陽原地震臺(tái)地電阻率觀測(cè)中的干擾及排除

韓和平，宋曉煜，馬　佳，張廣莉

(1.河北省地震局陽原地震臺(tái)，河北　陽原　075800；2.河北省地震局張家口中心地震臺(tái)，河北　張家口　075000)

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陽原地震臺(tái)地電阻率觀測(cè)中的干擾及排除

韓和平1，宋曉煜2，馬佳1，張廣莉1

(1.河北省地震局陽原地震臺(tái)，河北陽原075800；2.河北省地震局張家口中心地震臺(tái)，河北張家口075000)

陽原地震臺(tái)地電阻率觀測(cè)受外界影響嚴(yán)重，較大程度地影響了觀測(cè)資料的精度，使資料質(zhì)量大大降低。通過對(duì)外線路及周圍環(huán)境的深入分析與研究，發(fā)現(xiàn)影響地電阻率精度的因素有漏電、電極老化、供電電源正反相供電不穩(wěn)定、降雨、風(fēng)擾五方面。文章針對(duì)上述干擾因素，介紹相應(yīng)的排除方法，對(duì)提高觀測(cè)資料的精度和質(zhì)量具有重要意義。

地電阻率；陽原地震臺(tái)；影響因素

0　引言

陽原地震臺(tái)(以下簡(jiǎn)稱陽原臺(tái))始建于1975年，位于京西北及晉冀蒙三省交界處，陰山—燕山和山西斷陷兩大構(gòu)造交匯處，高程946 m。該區(qū)地震活躍，經(jīng)歷過1989年大同—陽高地震和1998年張北—尚義地震等數(shù)次較大地震(見圖1)。自2000年5月以來，臺(tái)站的地電阻率觀測(cè)一直使用原中國(guó)地震局分析預(yù)報(bào)中心研制的ZD8B數(shù)字地電儀。地電阻率觀測(cè)主要反映地下介質(zhì)的電性變化，由于這種變化發(fā)展緩慢，要求觀測(cè)結(jié)果必須具有高分辨率并在較長(zhǎng)時(shí)間(年尺度)內(nèi)保持高穩(wěn)定性。觀測(cè)精度越高，便越有可能反映更多更豐富的震兆信息。本文針對(duì)影響陽原地震臺(tái)地電阻率觀測(cè)資料精度的干擾因素，介紹相應(yīng)的排除方法。

1　干擾因素及排除方法

1.1觀測(cè)手段介紹

陽原臺(tái)地電阻率觀測(cè)始于1976年使用儀器為DDC-2A，2000年首都圈工程改造更換為ZD8B地電儀，測(cè)向分別為N22°E、N68°W，兩個(gè)測(cè)道，外線使用絕緣線，同時(shí)增加輔助電極，供電極距為1 200 m，測(cè)量極距為200 m(見第11頁圖2)。

ZD8B地電儀安裝后，數(shù)據(jù)受到漏電、電極老化、供電電源正反相供電不穩(wěn)定、降雨及大風(fēng)干擾。2013年年初，臺(tái)站人員針對(duì)以上干擾進(jìn)行了相應(yīng)處理，于2013年6月在中國(guó)地震背景場(chǎng)項(xiàng)目河北分項(xiàng)目建設(shè)中，對(duì)陽原臺(tái)地電阻率觀測(cè)進(jìn)行改造。觀測(cè)系統(tǒng)升級(jí)為ZD8M，布設(shè)N45°E、N45°W兩個(gè)測(cè)道，供電極距為1 000 m，測(cè)量極距為300 m，同時(shí)對(duì)電極進(jìn)行深埋處理，供電電極及測(cè)量電極每個(gè)深度不小于15 m，并對(duì)原來的測(cè)區(qū)進(jìn)行移動(dòng)。目前ZD8B觀測(cè)系統(tǒng)和ZD8M觀測(cè)系統(tǒng)并行。

圖1　陽原臺(tái)構(gòu)造地質(zhì)圖Fig.1　Tectonic geological map of Yangyuan Station

1.2影響地電阻率精度的因素[1]

在各個(gè)臺(tái)站，影響地電阻率精度的因素不盡相同。通過對(duì)陽原臺(tái)地電觀測(cè)外線路及周圍環(huán)境的深入分析與研究，初步總結(jié)出影響地電阻率精度的因素主要有漏電、電極老化、供電電源正反相供電不穩(wěn)定、降雨、風(fēng)擾五方面。

(1) 漏電。

漏電包括外線路、線間、外線路與電極線間的接觸點(diǎn)等不同部位的漏電。在測(cè)量時(shí)，不論哪個(gè)部位漏電，產(chǎn)生的漏電電流都會(huì)混入測(cè)量電流，從而影響ρs的測(cè)值，改變正常的觀測(cè)曲線形態(tài)。漏電會(huì)導(dǎo)致觀測(cè)資料精度大大降低，數(shù)據(jù)往往出現(xiàn)大的尖峰。

圖2　陽原臺(tái)地電阻率觀測(cè)布極圖Fig.2　Electrode layout of earth resistivity observation at Yangyuan Station

(2) 電極老化。

電極是構(gòu)成地電阻率觀測(cè)系統(tǒng)的“傳感元件”。自1975年至今，陽原臺(tái)使用的電極仍是10 cm寬的鉛板電極，電極埋在地下，經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間介質(zhì)電化作用，往往會(huì)發(fā)生老化現(xiàn)象。電極極板老化會(huì)引起電極的接地電阻增大(規(guī)范要求不大于30 Ω)，不能與地形成良好的回路，且隨著接地電阻的不斷增大，導(dǎo)致觀測(cè)精度不斷降低，數(shù)據(jù)往往出現(xiàn)大的尖峰。

(3) 穩(wěn)流源輸出不穩(wěn)定。

目前，各個(gè)臺(tái)站儀器供電電流的選擇不盡相同，理論上，供電電流選擇越大，精度越高。由于儀器本身的限制，陽原臺(tái)供電電流選擇在2 A左右。但臺(tái)站穩(wěn)流源中的WL5N—2板一度出現(xiàn)故障，導(dǎo)致供電電流不穩(wěn)定。表1為穩(wěn)流源故障期間N22°E測(cè)向的一組測(cè)量數(shù)據(jù)，其中電流值是儀器開始時(shí)自動(dòng)計(jì)算出的電流均值，之后沒有電流的精確讀數(shù)，只能在電流表上看到其波動(dòng)很大，電位差的測(cè)量結(jié)果也顯示不斷增大的現(xiàn)象。每小時(shí)的地電阻率測(cè)量每個(gè)方向正反向要測(cè)5組人工電位差，由表中可看出5組數(shù)據(jù)不能穩(wěn)定在相同的數(shù)值附近，離散度大，每小時(shí)的σn值由這5組人工電位差值計(jì)算得來，因此，σn值的增大會(huì)導(dǎo)致資料精度降低，數(shù)據(jù)往往出現(xiàn)大的尖峰。

表1　穩(wěn)流源故障期間N22°E正反向供電測(cè)量數(shù)據(jù)表

(4) 降雨。

在ρs觀測(cè)中，降雨可引起ρs出現(xiàn)大幅度的下降，甚至出現(xiàn)突變，兩個(gè)測(cè)向中以N68°W最為明顯。如圖3所示，2012年9月2日下午16時(shí)開始下雨，一直持續(xù)到3日上午7時(shí)，4日凌晨又開始下雨，持續(xù)到上午10時(shí)，4日的雨量沒有2日的雨大。從圖中可見，2次下雨都造成地電阻率NW向的下降，第一次比第二次的下降幅度大。

(5) 風(fēng)擾。

風(fēng)易造成外線路擺動(dòng)。儀器工作時(shí)，如果風(fēng)力很大，外線路的擺動(dòng)就會(huì)影響地電阻率的測(cè)值，主要表現(xiàn)為地電阻率測(cè)值離散度大、精度降低，數(shù)據(jù)往往出現(xiàn)大的尖峰。

1.3排除干擾的措施[2]

(1) 漏電干擾排除。更換外線路，將原有供電線及測(cè)量線所用的裸鋁線換為6.0 mm2帶鋼芯銅護(hù)套線，保證線路中間無接頭；將原有查外線漏電時(shí)的線路切換閘刀更新為自動(dòng)斷線器(用ZD8T裝置穩(wěn)定性檢查儀加以操作和控制)；將鋁板所制的避雷面板換為絕緣板所制的避雷面板。從改進(jìn)后2年多的使用情況看，外線路的絕緣電阻大于500 MΩ，大大降低了漏電影響，觀測(cè)數(shù)據(jù)的尖峰明顯減少(見第12頁圖4)。

圖3　陽原臺(tái)地電阻率2012年9月1日至5日時(shí)測(cè)值曲線圖Fig.3　Measured value of earth resistivity at Yangyuan Station from September 1, 2012 to 5

(2) 電極老化。陽原臺(tái)采取在供電電極周圍加裝輔助電極的方法防止電極老化(見圖5)。加裝輔助電極前，電極的接地電阻大于100 Ω；加裝后，電極的接地電阻目前僅10 Ω左右，遠(yuǎn)低于規(guī)范要求。提高了精度，觀測(cè)數(shù)據(jù)的尖峰明顯減少(見圖4)。

(3) 風(fēng)擾。采用好的外線路，尤其是測(cè)量線，可以有效減小風(fēng)擾帶來的影響。臺(tái)站人員將原來供電線和測(cè)量線使用的裸鋁線換成2.5 mm2×2鋼芯銅互套線，且拉緊2根電桿之間線的距離，從而降低了風(fēng)對(duì)電線的擺動(dòng)。如果將測(cè)量線更換為郵電傳輸用的同軸電纜，可以更大程度地減小風(fēng)擾帶來的影響。由于受條件限制，目前對(duì)風(fēng)擾因素的影響只能排除至該程度，改造后風(fēng)擾造成的尖峰明顯減少(見圖4)。

圖5　陽原臺(tái)輔助電極示意圖Fig.5　Auxiliary electrode at Yangyuan Station

(4) 穩(wěn)流源問題。與儀器廠家聯(lián)系后，更換了故障電路板，現(xiàn)儀器工作狀態(tài)良好，供電電流穩(wěn)定，人工電位差離散度很小，σn值通常在0.20 Ωm左右(見表2)，數(shù)據(jù)大的尖峰明顯減少(見圖4)。

表2　N22°E正反向供電測(cè)量數(shù)據(jù)表

(5) 降雨干擾。ZD8B地電儀安裝以來，數(shù)據(jù)一直受到降雨干擾，分析認(rèn)為主要是臺(tái)站測(cè)區(qū)橫跨大秦鐵路所致。針對(duì)此問題，2013年在中國(guó)地震背景場(chǎng)項(xiàng)目河北分項(xiàng)目的建設(shè)中，對(duì)陽原臺(tái)地電阻率觀測(cè)進(jìn)行改造。觀測(cè)系統(tǒng)升級(jí)為ZD8M，布設(shè)N45°E、N45°W兩個(gè)測(cè)道，供電極距由原來的1 200 m變?yōu)? 000 m，測(cè)量極距由原來的200 m變?yōu)?00 m，電極分別進(jìn)行了深埋處理，供電電極及測(cè)量電極每個(gè)深度不小于15 m。同時(shí)對(duì)原來的測(cè)區(qū)進(jìn)行移動(dòng)，由于陽原臺(tái)南面為縣城，北面不遠(yuǎn)處有煤臺(tái)，所以進(jìn)行測(cè)區(qū)的移動(dòng)范圍有限(見第13頁圖6)。目前ZD8B觀測(cè)系統(tǒng)和ZD8M觀測(cè)系統(tǒng)并行。

第13頁圖7所示的前兩條曲線為ZD8B儀器2015年9月4日至6日的數(shù)據(jù)曲線，中間曲線為同時(shí)段的降雨量曲線，后2條曲線為背景場(chǎng)ZD8M儀器同時(shí)段內(nèi)的數(shù)據(jù)曲線。從圖中可以看出，遇到降雨后，ZD8B儀器數(shù)據(jù)下降嚴(yán)重，尤其以N68°W測(cè)道更為明顯，下降幅度達(dá)到1 Ωm以上(最大達(dá)到1.19 Ωm)，數(shù)據(jù)達(dá)到了突變的要求。ZD8M儀器的數(shù)據(jù)雖然在降雨后也出現(xiàn)小幅下降(N45°W測(cè)道更為明顯)，但下降幅度均在0.2 Ωm以內(nèi)(最大達(dá)到0.17 Ωm)，在正常變化范圍內(nèi)，達(dá)到了規(guī)范的要求。

圖6　陽原臺(tái)地電阻率布極區(qū)Fig.6　Electrode layout area of earth resistivity at Yangyuan Station

圖7　地電阻率觀測(cè)數(shù)據(jù)與降雨的關(guān)系Fig.7　Relationship between earth resistivity observation data and rainfall

2　結(jié)語

由于地電阻率觀測(cè)具有較長(zhǎng)的外線路及長(zhǎng)期埋設(shè)于地下的多個(gè)電極(供電極和測(cè)量極)，存在多種因素影響其精度，認(rèn)識(shí)與研究這些影響因素并予以減少和排除，對(duì)提高地電阻率的觀測(cè)精度及資料質(zhì)量具有重要意義。本文介紹了陽原臺(tái)在提高地電阻率觀測(cè)精度方面所做的工作，對(duì)干擾因素及其排除方法提出了一定的認(rèn)識(shí)，可供地電阻率觀測(cè)工作者借鑒參考。

[1]韓和平，王長(zhǎng)江，仼佳，等.引起大地電場(chǎng)變化的一些因素[J].地震地磁觀測(cè)與研究，2006，27(1):56-60.

[2]解用明，鞠永，韓和平，等.震前地磁幅值比異常研究[J].華北地震科學(xué)，2005，23(1):37-40.

Interference in Earth Resistivity Observation of Yangyuan Seismic Station and the Elimination

HAN He-ping1, SONG Xiao-yu2, MA Jia1, ZHANG Guang-li1

(1.Yangyuan Seismic Station of Earthquake Administration of Hebei Province, Yangyuan, Hebei 075800, China;2.Zhangjiakou Central Seismological Station of Earthquake Administration of Hebei Province, Zhangjiakou, Hebei 075000, China)

The serious influence of external environment on the earth resistivity observation largely affected the accuracy and quality of observation data. Through the further analysis and research of the external circuit and the surrounding environment, it is obtained that the factors that affect the accuracy of earth resistivity contains include leakage, electrode aging, instability of the positive and negative phase power supply, rain, wind disturbance 5 aspects. In this paper, the corresponding elimination methods are introduced in view of the above interference factors. It has important significance to improve the accuracy and quality of observation data.

Earth resistivity; Yangyuan Seismic Station; Influence factor

1000-6265(2016)03-0010-04

2016-05-30

韓和平(1974—)，男，河北省陽原縣人。1995年畢業(yè)于防災(zāi)技術(shù)高等?？茖W(xué)校，高級(jí)工程師。

P319.3

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