劉吉平嚴(yán) 興陳智群劉東輝

1）中國(guó)合肥230026中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)

2）中國(guó)廣州510070廣東省地震局

3）中國(guó)廣東517021新豐江中心地震臺(tái)

新豐江深井地電阻率鉆孔施工干擾判定

劉吉平1），2）嚴(yán) 興2）陳智群3）劉東輝3）

1）中國(guó)合肥230026中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)

2）中國(guó)廣州510070廣東省地震局

3）中國(guó)廣東517021新豐江中心地震臺(tái)

2015年5月15日河源市東源縣3.2 級(jí)地震前，新豐江和平地電臺(tái)地電阻率測(cè)值出現(xiàn)大幅度下降變化，對(duì)自然環(huán)境、觀測(cè)系統(tǒng)，特別是場(chǎng)地環(huán)境進(jìn)行分析，認(rèn)為該地電阻率變化由測(cè)區(qū)內(nèi)鉆孔施工干擾所致，非地震前兆異常。

數(shù)據(jù)跟蹤分析；地電阻率；鉆孔施工；干擾；地震前兆臺(tái)網(wǎng)

0 引言

為落實(shí)《中國(guó)地震局關(guān)于加強(qiáng)地震監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)工作的意見》（中震測(cè)發(fā)〔2010〕94 號(hào)），推進(jìn)地震前兆臺(tái)網(wǎng)日常工作重心從觀測(cè)向觀測(cè)、應(yīng)用并重轉(zhuǎn)變，提高地震前兆臺(tái)網(wǎng)整體運(yùn)行質(zhì)量與服務(wù)效能，廣東省地震局前兆臺(tái)網(wǎng)于2014年6月開始正式開展地震前兆日常數(shù)據(jù)跟蹤分析工作，背景場(chǎng)改造項(xiàng)目?jī)x器在試運(yùn)行后納入數(shù)據(jù)跟蹤分析。新豐江和平地電臺(tái)地電阻率觀測(cè)始于1992年，多次記錄到河源地區(qū)中強(qiáng)地震前異常變化。

2015年5月15日5時(shí)32分，河源市東源縣錫場(chǎng)鎮(zhèn)發(fā)生MS3.2地震，距震中約33 km的河源和平臺(tái)地電阻率測(cè)項(xiàng)兩個(gè)測(cè)道在地震前兩天出現(xiàn)大幅度下降變化，該臺(tái)附近的兩個(gè)水氡測(cè)點(diǎn)觀測(cè)值出現(xiàn)較大幅度上升。廣東省地震局及時(shí)對(duì)兩次異常做深入調(diào)查，判定地電阻率異常為測(cè)區(qū)鉆孔施工導(dǎo)致的場(chǎng)地環(huán)境影響。

1 新豐江地電觀測(cè)背景

1.1 測(cè)區(qū)概況

廣東省地震局新豐江和平地電臺(tái)位于廣東省河源市源城區(qū)和平村，新豐江水庫大壩以東約6 km（圖1），河源盆地北東側(cè)，河源斷裂以東約4 km及楊村—下屯之間；該區(qū)主要為紅巖臺(tái)地和狹小的河流沖積地貌，相對(duì)高差不大（約20—40 m），東北高、西南低；測(cè)區(qū)主要有西南角的東江、黃竹坑和石下水系，自東北流向西南注入東江，測(cè)區(qū)地下水受地貌控制，場(chǎng)地內(nèi)地下水較為貧乏，地下水主要含水層為砂質(zhì)土孔隙水和基層巖裂隙水，富水程度較弱。和平地電臺(tái)距1962年河源6.1級(jí)地震震中約6 km，1992年開始觀測(cè)，設(shè)地電阻率和地電場(chǎng)2個(gè)測(cè)項(xiàng)，經(jīng)多次改造，儀器裝置和周圍環(huán)境均有較大變化。

1.2觀測(cè)裝置

和平地電臺(tái)運(yùn)行的地電阻率裝置由背景場(chǎng)項(xiàng)目建設(shè)，配備ZD8M新型地電阻率觀測(cè)儀，2013年12月底試運(yùn)行，裝置系統(tǒng)布設(shè)2個(gè)測(cè)道，分別為：①近EW向A1M1N1B1，4個(gè)電極均埋深90 m，測(cè)線長(zhǎng)90 m；②M1電極垂向位置的A1′M1′N1′B1′，測(cè)線長(zhǎng)90 m，4個(gè)電極分別埋深60 m、90 m、120 m、150 m。M1和M1′實(shí)為同一電極，兩個(gè)測(cè)道公用（圖2）。

圖1　異常變化前兆測(cè)點(diǎn)和地震震中空間分布Fig.1 The location map of epicenter and precursory anomalies

2 數(shù)據(jù)異常

和平地電臺(tái)1992年開展地電阻率觀測(cè)以來，臺(tái)站50 km范圍內(nèi)發(fā)生6次4級(jí)以上地震，震前C-ATS深井地電阻率（現(xiàn)因改造停止）具有較明顯的疑似異常變化；從2013年底ZD8M儀器運(yùn)行以來，河源市東源縣發(fā)生2014年4月25日MS3.9、7月11日MS4.2及2015年5月15日MS3.2地震，MS3.9地震發(fā)生時(shí)，ZD8M儀運(yùn)行尚不穩(wěn)定（至2014年年中運(yùn)行穩(wěn)定），未發(fā)現(xiàn)明顯異常信息；2014年6月納入廣東省地震臺(tái)網(wǎng)前兆數(shù)據(jù)跟蹤分析。

2015年5月15日河源市東源縣MS3.2地震發(fā)生前，和平地電臺(tái)地電阻率兩個(gè)測(cè)道震前2—3天出現(xiàn)大幅度下降變化（圖3）。近EW向測(cè)道地電阻率值自5月12日9時(shí)起逐步下降約0.267Ω·m，降幅0.65%；垂直向測(cè)道5月13日18時(shí)起逐步下降約1.3 Ω·m，降幅2.6%。2015年4月初地電阻率測(cè)值曾出現(xiàn)1次較大幅度下降變化，當(dāng)時(shí)定性為C孔施工影響，而此次地電阻率測(cè)值下降，周邊有較顯著地震發(fā)生，且附近水氡測(cè)點(diǎn)出現(xiàn)明顯高值異常變化，不能排除此次下降變化為地震前兆異常，有必要現(xiàn)場(chǎng)核實(shí)下降變化的真實(shí)原因。

圖3　新豐江和平臺(tái)2015年5月15日MS3.2地震前地電阻率變化Fig.3 The change of the earth resistivity before MS3.2 earthquake at Heping Seismic Station on May 15，2015

3 現(xiàn)場(chǎng)核實(shí)

2015年5月13日—17日和平地電臺(tái)地電阻率測(cè)值下降變化，伴隨3次事件：①臺(tái)站測(cè)區(qū)內(nèi)鉆孔施工；②附近的黃子洞及莊田水氡觀測(cè)點(diǎn)測(cè)值出現(xiàn)突跳或異常升高；③離臺(tái)站約30 km的東源縣錫場(chǎng)鎮(zhèn)發(fā)生MS3.2地震。為確定此次地電阻率變化是否為地震前兆異常，廣東省地震預(yù)報(bào)研究中心派出工作組進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)核實(shí)。

3.1 工作方案

臺(tái)站現(xiàn)場(chǎng)根據(jù)初步判定工作，調(diào)查方案如下：①查看儀器工作狀況是否正常；②收集測(cè)區(qū)降雨量和水位變化資料；③查看施工場(chǎng)地各鉆孔施工資料，量取各鉆孔和目前測(cè)道距離，收集鉆探巖芯資料，確定鉆孔施工進(jìn)度的時(shí)間節(jié)點(diǎn)。

3.2 分析

（1）經(jīng)檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)測(cè)量裝置外線路大部分埋設(shè)地下，電極掩埋在觀測(cè)井中，觀測(cè)儀器工作狀態(tài)良好，觀測(cè)系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)正常。

（2）檢查新豐江地區(qū)降雨量和水位數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)2015年4月以來，降雨量呈增大趨勢(shì)，與往年相比也在正常范圍內(nèi)，水位從5月開始呈現(xiàn)上升趨勢(shì)（圖4），與往年變化形態(tài)一致。地電阻率測(cè)值經(jīng)大幅度下降變化后迅速恢復(fù)，與水位變化不同步，認(rèn)為此次變化與降雨和水位變化無關(guān)。

圖4　新豐江地區(qū)降雨量及水位變化曲線Fig.4 The curves of daily mean value of rainfall and the minute value of water level in Xinfengjiang area

（3）據(jù)鉆孔施工資料，測(cè)區(qū)內(nèi)需鉆5個(gè)孔，施工進(jìn)行順序依次為C、N2、B2、M2、A2，鉆孔相對(duì)位置見圖2（a），截至5月16日，只有A2孔未完工。調(diào)查收集鉆孔施工進(jìn)度詳細(xì)資料，以便對(duì)比分析電阻率測(cè)值變化時(shí)間和空間的相關(guān)性。繪制鉆孔深度隨時(shí)間變化曲線，用圓點(diǎn)表示當(dāng)日鉆頭到達(dá)深度，點(diǎn)上長(zhǎng)條表示當(dāng)日工作量，即新增加深度，點(diǎn)上無長(zhǎng)條表示當(dāng)日停工或進(jìn)行止水作業(yè)，最后一個(gè)無長(zhǎng)條的點(diǎn)表示前一日已經(jīng)終孔。

4 鉆孔施工干擾

鉆孔C位于和平地電臺(tái)院內(nèi)（圖2），與近EW向測(cè)道地表距離為14 m，于3月24日開孔，4月2日鉆孔進(jìn)深84 m，4月3日進(jìn)深100 m，4月15日終孔，孔深263.7 m；N2鉆孔位于地電臺(tái)站南向約30 m處（圖2），于4月16日開孔，4月25日終孔，孔深152 m；B2鉆孔位于地電臺(tái)站南向約60 m處（圖2），于4月26日開孔，5月5日終孔，孔深154 m；M2鉆孔位于地電臺(tái)站南向圍墻腳外側(cè)（圖2），于5月6日開孔，鉆孔施工進(jìn)展記錄為：5月12日—14日鉆頭到達(dá)深度分別為78 m、103 m、128 m，5月15日終孔，孔深152 m。鉆孔C、N2、B2、M2施工進(jìn)展與兩個(gè)測(cè)道地電阻率整點(diǎn)值曲線見圖5。

綜合分析鉆孔數(shù)據(jù)與電阻率測(cè)值變化，由圖5可見，測(cè)值變化與鉆孔施工進(jìn)度存在以下相關(guān)性。

圖5　鉆孔施工進(jìn)展及地電阻率整點(diǎn)值曲線（a）C鉆孔對(duì)比；（b）N2鉆孔對(duì)比；（c）B2鉆孔對(duì)比；（d）M2鉆孔對(duì)比Fig.5 Comparison chart of well drilling construction progress and hour-value curve of resistivity

（1）從鉆孔施工進(jìn)度分析：水平向的EW測(cè)道在鉆頭深度約80 m受到影響，地電阻率測(cè)值出現(xiàn)下降，鉆頭深度90—130 m時(shí)下降速度較快，130 m后低值平穩(wěn)變化；垂直向測(cè)道在鉆頭深度100 m左右開始受到影響，100—150 m區(qū)間下降速度較快，超過150 m則在低值平穩(wěn)變化（本調(diào)查中只有C鉆孔超過該深度）。由此可見，水平向首先受到影響，垂直向受影響滯后，但影響幅度較大。

（2）從鉆孔位置空間角度分析：C、M2、N2、B2與測(cè)線距離依次增大，對(duì)電阻率測(cè)值影響幅度依次減小，其中N2、B2對(duì)電阻率水平向幾乎無影響?？梢?，影響幅度與鉆孔至測(cè)線的距離可能為劇烈衰減關(guān)系。

5 結(jié)論

根據(jù)各鉆孔施工進(jìn)度和地電阻率測(cè)值變化的相關(guān)性分析，發(fā)現(xiàn)測(cè)值開始下降時(shí)間和鉆頭達(dá)到深度具有較好的相關(guān)性，測(cè)值從低值恢復(fù)到正常值與終孔后起鉆時(shí)間有精確到小時(shí)的相關(guān)性?？梢酝茢?，2015年5月13日—17日地電阻率觀測(cè)異常應(yīng)為場(chǎng)地環(huán)境影響，排除地震前兆異?？赡?。

根據(jù)鉆孔施工要求，每個(gè)孔要用水泥和膨潤(rùn)土止水，之后24小時(shí)水位變化不超過1 cm，故孔中幾乎無滲入的地下水，因而導(dǎo)致地電阻率測(cè)值受到影響的根本原因是鉆頭。鉆頭作為一個(gè)良導(dǎo)體，相當(dāng)于一個(gè)低阻異常體，電流匯聚于導(dǎo)體，必然導(dǎo)致測(cè)量電極范圍內(nèi)的電流密度減小，由此導(dǎo)致地電阻率測(cè)值減小，對(duì)于垂直向測(cè)道，電流密度更多穿入地下，和水平向相比，深入地下的鉆頭更容易吸收垂直測(cè)量電流，從而導(dǎo)致垂直向受鉆孔影響大；而從時(shí)間和空間角度分析，鉆頭距測(cè)量電極越近，影響幅度越大，反之則減小?？稍诋?dāng)前定性分析基礎(chǔ)上，開展數(shù)值模擬定量分析，根據(jù)實(shí)地測(cè)量及資料收集結(jié)果，建立測(cè)區(qū)電性結(jié)構(gòu)及鉆探鉆頭作為低阻異常體的三維有限元模型，研究鉆孔位置和鉆探深度對(duì)互相垂直測(cè)道測(cè)值的影響。

6 結(jié)束語

地電阻率觀測(cè)環(huán)境容易受到高壓輸電線路、軌道交通、大型變電站、大型建筑施工等的影響，為了減少或消除這種影響，把電極埋入深井是地電阻率觀測(cè)的發(fā)展方向，但處于城郊的地電臺(tái)站，隨著城市化進(jìn)展，建筑工程中的鉆探施工難免產(chǎn)生影響，應(yīng)通過數(shù)值模擬方法，研究確立臺(tái)站可能受到影響的鉆探范圍及鉆孔深度，以保護(hù)深井地電臺(tái)站觀測(cè)環(huán)境。

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Abstract

The greatly decline change of earth resistivity was observed at Xinfengjiang Geoelectric Station before Dongyuan MS3.2 earthquake occurred on May 15，2015.By analyzing the observation system，natural and field environment during the resistivity anomaly，it is considered that the earth resistivity variations are not some earthquake precursor abnormalities，but resulting from the well drilling in measuring area.

The determination of interference of drilling on deep geoelectric resistivity in Xinfengjiang

Liu Jiping1，2），Yan Xing2），Chen Zhiqun3）and LiuDonghui3）
1） University of Science and Technology of China，Hefei 230026，China
2） Earthquake Administration of Guangdong Province，Guangzhou 510070，China
3） Xinfengjiang Seismic Center Station，Guangdong Province 517021，China

data tracking and analysis，earth resistivity，drilling，interference，precursor networks

10.3969/j.issn.1003-3246.2016.03.022

劉吉平（1981—），男，碩士，主要從事電磁學(xué)科和GPS前兆數(shù)據(jù)分析處理工作。E-mail：jipingliu@163.com