新建定西臺地電阻率觀測效能評估①

陳彥平, 閆萬生, 馬克博

(1.甘肅省地震局隴南地震監(jiān)測中心站,甘肅 隴南 746000; 2. 甘肅省地震局蘭州地震監(jiān)測中心站，甘肅 蘭州 730000)

中國開展地電阻率觀測至今，在科學研究及地震預(yù)測中取得了實效[1-3]；就地震前兆觀測手段而言，其優(yōu)勢明顯，物理意義清楚，物理量明確[4]；尤其是觀測數(shù)據(jù)無須作復雜的數(shù)學處理，僅通過直觀的形態(tài)變化就可識別異常[5-8]。定西地電臺建于1979年，屬于國家基本臺，其地電阻率觀測資料連續(xù)可靠。2013年定西市政府規(guī)劃建設(shè)，定西地電臺搬遷至新建(離舊觀測場地10 km)觀測網(wǎng)點。新建的觀測場地，勘選及建設(shè)，嚴格按照“地電臺站建設(shè)規(guī)范”要求進行；臺址條件符合地電觀測的技術(shù)要求；觀測系統(tǒng)建設(shè)符合地電阻率建設(shè)規(guī)范[9]；觀測符合規(guī)定的觀測方法[10]，保障產(chǎn)出的數(shù)據(jù)真實可靠。2014年3月建成安裝及調(diào)試；2015年1月正式投入運行。 為了評估地電阻率觀測系統(tǒng)的可靠性，電磁學科“臺管組”制定了《地電阻率臺站觀測效能評估方案》①，按照“評估方案”的標準及思路，本文中對新建定西地電阻率測量系統(tǒng)進行全面的觀測效能評估，以期為地震監(jiān)測及科研提供參考。

1 新建定西地電阻率臺基本情況

1.1 臺址介紹

新建定西地電觀測點位于定西市城西南12 km處的中川堡村，海拔2.0 km；該區(qū)域?qū)儆谶^渡性質(zhì)的隴中盆地，發(fā)育了中等規(guī)模的多條走滑或逆斷裂帶，包括會寧—義崗斷裂帶和興隆山斷裂帶，定西地電臺地處兩斷裂帶的延伸部位。觀測區(qū)位于苦水溝洪積扇和西河子之間的Ⅱ級階地上，黃土覆蓋層厚，其下巖性為砂和沙礫石(圖1)。

圖1 定西地電臺地理位置和測區(qū)地質(zhì)構(gòu)造及斷裂分布圖Fig.1 Geographical location, geological structure and fault distribution of the survey area of Dingxidi geoelectricity station

1.2 觀測環(huán)境

觀測場地屬于農(nóng)田，地形開闊，干擾源少，交通方便，呈南北走向的川道之中;適合地電阻率觀測，臺站觀測室及觀測環(huán)境(圖2a)，地下介質(zhì)電阻率呈低—高—低型(顯示臺基巖性),地電臺電測深曲線為“K”型(圖2b)；新建定西地電阻率觀測網(wǎng)點，屬于無人值守手段[11]。

新建定西地電阻率觀測場地選建測試，未發(fā)現(xiàn)影響電磁環(huán)境的干擾源(選建測試結(jié)果：工頻干擾測試、非工頻干擾測試均合格)。測區(qū)及附近無大型用電設(shè)備及輸電變壓等設(shè)施，無變電所和工礦企業(yè), 布極區(qū)無影響觀測的金屬管線,所以符合《地震臺站觀測環(huán)境技術(shù)要求》[12]和《地震臺站觀測技術(shù)規(guī)范》[9]要求。

圖2 定西地電臺觀測環(huán)境及電測深曲線圖(a) 定西地電臺觀測環(huán)境 (b) 定西地電臺測深曲線圖 Fig.2 Observation environment and sounding curve of Dingxi geoelectricity station

1.3 背景噪聲

依據(jù)《地震及前兆數(shù)字觀測技術(shù)規(guī)范(電場觀測)》中的要求，場地觀測的信噪比可用公式，

(1)

式中，VMN供為測量極上測得的由供電產(chǎn)生的人電位差；VMN擾為測量極上測得的背景擾動電壓幅值(VMN擾≤0.01 mV)。根據(jù)公式分別計算出定西地電阻率NS、EW兩個測向的VMN供值，其計算結(jié)果表1。計算結(jié)果遠高于“規(guī)范”規(guī)定的信噪比不小于40 dB(電磁觀測《地震及前兆數(shù)字觀測技術(shù)規(guī)范》要求)。

表1 2015年1月至2020年7月定西臺地電阻率觀測信噪比統(tǒng)計表

圖3 定西地電臺觀測布極及參數(shù)Fig.3 Distribution and parameters of Dingxi geoelectricity station observation

2 新建定西地電阻率臺觀測系統(tǒng)評價

2.1 裝置系統(tǒng)

新建定西地電阻率觀測，布極采用對稱四極法，觀測共設(shè)2個測道(NS和EW)，正“十”字布設(shè);兩道供電極距為A1B1=A3B3=1.5 km,測量極距為M1N1=M3N3=0.4 km，兩道布極同等，計算裝置系數(shù)一樣(K=4.103 km);使用的電極為鉛板(供電和測量的電極材質(zhì)、大小統(tǒng)一，80 cm*100 cm)，埋深4 m(以減小地表干擾因素)，見圖3；電極平鋪，保證與地面充分接觸，黃土回填；觀測外線路采用銅芯、多層屏蔽的高絕緣電纜，整根無接頭；采用木桿架空，桿頂橫擔、鋼絞線用絕緣子方式固定線路。裝置系統(tǒng)符合《地震臺站建設(shè)規(guī)范 地電臺站》[9]的要求。

2.2 測量系統(tǒng)

地電阻率觀測是隨時間變化的(動態(tài))觀測，為了達到觀測實效，變化的(動態(tài))觀測系統(tǒng)要求滿足4條：(1) 準確度高，以識別微弱的變化量；(2) 長期穩(wěn)定性好，以保證真實地反映地下介質(zhì)電性隨時間的變化；(3) 抗干擾能力強，以提高實地觀測的信噪比；(4)自動化程度高,減少人為因素的誤差。

定西地電臺2015年1月1日正式觀測運行至今，使用儀器為中國地震局地殼應(yīng)力所生產(chǎn)的ZD8M地電阻率儀(“十一五”背景場儀器)，該儀器滿足觀測系統(tǒng)要求的條件。儀器采樣率為時值，每天整點測量，得到24個整點值；電壓測量的準確度為：±(0.2%讀數(shù)+0.005%滿度值)，滿足測量系統(tǒng)對地電阻率觀測儀器的要求，且符合《地震臺站觀測技術(shù)規(guī)范》。

2.3 常規(guī)檢查

按照《地震及前兆數(shù)字觀測技術(shù)規(guī)范(電磁觀測)》[13]的要求，將使用檢查的標準儀器為0.01級的直流電位差計和0.005級的飽和標準電池，每年按時對標準儀器送計量部門進行年檢。從歷年的檢查結(jié)果看，觀測系統(tǒng)穩(wěn)定，各類檢查、標定結(jié)果均符合規(guī)范要求。每季度定期對外線路絕緣性能進行檢查，并定期檢查外負載。每半年定期檢查各電極的接地電阻。每月定期巡視檢查觀測場地環(huán)境，保證了觀測系統(tǒng)正常運行(表2)。

表2 新建定西臺地電阻率裝置系統(tǒng)電極接地電阻及測量線(鋼絞線)絕緣電阻檢測表

3 新建定西臺地電阻率數(shù)據(jù)產(chǎn)出評價

新建定西臺地電阻率觀測，采用ZD8M地電儀觀測系統(tǒng)(配套WL6B型穩(wěn)流電源)，每天24小時整點觀測，產(chǎn)出小時值和日均值，觀測系統(tǒng)運行至今，觀測數(shù)據(jù)連續(xù)、可靠(表3)。新建定西臺地電阻率觀測，采用精度高、穩(wěn)定性強的ZD8M地電儀觀測系統(tǒng)(配套WL6B型穩(wěn)流電源)，整點觀測，每天產(chǎn)出小時值和日均值；觀測系統(tǒng)架設(shè)運行至今，系統(tǒng)穩(wěn)定，產(chǎn)出數(shù)據(jù)有效率平均達98%以上(表3，統(tǒng)計時段是2015年1月至2020年10月)。

利用衡量觀測系統(tǒng)內(nèi)在質(zhì)量(觀測精度f)的公式，

(2)

其中，

(3)

(4)

式中，σn-1日均值為1天的ρs時均值的均方根誤差；σn-1月均值為1月的ρs日均值的均方根誤差；σn日均值為1天的ρs的整點值的σn-1的平均值；σn月均值為1個月σn日均值的平均值。σn-1和σn的值是評判地電阻率觀測內(nèi)在質(zhì)量的關(guān)鍵。根據(jù)公式(2)，計算該臺觀測精度f值(表4)。

表4 新建定西地電阻率臺觀測精度(f)統(tǒng)計表

從表4看出，新建定西地電阻率臺觀測精度較高(f≈1)；為了更直觀的檢驗觀測值系統(tǒng)是否穩(wěn)定、觀測環(huán)境是否受干擾，繪制2015年1月至2020年7月定西地電觀測電阻率日均方差σn-1圖(圖4)；根據(jù)規(guī)范要求，均方差代表本次測量的精度，此值應(yīng)小于(0.1%測值+0.02 Ω·m)。從圖4看出，定西地電觀測NS、EW兩道電阻率均方差σn-1均小于規(guī)定的0.120 Ω·m，而均方差σn-1值的大小是評判電阻率觀測內(nèi)在質(zhì)量優(yōu)劣的關(guān)鍵[14]。

4 新建定西臺地電阻率觀測數(shù)據(jù)映震效能

定西臺地電觀測NS向和EW向電阻率觀測數(shù)據(jù)(視電阻率)，未作任何修飾和處理，只是用MapSIS作圖工具從本區(qū)域庫里調(diào)取數(shù)據(jù)，選取“ρs電阻率”的日均值作圖，得到清晰的年變形態(tài)和異常變化形態(tài)如圖5。從圖5看出，該臺地電阻率觀測年變呈冬低夏高有規(guī)律的余弦變化；“破年變”異常時段，皆有地震發(fā)生。

從表5看出，年變幅度均小于≤3%，符合規(guī)范要求，說明觀測資料真實可靠。

甘肅省屬于地震多、災(zāi)害重的省份；東部地震活動受南北地震帶控制，西部地震活動受祁連山—河西走廊地震帶控制；而定西臺地處南北地震帶北段、祁連山—河西走廊地震帶東段，多條斷裂帶交匯、轉(zhuǎn)折復雜的區(qū)域；該區(qū)域發(fā)生有記載的大震多起(734年天水7.0級、1125年蘭州7.0級、1352年會寧7.0級、1718年通渭7.5級)；最近發(fā)生的一次強震是2013年7月22定西市岷縣、漳縣交界的MS6.6地震；此次地震造成了重大的人員傷亡和財產(chǎn)損失[15]。

對照圖5，分析統(tǒng)計2015年1月至2020年7月發(fā)生在南北地震帶中、北段F1、F2兩斷裂帶附近，Δ<350 km、MS>3.0的地震(表6)。有異常變幅均超過年變化幅度的3倍；有異常變化幅度占30%、無干擾源但有明顯突跳占51%、異常不明顯19%；定西地區(qū)屬于半干旱地區(qū)，年均降雨量250～500 mm，因此降雨對于觀測資料影響不明顯。

圖4 定西地電臺2015年1月至2020年7月地電阻率均方差日均值曲線(a) NS向 (b) EW向Fig.4 Daily mean values of geoelectricity resistivity mean square error from January 2015 to July 2020 in Dingxi geoelectricity station

圖5 2015年1月至2020年7月定西地電臺地電阻率日均值曲線(a) NS向 (b) EW向Fig.5 Daily mean curve of geoelectricity from January 2015 to July 2020 in Dingxi geoelectricity station

表5 定西地電觀測2015年1月至2020年7月年度變化幅度統(tǒng)計表

表6 定西臺地電阻率異常變化對應(yīng)地震統(tǒng)計表

以上只是統(tǒng)計新建觀測場地對應(yīng)的Δ<350 km、MS>3.0地震震例；這些震例說明，定西臺地電觀測記錄了地下介質(zhì)的電性結(jié)構(gòu)的變化過程，是一定區(qū)域地下介質(zhì)的電阻率發(fā)生變化的真實反映，它是研究地震短臨預(yù)報的重要信息。震前異常反應(yīng)的實例只是新建觀測場地下的列舉；定西臺地電觀測在地震前的異常變化是客觀存在的，是地震孕育過程中地下介質(zhì)變化在地電觀測中的反映，記錄了地下介質(zhì)電性結(jié)構(gòu)發(fā)生變化的過程，這是研究地震短臨預(yù)報的重要信息及依據(jù)。

5 結(jié) 語

通過對定西地電臺新場地的觀測系統(tǒng)、臺址條件、數(shù)據(jù)產(chǎn)出等方面的分析與評價，驗證了測量系統(tǒng)(裝置系統(tǒng)、測量系統(tǒng))符合地電阻率臺站的技術(shù)要求。同時，按照《地震及前兆數(shù)字觀測技術(shù)規(guī)范(電場觀測)》的要求，按時進行常規(guī)檢查、測試和校準，結(jié)果觀測系統(tǒng)運行正常。從觀測場地、背景場環(huán)境、數(shù)據(jù)產(chǎn)出分析等方面看，定西地電臺新場地的觀測數(shù)據(jù)精度符合異常識別的指標要求。定西地電臺新場地觀測產(chǎn)出的數(shù)據(jù)連續(xù)、可靠，有清晰地年變、有較強的映震能力，表明觀測數(shù)據(jù)內(nèi)在質(zhì)量較高；隨著時間的推移，該觀測資料對本區(qū)及鄰近地區(qū)的地震監(jiān)測、預(yù)報和地震科學研究將發(fā)揮更加重要的作用。