0 引言

地电场是固体地球内部和外部的各种非人工电流系与地球介质相互作用而产生的分布于地下介质中的电场，含大地电场和自然电场(克拉耶夫，1954)。其中，大地电场为全球性变化的电场，包含平静变化和磁情影响的扰动变化；自然电场是地方性、变化缓慢、相对稳定的准直流成分电场。地电场观测在地球电磁环境监测及灾害事件监测预报中具有重要意义，自20世纪50年代以来，希腊、日本、前苏联、美国、法国和中国开展了以地震、火山等灾害事件监测预报为主要目地的地电场观测和研究(Varotsos et al，1986、1993；Uyeda et al，2008；Zlotnicki et al，2003；张云琳，1980；毛桐恩等，1999；张学民等，2007；席继楼等，2022；赵玉红等，2023；孙召华等，2024；张丽琼等，2025；李雪浩等，2025)，总结出了诸多经验性的地震前地电场异常形态。就地电场观测装置而言，希腊采用在南北(NS，下同)、东西(EW，下同)两个正交方向布设多个不同极距的方式，观测两个电极间的自然电位差；日本在超低频段NS、EW两个正交方向布极观测地电场分量(Uyeda et al.，2009)，在多次日本6.0级以上地震前均记录到地震电信号异常现象；法国采用了正交的大地电磁观测方式，在观测时记录到地震或者火山活动前地电场出现异常现象(Zlotnicki et al.，2003)。中国地震局兰州地震研究所与法国合作建设的天祝电磁场台站，采样率为几十赫兹，在某个象限进行电磁场同场地观测，曾记录到周边数个地震前电磁畸变现象，可见地电场的有效观测具有广阔的应用前景。

我国自1966年开始地电场的模拟观测，“九五”期间开始建设数字化地电场观测站，截至目前已建成世界上最大规模、规范化运行的地电场观测网。在地电场台网内发生了汶川M_S8.0、玉树M_S7.1、芦山M_S7.0、九寨沟M_S7.0地震和其他十余次6.0级以上地震，前人观测到了震前的地电场变化(田山等，2009；范莹莹等，2010；马钦忠等，2011；安张辉等，2013；谭大诚等，2014)。目前，我国地电场观测多为每台站在地面水平布NS、EW两个正交方向和一个斜交方向，且每方向布长、短极距两个测道，每个测道使用一对Pb-PbCl₂固体不极化电极。仪器通频带DC~0.01Hz，电压分辨力10μV，每测道每分钟产出数据。上述震前异常信号的提取，均是基于现有这种单象限三角型观测装置布极下获取的信息，观测结果包含有大地电场、自然电场、场地干扰和极化电位等变化成分。由于自然电场的不均匀性以及大地电场在一定时间内所包含的频率有多个，并不能有效分离自然电场和大地电场的成分。虽然采用这种布极方式使得提取异常的各种方法取得了较好的结果，但大部分方法仅使用了大地电场的成分，仍然会导致一些观测信息描述不够全面。

在如何改善自然电场观测方面，席继楼等(2013、2018)曾在天津静海台和四川崇州台利用“8”字型布极方式(莫承彬等，1995)，尝试观测全方位自然电场信号，在中心电极360°范围内开展自然电场及其随时间的动态变化研究；最后采用滑动平均的方式获得自然电场，能够基本反映实验测区自然电场的变化特性。在实际地电场的观测中，电极、外线路和避雷装置连接起来称之为装置系统，目前的装置布极情况为每个测道共用一个电极，当干扰出现时，虽然可以定性判断出现问题的装置方向，但不能精确判断哪个电极出现故障或哪条线路出现问题，也不能准确判断干扰源的具体方位。在近几年国家地电场观测质量月评估结果中，观测站中约30%的数据质量在每年5—10月会有所下降，主要源于观测装置不稳定。为进一步全面地描述地电场异常信息，有效地分离自然电场和大地电场，快速判断观测装置的稳定性，设计能够获得全方位描述地电场的观测装置是十分必要的。

本文主要根据近年开展的研究工作，改进已有地电场的观测方式，在甘肃高台观测站设计全方位的装置系统，研究多象限地电场的变化情况和装置稳定性，为甄别地电场正常背景变化和异常信号提供判据。并以甘肃高台站为例，讨论地电场多方位、多测道装置系统的设计及数据分析应用情况，为今后地电场台站建设中观测装置的布极方式、改善测量电极的埋设方法提供依据和应用实践。

1 台站基本情况

甘肃高台大庄观测站为无人值守台站，地处高台县大庄村，属于“十五”项目新建台站，台站距县城13km。高台大庄站气候属大陆沙漠干旱型气候，冬季寒冷、干燥，夏季干热，春季多风，多年平均降水量仅为103mm。高台大庄观测站台址位于合黎山—龙首山褶皱带南缘与走廊断陷的分界处，河西系高台—榆木山隆起与祁吕西褶皱外缘N45°E向构造斜撞复合部位，区域地质构造以合黎山—龙首山N45°E西向隆起带为主，距离榆木山北缘断裂27km，距离祁连山北缘地震带30km。地表为第四纪30m的覆盖层，原测区位于红柳荒滩，地势平坦，现已开发为农用耕地，土壤盐碱性较强。测区周围无湖泊，距离最近的河流为黑河，最小直线距离5.5km。目前高台观测站布设有一套位于第三象限的地电场观测，南北、东西、北西向分别布设长、短极距六个测道(图 1(a))。本研究设计了全方位地电场装置系统，敷设在现有地电场测区附近的农田中，观测保护区内无观测规范要求避开的干扰源，非工频人工电磁源产生的附加电场强度和各测道最大工频干扰幅度符合规范要求。

2 装置系统设计与建设 2.1 观测装置布极原理

目前全国110个地电场观测站中，绝大部分采用三角形布极形式(图 1(b))，少部分采用L型布极方式(图 1(c))，布极方式均是在某个单独象限内。这两种布极方式的优点为长、短极距可以在同一个地电场观测装置中布设，进行观测数据准确性的相互印证。但是，目前的布极方式仅是在一个象限内布极测得NS、EW向水平分量地电场，不能在4个象限内全方位描述地电场变化信息。地电场的观测原理是在指定方向上，按照一定的电极极距，埋设2个电极A、B组成一个观测装置，测量该装置下两个电极A、B之间的电位差ΔV，单测向的电位差ΔV与电极距离的比值为该方位的地电场(图 1(d))。

地电场观测包含自然电场成分和大地电场成分，其中自然电场为局域不均匀电场的统称；大地电场一般来源于地外空间电磁场扰动的直接加载及其伴随场(崔腾发等，2013；Ye et al.，2018)，在短期内具有均匀的电场矢量特性。根据电磁场理论，某一点电位是相对于某个参考点测得的，图 1(a)~(c)中的观测布极装置中每个方向是独立的，各个测道之间没有统一的参考点，因此用其表征地电场的矢量信息并不准确。

另外一方面，图 1(a)~(c)中的地电场观测使用Pb-PbCl₂固体不极化电极，埋设在地下3m左右。固体不极化电极极化电位小，是地电场观测电极的最佳选择，但目前所用的电极长期稳定性还比较受限。此外，较长的电极引线和观测外线路相连，在雷雨季节会加大观测装置系统不稳定性。在 图 1(a)~(c)的装置布极情况下，每个测道都共用一个电极，据此虽然可以判断出现问题大致的电极或者线路的方向，但不能精确判断哪个电极出现故障或哪条线路出现问题，也不能准确判断干扰源的具体方位。为了弥补这些观测技术存在的不足，本研究设计了能够全方位描述地电场观测信息的观测装置。该装置采用“米”字型多方位、多极距的布极方式，在全空间布设多个电极，选取了居中的电位参考点进行多方位的观测，获取更加可靠的全方位的观测信息。本装置有效解决了地电场矢量表征问题和观测装置长期稳定性问题以及干扰源判断，为地震等灾害事件前地电场异常信号提取和干扰的排查提供判断依据。

2.2 观测装置设计原理

由电磁场理论可知，电场E本身具有方向性(目前仅观测水平分量)，当两点间距离无限小时，其可由电位的梯度求得，表达式如下

$ \vec{E}=E_x \vec{i}+E_y \vec{j}=-\left(\frac{\partial U}{\partial x} \vec{i}+\frac{\partial U}{\partial y} \vec{j}\right) $

(1)

其中，E为电势U的负梯度，得到

$ \vec{E}=-\nabla U $

(2)

其中，电势U满足拉普拉斯方程。进一步推导可得

$ \nabla \cdot \vec{E}=0 $

(3)

$ \nabla \times \vec{E}=0 $

(4)

$ \nabla^{2} U=\frac{\partial^{2} U}{\partial x^{2}}+\frac{\partial^{2} U}{\partial y^{2}} $

(5)

$ \Delta U^{M N}=\frac{\rho I}{4 \mathsf{π} R}\left(\frac{U^{M}}{R_{M}}-\frac{U^{N}}{R_{N}}\right) $

(6)

其中，I为某点电源的电流强度，ρ为介质电阻率。ΔU^MN为任意两点M、N间的电位差，U^M为距离某点电源为R_M的电位，U^N距离某点为R_N的电位。因此，在本新型的装置系统中，用两个电极间每分钟的电位差来表征变化的电场矢量信息。

本研究采用“米”字形在8个方向进行布设(图 2，其中不同颜色表示共用一个中心点电极，实际布极均为直线部署)，每个方向和中心点分别埋设3个电极。以O为中心点，在8个方向以等极距进行设计。将中心点O作为电位参考点V_O，8个端点电极相对于中心点电极进行观测，得到ΔV_O1-A11，ΔV_A21-O1……。在8个方向得到24组电位差，进一步整合便可获得测区内多方位电位分布。其观测结果可用于描述四个象限内全方位的自然电场变化情况，这样的布极方式求得的某个方向的平均电场强度，不但可以方便判断观测数据的准确性及电极的稳定性，还可以更加快捷、准确地判断外部干扰源的方位。

图 2所示的观测装置布极中，由一定的时间域内，在24组观测结果中选取8组质量较好的时序测值，即可描述360°区域范围内自然电场的变化情况。以东西向V_A11、V_A21为例，用8个端点的自然电位差减去每日0点时刻的值V_O，得到ΔV_A01-11、ΔV_A21-O1，每个最后求得的ΔV_A11-A12为ΔV_A01-11与ΔV_A21-O1之和。式(6)的结果为自然电位差的变化部分，再除以东西向极距即为大地电场变化ΔE的表达方式。

2.3 观测装置建设

高台大庄地电观测站以南的50m×50m范围内施工便利的地区用于该新型地电场观测装置系统的建设(图 3)。根据 图 2的装置设计和图 3的示意图，采用“米”字形布极方式，O点距离8个端点均为50m。外线路电缆选用适合地埋的三芯绝缘电缆线，采用“全地埋”方式敷设。布线和埋线沟开挖方式按照 图 3施工，使用电缆线长度为1043m，开挖三条埋线沟汇集至NE向极坑附近位置，在NE向极坑位置开挖总埋线沟到观测室，所有线路汇集至NE向极坑附近后，再由总埋线沟引入观测室。

在9个端点设计9个电极坑，极坑均为长200cm×200cm×2500cm的方形，所有极坑开挖均为正南北方向，方便布设电极时参考。在每个极坑三个角分别埋设LGB-3型固体不极化电极。考虑到测区土壤存在砾石，为保证不极化电极与土壤接触良好，施工时在极坑内先回填40cm厚的细质原土完全覆盖不极化电极，然后回填土方压实。

3 数据结果分析

高台大庄新型地电场观测系统使用的观测仪器为ZD9A-2系列或者GEF-2，共4套仪器观测24道电位差数据，该观测系统于2023年6月开始工作。在实验观测期间，利用甘肃省地球物理台网的系统资源对每天的观测数据进行自动汇集，数据进入甘肃省地球物理台网备用数据库。

以高台新型地电场观测系统NS向为例，图 4为NS方向6道2024年4月12—16日电位差原始分钟值时序变化曲线。从 图 4可以看出南北向三道平行分量变化动态是一致的，每个分量均呈现“两峰一谷”的形态，这与叶青等(2007)研究的地电场的变化形态一致。此外，还可以看出16日出现了同步脉冲电扰动现象，这表明该方向上的9个电极运行基本是稳定的。

图 5为2024年4月12—16日同场地在运行高台地电场NS向长、短极距原始分钟值时序曲线，图中显示与新型装置南向和北向变化形态相同，呈现“两峰一谷”的变化形态，这也说明新型地电场装置是稳定的。

图 6为利用上述设计原理计算得出的8个方向的自然电位差归零后NS向(B_21-11)、EW向(A_21-11)、NE向(C_21-11)和NW向(D_21-11)4月14日的大地电场分钟值时序动态曲线。由 图 6可以看出，这样计算的大地电场整体均呈现了“一峰一谷”的变化形态，峰谷到时在8 ︰ 00 ︰ 00—10 ︰ 30 ︰ 00左右(峰)、14 ︰ 00 ︰ 00—14 ︰ 30 ︰ 00左右(谷)和18 ︰ 00 ︰ 00左右(峰)。这与叶青等(2007)、崔腾发等(2013)的研究结果一致，说明大地电场变化受太阳升起和降落的影响，进一步证实了大地电场来源于太阳辐射等空间电离层在地表感应的场。

图 7为4个方向2024年4月的分钟值FFT频谱曲线，可以看出，计算出的大地电场频域内的变化在四个方向均存在6h、8h、12h的周期特性，而24h的周期仅NS向比较突出，WE和NE向24h的振幅基本与南北向相同在400mV/km左右，而NW向振幅则在300mV/km，这与崔腾发等(2013)研究的大地电场不同经度链的24h全日波周期振幅不同的结果相吻合。

由 图 6和图 7大地电场成分的变化特征，按照 图 2所布置的三个平行装置系统特点，求得4月3—5日每天的自然电位差的平均值，可以近似认为是自然电场的变化成分。根据新型观测装置的实际测量结果，首先计算出各装置系统不同方向4月3—5日每天的自然电位差的平均值(可以近似认为是自然电场的变化成分)，进一步采用三次多项式拟合的立方插值法得到实验场区的电位分布，再按照式(1)~(5)的电场理论计算公式解算得到实验场区的电场强度变化的离散值，最后采用三角形网格函数的线性插值法实现电场分布的可视化，结果如 图 8所示。

由 图 8可以看出：①三组装置系统测量的空间电场强度变化值较为接近(平均电场强度变化值均为0~0.5mv/km左右)，电场矢量方向也基本一致，这表明三组装置系统运行正常，测量结果真实可靠。唯一不同的是NE向较其他方向不均匀(等电位线稀疏不均匀)，这可能是该方向个别电极在埋设时与大地的耦合程度或土质、含水等不同导致电极附近电荷分布不均匀造成的；②同一装置系统下空间电场分布变化非常小，例如 图 8(a)、8(b)、8(c)分别为O₁号装置连续三天的电场空间分布，三幅图均显示出东西向电场强度较强、其他区域较弱的特点，O₂号、O₃号装置系统类似，也表明了新型装置系统的稳定性，同时也验证了自然电场变化缓慢的特征；③同一方向不同装置系统空间电场分布变化基本一致，例如 图 8(a)、8(d)、8(g)分别为4月3日O₁号、O₂号、O₃号装置的电场空间分布情况，可以看出三个装置东西向变化量稍大于南北向变化，其变化量是基本稳定的。但从 图 9的南北向北端的2023年6月—2024年6月地电场日均值曲线也可以看出，O₁号和O₃号装置存在比较明显的夏高冬低的年变化现象，O₂号装置则基本呈现趋势上升的年变现象，这也间接说明O₂号装置电极的长期稳定性可能与地下介质的耦合程度较差或是介质的物性、含水等不同导致电极附近电荷分布不均匀有关；④总体来看，通过有效的数据处理计算，新型地电场观测装置系统的实测结果能够实现小区域空间电场分布的可视化，并且该结果也符合自然电场成分的时空变化规律(席继楼等，2013)，产出结果真实可靠，达到了实验预期目的。

4 讨论与结论

地电场是一种观测方法明确、物理意义清晰的地球介质固有的物理属性和基本场之一，其始终伴随着地壳中构造活动的作用过程，是研究地震孕育与发生过程的有效手段之一。但地电场中所包含的自然电场主要由矿体、地下水和各种水系产生(谭大诚等，2014)，分布于局部地区，具有较大的水平和垂直变化梯度，再加上电极极化电位的影响，呈现出不均匀性质。大地电场具有广域性，在短期内是均匀的，具有电场矢量特性。而实际上电场是有方向的，代表了极距无限小时电位的梯度值，显然用平均电场来描述测区的电场强度不能准确描述地电场的变化信息。这种新型装置系统是以中心点O为参考点，外围8个电极点均相对于O点电极测得电位差，即可描述全方位自然电场的变化。此外为验证整个装置系统的稳定性，将 图 2中的每个方向相减求得差值(以东西向为例)，即西向电位差ΔV_AO1-11减去东向电位差ΔV_A21-O1，差值如果为0或近似0，说明整个装置是稳定的。

图 10为利用上述8个方向的自然电位差归零之后除以极距计算得出的4月14日NS向(ΔE_B21-11)、WE向(ΔE_A21-11)、NE向(ΔE_C21-11)和NW(ΔE_D21-11)向的电场差值。从 图 10可以看出四方向地电场的变化动态是一致的，并且变化幅度基本在-2mV/km~2mV/km，仅ΔE_C21-11即NE向变化幅度比其他方向稍微剧烈并向上漂移，说明该测道可能存在某个电极轻微极化的情况。

本文详细介绍了高台新型观测装置系统的设计、建设并对结果进行分析，通过对新型装置系统产出数据研究表明，这种新型地电场观测装置系统三个电极系统基本是稳定的，可以实现在区域中心电极的360°范围内描述其电场分布。更加清晰地获得大地电场的变化规律，其变化存在每日固定的峰谷时段，在频率域显示为12h、8h、6h、24h周期的主要特征。这种新型装置系统可以通过同一方向的三套平行装置更加方便地判断电极的运行稳定性，有利于通过多极距多分量的数据整合优势判断测区内外干扰源的方向和位置。

目前，地电场装置主要采用传统的正交多极距观测方式，近年来在装置革新方面迭代较慢。经典的观测装置极距较大，在建立观测站时候需要占用很大场地，这不利于地电场观测进一步发展。另外，由于地电场采用了多极距较大场地内观测，场地内的环境干扰多、来源杂，因此需要繁杂的预处理来保障数据质量。影响因素多也导致了其排查流程复杂，观测人员的工作量大，因此，发展自动化程度高、占地少、抗局部干扰能力强的新型地电场观测是新时代的趋势。本文所设计的地电场装置，虽然电极个数较多，但拥有可以快速判断电极稳定性和干扰源方位的优势。另一方面，新型装置极距比较短，与原来的大极距布极方式相比，本实验的建设经费要低于同场地大极距布设方式的观测装置。未来地电场的发展不仅需要立足于地震短临前兆异常的新装置系统建设，更要发展智能化异常识别提取程序，也需要拓展针对地电场数据的社会服务应用。