淺談興濟(jì)地震臺(tái)地電場(chǎng)電極更換的經(jīng)驗(yàn)

李瑞卿，郭學(xué)增，張 蕾，信世民，張國(guó)苓

(1.河北省地震局興濟(jì)地震臺(tái)，河北 滄州 061721；2.河北省地震局，河北 石家莊 050021)

0 引言

地電場(chǎng)是重要的地球物理場(chǎng)之一，它不僅能夠反映空間電磁場(chǎng)的變化，還能反映與之有關(guān)的地殼和地表的電性結(jié)構(gòu)及其變化，對(duì)地電場(chǎng)各種特性及其中包含的有用信息開展觀測(cè)和研究，已經(jīng)在地震監(jiān)測(cè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[1]。我國(guó)數(shù)字化地震地電場(chǎng)觀測(cè)起始于20世紀(jì)90年代，經(jīng)過(guò)“九五”項(xiàng)目、“首都圈示范工程”“十五”項(xiàng)目及“背景場(chǎng)”項(xiàng)目的建設(shè)，逐步形成覆蓋全國(guó)范圍的自動(dòng)化和網(wǎng)絡(luò)化的地電場(chǎng)觀測(cè)臺(tái)網(wǎng)[2]。

在地電場(chǎng)觀測(cè)中，電極是地電場(chǎng)觀測(cè)系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件，電極將大地的電信號(hào)通過(guò)導(dǎo)線傳導(dǎo)至儀器。但在實(shí)際工作中，當(dāng)每個(gè)電極與土壤介質(zhì)接觸時(shí)，由于電極與土壤的物質(zhì)差異，在兩種不同導(dǎo)電介質(zhì)間出現(xiàn)一個(gè)相對(duì)平衡的接觸電位，也就是極化電位。極化電位不是準(zhǔn)確的地電場(chǎng)信號(hào)，需要通過(guò)一些技術(shù)來(lái)減少極化電位[1-6]。目前，國(guó)內(nèi)地電場(chǎng)臺(tái)站觀測(cè)普遍采用不極化電極，逐漸替代以前極化電位差較大的鉛電極，不極化電極有效減少了電極的極化電位[2-8]。國(guó)內(nèi)主流的不極化電極為陸陽(yáng)泉老師研制的LGB型固體不極化電極。

興濟(jì)地震臺(tái)(以下簡(jiǎn)稱興濟(jì)臺(tái))地電場(chǎng)電極從建臺(tái)到現(xiàn)在使用過(guò)鉛電極，以及目前正在使用的陸陽(yáng)泉老師研制的LGB型固體不極化電極。從使用情況來(lái)看，鉛電極穩(wěn)定性差，觀測(cè)資料長(zhǎng)短極距數(shù)據(jù)幾乎不同步變化；不極化電極相對(duì)穩(wěn)定，觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量好，但電極老化故障易造成觀測(cè)資料變差，及時(shí)判斷電極故障并更換電極，可以保障觀測(cè)資料的質(zhì)量。目前，國(guó)內(nèi)對(duì)地電場(chǎng)觀測(cè)干擾的研究大多數(shù)為觀測(cè)儀器、線路及觀測(cè)環(huán)境的干擾[9-13]，少數(shù)研究電極故障的干擾[14-15]，對(duì)電極故障的判斷方法進(jìn)行總結(jié)較少。另外，在電極的更換中，較好的更換方法，可以減少干擾，延長(zhǎng)電極使用壽命[3,8,16]。

1 臺(tái)站布極圖簡(jiǎn)介

興濟(jì)臺(tái)始建于1982年，其前身是青縣電法站，因觀測(cè)環(huán)境干擾搬遷至興濟(jì)。該臺(tái)位于河北省滄州市以北約15 km，興濟(jì)鎮(zhèn)東3 km處。興濟(jì)臺(tái)地電場(chǎng)觀測(cè)項(xiàng)目于2001年6月1日正式投入，臺(tái)站處于滄東斷裂附近，滄縣隆起的東翼斜坡上(見第45頁(yè)圖1a)。采用較為特殊的布極方式，平行于滄東斷裂帶走向的N30°E布極和垂直滄東斷裂帶走向的N60°W布極，布極方式為L(zhǎng)型。共分N30°E_L(300 m)、N60°W_L(300 m)、N75°E_L(424 m)、N30°E_S(150 m)、N60°W_S(150 m)、N75°E_S(212 m)六道測(cè)線(見第45頁(yè)圖1b)。

2 電極故障的判斷

興濟(jì)臺(tái)地電場(chǎng)使用LGB型固體不極化電極，自建臺(tái)以來(lái)多次因故障更換過(guò)，對(duì)電極故障的判斷積累了一定的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。電極故障多為單個(gè)電極故障，當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，共用該故障電極的兩個(gè)測(cè)道有同步干擾。首先，表現(xiàn)在相關(guān)測(cè)道觀測(cè)數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)變小，差值變大，而且存在同步性。以興濟(jì)臺(tái)2018年9月24日更換電極為例。更換電極前，N75°E向長(zhǎng)短測(cè)道相關(guān)系數(shù)及N60°W向長(zhǎng)短測(cè)道相關(guān)系數(shù)有較大同步波動(dòng)，

圖1 興濟(jì)地震臺(tái)構(gòu)造地質(zhì)和測(cè)區(qū)布極Fig.1 Structural geology of Xingji seismic station and distribution of measuring area

相關(guān)系數(shù)最低下降至0.649；無(wú)干擾的N30°E向長(zhǎng)短測(cè)道的相關(guān)系數(shù)變化平穩(wěn)，數(shù)值穩(wěn)定在0.995以上(見圖2a)；N75°E向長(zhǎng)短測(cè)道差值及N60°W向長(zhǎng)短測(cè)道差值出現(xiàn)同步性的增大，差值最大變化量為7.71 mV/km(見圖2b)。另外，通過(guò)數(shù)據(jù)圖像長(zhǎng)短測(cè)道的數(shù)據(jù)對(duì)比可以直觀看出數(shù)據(jù)同步性變化。興濟(jì)臺(tái)地電場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)正常日變化幅度約為5.00 mV/km。2018年9月1日至9日N75°E_L與N60°W_L同步出現(xiàn)趨勢(shì)性變化。N75°E_L相對(duì)于N75°E_S出現(xiàn)趨勢(shì)性下降變化，最大變化幅度約為15.99 mV/km；N60°W_L相對(duì)于N60°W_S出現(xiàn)趨勢(shì)性上升變化，最大變化幅度約為20.62 mV/km，屬異常變化；N30°E向的長(zhǎng)短兩個(gè)測(cè)道均正常，其最大變化幅度約為5.12 mV/km屬于正常變化(見圖2c)，由此可以判斷故障電極為N75°E_L及N60°W_L共用電極A1故障。表明電極故障時(shí)，其數(shù)據(jù)圖像特征為同步出現(xiàn)臺(tái)階、突跳、長(zhǎng)趨勢(shì)性變化，對(duì)雷雨、澆地等干擾的抗干擾能力變差等特點(diǎn)。

3 電極的更換

以前，國(guó)內(nèi)大部分電極坑的挖掘使用人工開鑿或者挖掘機(jī)挖取，電極埋設(shè)工藝比較粗糙，其缺點(diǎn)主要表現(xiàn)為：耗費(fèi)較大的人力物力，需要多人以及機(jī)器進(jìn)行作業(yè)；會(huì)造成農(nóng)田的破壞，除了支付農(nóng)田用地費(fèi)用，還需要支付農(nóng)田作物的賠償費(fèi)用，如果想減少農(nóng)作物的賠付費(fèi)用，必須在無(wú)農(nóng)作物的時(shí)節(jié)施工，易導(dǎo)致更換電極不及時(shí)；大面積的挖掘土地，會(huì)對(duì)電極位置的原位土層造成較大破壞。例如，電極埋設(shè)處為膠泥，而回填時(shí)則摻雜上層松散的沙土；挖掘機(jī)挖取的方法對(duì)原環(huán)境的破壞不僅表現(xiàn)在原位土層不一致，還表現(xiàn)為回填后的土壤無(wú)法壓實(shí)，降雨或農(nóng)田灌溉時(shí)造成地面下陷，在觀測(cè)過(guò)程中會(huì)因地電場(chǎng)觀測(cè)環(huán)境變化而出現(xiàn)較為明顯的干擾；在埋設(shè)電極時(shí)，由于電極坑面積大，容易掉入雜質(zhì)，表層的野草等埋入地下變質(zhì)腐爛會(huì)產(chǎn)生離子而影響觀測(cè)，如果掉入金屬物質(zhì)則在其腐蝕過(guò)程中產(chǎn)生陽(yáng)離子，雖是良導(dǎo)體，但也屬于異常物質(zhì)，在地電場(chǎng)觀測(cè)中屬于干擾源。

圖2 更換電極前地電場(chǎng)觀測(cè)日相關(guān)系數(shù)、日差值和數(shù)據(jù)曲線圖Fig.2 Daily correlation coefficient, daily difference and data curve of geoelectric field observation before electrode replacement

目前，興濟(jì)臺(tái)應(yīng)用洛陽(yáng)鏟挖取電極坑，并在部分臺(tái)站進(jìn)行推廣。其優(yōu)點(diǎn)表現(xiàn)在：相對(duì)于以前挖掘機(jī)取土埋設(shè)，洛陽(yáng)鏟僅在耕地上產(chǎn)生直徑20～30 cm大小的孔洞，幾乎不會(huì)破壞耕地，相對(duì)于挖掘機(jī)挖取1 m甚至5 m的電極坑也減少對(duì)原觀測(cè)環(huán)境的破壞；洛陽(yáng)鏟操作方便，最快用1 h就可以挖取一個(gè)電極坑，減少人力物力，節(jié)約成本及時(shí)間；洛陽(yáng)鏟挖取土量少，可以對(duì)原位土進(jìn)行保存，回填原位土減少觀測(cè)環(huán)境的改變；其孔洞小，可以有效減少異物落入，減少后期觀測(cè)的干擾;由于孔徑小，埋設(shè)后降雨不會(huì)造成地面下陷，在后續(xù)觀測(cè)中不會(huì)因降雨灌溉等原因影響觀測(cè)數(shù)據(jù)。

興濟(jì)臺(tái)的電極更換過(guò)程可分為電極坑的挖取、電極埋入及埋入后的其他工作三部分，以下將對(duì)這三部分工作進(jìn)行介紹。

3.1 電極坑的挖取

由于興濟(jì)臺(tái)處于華北平原，第四系覆蓋物也多為土層，故更換電極采用洛陽(yáng)鏟取土的方式進(jìn)行。洛陽(yáng)鏟口徑約15 cm，可控制洞口的大小，達(dá)到剛好放入電極。電極坑的挖取需注意以下3點(diǎn)：第一，取出的電極坑土可做回填土用，原位土回填可以減少對(duì)原土層結(jié)構(gòu)及土質(zhì)的破壞；第二，電極坑的挖取盡量挖深到潛水層水面以下60 cm，保障電極可以完全浸入水面，保持電極周圍的濕潤(rùn)，減少電極內(nèi)部電解質(zhì)變干造成的老化故障及地下水水位變化造成的環(huán)境影響。興濟(jì)臺(tái)選在旱季挖取，保障了電極一年四季均在地下水中。若電極與地下水部分接觸，可能會(huì)因季節(jié)的變化，地下水水位改變，對(duì)電極造成影響[16]；第三，電極坑中盡量保證不要掉入異物，尤其是金屬類物品，避免金屬類物品在土壤中產(chǎn)生極化電位[4,6]。

3.2 電極埋入

興濟(jì)臺(tái)目前使用的是LGB不極化電極。以LGB不極化電極為例，其外部由PVC管包裹，整體高56 cm，直徑20 cm，重約15 kg。由于地電場(chǎng)電極僅有一根電極引線與電極連接，放入電極時(shí)需要用其他較為牢固的線進(jìn)行牽引放入，切勿直接拉拽電極引線。放入電極后，應(yīng)用木棍等按壓電極，使電極下方的土質(zhì)被壓實(shí)。放入電極后倒入食鹽水，增加不極化電極的使用性能。電極坑回填土應(yīng)為原土層的土。

3.3 電極埋入后的其他工作

電極埋入后應(yīng)對(duì)電極引線進(jìn)行保護(hù)，盡量不要外露。興濟(jì)臺(tái)地電場(chǎng)觀測(cè)曾因電極引線外露，被農(nóng)民割草時(shí)割斷及野火燃燒燒斷?？稍O(shè)置地震臺(tái)設(shè)備標(biāo)識(shí)，或者用PVC套管保護(hù)。由于新電極埋設(shè)后電極及土層不穩(wěn)定，需要提前一周預(yù)埋電極，期間數(shù)據(jù)觀測(cè)暫用故障電極完成，待一周電極趨于穩(wěn)定后將預(yù)埋電極替換故障電極，更換電極后，相應(yīng)的電極故障干擾消除。

4 更換前后數(shù)據(jù)對(duì)比

興濟(jì)臺(tái)2018年9月N60°W_L極距處電極A1故障，15日在N60°W_L極距處進(jìn)行預(yù)埋，并在24日更換該電極。更換電極前相關(guān)系數(shù)下降到0.9(見圖2a)，更換后恢復(fù)到0.995以上(見圖3a)；更換前差值出現(xiàn)波動(dòng)，最高達(dá)到2.8(見圖2b)，更換后差值變化平穩(wěn)，數(shù)值保持在0.5以下(見圖3b)；在觀測(cè)數(shù)據(jù)曲線方面，更換電極前出現(xiàn)趨勢(shì)性變化，最大變化幅度為20.62 mV/km(見圖2c)，更換后趨勢(shì)性變化異常消除，除地電擾動(dòng)、地電暴等干擾外，正常日變幅度在5.00 mV/km左右(見圖3c)。

圖3 更換電極后地電場(chǎng)觀測(cè)日相關(guān)系數(shù)、日差值和數(shù)據(jù)曲線圖Fig.3 Daily correlation coefficient, daily difference and data curve of geoelectric field observation after electrode replacement

5 結(jié)語(yǔ)

興濟(jì)臺(tái)地電場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)資料質(zhì)量在全國(guó)排名較前，電極的及時(shí)更換保障了興濟(jì)臺(tái)地電場(chǎng)數(shù)據(jù)的觀測(cè)質(zhì)量，較優(yōu)的更換方法增加了電極的使用性能?，F(xiàn)對(duì)興濟(jì)臺(tái)電極故障的判斷及更換經(jīng)驗(yàn)總結(jié)如下：

(1) 電極故障判斷的方法為電極故障后，共用該電極的兩個(gè)測(cè)道有同步干擾，主要表現(xiàn)在，與故障電極有關(guān)的測(cè)項(xiàng)計(jì)算出的相關(guān)系數(shù)減小，差值增大；數(shù)據(jù)曲線同步出現(xiàn)突跳、臺(tái)階、趨勢(shì)性及抗干擾能力下降等現(xiàn)象，通過(guò)與同向正常測(cè)道的數(shù)據(jù)對(duì)比可明顯看出。

(2) 更換電極選用的埋設(shè)方法為使用洛陽(yáng)鏟或鉆機(jī)挖取電極坑，減少對(duì)原土層的破壞；埋設(shè)電極在潛水層水面以下，減少電極受使用環(huán)境變化的影響，增加電極使用性能；電極坑原位土保留，待電極放入后回填，減少對(duì)原土層環(huán)境的破壞；電極放入后壓實(shí)，增加電極穩(wěn)定性；埋設(shè)電極整個(gè)過(guò)程中盡量保證無(wú)異物掉入，尤其是金屬類物品；保護(hù)好電極引線，確保后期不容易被破壞；預(yù)埋后一周，待電極穩(wěn)定后再接入觀測(cè)。