姚賽賽,趙 潔,陳雪梅,安振寧,張曉陽

(中國地震局蘭州地震研究所，甘肅 蘭州 730000)

0 引言

井下地電阻率觀測(cè)作為一種能有效減少和抑制地表干擾及地表電磁干擾影響的手段，是地電阻率觀測(cè)方法在抑制環(huán)境干擾、提高觀測(cè)精度方面的一種有益選擇[1]。為應(yīng)對(duì)地表觀測(cè)環(huán)境干擾，解決地電阻率地表觀測(cè)用地與經(jīng)濟(jì)發(fā)展用地間的矛盾，2008年起，全國開始進(jìn)行井下地電阻率觀測(cè)試驗(yàn)并開展相關(guān)分析[2-5]。2010年，天水地電臺(tái)(以下簡稱天水臺(tái))開始井下地電阻率觀測(cè)手段的建設(shè)。2011年1月10日井下多極距、多通道地電阻率觀測(cè)鉆孔施工和儀器架設(shè)初步完工，開始井下地電阻率觀測(cè)技術(shù)、方法理論方面的研究。該文對(duì)天水臺(tái)井下和地面地電阻率觀測(cè)資料進(jìn)行分析，對(duì)井下地電阻率觀測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)價(jià)，以期為該區(qū)域井下觀測(cè)資料分析及前兆異常識(shí)別提供參考。

1 臺(tái)址條件及觀測(cè)系統(tǒng)

1.1 臺(tái)址條件

天水臺(tái)位于天水市麥積區(qū)馬跑泉鎮(zhèn)崖灣村，海拔1 153 m。測(cè)區(qū)地處崖灣村與白石村之間的永川河Ⅰ、Ⅱ級(jí)河谷階地上，第四系覆蓋層厚度20～30 m，其下是第三系黏土層，厚約450～500 m，基底為古生界變質(zhì)巖。位于祁呂賀蘭山字形前弧內(nèi)緣褶帶與隴西華家?guī)X至天水旋回褶帶復(fù)合部位，地勢(shì)西北高、東南低(見表1)。

表1 天水臺(tái)臺(tái)址條件Table 1 Site conditions of Tianshui Geo-electric Station

1.2 觀測(cè)系統(tǒng)

1.2.1 裝置系統(tǒng)

布極方式采用四極對(duì)稱裝置，大致呈NS、EW、N45°W的近似等邊直角(81°)三角形分布。NS、EW供電極距為300 m，測(cè)量極距為100 m；N45°W供電極距為390 m，測(cè)量極距為130 m(見第19頁圖1)。天水臺(tái)井下地電觀測(cè)使用JX-2010型專用電極，電極埋深100 m，地表觀測(cè)的電極埋深6 m。采用直流供電的觀測(cè)系統(tǒng)，井下、地面觀測(cè)的采樣率為1次/小時(shí)。

圖1 天水地電臺(tái)井下觀測(cè)布極示意圖Fig.1 Schematic diagram of deep well observation electrode distribution of Tianshui Geo-electric Station

外線路的地埋電纜線要解決鼠害噬咬、輕度機(jī)械損傷和抗腐蝕問題，保障電纜芯線的安全?；谝陨弦螅x用蘭州眾邦電纜生產(chǎn)的4×2.5國標(biāo)鎧裝電纜，內(nèi)外護(hù)套材料為聚氯乙烯，芯線的絕緣層材料為聚乙烯。線路埋深在1.0～1.5 m，避免冬季地面凍結(jié)和解凍對(duì)地埋線的影響，保持線槽平緩、線路松弛，以延長線路的使用壽命。

室內(nèi)配線和避雷系統(tǒng)采用測(cè)、供分離避雷箱，線路通過防浪涌保護(hù)裝置后，在信號(hào)線引入觀測(cè)室前接入避雷器，地電阻率供電極、測(cè)量極分別采用200×400×600不銹鋼機(jī)箱，獨(dú)立安裝電極引線的避雷器，氧化鋅浪涌避雷器單元的峰壓為470 V，瞬時(shí)電流40 kA。在觀測(cè)室進(jìn)入相應(yīng)的分離掛墻箱，通過配線盒中的接線端子為儀器接輸入線。

1.2.2 測(cè)量系統(tǒng)

測(cè)量儀器使用中國地震局地殼應(yīng)力研究所研發(fā)的ZD8BI型，具有準(zhǔn)確度高、動(dòng)態(tài)范圍大、抗干擾能力強(qiáng)、長期穩(wěn)定性好、觀測(cè)程序改動(dòng)方便等優(yōu)點(diǎn)。供電設(shè)備使用中國地震局地震預(yù)測(cè)研究所研發(fā)的WL6穩(wěn)流電源，能增強(qiáng)觀測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。

1.2.3 觀測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)校準(zhǔn)

地電臺(tái)網(wǎng)的運(yùn)行管理執(zhí)行《地震前兆臺(tái)網(wǎng)運(yùn)行管理細(xì)則——地電》(2016版，以下簡稱《細(xì)則》)。下面從電極接地電阻、漏電電位差、儀器校準(zhǔn)、供電電源性能四方面介紹觀測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)。

(1) 電極接地電阻測(cè)量。

電極是否穩(wěn)定可靠是地電阻率觀測(cè)系統(tǒng)的重要指標(biāo)之一，主要通過測(cè)量電極的接地電阻大小來評(píng)價(jià)其性能狀態(tài)。使用ZC-8型接地電阻表測(cè)量NS、EW、N45°W三道測(cè)量電極(M、N)和供電電極(A、B)的接地電阻。2016-2020年電極接地電阻變化如圖2所示。可以看出，NS、EW、N45°W井下電極接地電阻變化較平穩(wěn)，基本在4.12～7.46 Ω之間，室內(nèi)接地電阻在2.1～3.8 Ω之間。

圖2 電極接地電阻變化Fig.2 Change of electrode grounding resistance

(2) 測(cè)量系統(tǒng)漏電電位差檢查。

《細(xì)則》要求，供電回路漏電電流IL應(yīng)不大于正常供電電流的1%，漏電電位差ΔVL應(yīng)不大于正常人工電位差的5%[6]。最近一次的漏電電位差檢查在2021年12月。

(3) 儀器檢測(cè)校準(zhǔn)。

使用標(biāo)準(zhǔn)儀器UJ34A型直流電位差計(jì)、BC3型飽和標(biāo)準(zhǔn)電池，對(duì)UJ34A進(jìn)行初始化設(shè)置，對(duì)儀器進(jìn)行校零點(diǎn)和校滿度，最后分別檢查在不同標(biāo)準(zhǔn)電壓值下地電儀測(cè)到的觀測(cè)值[7]。正向檢測(cè)校準(zhǔn)時(shí)，偏差在0.001～0.008之間；反向時(shí)，偏差在-0.001～0.006之間。

(4) 供電電源性能檢測(cè)。

《細(xì)則》要求，1 min內(nèi)輸出直流電流的不穩(wěn)定度≤0.5%，輸出電流紋波因數(shù)γ≤0.5%。最近一次的供電電源性能檢測(cè)在2021年12月，紋波因數(shù)為0.0%。

2 觀測(cè)資料分析

2.1 地表、井下地電阻率數(shù)據(jù)對(duì)比

2016年后，天水臺(tái)地電測(cè)區(qū)修建麥積大道，地表觀測(cè)受到較大干擾。為比較地表與井下地電阻率觀測(cè)的差異，選取2011-2015年兩者同時(shí)段的觀測(cè)曲線進(jìn)行對(duì)比分析。

由圖3看出，地表觀測(cè)值具有明顯的年變化，呈夏高冬低的年變形態(tài)。測(cè)值變化分別為NS道5.33～6.81 (Ω·m)、EW道11.34～13.10 (Ω·m)、N45°W道7.26～8.00 (Ω·m)。地表觀測(cè)的3道年變幅分別為24.38%、14.40%、9.71%，說明地表觀測(cè)易受各種因素的干擾，數(shù)據(jù)波動(dòng)幅度大，年變幅大。

圖3 地表、井下地電阻率日均值圖Fig.3 Daily average of surface and deep well geo-electric resistivity

井下觀測(cè)年變幅小，呈現(xiàn)近直線變化。測(cè)值變化分別為NS道4.97～4.99 (Ω·m)、EW道7.02～7.06 (Ω·m)、N45°W道7.42～7.57 (Ω·m)。井下觀測(cè)的3道年變幅分別為0.55%、0.53%、1.98%，說明地下觀測(cè)裝置可減小甚至抑制干擾及降雨變化對(duì)視電阻率觀測(cè)結(jié)果的影響。2011-2012年，井下N45°W測(cè)值突跳較大，原因是井下觀測(cè)系統(tǒng)處于試運(yùn)行階段，觀測(cè)裝置未達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

2.2 地表、井下觀測(cè)值均方根誤差對(duì)比

視電阻率觀測(cè)精度是所測(cè)的視電阻率準(zhǔn)確度的度量，由系統(tǒng)誤差和偶然誤差兩部分組成。其中，偶然誤差是多種因素的綜合作用使觀測(cè)值產(chǎn)生某些變化，使測(cè)量值在均值附近波動(dòng)，其大小用均方根誤差來表示。多次觀測(cè)值的均方根誤差σn-1由下式計(jì)算：

圖4 地表、井下觀測(cè)各測(cè)道均方差日均值圖Fig.4 Daily mean value of surface and deep well mean square deviation of each survey track

2.3 井下電阻率月精度、年變化幅度

觀測(cè)精度Kσn的計(jì)算公式為：

式中：N為臺(tái)站的測(cè)道數(shù)；D為當(dāng)月的天數(shù)；H為一天中小時(shí)觀測(cè)數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù)；(σn)kji是當(dāng)月第j測(cè)道、第i天、第k小時(shí)地電阻率測(cè)值的均方差；(ρs)kji為當(dāng)月第j測(cè)道、第i天、第k小時(shí)地電阻率測(cè)值[7]。2014-2020年3測(cè)道月精度如第22頁圖5所示，可見3測(cè)道Kσn值均未超過0.2%，且以0.1%及以下居多，變化較為平穩(wěn)，表明儀器的工作狀態(tài)良好，數(shù)據(jù)的離散度小，干擾信息少，數(shù)據(jù)可靠度高。

2014-2020年3測(cè)道年變幅分別為NS道0.26%～0.54%、EW道0.26%～0.54%、N45°W道0.26%～0.54%(見圖5)，表明井下觀測(cè)數(shù)據(jù)變化平穩(wěn)，年變幅低，年變形態(tài)不明顯。

圖5 各測(cè)道月精度及年變幅度Fig.5 Monthly accuracy and annual variation amplitude of each survey track

3 地震監(jiān)測(cè)效能評(píng)價(jià)

2013年4月20日四川蘆山發(fā)生MS7.0地震，震中距天水地電臺(tái)540 km。地震前11 d即4月9日，天水臺(tái)井下地電阻率NS、EW和N45°W測(cè)值出現(xiàn)同步異常，形態(tài)表現(xiàn)為電阻率測(cè)值高頻擾動(dòng)，震前2 d波動(dòng)更明顯。NS正常觀測(cè)值為4.98±0.01 (Ω·m)，震前變幅為±0.03 (Ω·m)，震前1 d的最大變幅達(dá)-0.06 (Ω·m)；EW正常觀測(cè)值為7.05±0.01 (Ω·m)，震前變幅±0.03 (Ω·m)，震前1 d的最大變幅達(dá)-0.04 (Ω·m)；N45°W正常觀測(cè)值為7.5±0.1 (Ω·m)，震前變幅為±0.03 (Ω·m)，震前3 h的最大變幅達(dá)+0.29 (Ω·m)。此波動(dòng)異常持續(xù)至5月4日結(jié)束。

2013年7月22日甘肅岷縣—漳縣發(fā)生MS6.6地震，震中距天水臺(tái)155 km，地震前約40 d天水臺(tái)井下地電阻率出現(xiàn)異常。EW在6月11日、NS在6月12日均出現(xiàn)異常，異常形態(tài)和蘆山地震前的相似，表現(xiàn)為明顯的高頻擾動(dòng)；幅度較蘆山地震前的小，EW異常時(shí)段波動(dòng)變化幅度為±0.03 (Ω·m)，NS為±0.02 (Ω·m)，N45°W未顯示明顯異常。2013年6月17日，天水臺(tái)結(jié)合地電阻率、流體學(xué)科資料異常，向中國地震局和甘肅省地震局預(yù)報(bào)部門提交短臨預(yù)報(bào)卡。

2017年8月8日四川九寨溝發(fā)生MS7.0地震，震中距天水地電臺(tái)240 km，地震前約5個(gè)月，天水臺(tái)井下地電阻率出現(xiàn)異常。2017年4月以來，由于測(cè)區(qū)西側(cè)修建麥積山公路，在7至11點(diǎn)、14至18點(diǎn)有大型機(jī)械間歇施工，整點(diǎn)值形態(tài)受到影響，高頻擾動(dòng)中夾雜有環(huán)境干擾，日均值趨勢(shì)較清晰。NS、EW和N45°W均處于趨勢(shì)轉(zhuǎn)折階段，天水臺(tái)地電阻率典型震例總結(jié)如表2所示。

表2 地電阻率典型震例總結(jié)Table 2 Summary of typical earthquake cases of geo-electric resistivity

綜上分析認(rèn)為，從震前天水臺(tái)地電阻率異常變化來看，地電阻率整點(diǎn)值呈現(xiàn)高頻擾動(dòng)變化，此時(shí)日均值呈現(xiàn)趨勢(shì)轉(zhuǎn)折或趨勢(shì)下降(見第23頁圖6)。

圖6 各測(cè)道整點(diǎn)值、日均值及震例圖Fig.6 Hourly point value,daily average value and earthquake example map of each survey track

根據(jù)地電阻率地表觀測(cè)已有震例的分析和研究結(jié)果，認(rèn)為地電阻率異常對(duì)7級(jí)以上大地震的檢測(cè)能力較好，一般距震中300 km范圍內(nèi)的地電臺(tái)站能記錄到可辨認(rèn)的較長趨勢(shì)的中期或短期異常[8]。根據(jù)天水臺(tái)井下地電阻率震例研究結(jié)果，2013年4月20日四川蘆山MS7.0地震，天水臺(tái)井下地電阻率距震中約540 km，在震前11 d出現(xiàn)異常。此種現(xiàn)象與地震的關(guān)系，需要結(jié)合其他井下地電阻率臺(tái)站的已有震例做更多的研究。

4 結(jié)論和討論

通過對(duì)天水臺(tái)井下地電阻率觀測(cè)的分析，可得出如下結(jié)論：

(1) 天水臺(tái)井下地電阻率外場(chǎng)地設(shè)施全部地埋，與架空線相比，在使用壽命、防風(fēng)擾、防盜竊、防雷電方面有一定優(yōu)勢(shì)，能保證系統(tǒng)的長期穩(wěn)定運(yùn)行。自觀測(cè)以來，各類校準(zhǔn)、標(biāo)定工作按《細(xì)則》進(jìn)行，均符合要求。井下地電阻率測(cè)值相較地表具有測(cè)值平穩(wěn)、年變幅度小、精度高的優(yōu)勢(shì)。

(2) 天水臺(tái)井下地電阻率觀測(cè)表現(xiàn)出較好的映震能力。震前異常表現(xiàn)為整點(diǎn)值曲線的高頻擾動(dòng)，日均值曲線呈趨勢(shì)轉(zhuǎn)折或趨勢(shì)下降。

(3) 在觀測(cè)期間，天水臺(tái)地電測(cè)區(qū)受到麥積大道擴(kuò)建的影響，地埋線遭到開挖損壞，維修成本高。因此，要做好地面標(biāo)識(shí)，檢查井、鋼管防護(hù)等措施。觀測(cè)井是一次性回填，做好井中線路、電極的連接及線路的對(duì)地絕緣是提高觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量的前提。井下地電阻率在一定深度地層觀測(cè)，當(dāng)?shù)乇碛^測(cè)場(chǎng)地存在大型機(jī)械施工干擾時(shí)，井下地電阻率觀測(cè)值會(huì)受到一定影響，在資料分析中要仔細(xì)甄別，客觀科學(xué)地分析資料變化。