地震地電場前兆觀測方法創(chuàng)新與應(yīng)用

張帆　李桂清　孫新才

摘? 要：為了更好的獲取地震前兆異常信息，依據(jù)深井電極垂向地電場觀測方法技術(shù)思路，開發(fā)了深井鋼管作電極開展垂向地電場觀測的方法。該方法充分利用現(xiàn)有地震臺站已有條件，將深井鋼管作電極開展地電場觀測，開辟了地震前兆觀測新途徑，效果良好。在河南省范縣豫01井地震臺利用豫01井井管作電極，開展了深井鋼管電極垂向地電場觀測實驗。豫01井垂向地電場觀測資料異常變化與觀測井周圍100km范圍內(nèi)地震活動具有較好的對應(yīng)關(guān)系。

關(guān)鍵詞：地震前兆;垂向地電場;深井鋼管電極;新方法應(yīng)用;地電場異常與地震活動

中圖分類號：P319.3? ? ? ? 文獻標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）23-0039-04

Abstract： In order to more effectively obtain earthquake precursor abnormal information， according to the technical idea of vertical geoelectric field observation method with deep well electrode， the method of using deep well steel tube as electrode to carry out vertical geoelectric field observation is developed. This method makes full use of the existing conditions of the old station， and uses the deep well steel tube as the electrode to carry out the geoelectric field observation， which opens up a new way of earthquake precursor observation with good effect. The vertical geoelectric field observation experiment with steel tube electrodes in deep well was carried out at well Yu 01 seismic station in Fanxian County， Henan Province. There is a good correspondence between the anomaly of vertical geoelectric field observation data of steel tube electrode and earthquake in Well "Yu 01" in Fan County， Henan Province.

Keywords： earthquake precursor; vertical geoelectric field; steel tube electrode in deep well; new method application; earthquake activity

引言

隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展， 高壓線路的架設(shè)，大功率用電設(shè)備的安裝使用，地鐵、高鐵的運行，對現(xiàn)行的地表地電學(xué)前兆觀測帶來越來越大的影響，干擾影響引起的異常變化覆蓋了地震異常變化，使地電學(xué)前兆觀測方法在地震監(jiān)測和預(yù)報應(yīng)用中受到了極大的限制，地表的地震前兆觀測失去意義[1-5]。為了排除各類電磁環(huán)境對地電場前兆觀測的干擾影響，有些臺站開展了井下電極地電場觀測[6-7]，電極深度幾十米到幾百米，取得了較好的觀測效果。

依據(jù)深井電極垂向地電場觀測方法技術(shù)思路[8]，提出了利用已有臺站深井鋼管作電極開展垂向地電場觀測的方法。該方法充分利用了原有臺站的現(xiàn)有條件，開辟了地電場觀測新途徑。河南省濮陽市地震臺、清豐縣地震臺實驗觀測結(jié)果表明，深井鋼管電極垂向地電場（自然電位）觀測方法具有較好的震兆效果[9-10]。

在河南省范縣豫01井地震臺利用豫01井井管作電極，開展了深井鋼管電極垂向地電場觀測實驗。豫01井垂向地電場觀測資料異常變化與觀測井周圍地震活動具有較好的對應(yīng)關(guān)系。

1 深井鋼管電極垂向地電場觀測的基本條件

深井鋼管電極垂向地電場（自然電位）觀測方法原理如圖1所示。O為深井井管，井管O作測量電極。A為開展深井鋼管電極垂向地電場（自然電位）觀測需要安裝的輔助電極，可埋設(shè)專用電極或埋設(shè)鋼管，深度5-10m。電極A距井管O可在10-200m左右范圍。實驗結(jié)果顯示，10-200m的距離內(nèi)，電極A在不同位置時的測量結(jié)果是一致的（地震地電學(xué)前兆深井立體綜合觀測技術(shù)研究，李桂清，2018）。

開展深井鋼管電極垂向地電場觀測工作，地震臺應(yīng)有大于300m的鋼管深井，越深越好?，F(xiàn)有地震臺應(yīng)充分利用已有條件，使用現(xiàn)有的深井鋼管在地震臺開展地電場觀測工作。當(dāng)?shù)卣鹋_有2個深淺不同的井管時，可直接用2個井管作電極開展地電場觀測工作。

2 豫01井地電場觀測項目建設(shè)基本情況

河南范縣豫01井位于河南省東北部濮陽市范縣顏村鋪鄉(xiāng)榆林頭村以東約500m處（北緯35.8760°，東徑115.5474°），地面高程50m。該井1979年底建點并投入地震地下水位動態(tài)觀測，是已經(jīng)納入全國地下水動態(tài)觀測井網(wǎng)的地下流體手段一類地震前兆觀測井。豫01井深2267.03m，套管下入深度為1032.30m，直接坐落于古生代奧陶紀(jì)灰?guī)r地層上。采用水泥固井，觀測水層段為1030-1977m。

目前，該井地震觀測手段有測震、強震、水位、水溫、氣象三要素、地電場等觀測項目。

圖2是豫01井場地平面示意圖。豫01井周圍是農(nóng)田，場地內(nèi)建觀測室、辦公室、值班室3間，觀測井在中間觀測室內(nèi)。豫01井井筒鋼管深度1032.30m，作測量電極（井管O）。在觀測室西邊（井口西10m處）打鉆孔深10m，埋設(shè)了不銹鋼筒電極1支（電極a，直徑6cm長1m的不銹鋼筒）作輔助電極。并且在井南170m處10m深度埋設(shè)不銹鋼筒電極1支（電極b）做對比觀測電極。電極與電極及井管（電極O）形成電極對，組成Vao、Vbo、Vab 3個測道，開展地電場觀測。Vao、Vbo是電極與井管組成的測道，可視為垂向地電場觀測，Vab為南北向水平方向地電場觀測。2018年6月22日安裝數(shù)據(jù)采集器開始地電場觀測工作。

3 豫01井地電場觀測資料異常與地震的關(guān)系

3.1 豫01井地電場觀測資料動態(tài)特征

豫01井地電場觀測使用EM9104C數(shù)據(jù)采集器，采樣率設(shè)置為秒采樣。

圖3是豫01井地電場觀測曲線。由圖可知，垂向觀測曲線（Vao、Vbo測項）具有明顯的日變規(guī)律。受干擾影響，出現(xiàn)有規(guī)律的低值突跳。低值突跳時間約1分鐘，之后穩(wěn)定約15分鐘，依此循環(huán)。對此干擾進行了調(diào)查，未發(fā)現(xiàn)干擾原因。2018年12月13日，河南省地震局在豫01井地震臺安裝動力環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)。動力環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)安裝后，干擾基本消失，僅存在個別單點突跳，如圖4。由此可知，原來的干擾可能是電源供電系統(tǒng)引起的。

水平方向日變曲線為直線型，未出現(xiàn)受干擾影響狀況（圖3 Vab測項曲線）。對于垂向地電場觀測來說，電極距井管的距離對觀測結(jié)果影響不大。相距10m和相距170m，兩者觀測結(jié)果是相同的、一致的。即Vao、Vbo的觀測結(jié)果基本一樣，變化形態(tài)一致，圖3、圖4。

圖5 Vab曲線中，南北水平方向出現(xiàn)臺階型升高，可能與安裝動力環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)時線路調(diào)整有關(guān)。2019年4月6日整理了電源線路，水平向又恢復(fù)到原來觀測數(shù)值。

3.2 豫01井地電場觀測資料異常與地震的關(guān)系

2018年6月22日開展地電場觀測以來，01井周圍150km范圍內(nèi)發(fā)生3.0級以上地震6次，最大地震是2019年4月21日河北臨漳4.1級地震。2018年10月至2019年2月間發(fā)生3.0-3.6級地震5次。2019年，01井周圍20km范圍內(nèi)發(fā)生2.0級左右地震多次。

由圖5 Vao曲線可知，2019年2月26日開始，垂向地電場（Vao、Vbo測道）觀測數(shù)據(jù)由正常的27mv開始快速下降變化，3月14日下降到-32mv后轉(zhuǎn)平，3月23日又開始上升，4月2日達到-0.2mv。4月5日又開始下降變化，4月13日最低為-102mv，4月14日再次上升;并且，4月14日前后還出現(xiàn)較大波動。在上升恢復(fù)過程中，4月21日發(fā)生了河北臨漳ML4.1級地震，震中距豫01井約100 km。幾次3級地震過程中未出現(xiàn)異常變化。

水平方向（Vab測道）未看出明顯異常變化，見圖5 Vab曲線。

通過上述分析，范縣豫01井地電場南北水平方向、水位、水溫未出現(xiàn)異常變化。而01井垂向地電場觀測資料出現(xiàn)的異常變化與2019年4月21日河北臨漳ML4.1級地震具有較好的對應(yīng)關(guān)系。

2019年，范縣豫01井周圍20km范圍內(nèi)出現(xiàn)幾次2.0級左右的小震活動，這些小震前，垂向地電場也有一定程度的異常顯示，如圖6所示。

4 干擾因素分析

由圖6可知，2019年5月下旬后，地電場觀測曲線出現(xiàn)了幾次臺階型變化，這些變化是由觀測室電源線路調(diào)整、太陽能安裝及機柜安裝、電源更換等造成的。這種干擾影響對水平方向的觀測影響較小，而對垂向觀測影響較大，每次線路調(diào)整、儀器安裝都出現(xiàn)了臺階變化。在線路布設(shè)調(diào)整、儀器安裝時，要注意消除這種干擾影響。

5 結(jié)論

（1）利用地震臺深井鋼管作電極開展垂向地電場地震前兆觀測，充分利用了地震臺站現(xiàn)有條件，增加了新的觀測項目而不增加新的大的投資。深井電極垂向地電場觀測方法是地震前兆觀測的新方法，實現(xiàn)了觀測方法的創(chuàng)新應(yīng)用，開辟了地電場地震前兆觀測新途徑。在有條件的臺站中易于推廣應(yīng)用。（2）電極距離可在10m左右，大大縮小了觀測場地范圍，便于地震臺觀測場地的選擇和地電場觀測項目建設(shè)。兩電極距離近，處于同一場地環(huán)境中，有效排除了地表電磁干擾影響。（3）測量電極深度大（越深越好），易于獲取地下地震地電場信息，具有較好的地震前兆觀測效果，有效提高地震短臨預(yù)報水平。（4）觀測室內(nèi)在線路布設(shè)調(diào)整、儀器安裝時，要注意消除對地電場觀測的干擾影響。

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