2016, Vol. 31
2. 北京市第三建筑工程有限公司, 北京 100044
3. 北京陆洋科技开发公司, 北京 100036
2. Beijing No.3. Construction Engineering Co., Ltd., Beijing 100044, China
3. Beijing Luyang Technical Developing Company, Beijing 100036, China
地电场是地球表面天然存在的电场，包括大地电场(又称大地电流场、区域电场)和自然电场(又称自然电位、局部电场).其中，大地电场是由固体地球外部，特别是电离层中的各种电流体系与地球介质相互作用，在地球内部产生的感应电场(感应电流场)，具有区域性变化特征；自然电场是由地球介质局部的物理化学条件形成的局部性电场，例如地形的差异、物质成分的不同以及局部电化学作用等(孙正江和王华俊，1984；傅承义等，1985；钱家栋等，2010).
地电场的观测与研究起始于18世纪中叶.1840年前后，由于电报信息被干扰，使得大地电流首先引起了人们的注意；1865年在英国的格林威治天文台上，建立了第一个地电观测点；日本学者在1923年9月1日关东7.9级等大地震前观测到地电场发生了异常变化(长尾年恭，1997)；1977年至1978年，前苏联科学家在高加索地区、堪察加地区发现了地震前地电场的变化，并利用电子计算机识别大地电场异常变化及其与地震活动的对应关系(郝建国等，2000)；我国在1966年3月8日邢台6.8级地震以后，在全国范围内开展了多种类型的地电场(大地电流、自然电位、群防群策“土地电”等)观测与研究，在唐山7.8级地震、海城7.3级地震、松潘7.2级地震等中强以上地震前，记录到了比较典型的地电场变化(张云琳，1980；陈有发等，1999；钱复业和赵玉林，2005).
进入20世纪80年代以后，以希腊VAN方法为代表的大地电场观测及其在地震监测中的应用研究得到比较大的发展，由于希腊VAN方法提出的在地震预报方面的显著成功率，引发了国际上的一次大辩论，我国地震学界的科学家们对该次辩论予以了极大的关注.1992年5月19日-28日，以时任国家地震局局长方樟顺同志为团长的中国地震代表团一行六人对希腊进行了短期访问，期间对VAN方法进行了专项考察(国家地震局赴希腊地震代表团，1992)；钱家栋、毛桐恩、高玉芬、王檀文、范国华、任熙宪、林云芳、曾小苹、滕云田、杨冬梅、卢军、张洪魁等众多地震电磁学界的泰斗、及中青年学者组织和参与了VAN方法辩论资料的翻译工作，并在《世界地震译丛》1997年第1期～第3期全文刊载；冯志生等(1998)、董颂声等(1999)、郑兆苾(1999)等专家对相关资料开展了梳理、分析和整理.
从20世纪90年代，通过中法国际合作项目成功引进了Pb-PbCl2固体不极化电极，也开始了基于“ZD9/ZD9A地电场仪”的具有自主知识产权的数字化地电场观测技术研究和应用工作(赵家骝等，1995；席继楼等，1999，2002).并在“九五”、“十五”期间，利用十多年的时间，在全国范围内，初步建设完成了能够覆盖各主要构造带、活动断裂带、地震危险区和重点监视区的地电场观测台网，在汶川8.0级地震、玉树7.1级地震、芦山7.0级地震、当雄6.6级地震、文安5.1级地震等我国境内多次中强以上地震之前，记录到了比较明显的地电场典型数据变化(杜学彬等，1994；毛桐恩等，1999；阮爱国和赵和云，2000；张颖和席继楼，2008；马钦忠等，2008，2011；席继楼等，2009；田山等，2009，2012；谭大诚等，2012，2014).同时，众多地震电磁学专家、学者和分析预报人员，也相继开展了地电场观测机理、资料分析处理和信息提取方法研究工作，为固体地球物理场研究和地震监测预测事业提供技术服务.
随着地电场观测方法和观测技术在我国的发展和应用，有关技术难点和问题也逐步突显出来(席继楼，2015)，主要表现在：
(1) 地电场是电荷源、电流源与地下介质耦合的结果，但是直接测定地电流信号及其随时间变化又是非常困难的，一般都是通过测量单位长度的地电位信号等效测量地电场变化，此时测量电极极化电位及其随时间变化对地电场观测产生的影响比较大.
(2) 地电场观测容易受到人为或气象因素带来的环境干扰影响，而随着我国国民经济的高速发展，这种影响已经越来越突出.本文主要结合最近几年来开展的一些研究工作，在对地电场观测方法做模型分析和讨论的基础上，以最新研究并在“中国地震背景场探测工程”等项目中应用的“ZD9A-2B地电场仪”为主要讨论对象，对我国地电场观测技术系统的主要研究进展、软硬件技术实现方法、典型干扰分析和处理流程、以及最新观测和应用情况等，进行系统性分析和讨论.
1 地电场观测方法讨论地电场是重要的固体地球物理场量，地电场观测是地震电磁学主要观测方法之一，是地震前兆监测研究中重要观测手段.我国早期开展的大地电磁测深中电场分量的测量、以及后来在我国地震领域开展的群防群测“土地电”观测等，比较普遍的采用了等效测量两个电极之间的电位差及其随时间变化的方法(刘国栋和陈乐寿，1984)；而目前采用的“多方向、多极距”地电场观测方法(席继楼等，2002)，则是在参考和借鉴希腊VAN方法，以及法国、日本等国家开展的地电场(大地电流)观测方法的基础上(长尾年恭，1997)，结合我国目前的现状和客观条件，所采取的一种地电场观测方法，旨在实现高精度、数字化、网络化地电场观测的同时，能够有效识别和排除因观测环境、观测场地以及观测系统等方面产生的一些干扰和影响因素.
地电场的观测对象为地球表面天然存在的电场，其中的大地电场(大地电流场)是大地电磁场的重要组成部分，具有比较宽的频率覆盖.有关资料显示：大地电磁场的周期性变化(周年变化、季节性变化、27日变化、日变化等)与地球公转周期、太阳自转周期、地球自转周期、以及太阳的活动有密切的关系；扰动性变化(电磁暴、湾扰、脉动等)则主要与太阳活动性有关.当太阳活动(太阳风、太阳射线等)产生的粒子辐射和电磁辐射，通过扩散、传导、加热、潮汐效应等，与地球磁层和电离层相互作用，产生的流磁现象(磁流波、电流体系)，并经过磁层、电离层、大气层的传播到达地球表面时，通过与地球介质发生作用产生大地电磁场的变化.现已证明，当上述这种产生大地电磁场的磁流波频率大于0.1 Hz时，通过400 km以下的电离层区将会急剧衰减；而频率大于1 Hz的大地电磁场几乎完全是由雷电活动或人工电磁源引起(刘国栋和陈乐寿，1984).
为了能够比较好的探测上述大地电(磁)场的各种变化，以及由此带来不同结构的地下介质电性及其变化信息，并部分兼顾观测由地下场源产生的自然电场剧烈变化等，我国的地电场观测主要包含了DC～0.1 Hz频段范围，并可根据观测需求进一步拓展.同时，由于地电场在地表的分布，不仅取决于外部场源，还取决地壳和地幔的电性结构；地电场的极化方向除了与场源性质有关外，也较多的受地质构造(断层、盆地、隆起、岩脉、导电体等)所引起的地下电阻率(电导率)变化的影响.因此，我国的地电场观测台站大多分布在活动构造带、活动断裂带等地质活动比较发育的地区及附近.
图 1为地电场(分量值)观测方法示意图.其中，图 1a为基本测量原理示意图；图 1b为测量等效模型示意图.假设地下介质电性结构为均匀的半无限空间模型，利用图 1a所示原理测量地表两点(A点和B点)之间的电位变化，其理论值为图 1b模型中的A、B之间的电压VAB(t)；实际测量结果为两个测量电极输出(电极A和电极B)，也即图 1b中的C、D之间的电压VCD(t).模型分析的结果表明，VAB(t)和VCD(t)是不相等的.其中，VAB(t)为理论分析值，和地下构造体产生的等效自然电场源VSP(t)、地下介质的等效电阻率(地下介质视电阻率)Rs(t)、以及外空源感应产生的大地电流源It(t)等天然场源、地下介质电性结构及其随时间的变化有关，也同时会受到非天然等效干扰电场Vr(t)的影响，如式(1)、式(2)所示；VCD(t)则与观测系统构成的闭合回路的制约，包括电极极化电位VPi(t)、线路接触电阻RPi、负载电阻RL(观测仪器的输入电路)等，如式(3)所示.式(3)中，当负载电阻远远大于Rs(t)及RPi时，可得到与环路电路无关的表达式(4)；更进一步，当采用不极化电极(或假设电极的极化电位忽略不计)进行观测时，即可得到与理论分析值相一致的表达式(5).也即，当满足一定条件的情况下(包括有效消除各种类型共模电压等)，通过精确测量两个电极之间的电位差，并经过计算，可得到和理论分析结果相一致的地电场分量观测结果，如式(6).式(1)为
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图 1 地电场观测方法示意图 (a)基本原理；(b)等效模型. Figure 1 Schematic diagram of the geo-electric field observation method (a)Basic principle；(b)The equivalent model. |
式(1)中，当Vr(t)=0时：
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式(3)中，当RL＞＞RP1+RP2+RS(t)时：
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式(4)中，当VP1(t)≈VP2(t)时：
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式(6)中，EAB(t)为由A、B两电极所在连线方向的地电场分量值；VAB(t)为A、B两个电极之间的测量电位差；LAB为A、B两个电极之间的距离；公式前面的“-”表示地电场的方向是有由高电位指向低电位.
“多方向、多极矩”观测方法的基本原理如图 2a所示；实际观测过程时，根据不同的场地条件，分别采用图 2b中(1)、(2)、(3)和(4)四种方法之一进行观测.通过此方法获得两组及以上的同测向地电场分量观测数据之后，利用式(7)、式(8)分别计算同测向、不同装置系统下大地电场变化的相关系统r和差值Δxy，即可判定观测结果的准确性和可靠性.这种判定的主要物理依据为:假定同一测量场地的地下介质电性结构是均匀的，则在不同极距正常观测得到的大地电场变化应该是相同的(变化形态相关、变化幅度相等)；而当这种一致性发生偏离时，则可能为其他原因引入了区域性或局部性的电场变化，如自然电场剧烈变化、电磁环境干扰以及其他人为因素产生的变化等.
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(7) |
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图 2 “多方向、多极矩“地电场装置系统布设方法示意图 (a)基本原理；(b)实际方法. Figure 2 Schematic diagram of the geo-electric field observation device layout for the method of “multi direction & multi electrode distance” (a)Basic principle；(b)Actual method. |
式(7)中：xi、yi分别为同方向两个不同测道的观测数据序列；n为参与计算的数据个数；
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(8) |
式(8)中：xi、yi分别为同方向两个不同测道的观测数据序列，K为修正系数
从上述分析过程可以看到，混叠在地电场观测数据中的非天然干扰电场Vr(t)，一般很难通过测量装置系统予以消除；而“多方向、多极距”地电场观测方法，也只能对各种干扰和影响因素进行识别和评判；并且，随着社会的进步，以及我国国民经济的快速发展，产生这种非天然干扰变化的因素越来越多，如我国电网系统、轨道交通能够系统产生的工频干扰(50 Hz及其倍频)，大中城市及周边的地铁/轻轨干扰，以及蓬勃发展中的超高压直流输电系统干扰等(席继楼，2015).因此，目前比较可行的规避办法仍然为远离干扰源一定的距离，以消除干扰源对观测数据的影响，这也同时为开展无人值守方式下的地电场网络化遥测遥控观测提供了必要的技术需求.
2 网络化地电场观测技术研究 2.1 不极化电极研究与进展测量电极是连接大地和地电场测量线路的导体，承载离子导体和电子导体之间的电荷交换、电压(流)传导的作用.在实际应用中，当电极与土壤介质接触时，极化电位的产生是不可避免的.不极化电极的实现原理为：将金属电极(Pb、Ag、Cu等)放置于同类金属阳离子的饱和溶液(或电解质)中，此时电极的极化电位将保持(或接近)恒定值，即标准电位(standard potential).当两个极化电位为标准电位的电极组合使用时，此两个电极之间的极化电位差理论上可达到或无限接近于零，从而实现所谓的“不极化”(宋艳茹等，2011).
目前，在不极化电极研究方面，以Pb-PbCl2不极化电极和Ag-AgCl不极化电极居多，其中由中国地质大学和西安电子科技大学等高等院校研究的Ag-AgCl不极化电极，主要用于海洋大地电场勘测(邓明等，2001；卫云鸽等，2009).这两类不极化电极由于可以实现固态封装，基本上解决了Cu-CuSo4不极化电极的使用寿命问题，在携带、安装和使用等方面具有比较大的灵活性，因此在国内外的关注度均比较大.
对于不极化电极而言，除了保证每一对电极之间的极化电位保持一致，从而达到“不极化”性能之外，电极极化电位的稳定性也是影响其使用性能的关键指标之一.试验研究表明，影响不极化电极的极化电位稳定性的主要因素包括：(1)围堰金属电极的金属阳离子溶液(或电解质)的化学性质的稳定性；(2)电极与大地之间接触电阻的稳定性；(3)大地介质环境(电解质浓度、温湿度等)的稳定性等.围绕这几个主要影响因素，针对Pb-PbCl2不极化电极，在最近几年来，开展了一系列相关研究工作，主要在电极几何结构、电解质配方、埋设方法和埋设使用条件等方面作了优化设计和改进.最新资料显示(宋艳茹等，2011)，我国研究完成的多种Pb-PbCl2不极化电极，其主要技术性能最优可以达到：(1)极化电位差：≤0.1 mV(优化组合)；(2)短期稳定性：≤0.1 mV/24 h；(3)极化噪声：≤0.01 mV/ 60 s.
2.2 网络化地电场仪器研究我国数字化地电场观测技术研究起始于20世纪90年代，以“ZD9大地电场仪”和“ZD9A地电场仪”具代表性.其中，“ZD9大地电场仪”以8位TP-801B单板微型机为核心，4位半双积分ADC芯片ICL7135，以及RC滤波电路、CD4501多路模拟开关等，实现多通道地电场信号的数字化、自动化观测，观测数据通过磁带机进行保存和回放(赵家骝等，1995).“ZD9A地电场仪”利用8位MCS8051单片机为中央控制器件，利用MCS51汇编语言编成控制，采用24 bit∑-Δ ADC芯片AD771X实现高精度模拟数字转换，测量数据保存在基于PCMICA接口的大容量Flash数据存储卡中，并可通过RS232接口与电子计算机联网实现数据传输(席继楼等，2002).
2000年以后，为了适应我国地震前兆观测网络中的应用需求，在原“ZD9A地电场仪”的观测原理的基础上，开展了基于互联网数据传输控制、以及基于高纬度高海拔地区无人值守观测的技术改型研究，其技术成果包括“ZD9A-Ⅱ地电场仪”、“ZD9A-2B地电场仪”等，这类仪器的共同特点是采用了分布式双CPU结构，利用高级语言编写的多任务程序，分别完成地电场信号的采集处理，和地电场观测数据的网络通信、传输和控制等功能，可以实现每秒钟一次的多测道地电场同步观测.其中“ZD9A-Ⅱ地电场仪”采用了包含PC104接口的X86+Win98技术构架实现网络通信、传输和控制等；“ZD9A-2B地电场仪”采用了ARM+WinCE技术构架实现所有网络功能，环境适应能力有较大幅度提升.这里主要以最新研究完成，并在“中国地震背景场工程”项目进行试运行观测的“ZD9A-2B地电场仪”的技术特点，做比较详尽的分析讨论.
“ZD9A-2B地电场仪”采用双模块并行工作方式，即“数据测量模块”和“网络控制模块”，两个模块利用不同的控制系统独立进行工作，如图 3所示.图 3中：(1)“多测道数据采集”完成多个分量地电场信号的模拟数据转换工作，其核心部件为24 bit∑-Δ多通道、高精度ADC芯片AD77X，配合前置滤波电路和逻辑控制电路，由“数据测量模块”进行逻辑控制，并通过SPI接口输出转换完成的地电场数据；(2)“数据测量模块”主要完成地电场数据的采集、模数转换、量纲转换、缓存处理等方面的测量控制工作，由8位SOC(片上系统)控制芯片C8051F完成整个测量和控制过程，采用C51高级语言编写测量控制软件，测量结果以十六进制补码的方式存储到SRAM缓存芯片中，并定时通过内部UART接口发送到“网络控制模块”，控制时序由该模块自带的I2C接口时钟芯片提供，所有测量和控制过程可以通过外置键盘和LCD显示器进行查询和设置；(3)“网络控制模块”主要完成观测数据的格式转换、存储处理、数据通信和网络服务等工作，以ARM+WinCE为主要技术构架，利用VS2005高级语言实现“多任务/多进程/多线程”编程(软件流程如图 4所示)，以及利用ASP+COM组件实现WEB网页编程和控制.当“网络控制模块”接收到来自“数据测量模块”的数据以后，启动实时中断程序，完成数据格式转换、干扰分析、数据处理等程序；然后将处理以后的观测数据按照预定的格式保存到内置Flash存储芯片，同时定期转存到外置CF卡中；最后通过RJ45接口完成最终观测数据的网络传输和WEB、FTP下载等操作.
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图 3 “ZD9A-2B地电场仪”原理示意框图 Figure 3 The block diagram of the “ZD9A-2B Geo-electricity Field Meter” |
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图 4 “网络控制模块”软件流程框图 Figure 4 The software flow diagram of the “Network Control Module” |
在基本原理技术实现的基础上，为了满足不同环境条件下的应用需求，增强地电场观测系统的环境适应能力，在“ZD9A-2B地电场仪”研究过程中，在保证其总体性能和功能设计的情况下，特别注重低功耗、可靠性以及宽温度范围适应性等方面的辅助性能研究.①在硬件电路设计时，以各类低功耗、大规模集成化的器件和模块应用为主，如在“数据测量模块”中，选用了能够实现多通道测量、集成了放大、模数转换、数模转换、数字滤波等功能的混合型模数转换器件，选用了多接口的SOC主控器件，选用了高集成度SRAM外围器件，以及以表面贴封为主的接口和逻辑器件等；在“网络控制模块”中，采用了基于RISC(精简指令集计算机)的ARM微处理系统，具有运行效率高、体系结构简单、功耗较低等特点，也是降低整体功耗的关键性技术措施之一；②在软件设计中，通过优化指令代码和控制流程，降低系统工作频率，合理安排休眠模式，减少对存储、时钟等外围器件的访问频次等，也在一定程度上降低了系统功耗；③在元器件和器材筛选时，全部采用了工业级标准，理论上在-45～55 ℃范围内能够正常工作.特别是，在一些偏远地区、高海拔地区、以及生活条件比较艰苦的地区，可以开展这种远程互联网联接模式下的无人值守观测与应用.
在采用了上述多种技术措施的情况下，“ZD9A-2B地电场仪”可以达到如下主要技术性能：①测量准确度优于±(0.1%读数+0.02%满度)；②测量分辨力优于10 μV；③频带范围覆盖DC~0.1 Hz；④、测量范围不低于-1000.00～+1000.00 mV；⑤动态范围不小于100 dB；⑥工频共模抑制比不小于150 dB；⑦工频串模抑制比不小于100 dB；⑧测量通道不少于6个；⑨最大功率损耗不大于5瓦；⑩使用温度范围不低于-30～40 ℃(实验室温度测试试验).
2.3 典型干扰分析与抗干扰技术研究随着我国国民经济的高速发展，由此带来的电磁环境干扰因素也是越来越多.总体而言，影响地电场观测的主要电磁环境干扰因素可以分为两大类，即工频干扰和非工频干扰.其中，工频干扰是指由我国电力系统运行过程中的产生50 Hz及其倍频对地漏电干扰，俗称游散电流干扰，尽管该干扰频率处于地电场观测频带之外，但是由于该干扰源的典型性和广泛分布性，当工频干扰的幅度足够大时，由于频率混叠效应、频率畸变效应、限幅效应等作用，对地电场正常观测数据产生影响；非工频干扰是指除了工频干扰之外的对地电场正常观测产生影响的干扰，如地铁/轻轨干扰、直流输电干扰以及其他已知源人工干扰等，这类干扰信号的频带一般和地电场正常观测频带重叠或交叉，可以通过数值分析、数字信号处理等方法进行识别、分析和处理.最近十多年来，对于一些常见电磁环境的干扰源特征、干扰影响机理、主要影响形态、以及规避和抑制措施等方面开展的研究工作已经比较多(席继楼等，1999；邱颖和席继楼，2009；钱家栋等，2010)，对于影响最为突出的工频干扰，也正在通过线路滤波等方式开展专题研究.这里主要针对两例最具普遍性的典型已知源干扰，结合“ZD9A-2B地电场仪”的实时处理过程和结果做一些讨论.
(1) 同场地观测的地电阻率人工供电干扰：地电阻率人工供电信号是一种典型的已知源信号，通过该信号可以探测区域性地下介质视电阻率及其随时间的变化.目前我国绝大部分基于直流源的地电阻率观测台站均采用如图 5a所示的正反向供电模式，其供电时间序列的检测结果为可预先设置的等周期或非等周期方波.在我国地震前兆观测台网中运行的几乎所有地电阻率台站均开展了同场地地电场观测，而图 5a所示的这种人工供电波形将作为一种已知源干扰叠加到正常的地电场观测信号中，如图 5b所示.
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图 5 地电阻率人工供电干扰波形及实时处理结果曲线(河北昌黎，2015年3月31日) (a)干扰时序波形图；(b)秒采样干扰记录曲线；(c)分钟数据实时处理记录曲线. Figure 5 The curve of the artificial power-supply interference and the real-time processing resulting of the geo-electrical resistivity observation(Changli, Hebei Province, March 31,2015) (a)The chart of the interference time sequence waveform；(b)The recording curve of the second sampling interference data；(c)The recording curve of the minute real-time processing data. |
对于这种同场地观测的地电阻率人工供电干扰，曾采取过多种处理方式，如“ZD9A地电场仪”中采用了一种硬件“握手”交互控制方式，在地电场每分钟仅观测一次的情况下，当地电场开始观测和结束观测时，分别向地电阻率仪器发送一个“开始”指令和“结束”指令，控制地电阻率观测仪器在此期间停止向大地供电；“ZD9A-Ⅱ地电场仪”采用了一种指定时间段“门限”阈值控制方式，在每秒测量一次的情况下，在预先设置的时间段内，当单次测量结果与前一分钟观测结果的差值超过设定阈值时，该次测量结果将被删除，不参与分钟观测结果的计算处理.但是，这两种方法都具有一定的局限性，硬件“握手”交互控制方式将无法提高采样率，造成比较大的信息遗漏；“门限”阈值控制方式则必须限定地电阻率人工供电的时间段.
在综合上述两种方式各自的优缺点的基础上，在“ZD9A-2B地电场仪”中，采取了一种“波形”识别控制方式.利用这种“波形”识别控制方法，对图 5b所示的被干扰数据的处理效果如图 5c所示，处理结果还原了地电场静日变化的典型双峰(双谷)变化特征(叶青等，2007).此方法的优势在于，即消除了必须限定地电阻率人工供电时间段的弊端，又解决每分钟只能观测一次的限制.此方法对于多台地电阻率仪器同场地供电、变周期供电、长时间供电、随机性供电等多种模式下的人工供电干扰，均可以进行实时识别和处理.
(2) 地铁/轻轨干扰：地铁/轻轨干扰是由于地铁运行过程中通过导行轨道对地漏电产生，单列首发地铁的漏电干扰时序如图 6a所示，图 6a为北京地铁五棵松地铁站附近，2002年5月16日的实测结果.调查分析表明，地铁/轻轨的动力电源为直流电源(如北京地铁为直流750 V供电，上海地铁为直流1500 V供电)，但是由于供电时序的间歇性，产生了地铁干扰频率特性的宽频性和复杂性，并且和地电场观测研究频段具有部分重叠性和交叉性，为有效的消除这种干扰影响带来了很大的困难.根据北京地铁干扰频谱的测试试验结果，地铁运行时对外界产生的电磁影响的频谱集中在周期大于10 s(频率低于0.1 Hz)的低频段(钱家栋等，2010)；而优势干扰频段取决于地铁列车的运行速度、运行方向、发车频次、站台间隔等因素，如北京地铁高峰时段的发车间隔一般在3分钟之内(130～150 s).
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图 6 地铁运行漏电干扰波形及实时处理结果曲线(天津静海，2015年2月24日) (a)干扰波形测试曲线；(b)秒采样干扰影响记录曲线；(c)分钟数据实时处理记录曲线. Figure 6 The curve of the Leakage interference and the real-time processing result during the period of the Subway operation(Jinghai，Tianjin Municipality，February 14，2015) (a)The chart of the interference test waveform；(b)The recording curve of the second sampling interference data；(c)The recording curve of the minute real-time processing data. |
鉴于上述分析，在“ZD9A-2B地电场仪”中，在保留原始秒采样观测数据不变的情况下，在获得分钟观测数据时(数据频段DC～200 s)，首先对秒采样数据做滑动平均滤波，然后利用滑动平均滤波结果，采用算术平均方法，得到当前时刻的分钟值观测数据.图 6b为天津静海台地电场秒采样观测数据受到天津地铁干扰影响曲线，图 6c为利用上述方法处理以后的地电场分钟数据曲线.从图 6c可以看出，此方法也比较成功的从强地铁干扰中提取到了地电场静日变化的典型变化形态.
3 地电场观测数据分析与应用“ZD9A-2B地电场仪”目前获得观测数据时间段最长的台站为青海省大武地震台，该台站位于青海省果洛藏族自治州玛沁县大武镇，东经100.2°、北纬34.5°，海拔高度3737 m，地处甘青川交界地段，巴颜喀拉山和阿尼玛卿山之间，库玛断裂带东段北侧；该台站地电场观测系统始建于2006年，后因观测环境等问题的影响，于2013年9月份，采用“ZD9A-2B地电场仪”对观测系统进行了技术改造.图 7a为大武地震台2014年1月1日至2015年3月31日的地电场分钟值观测数据曲线，图 7b为利用MSA均方振幅法计算得到的大武地震台地电场观测数据功率谱密度曲线.从图 7可以看到，该台站在此时间段内，地电场观测数据变化比较平稳，对于2015年3月16日-3月18日期间的地电暴变化的记录比较清晰，功率谱曲线中24 h、12 h、8 h、6 h频率点变化显著，4 h、2 h、1 h频率点也具可识别性，该观测结果具有比较强的真实性和客观性.
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图 7 青海省大武地震台2014年1月1日-2015年3 月31日地电场观测数据及频谱分析曲线 (a)地电场分钟数据观测曲线；(b)地电场分钟数据频谱分析曲线. Figure 7 The curve of the geo-electric field observation and the spectrum analyzer in the Dawu station，Qinghai Province，between January 1,2014 to march 31,2015 (a)The minutes data curve of the geo-electricity field observation;(b)The minutes data of the spectrum analyzer curve. |
图 7a中标记了大武地震台周边500 km范围内的两次中等强度的地震，其中乌兰5.1级地震发生在距离台站310 km处的青海省海西蒙古族藏族自治州乌兰县，发震时间2014年10月2日23:56，震中位置为北纬36.4°、东经97.8°，震源深度18 km；康定6.3级地震发生在距离台站490 km的四川省甘孜藏族自治州康定县，发震时间2014年11月22日16:55，震中位置为北纬30.3°、东经101.7°，震源深度16 km.从图 7a可以看出，两次地震之前，大武地震台的地电场数据均有变化，乌兰5.1级地震前尤为明显.该类变化是否与地震孕育过程有关，以及和那一次地震的发震过程相关联等问题，尚待做进一步的分析和讨论.
2015年3月17日-19日极强磁暴期间，“ZD9A-2B地电场仪”在全国大面积范围内记录到了地电暴同步变化.图 8为部分台站记录到的地电暴水平量变化幅度曲线，该曲线是利用两道互相正交的地电场分量Ex、Ey通过矢量合成方法计算得到，能够反映地电暴的地表水平分量变化特点.图 8中所列台站大部分位于北纬40°附近，但是地电暴的变化幅度却差别很大，最大相差一个数量级以上，如位于西部地区的甘肃嘉峪关台和位于东部地区的河北兴济台的地电暴变化幅度相差17倍，而同样位于青海省的大武台与金银滩台的地电暴变化幅度相差6.4倍.因此，尽管地电暴变化波形是同步的，但是其变化幅度的大小和地理经纬度没有明显的相关性，主要是因为受地下介质电性结构影响的可能性会更大一些，而这一点与理论分析结果也比较吻合(刘国栋和陈乐寿，1984；孙正江和王华俊，1984；傅承义等，1985；钱家栋等，2010).
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图 8 2015年3月17日-19日期间地电暴同步变化曲线 Figure 8 The simultaneous changes curve of geo-electric storm between March 17 to 19，2015 |
地电场是一种重要的地球物理场量，是大地电磁场的重要组成部分，也是我国地震电磁学的重要方法和手段之一.我国数字化地电场观测是一个新兴的地震前兆观测手段，对其研究的历史仅二十余年，尚处于不断发展的阶段.本文通过多个方面的阐述和讨论，回顾了国内外地电场观测和发展的历史，分析了地电场观测方法及其目前突显的难点和问题，详细讨论了地电场观测技术的最近进展、软硬件技术实现以及抗干扰方法和技术等，并从观测的角度对部分台站、部分时间段的地电场观测数据进行了多方面的分析和讨论.通过这些方面的分析和讨论，从总体上阐述了我国地电场观测技术发展的技术脉络和最新成果.
(1) 我国地电场观测沿用和发展了国际上比较通行的“多方向、多极距”观测方法，该方法的主要目标为判断和识别因气象因素、观测环境和观测系统等原因产生的非天然电场变化，其物理依据为产生于地震磁层和电离层的大地电场在地表具有区域性或局部型的均匀变化特性.
(2) 不极化电极的研究和应用是解决电极极化电位变化对地电场观测影响的主要途径，目前国内有多种Pb-PbCl2固体不极化电极、Ag-AgCl固体不极化电极研制成功，并在地表及海洋地电场探测中应用，经过优化组合以后，配对使用的两只固体不极化电极之间的极化电位差可达到不大于0.1 mV，满足地电场观测的应用需求.
(3) “ZD9A-2B地电场仪”是最新研究完成的网络化地电场观测仪器，采用ARM-WinCE主体技术构架，多模块硬件设计和多任务、多进程、多线程高级软件编成，实现了多个地电场分量高精度、高采样率同步观测，低功耗及较宽的环境适应能力的设计理念，解决了高纬度、高海拔地区的无人值守观测问题.
(4) 随着我国国民经济的飞速发展，越来越严重的电磁环境干扰是目前影响地电场观测的最主要因素.在对各种工频干扰和非工频干扰进行系统分析的基础上，有针对性对两种典型的已知源非工频干扰进行了深入讨论，并在保留秒采样原始数据的基础上，在获得分钟值观测数据时，利用嵌入式软件进行实时识别和处理，恢复了典型地电场日变化形态.
(5) 在“中国地震背景场探测工程”等重大项目中的试运行观测表明，“ZD9A-2B地电场仪”观测到的青海省大武台连续15个月的地电场数据变化，具有较强的真实性和客观性；在全国范围内记录到的地电暴变化具有较好的同步性，但是变化幅度和地理经纬度没有明确的相关性，可能与地下介质电性结构具有较大的关联，这一点和理论分析结果比较一致.
致谢 感谢中国地震局地震预测研究所钱家栋研究员、关华平研究员，中国地震局地壳应力研究所王兰炜研究员、张世中副研究员，甘肃省地震局陆阳泉研究员、谭大诚研究员，上海市地震局马钦忠研究员等专家的指导、支持和帮助；感谢河北省、甘肃省、青海省地震局提供的地电场数据及资料；感谢审稿专家和编辑部的意见和建议.| [] | Chen Y F, Ma Q Z, Zhang J, et al .1999a. Precursor and possible mechanism of natural geoelectric field before earthquakes[J]. South China Journal of Seismology (in Chinese), 19 (3) : 26–34. |
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