和平臺深孔電極地電阻率測值趨勢下降原因分析

陳智群，柴劍勇，李 敬，黃 暉，劉東輝，秦乃崗，陳莉芬

(1.廣東省地震局新豐江中心地震臺，廣東 河源 517021；2.廣東省地震局，廣東 廣州 510070）

0 引言

目前，深孔（井下深埋電極）布極地電阻率觀測方法在消除各類環(huán)境的干擾影響、大幅度縮小觀測環(huán)境保護(hù)區(qū)范圍及對基巖電阻率變化響應(yīng)具有較高的靈敏度等方面的優(yōu)勢正得到越來越多的重視和研究。國內(nèi)有不少地電臺站由于遭受嚴(yán)重的環(huán)境干擾，地表布極地電阻率觀測已經(jīng)難于取得正常連續(xù)的數(shù)據(jù)，給地震前兆監(jiān)測及分析帶來很大的影響。基于這些原因，一些臺站已經(jīng)或準(zhǔn)備將傳統(tǒng)地表布極地電阻率觀測改造為深孔布極地電阻率觀測。

隨著經(jīng)濟(jì)建設(shè)的快速發(fā)展，測區(qū)環(huán)境干擾的問題將不可避免。如何保證為地震預(yù)報(bào)需要地電阻率資料的長期積累，同時(shí)又可以保證觀測資料不受經(jīng)濟(jì)建設(shè)的影響和干擾成為地電工作者研究和探討的重要課題[1]。在這一研究思路的啟發(fā)下，河源和平地電臺（以下簡稱和平臺）同時(shí)開展了地表布極和深孔布極地電阻率觀測，期望通過深孔布極方法（即全空間地電阻率觀測）達(dá)到減少甚至消除地表干擾、獲得較高的觀測精度及保持長期連續(xù)的觀測。

通過20多年的連續(xù)觀測試驗(yàn)，和平臺深孔布極地電阻率觀測取得了預(yù)期的研究成果，積累了一定的經(jīng)驗(yàn)。經(jīng)過一段時(shí)間的實(shí)際觀測后，發(fā)現(xiàn)了一些有待解決的問題，如電阻率測值一直呈現(xiàn)趨勢性下降變化，如圖1（a）。引起這種變化的原因顯然不是基巖應(yīng)力應(yīng)變的影響，也不是觀測環(huán)境的影響，而更可能是裝置系統(tǒng)出現(xiàn)了問題。另外觀測電流的變化竟然與電阻率的變化具有相似的趨勢性，如圖1（b）。按地電觀測原理，電流的變化與電阻率無關(guān)，那么，該如何解析這些原因呢？本文通過實(shí)驗(yàn)觀測方法，對以上問題進(jìn)行了探討分析。

圖1 和平臺深孔地電阻率日均值曲線(a)、電流日均值曲線（b）Fig.1 Daily mean value curve of the deep-hole ground resistivity in Heping seismic station(a)，daily mean value curve of current（b)

1 臺站概況

1.1 和平臺基本情況

和平臺臺址位于河源市東南郊（114°42′45″、23°43′28″）， 即河源盆地的北東側(cè)河源-邵武斷裂以東約4 km處。區(qū)內(nèi)巖性主要為第三系丹霞群紅色砂礫巖 (紅層)厚度約240 m左右，基巖埋藏較淺，有的地方地表可見，最深處約15 m，基巖電阻率在40～70 Ω.m左右。據(jù)電測深資料顯示，區(qū)內(nèi)測深曲線為H形。測區(qū)范圍內(nèi)地形較開闊平緩，干擾源少。臺站西、西南等方向雖有東江流過，但電極距岸邊均在500 m以上，符合規(guī)范要求[1]。

1.2 深孔電極地電阻率簡介

1.2.1 測線及電極布設(shè)

和平臺地電觀測采用四極對稱方法布設(shè)三道測 線 ， 即 南 北 向 N27°E測 道 （A1B1：997 m、M1N1： 315 m）； 東西向 N80°W 測道（A3B3： 1032 m，M3N3：328 m）； 東西向N80°W′短測道 （即為布設(shè)于臺站院子內(nèi)的深孔布極，A3′B3′：54m、M3′N3′：18 m），圖 2。外測線均為 Φ3 mm2銅包鋼架空裸線。

圖2 和平地電臺測線布極圖Fig.2 Arrangement of survey line in Heping geoelectric station

深孔電阻率供電極及測量極均采用3 mm厚鉛板卷成長600 mm，直徑為60～75 mm實(shí)心圓筒狀電極[2]。各電極埋設(shè)深度分別為：A′電極65.30 m、B′電極 65.65 m、 M′電極 63.50 m、 N′電極 64.70 m，如圖3。

1.2.2 儀器設(shè)備

觀測儀器使用廣東省地震局技術(shù)室研制的CATS自動(dòng)地電測量系統(tǒng)，測量過程自動(dòng)化。觀測工作與地表電極測道同時(shí)進(jìn)行，每小時(shí)觀測一次。

1.2.3 電極初期接地電阻

圖3 和平臺深孔電阻率電極布設(shè)圖Fig.3 The electrode layout diagram of the deep-hole ground resistivity in Heping seismic station

電極埋設(shè)初期接地電阻每月測量1至2次，2010年前按規(guī)范要求接地電阻每半年檢測一次，2010年后改為每季度檢測一次。由于在深孔中埋設(shè)的電極其體積受到限制，接地電阻值稍大，均在 30 Ω 左右（表 1）。

2 實(shí)驗(yàn)觀測與分析

懷疑裝置系統(tǒng)故障導(dǎo)致和平臺深孔電極地電阻率測值出現(xiàn)趨勢性下降，最直接有效的鑒別方法替換觀測法。利用進(jìn)行深孔多電極組合抗干擾課題實(shí)驗(yàn)的機(jī)會，對深孔各電極進(jìn)行了替換觀測[3]，即采用放置在井孔中的兩組新電極逐個(gè)替換原電極進(jìn)行對比觀測。實(shí)驗(yàn)電極布設(shè)排列方法如圖4，電極放置深度分別是，A測井：A″深61.50 m、A″′深 60.50 m；B 測 井 ：B″深 56.00 m、 B″′深55.00 m； M 測井： M″深 60.00 m、 M″′深 59.00 m；N測井：N″深58.50 m、N″′深57.50 m。各測井中，兩新電極高差均固定為1 m，接地電阻為50 Ω左右。由于新放置的電極埋深均超過供電極極距，裝置系數(shù)無需重新計(jì)算[4]。

表1 深孔電極接地電阻值Table 1 Grounding resistance of the deep-hole electrode

圖4 實(shí)驗(yàn)觀測電極布設(shè)圖Fig.4 The layout diagram of experimental observation electrode

2.1 對比觀測

2.1.1 替換電極觀測實(shí)驗(yàn)

為保證實(shí)驗(yàn)環(huán)境條件的相對一致性，電極替換觀測在相同的時(shí)間段里進(jìn)行。先對供電電極依次進(jìn)行替換觀測，當(dāng)用新電極替換B′電極時(shí)，測值變化明顯，用B″、B″′電極替換觀測的電阻率值均比原測值有75%左右的上升，而替換A′電極觀測結(jié)果與當(dāng)時(shí)實(shí)際測值約17.0 Ω.m相當(dāng)；其后對測量極M′、N′進(jìn)行相應(yīng)替換，測值與深孔電阻率當(dāng)時(shí)實(shí)際測值對比明顯偏小。實(shí)驗(yàn)觀測結(jié)果見表2。

表2 實(shí)驗(yàn)觀測結(jié)果(2009年9月18日23時(shí)）Table 2 The results of experimental observation

2.1.2 人工調(diào)整供電電流觀測

在正常觀測后，通過人工調(diào)整方法將電流約上調(diào)10%及下調(diào)10%進(jìn)行對比觀測，比較調(diào)整供電電流前后觀測值的變化。用該方法分別對未作電極替換及已替換B′電極的深孔布極測道各實(shí)測一組數(shù)據(jù)（表3）。

2.1.3 還原觀測實(shí)驗(yàn)

由于2010年4月7日已經(jīng)對B測井電極進(jìn)行了更換，至2013年5月20日外負(fù)載為214Ω、電流0.585A。為了驗(yàn)證外負(fù)載變化對電阻率及電流測值的實(shí)際影響，將B測井上引線斷開串接不同阻值的電阻絲，通過人為改變外負(fù)載值，達(dá)到還原2009年電阻率測值在17.0 Ω.m左右時(shí)的情況，以2009年9月18日為參考，當(dāng)天外負(fù)載為579 Ω、電流約0.216 A，實(shí)驗(yàn)時(shí)串接電阻絲最高值為397 Ω，外負(fù)載達(dá)到611 Ω時(shí)深孔電阻率測值為17.4 Ω.m。改變外負(fù)載后電阻率及電流測值的變化規(guī)律見圖5。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

表3 調(diào)電流前后深孔電阻率觀測值（2009年9月22日）Table 3 The observed value of deep-hole ground resistivity before and after adjusting the current

2.2.1 外負(fù)載變大導(dǎo)致電流變小

圖5 外負(fù)載與電阻率、電流測值變化關(guān)系Fig.5 The relationship between external load and the change of resistivity and current value

2.2.2 電極裝置變化導(dǎo)致電阻率測值變小

3 結(jié)論

（1）和平臺深孔電極地電阻率測值出現(xiàn)與供電電流相同的趨勢性變小，是由于電極這一重要的測量裝置發(fā)生了供電尺度上的改變，而電流的減小則是供電電極的老化和所使用穩(wěn)壓電源的特性所致。如果將電極埋實(shí)處理并采用正反向供電觀測方法，電極極化程度及速度將減輕和延緩，以上現(xiàn)象或可明顯減輕。

（2）兩道地表布極測道沒有出現(xiàn)與井下測道相同的趨勢變化現(xiàn)象，是由于淺埋電極極距大、電極為組合電極體積較大并埋實(shí)，沒有發(fā)生明顯的極化現(xiàn)象，外負(fù)載相對變化不大，同時(shí)其所測的是半空間的視電阻率（只有向下沒有向上供電）。由此可見，在地電觀測中，裝置系統(tǒng)的穩(wěn)定是非常重要的。

（3）深孔電極地電阻率觀測是地電觀測未來發(fā)展的方向，但由于缺乏經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)行這一項(xiàng)目建設(shè)的過程中可能會遇到許多困難和問題，建議在立項(xiàng)和建設(shè)時(shí)制定出一套完善的實(shí)施方案和相應(yīng)的技術(shù)措施。

[1]劉昌謀，桂燮泰，柴劍勇，等.河源地電臺全空間地電阻率試驗(yàn)[J].華南地震，1994，14（3）：40-45.

[2]廣東省地震局.廣東省地震監(jiān)測志[M].北京：地震出版社，2005.

[3]陳智群，柴劍勇，黃暉，等.新豐江水庫區(qū)和平地電站電阻率深孔多電極抗干擾觀測實(shí)驗(yàn)[J].華南地震，2012， 32 （增刊）： 119-127.

[4]聶永安，巴振寧，聶瑤.深埋電極的地電阻率觀測研究[J].地震學(xué)報(bào)，2010，32(1)：33-40.

[5]何世根，沈啟興.地電觀測技術(shù)[M].北京：地震出版社，2000.

[6]天水地電阻率地表與井下多種觀測方式的試驗(yàn)分析[J].地震工程學(xué)報(bào)，2013，35（01）：190-195.