甘肅平?jīng)龅仉姳葴y臺站建設及地電阻率數(shù)據(jù)分析

趙斐 葉青 楊曉鵬 牛延平 張遠富

1)中國地震局蘭州地震研究所，蘭州地球物理國家野外科學觀測研究站，蘭州 730000 2)中國地震臺網(wǎng)中心，北京 100045

0 引言

1966年河北邢臺地震后，中國引入物探地電阻率法進行地震預報觀測實踐，此后由政府組織建設了大規(guī)模、長期連續(xù)觀測的臺網(wǎng)。目前，在中國大陸人口密集、大中城市附近的地震活動區(qū)帶共有80多個臺站進行常規(guī)監(jiān)測，每臺布設2～3個測道，采用地表電阻率對稱四極觀測裝置(杜學彬，2010)，至今已積累大量觀測數(shù)據(jù)和科學研究成果，在方法理論、觀測技術、觀測數(shù)據(jù)應用等方面取得很大發(fā)展(毛先進等，2014； 孟慶武等，1991； 聶永安等，2010； 錢復業(yè)等，1982； 陳大元等，1983； 錢家棟等，1985、1998； 孫承德等，1998； 王本幫等，1981； 杜學彬等，2006、2010； 王蘭煒等，2011； 解滔等，2012、2016； 楊興悅等，2012； 葉青等，2013)。電法觀測是地震前兆觀測的重要手段之一，在歷次大地震前觀測到了明顯的異常信息。連續(xù)、可靠、穩(wěn)定的觀測資料是地震預測預報研究的基礎，而觀測系統(tǒng)的正常運行是獲得連續(xù)可靠的觀測數(shù)據(jù)的基礎，因而對儀器性能和長期穩(wěn)定性的測試則是保障儀器穩(wěn)定可靠的前提。

為了有效提高儀器質(zhì)量，充分發(fā)揮地震計量服務防震減災業(yè)務的基礎支撐作用，中國地震局于2017年提出了地震計量體系建設及監(jiān)測預報業(yè)務體制改革，其中改革的重點任務之一就是建立儀器裝備計量業(yè)務體系，定期開展計量檢定，目的在于實現(xiàn)地震計量能力和水平的全面提升。當前我國地震系統(tǒng)共新建檢測實驗室11個，比測臺站7個。其中，地電儀器檢測實驗室1個，建于應急管理部國家自然災害防治研究院(原中國地震局地殼應力研究所)； 地電比測臺站2個，分別建于江蘇高郵和甘肅平?jīng)觥Ｍㄟ^地電比測臺站的建設，可為地電儀器的標定、觀測裝置的穩(wěn)定性提供完備的檢測平臺以及規(guī)范的測試方法，這對保障觀測系統(tǒng)的產(chǎn)出質(zhì)量和長期穩(wěn)定性具有重要意義。其建設的內(nèi)容包括地電計量標準、儀器性能測試、比測基準觀測裝置、質(zhì)量檢測規(guī)程以及自動標定裝置等五個方面。高郵站和平?jīng)稣揪?019年完成相關建設內(nèi)容，并進行了第一批次地電儀器的對比測試。本文以平?jīng)稣緸槔懻摲治銎浣ㄔO過程中的優(yōu)劣及存在的問題，以期為今后類似平臺的建設提供有益參考。

1 比測場地環(huán)境

平?jīng)龅仉姳葴y臺站選址于甘肅省平?jīng)鍪嗅轻嫉仉娕_，具體地址位于平?jīng)鍪形鹘坚轻兼?zhèn)寨子街西側，距離市區(qū)約11km。該臺1997—2012年為地面單極距視電阻率觀測，2013年改建為井下多極距地電阻率綜合觀測，多年來積累了豐富的背景資料。平?jīng)龅貐^(qū)宏觀上處于南北地震帶北段、六盤山斷陷帶東麓斷裂的東側，鄂爾多斯塊體西緣，即隴西旋卷構造系向南收斂的區(qū)域，地質(zhì)構造復雜。該區(qū)歷史上曾發(fā)生過多次破壞性地震，如1920年海原MS8.0 地震，本臺距離該震震中僅90km。臺基巖性大致可分為4層：0～7m為亞砂土，其中表層有2～3m厚的黃土； 7～40m為砂礫石； 40～110m為第三系泥巖或砂泥巖； 110m以下為白堊紀地層，其上部為泥巖，下部為砂巖或砂礫巖。場地電磁環(huán)境良好，布極區(qū)距離涇河南岸500m，測區(qū)平坦開闊，原為耕地，現(xiàn)屬于綠化保護區(qū)，周邊為村鎮(zhèn)。地下水埋深10～20m，測區(qū)周圍除農(nóng)業(yè)外無工業(yè)建筑及大型用電設施。觀測保護區(qū)內(nèi)無觀測規(guī)范要求避開的干擾源：0.05km范圍內(nèi)無30kVA以下、0.1km范圍內(nèi)無30kVA以上變壓器或是其他相當功率的用電器； 1km范圍內(nèi)無地面敷設或埋地金屬管道； 非工頻人工電磁源產(chǎn)生的附加電場強度Ed<0.5mV/km； 各測道最大工頻干擾均小于1250mV/km。

2 比測裝置系統(tǒng)及觀測室

比測基準觀測裝置是地電比測臺站建設較為關鍵的內(nèi)容，其好壞關乎最終比測結果的正確與否。因此，建設前期需要考慮各方面的影響因素，建設完成后還需要進行可靠性、穩(wěn)定性等的對比測試。觀測室也是建設的主要內(nèi)容之一，其功能為盡可能地模擬現(xiàn)有觀測臺站的環(huán)境條件，但與檢測實驗室相比要求并不是很高，僅需對室內(nèi)的溫、濕度有一定控制，更多的是注重功能劃分、防雷接地、綜合布線等。

2.1 地電阻率基準觀測裝置

圖1 平?jīng)龅仉妰x器比測裝置示意圖(a)地電阻率基準觀測裝置； (b)地電場基準觀測裝置

2.2 地電場基準觀測裝置

地電場基準觀測裝置為新建裝置，與地電阻率裝置同場地，布設NS、EW、N45°W三個方向的測道，成反L型布設，如圖1(b)所示。同一方向均設有長、短兩個測道，其中，NS、EW長極距為200m，短極距150m；N45°W長極距283m，短極距212m。電纜通過地埋的方式接入觀測室，再通過室內(nèi)的配線盤和避雷裝置與主機相連。每個電極坑埋設4個電極，其中3個為固體不極化電極，另外1個為鉛電極。固體不極化電極型號為LGB-3型，規(guī)格為Φ110mm×560mm和Φ160mm×560mm，鉛電極的型號為JX-2010，規(guī)格為Φ800mm×170mm。電極坑為正方形，邊長約1.2m，電極置于坑內(nèi)四個角的位置。每個電極埋設時倒置放入充滿添加劑的容器中，容器上端開口，下端密封，保證電極與外界介質(zhì)的緊密耦合，形成同一電極坑內(nèi)相互獨立的4個電極，電極埋設深度為4m。外線路采用2.5mm×4mm四芯鎧裝銅芯線，地埋方式連接入配線箱。電纜選用耐壓450/750V聚乙烯絕緣電纜，JVR2.5×4國標電纜線阻小于10.0Ω/km，絕緣滿足200m深度以內(nèi)工程使用。外線路電纜埋深1.5m(參考依據(jù)：當?shù)貎鐾翆雍穸?.7m)，按相關技術要求進行布設和測試，安裝完成后全部回填。電纜到達觀測室端時，在室外轉(zhuǎn)接軟線后進入觀測室，轉(zhuǎn)接裝置安裝在不銹鋼壁掛箱體內(nèi)，箱體與地面之間采用切石板材護罩，以防年久線路老化。為避開原有場地內(nèi)的井下地電阻率觀測線路，回填后沿布線方向間隔10m放置標志墩。

2.3 觀測室

為滿足地電比測系統(tǒng)的功能使用，結合臺站現(xiàn)有硬件條件，將原有的地電值班室進行新的功能劃分。由西至東依次為信息網(wǎng)絡機房(兼地電觀測機房)、地電阻率檢測平臺、地電場檢測平臺、工作人員值班室(兩間)、備震庫房等，其中在檢測室加裝了空調(diào)用于室內(nèi)溫度調(diào)控，如圖2(a)所示。室內(nèi)裝修主要包括地面工程、頂面及墻面工程、綜合布線、儀器避雷及比測實驗室設備等方面。為了避免各種雷電的侵害，檢測平臺加裝一組高性能避雷器，進入地電場儀器室的信號線均連接相應的避雷器。接地電纜采用≥8.0mm2多股銅線。根據(jù)各套儀器的使用要求，將儀器外殼及機柜接地，引入數(shù)據(jù)線屏蔽接地，信號線避雷接地，達到防雷的目的，如圖2(b～c)所示。為了使觀測室環(huán)境簡潔、美觀，實用室內(nèi)線路采用暗藏式橋架綜合布線，并遵循強弱電分開的原則。此次實驗室改造符合地電比測的環(huán)境要求，符合地震行業(yè)標準要求，可為儀器運行提供良好的觀測環(huán)境。

圖2 觀測室及避雷系統(tǒng)(a)觀測室功能劃分示意圖； (b)避雷系統(tǒng)示意圖； (c)避雷器及接線

圖3 地電比測臺站操作流程

3 比測及其結果分析

3.1 比測

地電比測臺站測試操作流程如圖3所示，主要包括功能測試與觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量分析兩部分。功能測試主要包括參數(shù)設置功能、控制測試與數(shù)據(jù)傳輸功能。參數(shù)設置功能為對地電阻率儀器在工作時需要的測量參數(shù)(電極極距、測項分量代碼等)、臺站參數(shù)(臺站名稱、儀器ID等)、網(wǎng)絡參數(shù)(IP地址等)進行設置； 控制測試主要包括讀取和修改儀器時間、儀器重啟、復位等； 數(shù)據(jù)傳輸功能主要包括被測儀器是否可接入中國地震前兆臺網(wǎng)管理系統(tǒng)、網(wǎng)頁數(shù)據(jù)下載及FTP數(shù)據(jù)下載功能。測試結果質(zhì)量分析主要包括儀器性能長期穩(wěn)定性(地電阻率誤差測試)、數(shù)據(jù)連續(xù)率、數(shù)據(jù)一致性(包括相對均方差的日均值、被測儀器與參考儀器觀測數(shù)據(jù)日均值的差值)。

3.2 地電阻率儀比測結果分析

以地電阻率為例，對ZD8M型地電阻率儀(儀器編號：X321 IOCD1187)與臺站運行儀器ZD8MI型多極距地電阻率儀(儀器編號：X321 IOCD1302)進行比測(中國地震局，2008b、2010)，主要目的是驗證儀器的功能性、長期穩(wěn)定性、數(shù)據(jù)一致性和運行連續(xù)率是否達到定型入網(wǎng)要求。比測時間為2019年5月1日至6月15日，比測中使用的輔助設備包括UJ34A型直流電位差計和BC9型飽和標準電池。

數(shù)據(jù)連續(xù)率和曲線動態(tài)是比測結果合格與否的基本要求。連續(xù)率是儀器產(chǎn)出數(shù)據(jù)占應產(chǎn)出數(shù)據(jù)的比例，可以反映觀測系統(tǒng)產(chǎn)出數(shù)據(jù)的能力(劉春國等，2017)，計算方法為實際測量數(shù)據(jù)個數(shù)與應有數(shù)據(jù)個數(shù)的比值，比測技術規(guī)范要求該值不低于95%。本次比測連續(xù)率計算結果為100%，說明此段時間觀測儀器的運行情況良好。曲線動態(tài)對比是從整體上判別測量結果的正確與否，要求兩儀器測量結果數(shù)值接近，曲線形態(tài)相似。圖4為本次被比測儀器和參考儀器產(chǎn)出數(shù)據(jù)曲線對比，其中黑色曲線為ZD8M型地電阻率儀(被比測儀器)產(chǎn)出數(shù)據(jù)曲線，紅色曲線為ZD8MI型多極距地電阻率儀(參考儀器)產(chǎn)出數(shù)據(jù)曲線。可以看出2臺儀器測量結果數(shù)值接近，曲線形態(tài)相似，符合比測技術規(guī)范要求。

圖4 比測儀器與參考儀器觀測數(shù)據(jù)對比(a)井下100mNS測道； (b)井下100mEW測道

儀器長期穩(wěn)定性測試是比測的主要內(nèi)容之一，其方法是比測前后對儀器測量誤差進行檢查(即標定)，判斷依據(jù)是儀器測量偏差(絕對值)是否小于最大允許誤差(絕對值)。2019年4月30日和5月16日分別對ZD8M型地電阻率儀進行了儀器性能穩(wěn)定性測試，結果如圖5所示?？梢钥闯?，該儀器正、反向測量偏差在±(0～0.2)之間，比測前后基本一致，測試數(shù)據(jù)曲線均處于最大允許誤差線以內(nèi)，表明檢查結果符合地電觀測規(guī)范要求，該儀器經(jīng)過48天運行之后性能穩(wěn)定。

圖5 儀器性能長期穩(wěn)定性測試結果(a)正向標定； (b)反向標定

數(shù)據(jù)一致性測試是比測的另一主要內(nèi)容，其判斷指標有2個，其一是被測儀器小時值3倍相對方差的日均值，計算公式為(要求該值小于或等于0.3)

(1)

(2)

圖6 數(shù)據(jù)一致性測試結果(2019年)(a)相對均方差日均值曲線； (b)差值日均值曲線3Kσ表示被測儀器小時觀測值3倍相對方差的日均值； 差值表示被測儀器和參考儀器觀測數(shù)據(jù)日均值的插值

3.3 地電場基準裝置測試結果分析

平?jīng)龅仉妶龌鶞视^測裝置于2018年底建成，經(jīng)過一年多的測試，驗證了裝置系統(tǒng)的穩(wěn)定性及可靠性，測試采用不同儀器對比測試和不同電極對比測試兩種方法。判斷指標主要有曲線動態(tài)、數(shù)據(jù)完整性、數(shù)據(jù)一致性和數(shù)據(jù)質(zhì)量。其中，曲線動態(tài)指標要求為數(shù)值接近，曲線形態(tài)相似； 數(shù)據(jù)完整性要求連續(xù)率大于95%，計算方法為實際測量數(shù)據(jù)個數(shù)與應有數(shù)據(jù)個數(shù)的比值，這里考慮該裝置與電阻率裝置同場地會受到電阻率測量時的供電干擾，采用完整率作參考，計算方法為實際測量數(shù)據(jù)個數(shù)減去干擾數(shù)據(jù)個數(shù)再與應有數(shù)據(jù)個數(shù)的比值； 數(shù)據(jù)一致性要求各測道長、短極距相關系數(shù)的平均值大于0.8，各測道長、短極距差值的平均值小于3mV/km，相關系數(shù)計算公式為

(3)

(4)

式中，Δxy表示差值；n為當天參與計算的數(shù)據(jù)個數(shù)。數(shù)據(jù)質(zhì)量沒有具體的數(shù)值要求，僅作為對比參考，理論上變化幅度的數(shù)值越小越好。

不同儀器對比測試于2019年7月6日—8月5日完成，儀器選用GEF-2(2臺)，測試方法為同裝置并行觀測，測試結果參見圖7和表1。從數(shù)據(jù)曲線動態(tài)可以看出2臺儀器的測值變化平穩(wěn)，長極距變化幅度在71.8mV以內(nèi)，短極距在65.4mV以內(nèi)； 存在明顯的日變形態(tài)，長、短極距相關性較好，符合中緯度地區(qū)地電場變化規(guī)律； 2臺儀器記錄的數(shù)據(jù)質(zhì)量均能達到相關技術指標。由此表明，新建裝置系統(tǒng)運行穩(wěn)定，記錄數(shù)據(jù)可靠。

圖7 不同儀器對比測試結果(2019年7月6日—8月5日)

表1 不同儀器對比測試結果統(tǒng)計

圖8 不同電極對比測試結果(a)NS測道； (b)EW測道； (c)N45°W測道

不同電極的對比測試于2020年1月27日至3月8日完成，儀器選用GEF-2，測試方法為不同電極連續(xù)觀測(每種電極連續(xù)觀測10天)，測試結果參見圖8和表2。從數(shù)據(jù)曲線動態(tài)可以看出，不極化電極產(chǎn)出的數(shù)據(jù)變化相對平穩(wěn)，相關性較好，均能觀測到較明顯的日變形態(tài)； 鉛電極產(chǎn)出的數(shù)據(jù)曲線波動較大，日變形態(tài)模糊，趨勢性變化顯著，這可能與鉛電極容易極化有關。從數(shù)據(jù)完整性來看，幾種電極均能達到相關技術指標。從數(shù)據(jù)一致性和數(shù)據(jù)質(zhì)量來看，鉛電極產(chǎn)出數(shù)據(jù)質(zhì)量較差，不極化電極(大)產(chǎn)出數(shù)據(jù)質(zhì)量最優(yōu)。該測試結果表明，地電場觀測中選用不極化電極產(chǎn)出數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性和一致性優(yōu)于鉛電極。總體來看，雖然鉛電極產(chǎn)出數(shù)據(jù)質(zhì)量略差，但從數(shù)據(jù)一致性來看，其測試結果較好，可見該裝置產(chǎn)出的數(shù)據(jù)有效可靠。

表2 不同電極對比測試結果統(tǒng)計

4 結論及討論

甘肅平?jīng)龅仉姳葴y臺站場地環(huán)境良好，電磁干擾小，信噪比較高。地電阻率基準觀測裝置沿用臺站現(xiàn)有的井下裝置，既節(jié)約了臺站建設的成本，又合理地利用了資源，且該臺已積累了較好的背景資料，裝置穩(wěn)定性、可靠性均得到了較好的驗證。針對新建地電場基準觀測裝置，通過不同儀器、不同電極，對其穩(wěn)定性和可靠性進行了測試，結果表明，新建裝置系統(tǒng)運行穩(wěn)定，產(chǎn)出數(shù)據(jù)真實可靠。在觀測室的改建過程中，充分考慮了現(xiàn)有基礎設施，盡可能地滿足了地電比測臺站建設的各項要求，更注重功能劃分、防雷接地、綜合布線等方面。通過對第一批次ZD8M型地電阻率儀定型比測結果的分析，進一步說明了甘肅平?jīng)龅仉姳葴y臺站的各項指標均符合相關技術規(guī)范，可以滿足地電儀器比測的需求。

本文詳細介紹了平?jīng)龅仉姳葴y平臺的建設，在裝置系統(tǒng)布設、觀測室改造、綜合布線等方面積累了較好的經(jīng)驗，通過地電阻率儀的比測及地電地電場裝置系統(tǒng)的測試分析，總結梳理了相應的測試方法和技術指標要求，以期為今后類似平臺的建設提供有益參考。另外，在對地電場裝置系統(tǒng)測試分析時也發(fā)現(xiàn)了一些問題，例如2種裝置系統(tǒng)同場地布設存在供電干擾的現(xiàn)象，雖然可以采用一些方法剔除干擾數(shù)據(jù)，但對比測結果仍有一定影響，因此建議將2種裝置系統(tǒng)分場地布設； 又如地電場裝置系統(tǒng)中電極的選擇，從測試結果來看，選用不極化電極產(chǎn)出數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性和一致性優(yōu)于鉛電極，因此建議地電場觀測盡量選擇不極化電極。