陽(yáng)原臺(tái)短極距深井地電阻率建設(shè)

韓和平,馬利軍,宋曉煜,張廣莉

(1.河北省地震局陽(yáng)原地震臺(tái)，河北 陽(yáng)原 075800; 2.保定地震監(jiān)測(cè)中心站，河北 保定 075000; 3.張家口地震監(jiān)測(cè)中心站，河北 張家口 075000)

0 引 言

目前全國(guó)有80多個(gè)地表長(zhǎng)極距地電阻率觀測(cè)臺(tái)站，大多數(shù)電極埋深一般小于3 m。河北陽(yáng)原地表地電阻率觀測(cè)電極埋設(shè)深度為20 m，是全國(guó)地表觀測(cè)電極埋設(shè)最深的臺(tái)站之一[1-2]。目前，多數(shù)臺(tái)站測(cè)區(qū)內(nèi)的干擾源越來(lái)越多，造成淺表電性結(jié)構(gòu)改變或存在地面雜散工農(nóng)業(yè)漏電，對(duì)地表大極距地電阻率觀測(cè)造成嚴(yán)重的干擾[1-3]。為了保證臺(tái)站監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)的正常有序進(jìn)行，提高觀測(cè)數(shù)據(jù)的內(nèi)在質(zhì)量，目前電磁學(xué)科正在探索實(shí)踐深井短極距地電阻率觀測(cè)系統(tǒng)，以降低淺表觀測(cè)環(huán)境因素的干擾[4-6]。“冬奧會(huì)保障晉冀蒙監(jiān)測(cè)能力提升項(xiàng)目”河北分項(xiàng)在陽(yáng)原地震臺(tái)(以下簡(jiǎn)稱“陽(yáng)原臺(tái)”)新建一套短極距深井地電阻率觀測(cè)系統(tǒng)[4-6]。布設(shè)三個(gè)水平測(cè)道和一個(gè)垂直測(cè)道，各測(cè)道供電極距AB均為80 m，測(cè)量極距MN均為20 m。水平測(cè)道采用等邊三角形布局，三個(gè)測(cè)道兩兩共用一個(gè)供電電極，所有電極埋設(shè)深度為100 m。垂直測(cè)道中心點(diǎn)深度為100 m，最底端電極埋設(shè)深度140 m，最頂端為60 m。電極埋設(shè)后，所有數(shù)據(jù)技術(shù)指標(biāo)符合規(guī)范要求，電極接地電阻均為5 Ω左右，符合地震臺(tái)站建設(shè)規(guī)范(DB/T18.1-2006 )[3]要求。本文將詳細(xì)介紹陽(yáng)原臺(tái)深井地電阻率觀測(cè)系統(tǒng)電極的制作過(guò)程、埋設(shè)過(guò)程、關(guān)鍵技術(shù)、注意事項(xiàng)，并對(duì)試運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

1 項(xiàng)目基本情況

1.1 臺(tái)站概況

陽(yáng)原地震臺(tái)位于冀西北山間盆地，地勢(shì)平坦開(kāi)闊，臺(tái)站四周多為當(dāng)?shù)剞r(nóng)民莊稼地，東面約10 m處為陽(yáng)原縣液化氣公司，南面約200 m處為大秦鐵路。目前，測(cè)區(qū)內(nèi)建有上百家住戶以及洗衣廠、投資公司、幼兒園、養(yǎng)殖廠等多處潛在的干擾源。

1.2 地質(zhì)概況及場(chǎng)地勘選

陽(yáng)原臺(tái)位于陰山—燕山和太行山兩大構(gòu)造交匯處的桑干河斷裂帶附近。該地區(qū)主要的活動(dòng)斷裂帶為北東東走向的南山山前斷裂帶和北山山前斷裂帶，兩條斷裂帶均為傾向盆地中心的正斷層，地電觀測(cè)區(qū)覆蓋層厚度超過(guò)100 m(圖1)。臺(tái)站所在的晉冀蒙交界區(qū)域近幾十些年來(lái)地震活動(dòng)較為頻繁，有記錄以來(lái)共發(fā)生8次6.0級(jí)以上地震，其中7級(jí)地震1次，最近一次強(qiáng)震為1998年張北6.2級(jí)地震。

圖1 陽(yáng)原臺(tái)周邊地質(zhì)構(gòu)造

1.3 項(xiàng)目概況

本項(xiàng)目為“冬奧會(huì)保障晉冀蒙監(jiān)測(cè)能力提升項(xiàng)目”[4-6]河北分項(xiàng)，建設(shè)地點(diǎn)位于河北省陽(yáng)原縣西城鎮(zhèn)北關(guān)村鐵路北陽(yáng)原地震臺(tái)東約800 m處。建設(shè)內(nèi)容包括：新建三個(gè)水平測(cè)道和一個(gè)垂直測(cè)道，各測(cè)道采用對(duì)稱四級(jí)觀測(cè)裝置(圖2)。

圖2 深井地電阻率布極

2 電極的制作及埋設(shè)

2.1 電極的制作

因電極需要長(zhǎng)期在井下埋設(shè)使用，按照規(guī)范要求，選擇含鉛量99.99 %以上，厚度5 mm的鉛板制作電極，鉛板大小為1 000 mm×628 mm。使用折彎?rùn)C(jī)將鉛板卷成底面直徑200 mm、高1 000 mm的圓柱體。為避免電極因含有不同材質(zhì)金屬導(dǎo)致較大的極化電位，圓筒電極接縫處用鉛條熔化后進(jìn)行焊接(圖3)，而不采用銅絲或其他金屬絲進(jìn)行縫合。

圖3 鉛板及卷成后的電極

焊接電纜時(shí)，電纜的2股芯線應(yīng)分別分布在電極內(nèi)表面的對(duì)稱位置。電極外部焊接處用鉛條溶化后焊牢并密封；內(nèi)部焊接處先使用9005全透明環(huán)氧樹(shù)脂AB膠封線，待膠完全干后再用995硅酮結(jié)構(gòu)密封膠增大密封面積和厚度(圖4)。電纜焊接完成后，不能有任何裸露的線芯，以防止與土壤直接接觸引起自然電位的變大，也是為了防止銅線與水或地層接觸，造成銅線受腐蝕斷掉。焊接完成后，把承重碳纖維繩固定在電極的兩端即可。

圖4 電極內(nèi)、外部的接頭密封

2.2 電極的埋設(shè)

鉆孔完成后，應(yīng)盡快下放電極和電纜。電極下井安裝之前，需再次檢測(cè)電纜和電極，確保焊點(diǎn)密封良好、焊接電纜線芯不承受電極重量；在電纜上標(biāo)記電極下放到指定深度的位置；對(duì)于垂直測(cè)道，還應(yīng)標(biāo)記4個(gè)電極對(duì)應(yīng)的電纜(表1)。電極下井前井底須有3 m左右的泥漿或干凈的松土，下放時(shí)確保電極位于井孔的中間位置。

電極在下井前應(yīng)該做浸水測(cè)試，時(shí)間1小時(shí)為宜，可使用兆歐表測(cè)試銅導(dǎo)線與外部屏蔽層之間的絕緣電阻，大于5兆歐為宜，陽(yáng)原臺(tái)所測(cè)數(shù)據(jù)全部合格(圖5、表1)。電極下井前還應(yīng)該用鐵刷子刷掉電極表面的氧化層，這樣做可以減小電極的接地電阻(圖5)。下放電極時(shí)受力使用電纜內(nèi)部自帶的碳纖維繩，利用一個(gè)定滑輪，固定在井架上，下放過(guò)程要保持勻速緩慢，下放到預(yù)定深度后，將剩余電纜纏繞在固定裝置上。

電極下放完成后，需要測(cè)量引線間電阻、引線與絕緣層的絕緣電阻，確保下放過(guò)程中沒(méi)有變化。測(cè)量各電極的接地電阻，供電電極接地電阻宜小于30 Ω，測(cè)量電極接地電阻宜小于100 Ω。陽(yáng)原臺(tái)所有電極接地電阻均在5 Ω左右，所有數(shù)據(jù)完全符合規(guī)范要求(表1)。電極下放完成后，應(yīng)該立即進(jìn)行井孔回填，陽(yáng)原臺(tái)選取原土回填，回填后需要把每個(gè)電極井口的電纜線進(jìn)行固定，垂直井的井口還需安裝鎖井裝置(圖5)。另外，按照規(guī)范要求在不同時(shí)間段測(cè)量相應(yīng)的各組數(shù)據(jù)，陽(yáng)原臺(tái)所有測(cè)量數(shù)據(jù)完全符合規(guī)范要求(表1)。

圖5 電極浸泡測(cè)試、刮刷氧化層及垂直井鎖井裝置

表1 電極下井前后檢查數(shù)據(jù)

3 產(chǎn)出數(shù)據(jù)分析

2020年4月1日本項(xiàng)目所有儀器安裝完畢,觀測(cè)儀器為ZD8MI多極距地電阻率儀。從2020年4月1日～6月30日陽(yáng)原臺(tái)深井電阻率日精度數(shù)據(jù)來(lái)看：東西向測(cè)道精度范圍在0.02%～0.06%，西北向測(cè)道精度范圍在0.02%～0.04%，東北向測(cè)道精度范圍在0.007%～0.03%，垂直測(cè)道精度范圍在0.005%～0.04%。數(shù)據(jù)穩(wěn)定，觀測(cè)精度非常高。再?gòu)?020年4月1日～6月30日陽(yáng)原臺(tái)地表長(zhǎng)極距地電阻率觀測(cè)日精度數(shù)據(jù)來(lái)看，東北向測(cè)道精度范圍在0.1%～0.35%，西北向測(cè)道精度范圍在0.2%～0.3%。目前中國(guó)地震局地電監(jiān)測(cè)要求臺(tái)網(wǎng)產(chǎn)出日觀測(cè)精度優(yōu)于0.3%，由此可見(jiàn)，深井電阻率觀測(cè)精度遠(yuǎn)高于現(xiàn)行地表觀測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)，觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量明顯要優(yōu)于同場(chǎng)地的地表觀測(cè)(圖6a、b)。

降雨是影響陽(yáng)原臺(tái)地表地電阻率觀測(cè)最主要的干擾因素，所以同時(shí)繪制了降雨期間2020年4月21日～7月8日的陽(yáng)原臺(tái)地表地電阻率觀測(cè)小時(shí)值曲線(圖6a)、深井電阻率小時(shí)值曲線(圖6b)和降雨量曲線(圖6c)。從近3個(gè)月的數(shù)據(jù)來(lái)看，深井電阻率4個(gè)測(cè)道觀測(cè)數(shù)據(jù)總體變化穩(wěn)定，其中垂直測(cè)道電阻率變化較大，長(zhǎng)趨勢(shì)變化較明顯，可能與四個(gè)電極位于同一井孔內(nèi)、井孔回填土逐漸趨于壓實(shí)有關(guān)。從圖中可以看出，深井地電阻率觀測(cè)數(shù)據(jù)變化穩(wěn)定，未受降雨影響。同樣，從圖中可以看出，地表電阻率觀測(cè)受降雨影響明顯，每次降雨后均呈現(xiàn)出數(shù)據(jù)快速下降，其后又緩慢恢復(fù)的特征，西北向測(cè)道要比東北向變化明顯。

圖6 陽(yáng)原臺(tái)地表地電阻率(a)、深井電阻率(b)、降雨量(c)小時(shí)值曲線(20200421～20200708)

從以上分析可以得出，陽(yáng)原臺(tái)深井電阻率觀測(cè)能有效避開(kāi)降雨影響，其數(shù)據(jù)變化穩(wěn)定，滿足電磁學(xué)科規(guī)范[4]要求，能準(zhǔn)確產(chǎn)出觀測(cè)精度優(yōu)于0.1%的指標(biāo)要求的觀測(cè)數(shù)據(jù)。

4 結(jié) 語(yǔ)

(1)本項(xiàng)目在陽(yáng)原臺(tái)地電觀測(cè)的測(cè)區(qū)內(nèi)新建水平三個(gè)測(cè)道和一個(gè)垂直測(cè)道的深井觀測(cè)系統(tǒng)。所有電極埋設(shè)后按照電磁學(xué)科規(guī)范[3]要求測(cè)量絕緣電阻、接地電阻等相關(guān)數(shù)據(jù)，全部合格。

(2)電極在埋設(shè)過(guò)程中，應(yīng)注意以下幾個(gè)方面：固定電纜時(shí)應(yīng)保證焊點(diǎn)不承受拉力；電極焊點(diǎn)處的電纜不得有任何裸露的線芯；回填時(shí)盡量選取原土回填，垂直測(cè)道的電纜需至少在井口的鎖井裝置上纏繞3圈以上。

(3)從2020年4月1日開(kāi)始3個(gè)月的觀測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)看，數(shù)據(jù)的觀測(cè)精度比地表長(zhǎng)極距觀測(cè)高一個(gè)數(shù)量級(jí)，而且消除了降雨干擾。由于極距短，占地面積小且裝置埋設(shè)較深，不受周邊地區(qū)城市規(guī)化發(fā)展等環(huán)境變化的影響，可在全國(guó)范圍內(nèi)多新增該觀測(cè)項(xiàng)目，以達(dá)到整體提高全國(guó)地震監(jiān)測(cè)能力的目的。