井下地電觀測漫談

甘肅省地震局 安海靜 康云生 石航

安徽省地震局 姜薇薇

井下地電觀測漫談

Discussion on earth--electrical observation in the wells

甘肅省地震局 安海靜 康云生 石航

安徽省地震局 姜薇薇

地震的孕育和發(fā)生過程是以力學為主導的復雜過程，各種前兆在本質上都起源于力學作用，孕育體巖石所受應力方向和大小的變化都將引起巖體電阻率的各向異性的變化。地電觀測就是通過測量巖石電阻率的相對變化過程來推斷巖石的應力應變過程，從而預測發(fā)生地震的可能性。用地電阻率法觀測地震是當今我國乃至世界預測地震的主要方法之一。

井下地電觀測是相對于傳統(tǒng)的地表地電觀測的新方式，它通過技術革新，采用新研制的觀測裝置及新的連接工藝和安裝方法，將傳統(tǒng)的布設于地表的地電觀測裝置安全穩(wěn)定的移植于井下，從而有效的避開地表電磁或建筑物干擾，提高了地電觀測方法自身的抗干擾能力。

甘肅省地震局井下地電觀測實用技術研究起步早，成效顯著。2001年開始了地電觀測技術準備，2010年通過對天水地電井下觀測等工程建設實踐，技術日臻成熟。2011年該局“井下地電觀測實用技術研究”項目通過地震星火計劃科技成果評定，該項目在新認識、新發(fā)現(xiàn)、新技術和成果應用方面的研究成果獲得優(yōu)秀等級?；诰掠^測資料，2013年成功地預測了岷縣6.6級地震，用震例見證了地電方法的觀測效能。

話說井下地電觀測技術的創(chuàng)新與實踐

井下地電觀測的話題既傳統(tǒng)又新異，傳統(tǒng)是指井下觀測這種方式已問世許多年，新異的是通過井下觀測設施構建，達到產(chǎn)出觀測資料的質量指標（觀測效能）和設施的長期穩(wěn)定運行。這就需要對觀測技術進行改造和創(chuàng)新。

既然是改造，就必然肩負著改造傳統(tǒng)觀測中的一些棘手問題和弊端，例如最為棘手的電磁干擾問題，季節(jié)性環(huán)境變化引起的“年變”弊端等等。

既然是創(chuàng)新，就必然肩負著推陳出新的任務。筆者明確的主張是放棄傳統(tǒng)的架空外線路，這就是“推陳”，相應的“出新”就是采用全地埋外線路。全地埋外線路是甘肅井下地電觀測的創(chuàng)新點之一，也就是本節(jié)漫談要討論的內容。

甘肅省地震局構建的井下地電觀測系統(tǒng)有兩個特點：第一，長期運行穩(wěn)定；第二，產(chǎn)出的觀測資料無干擾，并且質量指標優(yōu)秀。這是地電觀測方法在技術改造方面取得的進展和成就。

穩(wěn)定和無干擾觀測資料恰恰又是預測預報的前提。特別是基于井下地電觀測資料，成功地預測了2013年岷縣6.6級地震，這一點引起人們的對井下觀測的興趣，欲更多地了解一些關于井下觀測的思路和設施構建的細節(jié)。這兩個方面本身就不能絞織在同一個層面來討論，況且還有前兆效能的問題呢，三合一，更加不便用論文的框架來討論，這就是本文采用“漫談”形式的原因。

上述“穩(wěn)定、無干擾”是地電方法在觀測技術方面的取得的成就，體現(xiàn)的是井下“觀測效能”。那么，在預測預報方面有沒有“前兆效能呢”？這問題不能用簡單的有或者沒有來回答。地震預報是一個非常嚴肅的科學問題，是個尚未攻克的世界性科學難題。的確，做到科學意義上的精準預報還不現(xiàn)實，甚至有人認為地震不可預報。但是，也不可否認有減災意義的理性預測，特別是基于觀測資料的預測、預報震例。畢竟，震例才是檢

驗效能的試金石。而甘肅省地震局的井下地電觀測恰恰就有這么一個震例。

基于天水井下地電觀測資料，甘肅省地震局成功地（指三要素指標吻合）預測了2013年7月22日岷縣6.6級地震。這次地震是地震局成立以來，在甘肅省境內發(fā)生的最大的一次地震。這也是地電方法成功預測預報的又一個震例。同時，也是對井下地電觀測方式、觀測效能甚至是前兆效能的一次檢驗。

它的意義還在于地電觀測方法向行業(yè)最艱難的短臨預報邁出了小小的一步。 同時，給人們一些啟發(fā)：

·如何獲取無干擾的觀測資料，如何量化觀測資料的質量和質量指標以及觀測效能的評估呢？

·如何看待地下介質電阻率相對變化和變化幅度的前兆意義，以及這些與井下地電觀測緊密相關的一些實質性問題呢？

這些問題涉及井下地電觀測的思路，特別是井下觀測設施的構建思路、觀測設施自身的一些指標取向和實現(xiàn)指標的技術路線。

要指出的是，天水井下地電觀測系統(tǒng)是甘肅省地震局全額投資的第一個地電觀測技術改造工程，凝聚了局領導、學者、專家以及工程技術人員的聰明才智和辛勤勞動。

甘肅井下觀測從技術準備到方案論證的務虛工作經(jīng)歷了10年的時間。2010年起轉入務實，至目前已經(jīng)完成3個臺站的地電觀測技術改造，合計構建和運行著12個井下水平觀測分量，這是井下地電觀測的目標分量，即以抑制干擾為目的；完成構建和運行著大約10個垂直觀測分量，這是井下地電觀測項目附帶的實驗觀測分量，目的是探索和檢驗垂直觀測抑制干擾的效能；構建和運行著7個分量的地面對比觀測，與井下同規(guī)格的電極，安裝于井下5 m深處，可以實現(xiàn)同一觀測場地、同一觀測時段、同一極距參數(shù)的“三同”對比，見證井下觀測的效能；運行著12個分量的地面、井下交換電極的實驗觀測，目的是探索干擾來源于AB還是MN端，有沒有可能減少鉆孔降低成本。在上述測項中，凡是電阻率測項的電極，全部使用了有甘肅局知識產(chǎn)權專利號的JX-2010型井下地電觀測專用電極。另外，構建了9個分量的多層地溫觀測，目的是探索不同深度季節(jié)性溫度變化與年變的關系，為井下地電觀測電極安裝深度提供依據(jù)，當然，地溫本身也是一種前兆手段。此外，借助MN鉆孔，構建了合計24個分量的地電場觀測（包括地面水平、井下水平、垂直3種方式）。所以甘肅的井下地電觀測是多測項共享鉆孔資源（鉆孔費是主體成本，所以鉆孔是高值資源）的綜合觀測，這是甘肅局一個創(chuàng)新點。

本文就井下地電觀測技術的創(chuàng)新只談一個要點，這就是井下地電觀測外線路的相關問題。因此，以下5個小標題就關乎一個字——線。

全地埋外線路要解決的問題

地電觀測中，外線路是觀測裝置的重要組成部分。外線路有兩個要害指標，一是對地絕緣，二是線路通斷（接頭的接觸不良）指標。二者也是全地埋布線的前提。否則，地埋必將帶來更加嚴重的觀測問題，甚至導致地電觀測無效。

全地埋布線是地電觀測裝置外線布設的一種方式，是常規(guī)架空線路的改進和發(fā)展，屬性是觀測技術改造。所以，全地埋布線是針對實際問題的技術措施，那么，先來梳理一下常規(guī)架空線路存在哪些短板問題。

（1）“風擾”弊端（風吹動架空線路，線路切割地磁線產(chǎn)生的感生電流對觀測帶來的干擾），刊載很多論文是討論風擾危害的。

（2）外線路的使用壽命短，一般5～7年；而地埋大于15年。

（3）外線路引雷電，設備遭雷電襲擊風險。

（4）外線路遭盜竊、車輛掛斷，以及與其他線路搭接風險；還有樹木、建筑物影響。

（5）電桿、斜拉線占用土地，觀測與建設用地的矛盾日益突出，給臺站運行和管理帶來諸多弊端。

全地埋布線方式，能夠一并解決上述問題。況且，全地埋布線的初建成本低于架空。20年周期的運行、維修、改造和更新成本是架空方式的1/5。

多年以來，我們在這方面做了一些探討性的實驗工作，在實驗結論的指導下，已完成功能芯線合計43 km長度的地埋布線，穩(wěn)定運行超過10年。

對全地埋外線路布設施工的幾點要求

我們在長期的觀測實踐中，結合一些具體事例，實驗處理絕緣問題的一些途徑，取得了針對絕緣指標、長期穩(wěn)定運行問題的一些經(jīng)驗，并將經(jīng)驗應用到工程建設的線纜選材、布設、接頭處理中，進而在實踐中提煉總結。這方面的一些事項，已在實踐中檢驗長達10年以上。所以，本文給出的一些細節(jié)和技術要求是成熟的，可以直

接引用。對布設施工的4點要求是：

（1）單端回填：電極安裝完成后自電極端起始，單端回填，直至觀測室。目的是避免回填過程中電纜受水平張力。

（2）舒緩布線：電纜在地槽中避免拉緊，盡可能舒緩布設，確保在長期的使用中不受水平張力影響，確保使用壽命。

（3）規(guī)避凍土層：井下段不存在凍土層問題，但地面段地槽深度須大于當?shù)貎鐾翆?，避免凍土層封凍、解凍過程中對電纜的影響；在凍土層小的地區(qū)，線路埋深須≥1 m，確保通常情況下地埋線路的安全。

（4）地面標志：完成布線和地槽回填后，在地表設立布線標志，以警示地埋線路不被他人無故損壞。

對地埋線路絕緣指標的要求

絕緣指標是個非常關鍵的問題，對井下地電觀測而言，其重要性可以直接地描述為“沒有絕緣就沒有井下觀測”。絕緣指標又是非常棘手的問題，與架空線路相比，井下有著完全不同的環(huán)境，例如高濕度、高壓強，介質的圍壓、蠕變甚至小幅度的巖層錯動等等，這些都是電纜的選材、安裝兩個環(huán)節(jié)都有要著重考慮因素，也就是說：技術方案必定要建立在實模式實驗的基礎上。

我們這里要給出的正是井下地電觀測設施建設、運行、觀測結果總結和系統(tǒng)性解讀后得到的結果，是個實模式實驗結果，是個負責任的結果。

要求：井下地電觀測、地埋線路對地絕緣指標≥100 MΩ。

中國地震局頒布的《地電觀測技術規(guī)范》中這一指標≥5 MΩ，這是對常規(guī)地面觀測而言的。而井下的環(huán)境苛刻，100 MΩ是經(jīng)過實踐檢驗后提出要求。

需求是要求的前提，需求來源于實踐，我們已經(jīng)完成并投入正常觀測的多個井下地電觀測系統(tǒng)就是實踐源泉。工程實例是：

天水井下地電觀測：2010年10月構建，構建初期，絕緣指標≥300 MΩ，3年后絕緣指標≥200 MΩ。

武都井下地電觀測：2012年12月構建，構建初期狀況同天水；我們期待3周年后的結果；平?jīng)鼍碌仉娪^測2013年7月構建、浙江長興井下地電觀測2012年6月構建，初建絕緣指標均雷同天水，即≥300 MΩ，我們期待3周年后的絕緣指標。

前面提到43 km長度全地埋線路，是指“十五”甘肅天祝前兆臺陣項目于2005年8月構建的全地埋外線路（包括6個地電場、1個多級距和9個磁通門觀測）,建設之初，借鑒了一些相關絕緣指標的早期工作（例如20多年的MT重復監(jiān)測、絕緣材質實驗等等），還系統(tǒng)地做了多種樣線、電纜的指標測試、絕緣指標實驗。那么，這些設施投入正式運行已達10年，10年后這些地埋線路的絕緣指標又怎么樣呢？2014年12月我們借改遷寺灘臺站地電場外線路的機會，對長度240 m的全地埋線路做了測試，絕緣指標仍然＞200 M歐姆。

所以，對井下地電觀測系統(tǒng)中線路對地絕緣指標≥100 MΩ是合理的要求。即是需求，又是現(xiàn)實中通過細致的工作完全可以獲取的指標。

井下地電觀測對電纜芯數(shù)的要求

甘肅省地震局對井下地電觀測的務虛工作從2001年就開始了，開始之初就是針對具體問題尋求解決途徑，目的就這么簡明，但征途就沒有這么簡單了。10年后的2010年務實工作開始，動工天水井下地電觀測設施建設，實質性地開展地電觀測技術改造，筆者被卷入改造的前線，籌劃井下地電觀測設施構建的具體事宜，直至完成觀測系統(tǒng)的全部建設產(chǎn)出觀測資料，包括工程設計、建設、觀測效能評估、項目驗收匯報直至檔案。期間對井下觀測的研究、特別是對井下環(huán)境、運行需求、安裝需求的研究比較深入。對電纜指標的要求恰恰來源于這些研究。我們首先來梳理一下井下地電觀測對電纜芯線數(shù)的需求是什么？

（1）電極對電纜芯線數(shù)量的需求：通常地面觀測表明，供電電極的使用壽命比測量電極要短，地面可更換解決，而井下則不能，為了改善這種狀況，筆者設計的井下觀測裝置擬定使用兩對供電電極，其中1對使用，另1對備用。這樣當鉆孔回填后，觀測裝置的實際使用壽命將延長1倍，也就說對電纜的需求必然不止1根芯線。

（2）絕緣測試對電纜芯線數(shù)量的需求：地面觀測中人工斷開電極端和儀器端的接頭，就可以測試線路對地的絕緣，而井下觀測就無法實現(xiàn)電極端斷開和非?？煽康倪B接，也就不能實現(xiàn)線路的絕緣測試，或者因接觸不良給觀測帶來問題，這些在井下觀測中都是絕對不能容忍問題。吸取教訓，轉變思路，另辟蹊徑是實現(xiàn)井下觀測系統(tǒng)中外線路測試功能的出路。另辟蹊徑的兩條原則，第一，絕對不能采用任何斷開電極端引線的方式；第二，絕對保障外線路與電極的可靠焊接和焊接點以及整條電

纜的絕緣防護。筆者另辟的蹊徑是“替代法”，思路是同一條鎧裝電纜中的若干芯線中，用單獨的1根芯線在電極端絕緣，專門做為整條電纜絕緣指標的測試線，當?shù)貙訋r體蠕變造成電纜損壞，或者若干年后使用壽命到期時，必然能夠在地面端檢測到相應某條的電纜絕緣指標。需求僅僅是一根芯線。

（3）通斷測試對電纜芯線數(shù)量的需求：地電觀測走過40年的歷史，觀測設施特別是外線路也出過一些奇奇怪怪故障現(xiàn)象。線路斷開是常見的故障之一，當AB回路發(fā)生開路故障時儀器報警提示，而MN回路發(fā)生開路性故障就不那么容易判斷了，故發(fā)生過MN斷線觀測的例子。井下看不見摸不著，界定斷線問題更加困難。為了解決這一問題，筆者采取回路測試的原理來測試和界定井下電纜的通斷狀況是否完好。這個通斷測試功能又需求1根電纜芯線，與絕緣測試芯線配合來滿足二者的指標測試需求。

綜上所述，這么一個思路，這么一套方案，又將方案付諸與實際工程，指導完成井下地電觀測裝置的構建，電纜芯數(shù)是必要條件之一。那么，這些井下設施運行以來穩(wěn)定嗎，產(chǎn)出資料合格嗎？質量指標如何，觀測效能如何，前兆效能如何等等有待以后討論。電纜芯數(shù)是井下觀測系統(tǒng)構建、實現(xiàn)各種測試功能的前提。目標和需求落定之后，我們給出適合井下地電觀測設施構建的電纜芯數(shù)為4根。

井下地電觀測對電纜結構的要求

井下地電觀測裝置的外線路與常規(guī)地面觀測中的架空線路環(huán)境有著本質的區(qū)別，那么相應的電纜和電纜結構必然存在本質的差別。常規(guī)思維和理念認為，井下觀測只不過是把電極和外線路由地面埋入井下，這個概念在形式上沒有疑問，而在上事實上行不通。一些井下觀測效能不良恰恰是概念造成的，這是教訓，警示人們必須從實際出發(fā)，認真研究電纜“適應”井下環(huán)境的問題。

井下環(huán)境和環(huán)境指標的認定，是電纜結構與之相適應的前提。那么，井下是什么環(huán)境呢？

第一，高濕度、高壓強，二者俱在，對絕緣指標是個挑戰(zhàn)；第二，安裝施工過程中電纜的防護需求，對電纜結構的合理性性、適應性要求；第三，長期運行中可能遇到的巖體蠕變，微量形變對電纜損傷的問題；第四，電極、電纜的自重問題。這個問題必須在安裝中解決，否則，井口段電纜承擔二者的自重，勢必對電纜的使用壽命產(chǎn)生負面影響。但不涉及也不影響本節(jié)對電纜結構的討論。

井下地電信號轉換箱

自制井下地電探頭

安裝井下探頭吊裝中

井下地電探頭下井吊裝前

我們在井下地電觀測設施構建中，正是在解析上述問題的基礎上提出關于電纜結構的一些原則：即電纜結構必須服從適應性、服從電纜行業(yè)準則、服從現(xiàn)實；立足點是實驗，以實驗為先導，以指標為準則；通過電纜結構滿足井下需求，通過安裝保障井下電纜安全，進而保障電纜的技術指標。

了解上述一些理念、問題和解決問題的出發(fā)點后，相信讀者對井下地電觀測中對電纜的要求有了初步的認識，對其指標、結構需求等實質性問題有了一定的理解，對全新的井下線路測試需求、測試方式和測試效能有所見解，從而改變“從地面移至井下非現(xiàn)實性”的觀念。

總結：本次討論了關于“線”的一些內容，即井下地電觀測中全地埋外線路要解決的問題、解決問題的思路和途徑，針對性地提出來一些最基本的要求；而要實現(xiàn)“線”的功能（測量功能：供電、傳輸信號；測試功能：絕緣、通斷狀態(tài)）指標和性能指標，除了線自身以外，還需解決安裝方面的其他問題。總之，井下地電觀測是一個復雜的系統(tǒng)技術問題，尚需做很多技術層面的研究和完善，更需要真實的震例檢測，但它的發(fā)展前景和目前所產(chǎn)生的社會效益無疑是巨大的。

（本文由地震科技星火計劃、甘肅省地震局老年科協(xié)資助）