2016, Vol. 59
2. 中国地震局地震预测研究所, 北京 100036
2. Institute of Earthquake Science, China Earthquake Administration, Beijing 100036, China
在地震电磁学研究中，大量的研究表明地震前确实存在着震前异常变化的地电场信号(赵玉林和钱复业，1981；Uyeda S et al.，2000; Varotsos and Alexopoulos，1984a，b；Huang，2011a，b；马钦忠，2008;马钦忠等，2009；2013)，而基于地震电信号的方法为地震短临预报提供了较好的手段，以20世纪80年代初希腊雅典大学三位物理学家Varotsos和Alexopoulos、Nomicos 命名的“VAN”法就是其中典型的代表(Uyeda et al.，2009；Varotsos and Alexopoulos，1984a，b；Varotsos et al.，2011a，b).日本科学家小组通过检验后认为希腊“VAN”小组通过这个方法几乎成功预报了希腊发生的所有M≥5.5地震，他们认为该方法是唯一一个在近30年间不断产生实际成果的短期地震预报方式，无论在实证方面还是在理论方面都是世界上最为确定的方法(Uyeda et al.，2009；Hayakawa and Hobara，2010；上田诚也，2011)．然而由于地震孕育过程和地球介质的复杂性，清晰地认识和理解地震电信号的产生机制、远距离传播、选择性等问题依然具有相当大的挑战性.对于地震电信号在地下传播特征，即电信号通道问题的研究大都是在室内实验室条件或数值模拟条件下完成的(Park et al.，1996; 黄清华和林玉峰，2010; Sarlis et al.，1999; Huang and Ikeya，1998，1999；马钦忠和钱家栋，2003; 马钦忠，2007).目前，国际地震与火山电磁研究组(EMSEV)计划在比什凯克进行合作研究，目的之一就是利用人工大电流源来进行对希腊”VAN”方法中的地震电信号(SES)的独立检验.为了更加接近真实的客观条件，我们在前期的工作中利用一个大电流信号源和大范围的地电场观测网的条件进行了更加贴近实际的野外大区域的观测研究，结果说明地电流在不同距离和方向所呈现出不同特征(马钦忠等，2014).然而当信号源的位置发生变化时在原有的观测网中所观测到的地电场变化特征也一定会随之而变，其主要原因还是地下介质电性结构的复杂性使然.为了更进一步深入研究地电流在地下的传播特征和选择性特征，采用多个大电流信号源和区域地电场观测网的格局进行野外大区域的观测研究是很有必要的，而目前上海及其附近地区具有四个不同位置的特高压输电换流站的接地极可向地下注入大电流信号，该格局为全国首屈一指，这为我们实现上述目的提供了很好的条件.
对于地震电信号的判断来说，由于信号源的不确定性，利用其来确定信号源的位置则存在着多解性，因此怎样判断地震电信号源的位置则是很难解决的问题，这是目前地震短临预报中所遇到的最为突出的困难问题.但对于一个确定的信号源来说，即已知信号源发射的时间段、信号幅度、信号脉冲特征及频率特征等，则在观测点所测得的该信号具有唯一性或确定性，这对我们研究电信号在地下的传播和在地表观测点的接收情况具有非常明确的指标.通过研究这种具有唯一性或确定性的信号源的发射和接收特征，则对深入研究和认识基于地震电信号来定位的多解性，并用其来评估未来发震震中位置和震级，则在地震短临预报中具有非常重要的意义.
目前我国已建成了由约115个台站组成的数字化地电场观测网，且都是在东西、南北、北东(北西)方向上布设了长短不一的观测电极距，为更好地排除噪声打下了良好基础，其观测孔径和覆盖范围之大、台站数量之多，为世界之最.利用该地电场观测网进行地电场变化特征的研究有着独特的优势.本文以4个上海地区特高压换流站的接地电极为大电流信号源(注入的大电流强度最大值可达4780A)，研究当在不同地点向地下注入强大电流信号时在上海、江苏、安徽等地区地电场区域网观测到的地电场变化特征，揭示出由不同位置的大电流信号源所发出的信号在上百公里范围的观测区域中所记录到的地电场信号在复杂地质构造条件下的强弱分布特征、空间分布特征等，以更好地认识地电流在复杂地质条件下的传播特征和选择性问题.
2 多个大电流源和地电场观测网的布局大电流源： 在上海地区华东高压输电网中有四个换流站接地极装置，其中三个位于上海，它们是南桥接地极、华新接地极和奉贤接地极，另一个是上海附近的江苏同里接地极(图 1)，直流输电线路在系统调试或发生故障情况下，会处于单极大地回路运行方式，这时将有非常大的电流从换流站接地极流入大地，该电流强度最大可达4780A左右.
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图 1 大电流源及其周边地区地电场观测台站位置分布 Fig. 1 Distribution of the geoelectric field observatories around the area of the powerful electrical current sources |
地电场观测网： 在地电场观测中，目前主要研究的是地电场在地球表面投影的部分，可以作为平面矢量，其大小和方位可以通过平面坐标系各分量来确定之.地电场分量的测量，则是在特定的方位上(一般取NS和EW方位)，布设一对电极接收电场信号，用该对电极上测得的电位差与电极距长度的商，作为电场在该方位上分量的度量.在我国大规模地电场观测网建设时，广泛采用了以下两类技术措施：(1) 使用固体不极化电极作为测量电极，并对电极埋设提出特殊的技术要求，保证电极电位差较小并且具有较好的长期稳定性；(2) 在观测站布设多极距装置系统，以实现尽可能识别和排除环境干扰，保证地电场观测的客观性.
本文研究区内所布设的地电场台站包括上海市崇明台、长江农场台、青浦台、浦东台；江苏省南京台、海安台、高邮台；安徽省嘉山台.由于外围其他台站诸如江苏省新沂台、安徽省蒙城台、河南省周口台以及山东省境内的7个站等没有记录到源自上海地区多个接地极大电流信号源的附加地电场信号，在浙江省没有地电场台站(近来建立了一台站，目前还在试运行)，因而就不对这些台站的观测资料进行分析.观测仪器型号为：ZD9大地电场仪；频率范围为0.0～0.1Hz；采样率1次/min.这些台站都是多极距布设装置系统，即在东西、南北、北东(或北西)方向上布设了长短不一的极距，以便排除噪声从而观测到真正的地电场信号.由于篇幅所限本文只给出部分台站的具体电极布设方式(见图 2)，文中省略了其他台站电极布设图.
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图 2 部分地电场台站电极布设示意图 Fig. 2 Sketch map of the electrode distribution at some geoelectric field observatories in Shanghai area |
2013年7月25日凌晨3 : 00—5 : 00期间同里换流站接地极向地下注入4516A电流，该信号在青浦台、崇明台、长江农场台、海安台、南京台、高邮台和嘉山台的地电场观测中都被记录到了.具体信号波形如图 3所示.表 1给出了上述各台记录到的具体参数.其中，ENSL、ENSS、EEWL、EEWS、ENEL、ENES分别表示南北方向、东西方向和北东方向上长极距和短极距上记录到的附加地电场信号.
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图 3 2013年7月25日3 : 30—5 : 00青浦、崇明、长江农场、海安、南京、高邮及嘉山台的附加地电场波形图(横坐标为时刻，下同) Fig. 3 Signal shapes of the geoelectric field recorded at the stations of Qingpu，Chongming，Changjiang farm，Haian，Nanjing，Gaoyou and Jiashan at 3 : 30—5 : 00，July 25，2013 |
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表 1 2013年7月25日同里接地极注入4516A电流(流出)时地电场观测信号特征(方位:以台站为基准) Table 1 Signal values recorded at some stations of the geoelectric field in the Huadong area when 4516 A of current inflow into the underground at Tongli earth electrode at July 25，2013(orientation: on the basis stations) |
由表 1可以看到，当同里接地极向大地注入4516A大电流时，上述各台记录到的附加地电场信号有如下特征：
(1) 幅度特征
表 1中所有地电场台站观测到的附加地电场信号的幅度在青浦台最大，崇明台次之.因为青浦台距信号源最近，为50.3 km；崇明台次之，为133 km. 在116.57 km处的浦东台没有记录到该信号.在信号源的西边，142.4 km处的南京台记录到的信号幅度EW分量最大，NS分量最小，且其EW分量幅值要比139.42 km处的长江农场台记录到的幅值大.在信号源西北方向298 km处的嘉山台记录到的附加地电场信号的幅度要比194 km处的海安台、232 km处的高邮台记录到的信号幅值大.因此可以看到，附加地电场信号幅度的变化特征存在着距离信号源较远的台站记录幅值比距离较近的台站记录幅值大的现象，甚至更近的台站记录不到该信号.
(2) 均匀度特征
用长极距附加电场信号幅值与短极距附加电场信号幅值之比λi(i=NS，EW，NE)来描述一个台站同一方位上长短极距电场的差异，则对NS、EW和NE方向有
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(1) |
我们用各个方向上的该比值衡量一个台站在该方向上地电场的均匀度，我们将λ=1的条件转换为均匀度的概念，即认为偏离λ=1越小，反映出该台地电场均匀度越好；反之偏离λ=1越大，反映出该台地电场均匀度越差.它们可以用以表征测区各个方向地下局部电性结构的差异程度.在南北与东西两个方位上用长、短极距附加电场的比值来描述不同方位附加电场的差异：
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(2) |
青浦台在东西向是均匀的，λEW=0.99; 南北向和北东向均匀度较差，λNS=0.43、λNE=0.46.崇明台、海安台、高邮台和嘉山台记录到的附加电场值在三个方向上都较为均匀，即长、短极距附加电场值的比值为1.0左右.长江农场台记录到的附加电场值在南北向较为均匀，其长、短极距附加电场值的比值约为0.9.但在东西向和北西向其均匀度不好，主要是短极距上记录的观测值太小，由其波形图可以判定主要是电极D发生极化所致(图 2、图 3).南京台记录到的附加电场值在东西方向最大且均匀度较好，而其在南北向均匀度不好.
(3) 方位度数特征
利用各台的几个不同方位附加地电场的数据，可以将台站对源的方位进行测算，并与实际几何方位进行对比，其产生的偏差导致的台站到信号源之间的距离偏差，则可由下式计算：
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(3) |
式中Δd为定位偏差距离，Δθ为实际方位度数与计算方位度数差(锐角)，r为台站到信号源的距离.由(3)式可知，角度偏差Δθ越大，则所算得的距离偏差越大.由表 1可以看到，只有崇明台的实际方位度数与计算方位度数较为一致，Δθ=0.2°，由(3)式计算得Δd=0.464 km.而青浦台的Δθ=10.3°，Δd=9.03 km.但由图 1可以看到，崇明台、青浦台和同里接地极位置基本上在一条直线上，因而用崇明台和青浦台方位线交汇法定位是难以奏效的.除长江农场台外其他台的实际方位度数与计算方位度数相差较大，定位偏差距离都大于20 km，说明对于同里接地极位置而言，仅由崇明台观测数据计算所得的方位度数可以寻找该信号源的方位，而由其他台的观测数据计算所得的方位度数还难以准确反映该信号源的方位.换言之，利用多台方位线的交汇法确定同里接地极的位置会产生较大误差，究其原因，主要还是台站下方介质电性结构局部的非均匀性所致(马钦忠等，2014).
(4) 极化方向特征
这里极化方向是指地电场观测中异常信号的增长方式，即正增长或负增长.由图 3可以看到，各个台站记录到的附加地电场长、短极距的极化方向都是一致的.
3.2 华新极大电流信号源的地电场观测2010年7月7日华新接地极于9 : 14—10 : 48向地下注入大电流，最大电流量为4780A.表 2给出了青浦、崇明、长江农场、南京、海安及高邮台记录到的具体参数.
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表 2 2010年7月7日华新变电站接地极注入4780 A电流时地电场观测信号特征 Table 2 Signal values recorded at some stations of the geoelectric field in the Huadong area when 4780 A of current inflow into the underground at Huaxin earth electrode at July 7，2013(orientation: on the basis stations) |
华新接地极向地下注入4780A电流时附加地电场观测信号特征如下.
(1) 幅度特征
距信号源19 km处的青浦台附加地电场幅度最大，但都出现在短极距上.距信号源84 km处的崇明台附加地电场幅度次之.94 km处的长江农场 NS分量处于第三大的位置，其与崇明台相距14 km，但其幅度较崇明台的小很多，与距信号源为185 km处的南京台EW分量的幅值相当，南京台记录到的附加电场值在东西方向最大.63 km处的浦东台没有记录到.而海安台和高邮台记录到的信号幅值较小.327 km处的嘉山台基本没有记录到信号.
(2) 均匀度特征
在青浦台记录到的华新接地极信号均匀度不好，NS、EW、NE方向长、短极距附加电场值的比值分别为0.216、0.216、0.182，可以看到三个方向上的短极距观测值幅度都超过1250 mV·km-1，要比相应长极距上的幅值大很多，说明在华新接地极至青浦台的方向上青浦台址下方电性结构存在着很大的非均匀性特征，即150 m的短极距范围与200 m的长极距范围地下电性结构差异较大.崇明台NS、EW、NE方向长、短极距附加电场值的比值分别为1.28、2.10、7.73，NS向均匀度相对较好，但EW和NE向均匀度不好，主要是EEWS、ENES幅值相对较小，究其原因是B电极(图 2)下方介质电性结构非均匀性和各向异性条件所致.在长江农场台、海安台、高邮台记录到的附加电场值在三个方向上都较为均匀.在南京台记录到的附加电场值在EW、NS方向均匀度较好.
(3) 方位特征
由表 2可以看到，对于华新接地极信号位置而言，崇明台的实际方位度数与计算方位度数相差0.8°，由(3)式计算得Δd=1.173 km.青浦台的实际方位度数与计算方位度数相差7.7°，由(3)式计算得Δd=2.55 km. 上述其他台站的实际方位度数与计算方位度数相差较大.利用崇明台和青浦台方位线交汇法确定华新接地极信号位置的话误差在2.55 km范围内，定位结果相对较好.利用上述其他台站的观测数据计算所得的方位度数还难以准确反映该信号源的方位.
(4) 极化方向特征
由图 4可以看到在青浦台附加地电场在NS、EW和NE方向上长、短极距的极化方向都是相反的.在崇明台只有EW方向上它们是反向的，在其它方向上都是一致的.在其余台站附加地电场长短极距信号的极化方向都一致.
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图 4 2010年7月7日9 : 14—10 : 48青浦、崇明、长江农场、海安、南京及高邮台的附加地电场波形图 Fig. 4 Signal shapes of the geoelectric field recorded at the stations of Qingpu，Chongming，Changjiang farm，Hai′an，Nanjing，Gaoyou at 9 : 14—10 : 48，July 7，2013 |
2010年5月5日奉贤接地极向地下注入4000A 大电流，在上海地区青浦台、崇明台、长江农场台、浦东台4个地电场观测台站和江苏南京台、海安台、高邮台以及安徽嘉山台这8个台站组成的地电场观测网观测到了此次大地电流的附加地电场信号.由于篇幅所限，此处省略各台的观测曲线图，各台6个观测分量的幅值等具体参数在表 3给出.它们的附加地电场信号特征如下：
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表 3 2010年5月5日奉贤接地极放电4000A电流时地电场观测信号特征(方位:以台站为基准) Table 3 Signal values recorded at some stations of the geoelectric field in the Huadong area when 4000 A of current inflow into the underground at Fengxian earth electrode at May 5，2010(orientation: on the basis stations) |
(1) 幅度特征
在距信号源为95.6 km之处的崇明台的长极距上所记录到的附加地电场幅度最大，要比距信号源为43 km之处的青浦台记录到的附加地电场幅度大5倍以上，出现了远台比近台记录到的信号强的现象.在64 km处的浦东台的南北向和东西向长极距上记录到了该信号，其余极距上则没有记录到该信号.
(2) 均匀度特征
在青浦台南北方向和北东方向均匀度不好，东西方向较好.在崇明台在各个方向上均匀度都不好，在东西、南北、北东方向上长极距观测到的信号幅度要比短极距观测到的信号幅度大许多，差别在8倍以上，说明在奉贤接地极至崇明台的方向上崇明台的长极距区域与短极距区域地下电性结构差异较大.在长江农场台南北方向上均匀度比较好，东西和北东方向由于长极距上没有记录到而无法判断.在海安台站各个方向上均匀度都比较好，长短极距信号幅度的比值均在1.1左右.在南京台，东西方向上信号的均匀度较好，南北方向也可以.在高邮台和嘉山台所记录到的信号在各个方向上均匀度都较好.
(3) 方位特征
由表 3可以看出，各个台站相对于奉贤接地极位置的实际方位角与由观测到的附加地电场信号幅值计算出的该方位角存在着较大差别，最小差值也达到7.3°.因此，利用这些台站的观测值来推算奉贤接地极位置存在着较大误差.以误差最小的南京台为例，所算得的方位度数为101.3°，而实际方位度数为108.6°，相差7.3°之多，按照式(3)计算，所算得的实际距离差为26 km，可见利用这些信号的方位角定位的话误差是太大了，究其原因，还是信号源区及其周围地下介质的各向异性特征所致.
(4) 极化方向特征
在青浦台记录到的信号中，在北东方向上的长极距上观测到的分量的极化方向与短极距上分量的极化方向是相反的，其余方向上的长短极距的极化方向一致.而在崇明台、长江农场台、南京台、高邮台、海安台、嘉山台站所记录到的信号在各个方向上其长短极距上的信号极化方向都是一致的.
3.4 南桥大电流信号源的地电场观测2008年1月1日在南桥换流站接地极向地下注入了1200A的大电流，该大电流在本文所述的地电场观测网中引起了显著的同时段附加地电场信号.由于崇明台、海安台和嘉山台恰好由于仪器故障而处于停测时段而没有记录，该信号被青浦台、长江农场台、浦东台、南京台和高邮台所观测到.与前述情况不同的是这一次在浦东台却观测到了该信号.由于篇幅所限，具体波形图在此省略，具体观测参数值如表 4所示.
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表 4 2008.01.01，12 : 30—19 : 00南桥接地极注入矩形方波大电流时的观测结果(2008.1.1，I=1200 A，方位:以台站为基准) Table 4 Signal values recorded at some stations of the geoelectric field in the Huadong area when 1200 A of current inflow into the underground at Nanqiao earth electrode at 12 : 30—19 : 00 Jan.1，2008(orientation: on the basis stations) |
(1) 幅度特征
在距信号源78.1 km的青浦台观测到的信号幅度最大，最大幅度可达185.6 mV/km，崇明台由于系统故障而没有记录到该信号.相距92.3 km处的长江农场台记录到的信号幅度要比青浦台的小，其最大幅度为34.3 mV/km.对于来自于南桥接地极的信号，38.3 km处的浦东台记录到了较为清晰的信号，且其幅度大体与长江农场台的相当.在248.1 km处的南京台和294.5 km处的高邮台记录到的信号幅度小了许多.而海安台和嘉山台由于系统故障没有记录到信号.对于该信号源，存在着近台比远台记录到的幅度大的现象.
(2) 均匀度特征
青浦台记录到的该信号在东西方向上均匀度较好，南北方向和北东方向均匀度不好，主要是由于在这两个测道上长极距上的信号幅度偏小.长江农场台在南北方向均匀度较好，其他两个方向的均匀度不太好.在浦东台，南北方向和北西方向上观测到的信号的均匀度相对较好，长短极距比都在0.7以上，但在东西方向上均匀度不好.南京台记录到的附加地电场信号在南北方向和东西方向的均匀度比较好.在高邮台，东西方向和北东方向上均匀度都比较好，在南北方向上没有记录到该信号.
(3) 极化特征
在青浦台记录到的附加地电场中南北向和北东向长短、极距信号是反向的.
3.5 多源条件下附加地电场变化的差异性从幅度特征而言，对于源自于同里、华新、和南桥接地极的大电流信号，本文所述地电场台站中观测到的附加地电场信号的最大幅度在青浦台，这是因为除浦东台外该台距离这些信号源最近.但对于源自于奉贤接地极的大电流信号，在崇明台记录到的附加地电场信号幅度最大，在最近距离的青浦台记录到的却比崇明台的小.由本文前面的一些分析结果可以看到附加地电场信号幅度的变化特征存在着距离信号源较远的台站记录幅值比距离较近的台站记录幅值大的现象，甚至更近的台站记录不到该信号，这一现象也存在于其他地区(马钦忠等，2013，2014).而且这一现象与信号源至观测台连线的方向有密切关系.
从观测距离而言，在本文研究中发现，对于上海地区4个接地极大电流而言(最大电流为4780A)，能够观测到附加地电场的最远台站为350 km，在更远的台站则观测不到.我们在先前对源自山东境内的接地极大电流在华北东部地区引起的附加地电场空间变化特征的研究中显示，对于2100A的大电流而言，能够观测到该信号的最远台站的距离为450 km(马钦忠等，2014).而在川南地区通过接地极注入地下4500A大电流时能够观测到源自该信号源的附加地电场的最远台站距离为540 km(马钦忠等，2013).在最近的资料分析与实地调查中发现，通过辽宁接地极注入地下2000A的大电流能够穿过渤海湾在近1000 km远的台站被观测到(其特征另文别述).通过对比分析发现，地电流信号的传播距离在不同地区所能传播的远近差别较大，且和方向也密切相关.可见，地电流信号的传播距离与不同区域的地质构造条件和方位有着极大的关系.
存在着“敏感点”效应，对于浦东台而言，对于源自于其东南方向的南桥接地极大电流信号而言，该台站是可以清晰地记录到附加地电场信号.而对于其西南方向的同里接地极、奉贤接地极和华新接地极的大电流信号，浦东台却记录不到这些大电流信号产生的附加地电场信号.在2007—2008年期间本文地电场观测网记录到南桥接地极大电流信号有17次；2012—2015年期间记录到其他3个接地极大电流20次之多.对上述4个大电流多次注入地下时的观测与资料分析证明了这一现象存在的客观性.这说明浦东地电场台站只对于源自于其东南方向的信号是敏感的，而对于源自于其西南方向的信号不敏感.
对于南京台，由于上述4个接地极信号源都位于台站东面，故对于同里接地极、奉贤接地极和华新接地极的大电流信号而言，南京台所记录到的附加地电场信号的东西向分量幅值最大；但对于南桥接地极信号，其附加地电场最大幅度并不是东西分量，而是南北分量，这应该与南桥接地极及其周边区域地下介质非均匀性特征(海陆交界区域)密切相关.
从均匀度方面而言，则在同里、奉贤、南桥和华新接地极向地下注入大电流时，在上述台站记录到的附加地电场信号中南北向、东西向和北东向的长极距和短极距信号幅度之比，以及南北向和东西向长极距之比、短极距之比见表 5.由表 5可以看到各个台的附加地电场有如下特征．
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表 5 各台对源自4个大电流源的附加地电场的 λi(i= NS，EW，NE)值 Table 5 λi(i= NS，EW，NE)values of the additional electric field recorded at each station originated from the four great current sources |
在青浦台，对于来自同里极、奉贤极、南桥极的信号而言，其λNS、λEW的绝对值都基本保持不变，分别为0.4、1.0；说明对于远源而言其南北向地电场均匀度不好但稳定，东西向的均匀度较好，λNE的绝对值各不相同.而对于来自距该台最近的华新极的附加地电场信号，λNS、λEW、λNE均为-0.2，即附加电场均匀度不好，而这也恰好说明了近源信号的特征.对于崇明台而言，只有源自同里极的信号的λNS=λEW=λNE≈1.0而显示出附加地电场的均匀度好；源自华新极的附加地电场的均匀度不太好，相对而言λNS=1.3较好.在长江农场台，对于源自上述4个接地极大电流源的附加地电场而言，其均匀度在南北方向较好，即λNS=0.9～1.0，而在其他两个方向上除华新极外它们的均匀度变化不稳定.源自华新接地极大电流的附加地电场均匀度较好，即λNS=λEW=λNE≈1.0.
在只能观测到源自南桥接地极大电流信号的附加地电场的浦东台，在其三个观测方向上附加地电场均匀度都不好，说明地下介质电性结构非均匀性明显.对于海安台、高邮台而言，源自上述4个大电流信号源的附加地电场在三个方向上的均匀度都较好，即λNS=λEW=λNE≈1.0.而南京台在南北方向和东西方向观测到的源自四个信号源的附加地电场的均匀度较好.在嘉山台，对于源自同里极和奉贤极大电流信号的附加地电场均匀度也较好.
由表 5可以看到，只有崇明台站接收到的同里接地极和华新接地极大电流信号的计算方位度数与实际方位度数误差最小，分别为0.2°和0.8°，利用公式(1)所算得的距离误差分别为Δd=0.464km和Δd=1.173 km.而距离各个接地极最近的台站除浦东台外就是青浦台，但其计算方位度数与实际方位度数的误差要比崇明台站的大.如果利用这两台方位线交汇法来确定大电流信号源的话，只有对华新接地极大电流信号源位置的定位结果相对较好，误差在2.55 km范围内.而利用上述其他台站的计算方位度数对这4个大电流信号源的位置进行定位的话误差太大，主要原因是它们的计算方位度数与实际方位度数相差太大，其中的机理主要在于台站下方介质电性结构的非均匀性所致(马钦忠和钱家栋，1995，2003; 马钦忠等，2014；黄清华和林玉峰，2010)
在青浦台、崇明台记录到的附加地电场信号中，存在着同一方向上长、短极距分量的极化方向是反向的现象.对于同里接地极大电流信号而言，青浦台和崇明台各个方向附加地电场长、短极距信号的极化方向都是一致的；对于华新接地极大电流信号而言，青浦台各个方向附加地电场长、短极距信号的极化方向都是反向的，而崇明台在东西方向附加地电场长、短极距信号的极化方向存在反向的现象；对于奉贤和南桥接地极大电流信号而言，青浦台在北东方向上附加地电场长、短极距信号的极化方向相反.在青浦台和崇明台，通过多年大量的地电暴信号比对和许多接地极信号的比对可知，基本上它们在各个方向的长短极距上信号极化方向是一致的，只是在偶然几次接地极向地下注入大电流期间所观测到的附加地电场信号才出现这样的同一方向长短极距极化反向的情况.
通常，当信号源在地电场观测装置系统之外时，也即在电极布设区域之外时，地电场多极距观测中在同一方向的长、短极距上所记录到的信号极化方向一致.但当信号源在电极布设区域内时在长极距和短极距上观测到的信号极化方向会相反，如图 5所示.在图 5中假设长极距是由电极E′和W′组成，短极距是由电极E和W组成，假设有一噪声源在短极距之外，在长极距之内，则依据下式中关于电场强度正方向的定义，长、短极距上的电场强度分别为
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(4) |
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(5) |
其中VE′、VW′、VE、VW′分别为E′、W′、E、W点的电位，Q为与噪声源电流强度和介质电阻率有关，且具有电荷量纲的物理量，L为电极距长度，R为噪声源到各点的距离.若Q>0，当ROW′>ROE′时，会出现如下结果：
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(6) |
反之，若Q＜0，则有EE′W′＜0; EEW>0.总之，(6)式表明，当噪声源位置位于电极布设区域内时，在长极距观测到的信号和短极距观测到的信号极化方向会相反.Varotsos等在20世纪80年代研究地电场多极距观测时将这一特征作为判别噪声源在电极布设区域内外的准则之一(Varotsos and Alexopoulos，1984a，b; Varotsos and Lazaridou，1991).实际上，许多观测台站地下介质电性结构呈现出电性非均匀性和各向异性，上述准则是否完全准确一直以来没有实际观测验证.由图 4和表 2可以看到，华新接地极距离青浦台19 km，而该台电极距最长为200 m(图 2)，该台相对于华新极可被视为一个点，在观测到的该接地极向地下注入大电流时段所产生的附加地电场信号中，在EW、NS、NE方向的长极距信号的极化与短极距信号的极化是反向的.而离信号源84 km处的崇明台观测到的EW方向的长极距信号与短极距信号也是反向的，在NS、NE方向上长极距信号与短极距信号极化方向一致.在长江农场台、南京台、海安台、高邮台和嘉山台所观测到的该附加电场信号的长极距信号和短极距信号极化方向一致.怎样解释信号源在远离测区时台站所观测到的长极距信号与短极距信号极化相反的现象呢？这是本文今后努力探索的方向之一，我们认为这一定与台站下方介质电性非均匀性和各向异性以及地电流的流向密切相关.
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图 5 噪声源在电极布设区内的示意图 Fig. 5 Schematic diagram of a noise source located in the zone of electrode distribution |
影响地电场观测的因素是多方面的，为了认识注入大电流产生的附加地电场的上述空间分布特征，本文考虑下列两大要素：装置系统的复杂性和介质的电性结构的复杂性.
4.1 考虑装置系统的影响高压直流输电系统的接地极上注入电流的效应，本质上系由于其系统正负两条输电线电流处于不平衡状态所引起.当电流从接地极注入或引出时，接地极就成为一个电流源，从而在周围大地产生人工的附加电场，这是在地电场台站上测量极接收到附加电场信号的基本来源.这样在电流源和任意台站之间的测量极间就形成了一个特定的装置系统，如图 6所给出的模型所示.模型中，电流源作为一个点电流源处理，它仅在电流源的线性尺度远远小于电流源到台站测量极的距离的时候适用. 本文所涉及的台站中青浦台距离4个电流源最近，分别为19 km、 43 km、50.3 km、78.1 km，而本文所述的接地极的电流源的几何尺寸约为0.2 km.因此至少对于本文所涉及到的台站而言，该模型是适用的；图中R2SN=R2EW为点电流源与台站测线中点的连线的距离，EW测线与NS测线长度相等，θ为SN测线法线方向与连线的夹角.系统的装置参数由电流源到特定台站的特定测量极之间的几何位置关系(距离、方位)所确定；而特定台站的特定测量极上测得的附加电位差则由下式所确定（以ＳＮ测线长短极距为例）:
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(7) |
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(8) |
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图 6 接地极(点电流源)与地电场台站(测线)位置关系示意图 Fig. 6 Distribution of the source and station |
用长短极距附加电场的比值λ来描述一个台站同一方位上长短极距电场的差异，有
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(9) |
式中，Q=Iρs/2π，是一个具有电荷量纲的物理量，其中I为从接地极注入或引出的电流强度；ρs为由电流源与特定台站特定测量极构成的装置系统上所观测到的视电阻率.因为根据电动力学的理论(曹昌祺，1961)，在均匀介质(电阻率为ρ)充满半空间的条件下，有Q=Iρ/2π=2·QA，其中QA为接地极 A上注入(或引出)电流I在接地极上积累的电荷量(钱家栋等，1985).应当说明(7)式和(8)式是点电源场的计算公式，也就是说，它们是在把高压输电线路发射时接地极积累的电荷作为点电源的条件下才能成立的公式.很明显，在本文条件下，所研究的地电场测点，距离接地极最近的测点也已经达到数十公里，远的甚至上百公里的量级，而接地极本身的线性尺度一般小于1 km.因此上述公式是适用的.
用在台站同一方位上长短极距的附加电场的比值λ是否接近1来标识两者的差异性.
将上述公式的角标做适当的改变，分别区分不同方位的有关参数，可以得到下列公式以比较不同方位的同一极距下的结果(以比较SN和EW方位上的长极距附加电场为例).
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(10) |
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(11) |
用SN与EW两个方位长极距附加电场的比值λSN/EW来描述不同方位附加电场的差异，有
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(12) |
同样，由比值λSN/EW是否接近1标识一个台站两个方位附加电场之间的差异性.
对上述公式进行数值模拟，可以得出以下认识.
(1) 由于不同台站装置参数的差异，确实会存在着同一个台站同一方位上长短极距电场比值不相等的现象.如表 6所示，其中台站距离电流源R2=25 km以SN测线的长短极距(L2=2L1=400 m)为例计算.以偏离λ=1的5%为限，可以给出该台临界角θc在5°左右：在θ>θc时，λ偏离1小于5%，而在θ＜θc时，λ偏离1将大于5%，其中0＜θ＜0.229°时λ＜0；当θ→0.229°时意味着R1SN→R2SN，此时λ→∞，即0.229°是一个奇点.对电流源与台站其他距离所做的模拟显示了类似的结果.不过距离越远，临界角的数值会越小，也就是说，对于那些距接地极远的台站，由于临界角很小，台站测线法线方位与台站到电流源连线之间的夹角一般都会在临界角之外，因此这些台站上同一方位测线长短极距的附加电场值基本一致，其比值一般偏离λ=1较小，这个结果也在表 5中可以看出.
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表 6 电流源到台站距离为25 km，SN方位上长短极距附加电场的比值 Table 6 The ratio of the geoelectric field signals recorded on the long dipole and short dipole in NS direction at the station that is 25000m from the great current source |
(2) 同一台站不同方位间电场会有差异甚至很大的差异.如表 7所示.表 7中，所有几何参数都有SN或EW的标注以示区别，且假定两个方位上测量视电阻率相同(至于两个方位视电阻率不相同的情形在下节中讨论).从表 7可以看出，除θ=45°外，在电流源相对于测量装置的其他位置上，台站两个不同方位的附加电场值一般均会不同.例如在θ=0°时，按照式(12)，标识同一台站两个不同方位测量(SN对EW)的附加电场的比值λSN/EW=0；而θ=90°时，比值λ1→∞.从图 6中的几何关系，人们不难看出上述结论的可靠性：θ=0°相当于SN方位上附加电场为0，EW方位上附加电场为最大值；而θ=90°相当于EW方位上附加电场为0，SN方位上附加电场为最大值.这个结果对于距电流源任何距离的台站均适用.
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表 7 电流源到台站距离为25 km，SN和EW方位上长极距附加电场的比值 Table 7 ratio of the geoelectric field signals recorded on the long dipole in NS and EW direction at the station that is 25 km from the great current source |
在4.1节所讨论的问题，主要涉及不同台站不同装置(包括距电流源距离远近不同的台站、同一台站同一方位但不同极距、或同一台站不同方位)下的附加地电场空间分布特征复杂性的认识.但实际上，就全面分析电流源产生的附加电场的空间分布的复杂性而言，还必须注意到所研究的区域介质电性结构的复杂性的影响.这里包括大区域和台站测区内部非均匀性的影响两方面.
大区域非均匀性的影响可以从公式(7)和(8)以及公式(10)和(11)中看出，公式中均含有下列参数：物理参数(视电阻率ρs)和几何参数(测量极到电流源之间的距离R1，R2或R1，R3等)，不同台站在大区域中所处的位置不同，在区域介质呈现非均匀(水平和垂直方向)结构的条件下，其视电阻率值的差异是一个台站和另一个台站附加电场存在差异的重要因素之一；甚至也是同一个台站不同方位附加电场产生差异的重要因素之一，在这种情况下，公式(10)和(11)中的视电阻率参数应分别用ρsSN和ρsEW来标识，显示其中结构的各向异性特征.
这些讨论可以明确地解释本文所反映出来的现象：从本文图 3、图 4以及先前对源自山东境内的接地极大电流在华北东部地区引起的附加地电场空间变化特征的研究中(马钦忠等，2014)可以看到，地电流信号的波形畸变程度与台站和大电流信号源之间的距离有密切关系，距离信号源近的台站所观测到的信号波形形态比较完整，随着这种距离的增大在台站所观测到的信号波形形态的畸变程度也越大，也就是随着距离的增大地电流信号波形失真程度也越高.这一现象主要是缘自于大区域介质结构非均匀性的影响，另外，一些距离电流源近的台站其所记录到的附加电场强度，甚至会小于远处台站的情形.因为地质断裂带的存在，使本区大范围的电性结构无论在水平方向还是在垂直方向，都将显示出明显的非均匀性.不少数学模拟研究结果显示地表介质的电性结构的差异以及地下导电通道等直接影响了地表电场的分布，这种影响在地表介质的分界附近以及导电通道在地表的投影附近尤其明显(Sarlis et al.，1999; 黄清华和林玉峰，2010).当然由于缺少研究区内的大区域电性结构详细的地球物理数据，确切的定量解释本文第3 节所揭示的附加电场的分布特征还为时尚早.不过这些定性的分析，其合理性是不言而喻的.
4.3 台站测区地下浅层介质非均匀性的影响在研究大电流注入(或流出)时研究区域内附加电场空间分布特征问题中，台站测区内部以及附近介质电性结构非均匀性的影响，也是一个十分重要的因素之一.在地电场观测中，在同方位上采用了两个以上极距进行观测，其目的在于证实所观测的地电场，并非源于电极效应，即要求两个同方位的电场测量应有相同的测值(大小和符号)，也就是本文前节所引入的比值λ=1.但在实际观测中，不少台站的观测结果，与此不符.原因何在？分析表明场源较近甚至就在测区内部，显然会产生这样的问题(马钦忠，2008); 但另一方面，测区以及测区附近介质电性结构的非均匀性，也很可能是其重要原因之一.本文所涉及的大电流注入(或流出)的条件下的电场分布，提供了一个很好的机会讨论这方面的问题.
为了解释青浦台地电场同一方向长、短极距观测值的比值偏离λ=1较大的现象，我们对该台地电场布极区进行了高密度电阻率浅层勘探，以证明我们的推测.图 7为在青浦地电场台站沿着电极距布设方向进行的浅层高密度电法勘探结果，其中上图和下图分别为沿着南北向和东西向长极距侧线方向(图 2c中DC和AB方向)的二维电阻率剖面图.测线均采用64道电极、5 m点距进行测量；测线长度320 m，反演深度为37.1 m.在NS方向，在深度为8～20 m范围内，测线出现不同程度高阻现象，当反演深度大于20 m之后，介质的视电阻率有下降的趋势.在EW方向，在深度7 m左右，测线的浅层电阻率值在10～25 Ωm之间；测线在深度25～30 m 范围内，出现一高阻层，电阻率值在30～50 Ωm之间.在南北测向，250 m处的测点就是该台南北向长极距最北端的电极区域，即图 2c中的C点及其周边区域.由图 7上图可见，在NS向240~300 m区段中下方介质的电性非均匀性非常显著，大约5 m以上的深度范围存在着低电阻率区域，也即在图 2c中的C点及其周边区域下方5 m以上的土层电阻率要比 D点和F点的低许多，这也就解释了为什么在表 1—表 4中在青浦台所观测到的源自多个大电流源的附加地电场中ENSL分量和ENEL分量相对其他分量较小的原因.而在东西方向在电极布设区域(100 m 处为B电极、175 m处为E电极、275 m处为A电极，参见图 2c)5 m以上的土层中电阻率横向相对变化不大，因而在表 5中在青浦台对于源自同里极、奉贤极和南桥极的附加地电场而言λEW≈1.0；对于华新极λEW≈－0.2是因为该大电流源距离台站最近，只有19 km，因此5 m以下介质电性结构的横向非均匀性起到了很大的作用.
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图 7 青蒲台二维电阻率剖面图：上图为NS向测线，下图为EW向侧线 Fig. 7 Two dimensional resistivity profile at Qingpu station. Upper picture is for NS profile and the below is for EW profile |
许多数值模拟结果表明，在地下高阻体介质中存在低阻体介质时在其上方地表地电场值会下降许多(黄清华和林玉峰，2010; Huang and Lin，2010).地下电性结构的非均匀性对地电阻率观测和地电场观测的影响程度在我们以往的数值模拟研究中也得到了充分的体现(马钦忠和钱家栋，1995；2003；Ma，2002)，而此次我们针对青浦台资料分析结果所进行的观测场地实地电法勘探的工作结果也充分证明了地电台址下方介质电性结构非均匀性的作用对于地电场观测资料分析结果的影响程度.
5 结论由本文研究可知，通过4个不同地点的大电流源向地下注入(或流出)1200~4780A的大电流时，在华东地区地电场观测网记录到的信号在不同距离和方向呈现出不同特征.
(1) 存在着距离信号源较远的台站记录到的信号幅值比距离较近的台站记录到的幅值大的现象，甚至更近的台站记录不到该信号，例如在浦东台只记录到了源自南桥接地极的附加地电场信号而记录不到源自同里接地极、奉贤接地极和华新接地极大电流信号的附加地电场变化.这就印证了所谓“敏感点”效应的存在.通常，附加地电场信号幅度是随着台站至信号源距离的增加而减小，地电流信号的传播距离在不同地区所能传播的远近差别较大，且和方向也密切相关.
(2) 对于华东地区地电场台网而言，本文所述4个不同位置的大电流信号源都属于远源，而在青浦台、崇明台记录到的附加地电场信号中，存在着同一方向上长、短极距分量的极化方向是反向的现象，这与地电场多级距观测原理不相符，针对该现象的产生机理需要进一步深入研究.
(3) 地电流信号波形畸变程度与台站至信号源之间的距离有密切关系，距离信号源近的台站所观测到的信号波形形态比较完整，随着这种距离的增大在台站所观测到的信号波形形态的畸变程度也越大，也就是随着距离的增大地电流信号波形失真程度也越高.
(4) 对于源自本文所述4个大电流源的地电流信号，每个台所记录到的附加地电场在同一方位上，长短不同的极距所测得的附加电场值呈现比较复杂的情况，需要具体台站具体分析.
(5) 利用崇明台记录到的附加地电场信息确定同里接地极和华新接地极大电流信号源的方位效果较好，但其对奉贤接地极方位的确定效果远不如前者的好，说明对于同一台站所观测到的地电场信号而言，其所能反映的信号源方位的效果随着方向的变化而不同.而利用本文其他台站的观测资料确定这4个大电流信号源的方位误差较大.
(6) 上述结果与大区域介质电性结构非均匀性的影响程度密切相关，与局部的台站下方介质电性结构非均匀性和各项异性以及地电流的流向密切相关，与不同区域的地质构造条件以及观测台站至信号源的方位有着极大的关系.
通过对青浦台测区范围高密度电法勘探资料解释的对比分析以及从点电流源与台站测线布局构成的装置系统、大区域介质非均匀性的影响等三个方面对上述特征进行了较深入的分析和解释.本文的工作对于认识天然地电场的观测提供了有益的论据，特别是针对多个不同地点的信号源，分析台站观测到的附加地电场变化特征以及测区内部及其附近区域介质的非均匀性对地电场观测的影响，为认识天然地电场提供了有益的工具.
相对于单个大电流发射时地电场信号变化特征，分析多个不同地点大电流发射时地电场信号变化特征为进一步深入认识地电场变化特征的实质提供了更好的机遇，为我们认识地震震源区所发出的地电流信号强度与其传播距离之间的关系及其方向性特征提供了比以往室内实验室所获得的更为客观的结果，也为利用地震电信号判定震中位置和未来震级的研究提供了有益的参考.
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