新型地電阻率交流觀測系統(tǒng)研究及江寧臺觀測試驗*

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1) 中國北京100085中國地震局地殼應(yīng)力研究所　　　2) 中國北京100085北京市地震觀測工程技術(shù)研究中心3) 中國長春130117吉林省地震局　4) 中國南京211100南京市江寧區(qū)地震辦公室

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新型地電阻率交流觀測系統(tǒng)研究及江寧臺觀測試驗*

張宇1,2)張興國1，2),*王蘭煒1,2)馬小溪3)趙慶福4)袁慎杰4)王子影1,2)

1) 中國北京100085中國地震局地殼應(yīng)力研究所2) 中國北京100085北京市地震觀測工程技術(shù)研究中心3) 中國長春130117吉林省地震局4) 中國南京211100南京市江寧區(qū)地震辦公室

地電阻率地鐵干擾交流觀測信號檢測臺站試驗

地電阻率前兆觀測是我國地震前兆觀測重要手段之一，但是目前城市地鐵和輕軌等對其造成了嚴重影響. 利用低頻交流電場與直流電場具有相似特性的特點(桂燮泰等，1988； 馬希融，1989)，采用交流方法進行地電阻率觀測，能夠在一定程度上抑制地鐵和輕軌的干擾影響(張宇等，2014； 馬小溪等，2015).

目前，地電阻率臺站所受到的突出干擾是地鐵、輕軌等運行引起的近直流干擾，干擾周期主要為120—180 s，干擾頻段集中在0.1 Hz以下． 為降低地鐵干擾的影響，供電頻率應(yīng)避開干擾頻段范圍，同時考慮避免工頻干擾影響，本文選擇0.1—10 Hz為交流觀測工作頻率． 為盡量完整恢復(fù)采樣信號，實際應(yīng)用中應(yīng)保證采樣頻率為信號頻率的5—10倍，因此采樣頻率應(yīng)在50 Hz以上． 根據(jù)我國地電阻率觀測規(guī)范(中國地震局，2009)要求，供電電極的單電極接地電阻不應(yīng)大于30 Ω，因此供電電源的負載能力至少為60 Ω. 以交流穩(wěn)流電源供電電流為2.5 A估算，利用功率計算公式P=I2R可以計算出交流穩(wěn)流電源的供電功率應(yīng)不小于375 W. 此外，考慮到目前部分地電阻率觀測臺站的場地干擾較大，對交流信號源的功率要求應(yīng)不小于400 W． 通過數(shù)值模擬仿真頻率穩(wěn)定度對信號檢測結(jié)果的影響, 得到信號檢測相對誤差結(jié)果隨頻率抖動增大而增大，當頻率抖動不超過0.04 Hz時，信號檢測的相對誤差在不同采樣時間和不同信號頻率下均小于0.3%，可以滿足地電阻率測量的要求． 綜上所述，地電阻率交流觀測系統(tǒng)的主要技術(shù)指標列于表1．

表1　地電阻率交流觀測系統(tǒng)技術(shù)指標

基于以上技術(shù)指標分析設(shè)計的地電阻率交流觀測系統(tǒng)如圖1所示． 該觀測系統(tǒng)分為控制模塊和數(shù)據(jù)采集模塊，采用精簡指令集計算機(Acorn RISC Machine，簡寫為ARM)+現(xiàn)場可編程門陣列(field-programmable gate array，簡寫為FPGA)結(jié)構(gòu)設(shè)計. 其中，控制模塊基于ARM構(gòu)建，負責控制整個系統(tǒng)的協(xié)調(diào)工作，接收來自數(shù)據(jù)采集模塊的數(shù)據(jù)，并處理計算得到地電阻率值； 數(shù)據(jù)采集模塊基于FPGA構(gòu)建，其功能主要包括兩個方面，其一為接收來自控制模塊的指令，并根據(jù)指令控制采集過程，其二為實現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的數(shù)字濾波、降采樣等數(shù)據(jù)處理工作，將處理后的數(shù)據(jù)傳輸至ARM控制模塊． 數(shù)據(jù)采集分為電壓測量和電流測量兩個通道，其中電壓通道直接測量來自測量極MN的人工電位差，電流通道則通過測量標準電阻上的電壓實現(xiàn)對供電電流的測量； 兩個測量通道均通過串行外設(shè)接口(Serial Peripheral Interface，簡寫為SPI)總線與FPGA連接，實現(xiàn)供電電流與人工電位差的同步采集．

圖1　地電阻率交流觀測系統(tǒng)框圖Fig.1　Block diagram of AC geo-electrical resistivity observation system

為了驗證地電阻率交流觀測系統(tǒng)對地鐵干擾的抑制能力，本文選擇受地鐵干擾比較嚴重的江蘇省江寧臺開展初步對比觀測試驗． 圖2a和2b分別給出了2014年10月13—14日場地干擾測試時域和頻域分析曲線，噪聲幅度和信噪比計算結(jié)果列于表2． 夜間地鐵停運時(23—5時)南北向和東西向信噪比分別為44.16 dB和30.81 dB，地鐵運行時(5—22時)南北向和東西向信噪比分別降低了33.87 dB和32.92 dB，可見地鐵運行導(dǎo)致信噪比大幅度降低，并使觀測數(shù)據(jù)精度降低，干擾信號周期主要集中在100—300 s．

表2　江寧臺觀測場地噪聲幅度及信噪比計算

圖2　2014年10月13—14日江寧臺干擾時域(a)和頻域(b)分析 圖中縱坐標UNS和UEW分別代表南北、東西方向的噪聲幅度Fig.2　Interference analysis of Jiangning station during 13--14 October 2014 in time domain (a) and frequency domain (b). UNS and UEW represent the noise amplitude in N--S and E--W directions

采用現(xiàn)有地電阻率觀測裝置開展交、直流觀測方法的對比觀測試驗，2014年底完成地電阻率交流觀測系統(tǒng)的架設(shè)，試驗選取0.1，0.3，1，3，10 Hz共5個頻點進行觀測． 圖3給出了2014年11月—2015年7月1 Hz交流頻率觀測結(jié)果與直流觀測結(jié)果的對比分析曲線，圖中數(shù)據(jù)已進行預(yù)處理，直流觀測方差太大而導(dǎo)致計算溢出的數(shù)據(jù)已剔除． 可以看出： 原有直流觀測系統(tǒng)南北測向的地電阻率值在124—130 Ω·m范圍內(nèi)變化，最大方差約為11 Ω·m； 而東西測向測量電極離地鐵軌道較南北測向更近(僅為3 km)，其地電阻率值在95—110 Ω·m范圍內(nèi)變化，方差變化幅度更大． 由圖3還可以看出，采用改進交流觀測方法所獲取的地電阻率觀測值比較穩(wěn)定，南北測向地電阻率值在126—128 Ω·m范圍內(nèi)變化，方差小于1.5 Ω·m，東西測向地電阻率值在100—101 Ω·m范圍內(nèi)變化，方差小于2 Ω·m，因此，與同場地直流觀測結(jié)果(黑色曲線)對比，交流觀測結(jié)果(紅色曲線)的觀測方差明顯減?。?/p>

針對目前存在的地電阻率臺站受地鐵干擾的問題，采用交流觀測方法可以有效地抑制地鐵運營等各種雜散電流的影響，為地電阻率觀測技術(shù)的發(fā)展提供了一種新的途徑． 隨著地電阻率交流觀測方法的深入研究和觀測系統(tǒng)的穩(wěn)定，可以預(yù)期該方法能夠彌補目前直流地電阻率觀測系統(tǒng)抗地鐵干擾能力的不足，減少因經(jīng)濟發(fā)展和人文干擾增加而造成的地電阻率臺站被迫搬遷和重建，從而保障臺站產(chǎn)出連續(xù)、穩(wěn)定的地電阻率觀測數(shù)據(jù)．

圖3　2014年11月—2015年7月1 Hz交流觀測與直流觀測結(jié)果對比(a) 南北測向地電阻率ρNS和均方根誤差σNS; (b) 東西測向地電阻率ρEW和均方根誤差σEWFig.3　Comparison of geo-resistivity by DC observation with that by 1 Hz AC observations from November of 2014 to July of 2015(a) Curves of geo-resistivity ρNS in NS direction and its RMS error σNS;(b) Curves of geo-resistivity ρEW in EW direction and its RMS error σEW

桂燮泰，戴經(jīng)安，關(guān)華平. 1988. 低頻交流電法的試驗和研究[J]. 西北地震學(xué)報，10(2): 22--28.

Gui X T，Dai J A，Guan H P. 1988. Experiment and discussion on the low frequency A.C.method[J].NorthwesternSeismologicalJournal，10(2): 22--28 (in Chinese).

馬希融. 1989. 交流地電阻率方法在馬家溝地震臺試驗結(jié)果[J]. 地震，(3): 46--51.

Ma X R. 1989. Experimental results of alternative resistivity method in Majiagou station[J].Earthquake，(3): 46--51 (in Chinese).

馬小溪，張宇，王蘭煒，張興國. 2015. 地電阻率交流觀測方法中信號檢測方法研究[J]. 地震學(xué)報，37(5): 853--864.

Ma X X，Zhang Y，Wang L W，Zhang X G. 2015. Signal detection method for AC geo-resistivity observation[J].ActaSeismologicaSinica，37(5): 853--864 (in Chinese).

張宇，王蘭煒，張興國，朱旭，劉大鵬，顏蕊. 2014. 相關(guān)檢測技術(shù)在低頻交流地電阻率觀測中的應(yīng)用[J]. 地球物理學(xué)進展，29(4): 1973--1979.

Zhang Y，Wang L W，Zhang X G，Zhu X，Liu D P，Yan R. 2014. Application of correlation detection technology in low-frequency AC geo-resistivity observation[J].ProgressinGeophysics，29(4): 1973--1979 (in Chinese).

中國地震局. 2009. 地震標準匯編[G]. 北京: 地震出版社: 1214--1220.

China Earthquake Administration. 2009.SeismicStandardsCompilation[G]. Beijing: Seismological Press: 1214--1220 (in Chinese).

A new AC geo-electrical resistivity observation system and experimental observation in Jiangning seismic station

Zhang Yu1,2)Zhang Xingguo1,2),*Wang Lanwei1,2)Ma Xiaoxi3)Zhao Qingfu4)Yuan Shenjie4)Wang Ziying1,2)

1)InstituteofCrustalDynamics，ChinaEarthquakeAdministration，Beijing100085，China2)BeijingEngineeringResearchCenterofEarthquakeObservation，Beijing100085，China3)EarthquakeAdministrationofJilinProvince，Changchun130117，China4)SeismologicalOfficeofJiangningDistrictofNanjingCity，Nanjing211100，China

geo-electrical resistivity； subway interference； AC observation； signal detection; seismic station experimental observation

中國大陸綜合地球物理場觀測儀器研發(fā)專項(Y201603)、國家自然科學(xué)基金(41374127)和中國地震局地殼應(yīng)力研究所基本科研業(yè)務(wù)專項(ZDJ2012-04)共同資助.

2015-10-07收到初稿，2016-03-17決定采用修改稿.

e-mail: zxgllp@163.com

10.11939/jass.2016.05.015

P319.3+1

A

張宇，張興國, 王蘭煒, 馬小溪，趙慶福，袁慎杰，王子影. 2016. 新型地電阻率交流觀測系統(tǒng)研究及江寧臺觀測試驗. 地震學(xué)報, 38(5): 807--810. doi:10.11939/jass.2016.05.015.

Zhang Y, Zhang X G, Wang L W, Ma X X, Zhao Q F, Yuan S J, Wang Z Y. 2016. A new AC geo-electrical resistivity observation system and experimental observation in Jiangning seismic station.ActaSeismologicaSinica, 38(5): 807--810. doi:10.11939/jass.2016.05.015.

研究簡報