值干扰源定位方法判定，认为漏电点位于台站N偏W向，且距离台站较近。经走访调研，发现在售楼盘有大功率广告射灯，其开关时间与与数据台阶起始结束时间点（地电场数据突变时间点为18—19时、23—24时）相吻合。经协商，于2023年3月1日—2日及3月8日—13日将其射灯及附属展示灯关闭，发现琼中地电场观测曲线变化平稳，未出现大的台阶及数据阶跃等现象（图 9）。

4.2 数据质量分析

漏电干扰源消失后，采用多方向、多极距观测方法进行测量，对同一测向长、短极距数据进行相关分析，基于地电场在某一局部地区基本稳定的特性，采用理论及VAN方法（石特临等，1998）进行分析，并利用同一方向长、短极距观测数据变化同步的特点，计算NS、EW、NW测向相关系数及差值，验证观测数据的可靠性，对数据的内在质量进行评价，评价结果见图 10。

由图 10可知，自本次排查后，琼中地电场观测数据相关性明显提升，3个测向的相关系数均在0.9以上，差值均在10 mV/km以内，表明观测数据内在质量得到明显提升。

5 结论

作为我国纬度最低的电磁观测台站，琼中台地处电磁场变化的特殊区域，电磁观测环境较复杂，处理不当将影响地震电磁观测数据的使用。针对该台地电场观测数据曲线出现的台阶、突跳等现象，尝试采用以下处理方法进行干扰排除。

（1）琼中地电场EW、NW测向短极距观测数据偏大，由东短电极接线处存在氧化现象所致，处理后短极距数据测值发生明显变化。由此可见，电极接线务必保持良好接触，否则会造成不同测道数据的整体阶跃（如EW、NW测向短极距测值均变化约500 mV/km）。

（2）根据台站观测数据曲线台阶方向及长、短极距比值干扰源定位方法，进行漏电目标锁定，认为琼中台数据存在明显阶跃及突跳，由台站N偏W向在售新楼盘射灯及附属展示灯存在漏电现象所致（开关灯时间与数据突跳时间点吻合）。以上灯具关闭后，琼中地电场观测曲线干扰台阶消失。

随着城市扩建与进程加快，地电场测区环境干扰现象日益严重，且干扰类型多样化，给干扰排查带来较大难度。琼中地电场观测数据长期受到干扰，采用VAN方法和长、短极距比值干扰源定位方法进行排查，解决了固定时段存在的干扰，数据内在质量得到大幅提升。希望分析结果可为其他台站电磁环境干扰排查提供借鉴。