地震地電場(chǎng)前兆觀測(cè)新方法

李桂清　杜喜超　孫新才　張帆

摘 要：依據(jù)深井（井下）電極垂向地電場(chǎng)觀測(cè)技術(shù)思路，本文提出了利用深井鋼管做電極開(kāi)展垂向地電場(chǎng)觀測(cè)的新方法，開(kāi)辟了地震地電場(chǎng)前兆觀測(cè)的新途徑。地震臺(tái)可利用深井?dāng)[測(cè)震井、地下流體觀測(cè)井等現(xiàn)有的深井鋼管條件，增加地電場(chǎng)地震前兆觀測(cè)項(xiàng)目，同時(shí)不需要太大的投資。在臺(tái)站具備深井條件時(shí)，該方法易于推廣和應(yīng)用，效果良好。

關(guān)鍵詞：地震前兆;地電場(chǎng);觀測(cè)新方法;深井鋼管電極

中圖分類號(hào)：P315.722文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-5168（2021）11-0134-04

A New Method of Precursor Observation of Seismic Geoelectric Field

—The observation Method of Deep Well Steel Pipe Electrode Geoelectric Field

LI Guiqing1 DU Xichao2 SUN Xincai2 ZHANG Fan2

（1. Puyang Seismic Station，Puyang Henan 457000;2. Qingfeng County Seismic Station，Puyang Henan 457300）

Abstract： According to the technical idea of deep well （downhole） electrode vertical geoelectric field observation， this paper proposed a new method of using deep well steel pipe as electrode to carry out vertical geoelectric field observation， which opened up a new way of seismic geoelectric field observation. Seismic stations can use existing deep well steel pipe conditions such as deep pendulum seismic logging wells and underground fluid observation wells to increase geoelectric field seismic precursor observation projects without requiring too much investment. When the station has deep well conditions， this method is easy to popularize and apply， and the effect is good.

Keywords： earthquake precursor;geoelectric field;new observation method;deep well steel pipe electrode

長(zhǎng)期的科學(xué)觀測(cè)已充分表明，每一次地震前后尤其是發(fā)震過(guò)程中都存在電磁異?，F(xiàn)象。這些異常不僅包括電磁波、地電場(chǎng)、地電流以及對(duì)應(yīng)的大氣電場(chǎng)的異常變化，也包括地光、地聲、地?zé)?、紅外輻射、地形變以及狂風(fēng)暴雨之類的氣象異常。多數(shù)地震學(xué)家把這樣的電磁異常視為地震的伴生現(xiàn)象，即地下巖石破裂產(chǎn)生壓電效應(yīng)，并做了許多試驗(yàn)來(lái)證實(shí)這樣的觀點(diǎn)。而地電觀測(cè)有助于取得前兆異常信息，以便開(kāi)展地震預(yù)測(cè)[1-4]。

地電場(chǎng)是重要的地球物理場(chǎng)之一，是地電學(xué)科研究的重要對(duì)象。在地震預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)的多路探索中，地電學(xué)方法是比較成熟的地震前兆觀測(cè)方法之一，這也是地震前兆觀測(cè)的重要組成部分，在地震預(yù)報(bào)中發(fā)揮著重要作用。

國(guó)際上，希臘、法國(guó)、日本等多個(gè)國(guó)家已經(jīng)開(kāi)展了地電場(chǎng)觀測(cè)工作，獲得了一系列與地震活動(dòng)有關(guān)的地電場(chǎng)數(shù)據(jù)。我國(guó)地電場(chǎng)觀測(cè)始于1966年邢臺(tái)地震之后，先后經(jīng)歷了大地電流場(chǎng)模擬觀測(cè)、自然電場(chǎng)模擬觀測(cè)和數(shù)字化地電場(chǎng)觀測(cè)等階段，目前已經(jīng)建成100多個(gè)臺(tái)站組成的數(shù)字化地電場(chǎng)觀測(cè)網(wǎng)，基本覆蓋我國(guó)主要活動(dòng)構(gòu)造帶、地震重點(diǎn)監(jiān)視區(qū)和經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)。經(jīng)過(guò)50多年的國(guó)內(nèi)外觀測(cè)實(shí)踐，地電場(chǎng)觀測(cè)方法已經(jīng)基本成熟，在地球科學(xué)研究和地震監(jiān)測(cè)預(yù)測(cè)活動(dòng)中發(fā)揮著重要作用。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，全國(guó)地電學(xué)（地電阻率、地電場(chǎng)）觀測(cè)臺(tái)站、測(cè)項(xiàng)共有150余臺(tái)項(xiàng)，臺(tái)項(xiàng)數(shù)量較少，與地下流體724臺(tái)項(xiàng)、形變700余臺(tái)項(xiàng)相比，具有較大差別（地磁臺(tái)站也有207臺(tái)項(xiàng)）。河南省前兆觀測(cè)臺(tái)網(wǎng)也是如此情況，有5個(gè)地電臺(tái)項(xiàng)、30個(gè)流體臺(tái)項(xiàng)、57個(gè)形變臺(tái)項(xiàng)和8個(gè)地磁臺(tái)項(xiàng)。因此，應(yīng)加強(qiáng)地電學(xué)前兆觀測(cè)臺(tái)站建設(shè)，提高地電學(xué)前兆地震監(jiān)測(cè)能力，從而有效提高地震預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)水平。

然而，隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，特別是隨著城市化建設(shè)及各種電氣化基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)，各類電磁環(huán)境干擾因素對(duì)現(xiàn)行地電場(chǎng)觀測(cè)（多方向、多極距地表水平方向觀測(cè)）的影響日益增強(qiáng)，這給地電場(chǎng)觀測(cè)場(chǎng)地選擇、臺(tái)站建設(shè)及從地電場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)中提取有用的地震前兆信息增加了較大的難度[5-9]。因干擾影響，有的臺(tái)站觀測(cè)數(shù)據(jù)無(wú)法使用，失去了觀測(cè)的意義。

目前，地震預(yù)報(bào)還是一個(gè)世界性難題。要想解決地震預(yù)報(bào)這個(gè)難題，首先必須打牢地震前兆觀測(cè)這個(gè)基礎(chǔ)。但是，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，地震前兆觀測(cè)受到越來(lái)越嚴(yán)重的干擾影響。為更好地獲取地震前兆異常信息，要開(kāi)拓新思路，研究開(kāi)發(fā)地震前兆觀測(cè)新方法、新技術(shù)，不斷提高地震監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)水平。

為了排除各類電磁環(huán)境對(duì)地電場(chǎng)前兆觀測(cè)的干擾影響，有些臺(tái)站開(kāi)展了井下電極地電場(chǎng)觀測(cè)[10-11]，電極深度介于幾十米到幾百米，取得了較好的觀測(cè)效果。井下電極地電場(chǎng)觀測(cè)方法需要打多口電極井，費(fèi)用高，不易推廣。王蘭煒等開(kāi)展了井下電極垂直地電場(chǎng)觀測(cè)試驗(yàn)[12-13]，該方法使用1口井就可開(kāi)展地電場(chǎng)前兆觀測(cè)工作，降低了打井費(fèi)用，可有效排除電磁干擾影響，開(kāi)創(chuàng)了地電場(chǎng)觀測(cè)新思路。依據(jù)井下電極垂向地電場(chǎng)觀測(cè)技術(shù)思路，李桂清等開(kāi)發(fā)了深井鋼管做電極進(jìn)行垂向地電場(chǎng)觀測(cè)的方法，取得了較好的觀測(cè)效果，開(kāi)辟了地電場(chǎng)觀測(cè)新途徑[14-17]。

深井鋼管做電極開(kāi)展垂向地電場(chǎng)觀測(cè)的方法可利用地震臺(tái)深井?dāng)[測(cè)震井、地下流體觀測(cè)井等現(xiàn)有井孔條件開(kāi)展地電場(chǎng)觀測(cè)工作。該方法充分利用了現(xiàn)有臺(tái)站原有的條件，開(kāi)辟了地電場(chǎng)觀測(cè)新途徑。河南省濮陽(yáng)市地震臺(tái)、清豐縣地震臺(tái)、開(kāi)封地震臺(tái)等試驗(yàn)觀測(cè)結(jié)果表明，深井鋼管電極垂向地電場(chǎng)（自然電位）觀測(cè)方法具有較好的震兆效果。現(xiàn)有地震臺(tái)應(yīng)充分利用深井鋼管這個(gè)已有條件，使用深井鋼管做電極在地震臺(tái)開(kāi)展地電場(chǎng)前兆觀測(cè)工作。本文對(duì)深井鋼管做電極開(kāi)展垂向地電場(chǎng)觀測(cè)的方法做了介紹，對(duì)觀測(cè)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析。

1 基本原理

深井鋼管電極垂向地電場(chǎng)（自然電位）觀測(cè)方法原理如圖1所示。[O]為井管電極。地震臺(tái)應(yīng)有深度大于300 m的鋼管深井，越深越好。井管[O]做測(cè)量電極。[A]為開(kāi)展深井鋼管電極垂向地電場(chǎng)（自然電位）觀測(cè)需要安裝的輔助電極。人們可以埋設(shè)專用電極或埋設(shè)鋼管，深度為5～10 m。[A]距[O]的大小可保持在10～200 m。試驗(yàn)結(jié)果顯示，10～200 m的距離內(nèi)，[A]在不同位置時(shí)的測(cè)量結(jié)果是一致的[16]。

若臺(tái)站有2個(gè)深淺不同的井管，則可直接使用2個(gè)井管作為電極組成測(cè)道開(kāi)展地電場(chǎng)觀測(cè)。當(dāng)臺(tái)站只有1個(gè)井管時(shí)，安裝輔助電極與井管組成測(cè)道開(kāi)展地電場(chǎng)觀測(cè)。設(shè)井管電極電位為[VO]（mV），輔助電極為[VA]（mV），則垂向地電場(chǎng)觀測(cè)結(jié)果[EV]為：

2 觀測(cè)方法

一是人工模擬觀測(cè)，即采用數(shù)字萬(wàn)用表觀測(cè)或無(wú)紙記錄儀觀測(cè)。二是數(shù)字化觀測(cè)，即使用帶IP地址的數(shù)據(jù)采集器觀測(cè)或使用地電場(chǎng)專用儀器觀測(cè)。

3 方法特點(diǎn)

深井電極垂向地電場(chǎng)觀測(cè)方法是地震前兆觀測(cè)的新方法，實(shí)現(xiàn)了觀測(cè)方法的創(chuàng)新應(yīng)用，開(kāi)辟了地電場(chǎng)地震前兆觀測(cè)的新途徑。該方法充分利用地震臺(tái)站現(xiàn)有條件，增加了新的觀測(cè)項(xiàng)目而不增加新的大規(guī)模投資;井管與電極的距離可保持在10 m左右，大大縮小了觀測(cè)場(chǎng)地范圍，便于地震臺(tái)觀測(cè)場(chǎng)地的選擇和地電場(chǎng)觀測(cè)項(xiàng)目建設(shè);兩電極距離近，處于同一場(chǎng)地環(huán)境中，可有效排除地表電磁干擾影響;測(cè)量電極深度大（越深越好），易于獲取地下地震地電場(chǎng)信息，具有較好的地震前兆觀測(cè)效果，有效提高了地震短臨預(yù)報(bào)水平;該方法在具備深井條件的臺(tái)站中易于推廣應(yīng)用，地震臺(tái)可利用深井?dāng)[測(cè)震井、地下流體觀測(cè)井井管開(kāi)展深井鋼管電極垂向地電場(chǎng)觀測(cè)工作，實(shí)現(xiàn)了一井多用、綜合觀測(cè)的目的。

4 震例分析

4.1 濮陽(yáng)市地震臺(tái)觀測(cè)試驗(yàn)

濮陽(yáng)市地震臺(tái)有兩口鋼管井，1號(hào)井深度為500 m，2號(hào)井深度為250 m，兩井相距約10 m。人們重點(diǎn)開(kāi)展水位、水溫、深井?dāng)[測(cè)震等觀測(cè)項(xiàng)目，將兩口井的鋼管作為兩個(gè)電極，按照上述深井鋼管電極垂向地電場(chǎng)觀測(cè)方法，把兩個(gè)不同深度的井管組成一組觀測(cè)電極，開(kāi)展地電場(chǎng)前兆觀測(cè)。2014年8月1日開(kāi)展地電場(chǎng)觀測(cè)以來(lái)，地電場(chǎng)觀測(cè)資料異常與周?chē)?00 km范圍2.0級(jí)以上地震有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。2014年地電場(chǎng)觀測(cè)資料異常與地震的對(duì)應(yīng)關(guān)系分析結(jié)果如表1所示。

2015年以后的觀測(cè)資料分析從略。由表1分析結(jié)果及震例統(tǒng)計(jì)可知，濮陽(yáng)臺(tái)地電場(chǎng)觀測(cè)資料異常特征有四點(diǎn)。一是異常起始時(shí)間。異常開(kāi)始至發(fā)震的天數(shù)為13～52 d，平均為23 d。二是異常幅度。觀測(cè)值升高為異常變化，異常幅度介于10%～74%。異常幅度大，異常易于識(shí)別。三是異常對(duì)應(yīng)率。根據(jù)地震發(fā)生情況，經(jīng)計(jì)算，異常對(duì)應(yīng)率為80%。四是地震發(fā)生時(shí)間。地震一般在異常高值回落過(guò)程中或恢復(fù)正常后發(fā)震。

4.2 開(kāi)封臺(tái)地電場(chǎng)觀測(cè)試驗(yàn)

開(kāi)封市地震臺(tái)位于開(kāi)封城墻西北角，北距東京大道150 m，西臨西關(guān)北街路，占地面積為3 300 m2，東西接近70 m，南北約有50 m。臺(tái)站有兩口鋼管井，觀測(cè)井（深井?dāng)[測(cè)震井）深度為300 m，飲水井深度為150 m，兩井相距約50 m。人們將兩口井的鋼管作為兩個(gè)電極，開(kāi)展地震地電場(chǎng)前兆觀測(cè)。開(kāi)封臺(tái)2019年3月13日開(kāi)展地電場(chǎng)觀測(cè)。開(kāi)封臺(tái)地電場(chǎng)觀測(cè)資料異常與地震的對(duì)應(yīng)關(guān)系分析結(jié)果如表2所示。

需要注意的是，2019年3月27日18：00開(kāi)始，河南寶豐地電位繼續(xù)升高;3月28日至4月7日，河北臨漳地電位有一高值過(guò)程，但未發(fā)生2.0級(jí)以上地震;山西襄垣地電位在升高過(guò)程中跳動(dòng)，11日23時(shí)最高電位為-0.030 2 mV，11日20：00最低電位為-0.033 0 mV;從河北磁縣、河南襄城、山東菏澤來(lái)看，8月30日開(kāi)始，地電位升高，8月10日19：00至17日22：00為高值時(shí)段，8月20日08：00又開(kāi)始突升，此時(shí)至22日形成高值時(shí)段，8月31日15：00出現(xiàn)突升，至9月9日斷記，地電位仍在高值階段，達(dá)-0.033 0 mV，其一直處于高值異常階段，形成了3個(gè)高值異常點(diǎn)，對(duì)應(yīng)了3次地震。

根據(jù)表2分析結(jié)果，開(kāi)封臺(tái)地電場(chǎng)異常變化有如下特征。一是異常起始時(shí)間。由表2可知，異常開(kāi)始至發(fā)震的天數(shù)為7～40 d，平均為20 d。二是異常幅度。觀測(cè)值升高為異常，異常幅度介于3%～10%。異常幅度大，異常易于識(shí)別。三是異常對(duì)應(yīng)率。根據(jù)地震發(fā)生情況，經(jīng)計(jì)算，異常對(duì)應(yīng)率為79%。四是地震發(fā)生時(shí)間。地震一般在異常高值回落過(guò)程中或恢復(fù)正常后發(fā)生。開(kāi)封臺(tái)地電場(chǎng)異常變化特征與濮陽(yáng)臺(tái)相一致。

5 結(jié)論

深井鋼管電極地電場(chǎng)觀測(cè)方法是地電場(chǎng)地震前兆觀測(cè)的新方法，可使用地震觀測(cè)井井管做電極開(kāi)展地電場(chǎng)觀測(cè)，充分利用地震觀測(cè)井原有條件并增加新的觀測(cè)項(xiàng)目，實(shí)現(xiàn)了一井多用、綜合運(yùn)用的目的。深井井管深度大，更有利于獲得地下地震信息，觀測(cè)效果好。觀測(cè)井占地面積小，井管電極體積大，有效地排除了地表電磁干擾。該方法解決了現(xiàn)行地電場(chǎng)觀測(cè)方法場(chǎng)地選擇困難、干擾嚴(yán)重等問(wèn)題，在地震臺(tái)站具備深井的條件下易于推廣和應(yīng)用。

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