地电场观测中雷电干扰变化特征分析

摘要： 利用昌黎地震台2002年以来的地电场资料，对观测中常见的雷电干扰问题进行了变化形态特征分析。结果表明：雷电或雷雨在地电场观测中的干扰是无规则变化，多数为高频地上下突跳，且变化幅度视雷电距离不同而各异，6个测道虽能同时记录干扰，但形态或变幅并不相同，通过长短极距幅值比计算结果，此特征显而易见。

Abstract： Using the geoelectric field data of Changli seismostation since 2002， the article makes change form feature analysis of common lightening disturbance in observation. The result shows that the lightening disturbance in observation of geoelectric field is random， sudden jump up and down with mostly high-frequency and range varies depending on the distance of thunder and lightning， 6 test roads can also record noise， shape or amplitude varies by length configuration and amplitude calculation results， this characteristic is obvious.

关键词： 地电场；雷电干扰；变化特征

Key words： geoelectric field；lightning disturbance；changing characteristics

中图分类号：P315 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2013）07-0326-02

0 引言

自然电场、大地电场是构成地电场的两大电场。自然电场是地壳局部物理、化学条件变化引起的局部性电场；大地电场是太阳、太阴活动和地球自转及星际磁场等引起的地球外部的各种电流系，在地球内部感应产生的分布于整个地球表面或较大区域的变化电场[1]。一般说讲，自然电场场源的空间尺度与大地电场的场源相比要小的多，因此局部结构所造成的场的空间分布的差异，自然电场比大地电场要大[2]。

雷电在地电场观测中是不可避免且难以克服的自然电场干扰，雷电形成时，雷雨云底部集中了单极性电荷（如负电荷），由于对地电场的作用，雷雨云下部的大地感应出相应的正电荷，这就形成了静电感应电场。当雷击放电发生时，雷云和大地之间的电场消失，但雷电在周围空间形成很强的电磁场，由于电磁感应，在被保护物上会产生感应过电压[3]。虽然多数台站做了避雷装置，但就近十几年的观测条件来看，保证观测仪器在强雷电出现时不被击坏最好的方式就是关机，因此造成缺记。随着避雷技术的不断改善和发展，雷电期间的“断记”现象也许是可以避免的，这就要求分析人员提高识别此类干扰的能力。地电场日常观测资料记录到的干扰形态有多种，想区分各类噪音的来源是比较困难的工作，在分析预报工作中提取地震前地电场异常的方法有多种[4-5]，多注重地震异常特征的提取。对于雷电的影响，虽然台站多有日志备注，但雷雨对地电场观测干扰特征的详细分析，相关文献记录较少，本文旨在利用昌黎台地电场观测资料，对雷雨的干扰特征做一详细分析，从而有助于识别此类干扰并能正确排除。

1 装置系统介绍

自2001年10月起，工作人员采用ZD9A的观测仪开始观测昌黎台大地电场，分钟值采样，采用Pb-PbCl2固体不极化电极，“L”式布设，架设NS、EW、N45°E三个测向，长、短共6个测道，“O、O′”为NS、EW方向长、短极距垂直公共点，NS、EW测向长、短极距各为300m、150m。2011年1月将“九五”仪器ZD9A更换为“十五”仪器ZD9A-Ⅱ，主要技术指标如下：①测量准确度优于±（0.1%读数+0.02%满度）；②测量分辨力优于10μV；③测量范围1000.000 mV；④动态范围≥100dB；⑤频带范围DC-0.005Hz；⑥工频共模抑制比≥150dB，工频串模抑制比≥100dB；⑦测量通道6个；⑧采样率1次/（分钟.通道）。

2 雷电干扰形态特征

雷电出现时多伴随降雨，故台站观测日志中此类干扰的记载一般为“雷雨”，通过整理多年资料分析，雷电和降雨的干扰形态差别不大，但根据雷的距离不同，有可能其变化幅度比降雨明显。挑选2012年6月18日雷电变化和2012年7月9日降雨变化分钟值，有雷电和降雨时，6个测道同时出现扰动，但各测道扰动形态、变幅并不一致，由此可见此类干扰是杂乱无章的，多为高频突跳，扰动大小与雷区远近有直接关系。另外雷、雨同时出现时，形态一般难以区分，类似方面的分析在相关文献有所记载，不再赘述。

3 雷电与前兆异常特征的区别

对于地电场观测数据的分析，提取有意义的地震前兆异常是一件十分困难的事情，因其受空间和环境干扰的复杂性，众多学者尝试用多种数学方法对大量资料进行过整理分析，并得到一些研究成果，但十分成熟的技术方法甚少。1981年希腊“VAN”[4-5]研究小组提出多极距观测方法提取短临异常曾轰动一时，其主张引起的争议存在多年，利用该方法研究短临异常在我国一直得到应用，其原理为：具有相同强度的信号源，与观测点相距较远的，在观测点上两个不同极距上产生的电场强度分量的数值相差无几；与观测点相距较近的，在观测点上两个不同极距上产生的电场强度分量的数值存在很大的差别；若信号源在测区内部，则两个极距上观测到的地电场分量值会符号相反。从地震信号方面来分析，往往与观测站的距离比测区尺寸大很多，可划归远源场特征，测量均匀度符合设计要求，因此将干扰时段的长短极距变化幅度进行对比，相关系数或比值接近1的，可鉴定为异常自然电场信号。另外一种方法为长短极距比值法，其原理与多极距观测原理基本类似，当观测系统稳定时，其比值基本稳定在一个固定的数值上变化，是一个无量纲的常量。每个台站和测向所测得的比值都不相同，除了测量电极极化电位不相同以外，测量区域的场地条件也是造成比值差异的主要因素之一。

利用上述原理，本文将整理的雷电干扰进行长短极距比值研究，从而可以从数学角度对其特征进行判定，而非主观的“目视定夺”。由于多数雷电期间伴有降雨，也难以区分二者，此类情况一并作为干扰处理。

主要计算方法为：①干扰时段极大值减去最小值得到最大变幅；②同测向长短极距最大变幅比值计算。

4 结论与讨论

通过上文分析，不难发现雷电或雷雨在地电场观测中的干扰是无规则变化，多数为高频地上下突跳，且变化幅度视雷电距离不同而各异，6个测道虽能同时记录干扰，但形态或变幅并不相同，在无法查找干扰原因的情况下，通过长短极距幅值比计算和直观视图可对此类干扰进行。

雷电属于一种场电物理变化的现象。雷暴云电场是影响其放电形式和量度的重要因素，地电场和大气电场之间在相互对立与统一的关系中逐渐形成一个场电变化体系。二者之间相互作用，存在电以及其它物理量的互换，最终形成雷电。如果没有雷暴云出现，大气电场和地电场的电能及其它物理量的交换基本持平，进而形成相对稳定的、对立统一的自然场电动态体系。大气电场瞬间畸变，这种畸变对地电场有直接影响。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。地球表面还是一个非均匀各向异性的无限大的导体表面，在这个导体表面上各种不同的土壤导电率决定着地电场及地物尖端放电的击穿强弱程度。在外部场电变化的干扰下，两种或以上的土壤导电率界面就会形成带电离子和自由电子的积累，并构成形式各异的尖端放电场强，从而引起电场的畸变现象。

参考文献：

[1]杨明芝.赵卫叫.宁夏及邻近地区地震活动能量场的统计分析[J].地震学报，2004，6（5）：516-522.

[2]罗国富，杨明芝.云南地区地震活动能量场的时空分布特征[J].中国地震，2005，21（3）：332-340.

[3]郭建芳，周剑青，佟鑫，等.地电场观测中的干扰分析[J].华北地震科学，2011，29（4）：38-48.

[4]Varotsos P，Alexopoulous K.1 984a.Physical properties of the variations of the electricfield of the earth preceding earthquakes，I[J].Tectonophysics，110：73-98.

[5]Varotsos P，Alexopoulous K.1984b.Physical properties of the electric field of the earth preceding earthquakes，Ⅱ.Determination of epicenter and magnitude[J]. Tectonophysics，110：99-125.