紫蓬山深井地電阻率觀測裝置構(gòu)建及基本參數(shù)的測定

葛計劃 盧葉嘯 曹志磊 孫 軍 程 玲 于 磊 陶 媛 孫伯樂 陸 立 周自強

（1、安徽省地震局，安徽 合肥 230031 2、肥西縣應(yīng)急管理局，安徽 肥西 231200）

我國地電阻率觀測始于20 世紀(jì)60 年代，1966 年邢臺地震后，國家地震局在河北河澗建立了我國第一個監(jiān)測地震的地電阻率觀測臺站，之后經(jīng)過50 多年的不斷發(fā)展，我國已有80 多個地電阻率觀測臺站[1]，研究認(rèn)為地電阻率異常與地震之間具有清晰的物理學(xué)機制[2]。這一時期，觀測主要在地表進(jìn)行，國內(nèi)外的一些理論研究[3-6]奠定了在地表進(jìn)行地電觀測的理論與實踐的基礎(chǔ)。隨著經(jīng)濟的高速發(fā)展電氣化鐵路等大型電力設(shè)施的投入運行，它們對地表地電阻率觀測產(chǎn)生了嚴(yán)重干擾。有關(guān)專家一直堅持不懈地尋求抑制干擾的方法和途徑，其中深井觀測方式被認(rèn)為是一條抑制干擾的有效途徑[7-13]。

紫蓬山深井地電阻率觀測項目是安徽省第一個深井地電阻率觀測項目，依托“十三五電磁”重點項目于2020 年4 月開工，目前已經(jīng)完成場地項目電測深和8 口觀測井鉆探工作，并于2022 年1 月18 日開展試測。隨著項目的推進(jìn)，科學(xué)檢測觀測系統(tǒng)的可靠性，制定較為完善的裝置檢定和評價方案的是必須要完成的工作，目前各深井臺站采取的建設(shè)方案和評價指標(biāo)等還沒有明確而統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn), 科學(xué)合理的確定地面裝置的檢定和評價仍有進(jìn)一步研究的必要, 也可以為以后開展類似項目提供切實可行的操作辦法。

1 臺址概況

臺站所在區(qū)域地處華北斷塊區(qū)南緣，郯廬斷裂帶西側(cè)，地質(zhì)上屬于下?lián)P子斷塊、秦嶺大別斷塊和華北斷塊的交匯部位，位于肥西-韓擺渡斷裂附近（見圖1）。臺基巖性以砂巖為主，為長江流域丘陵地帶主要為山區(qū)陸相沉積巖，包含重要的三個侏羅紀(jì)地層：周公山組、圓筒山組、防虎山組。根據(jù)現(xiàn)場勘探，地表為第四系覆蓋，部分地方基巖出露。

圖1 紫蓬山深井地電阻率觀測系統(tǒng)地理位置圖

電阻率臺站選址應(yīng)包括以下五個方面[14]：a. 構(gòu)造條件；b.巖性條件；c.電性條件；d.水文條件；e.地貌條件。合肥地震監(jiān)測中心站位于合肥市西郊40 公里的肥西縣紫蓬山森林公園，海拔188 米，處于暖溫帶向亞熱帶的過渡地帶，年降雨量近1000 毫米，年平均氣溫約為15.7℃。擬建地電阻率觀測場地地形平緩，無大溝壑和大型供電設(shè)施，第四系覆蓋層20 米左右，其下是第三系粘土層，基地巖性為砂巖。

2 項目的建設(shè)概況

2.1 電測深開展情況

按照地電阻率臺站勘選規(guī)范的要求，于2019 年10月21 日至26 日進(jìn)行了電測深工作本次電測深測點布設(shè)在紫蓬山擬建井下電阻率場地外圍，相應(yīng)三個測線為1-1、1-2、1-3，共布設(shè)61 個測深點位（見圖2）。

圖2 紫蓬山場地電測深物探測點布置圖

通過測區(qū)電測深結(jié)果分析，去除表層可能存在的人為改造回填混凝土建筑垃圾等因素，測區(qū)電測深曲線類型為A、H 型。在探測深度范圍內(nèi)總體可分為4～5 個電性層，具體分層及各層層底深度、厚度、電阻率值大小見表1。

表1 土壤電阻率分層成果表

2.2 地質(zhì)勘察井建設(shè)情況

地質(zhì)勘察井情況：在觀測井施工之前，在施工場地鉆取勘察井，地層巖性取樣，繪制鉆孔柱狀圖，用以復(fù)核電測深的結(jié)果是否真是可靠。由該井柱狀圖能看出20 米以上地層為第四系上更新統(tǒng)（Q3）粘土和亞粘土層，20米以下為白堊系上白堊統(tǒng)砂巖為主夾雜泥巖，地層較為簡單：上層20 米覆蓋以砂巖、細(xì)砂巖為主，整孔破碎較少，相對完整。

2.3 地電阻率觀測井的鉆探

新建井下地電阻率觀測井8 個（見圖3），設(shè)計鉆孔深度分別為100、100、100、100、100、100、100、250 米，孔徑300mm；水平井進(jìn)行同深度兩方向正交布設(shè)，垂直井進(jìn)行同孔徑垂直方向觀測。

圖3 8 口觀測井位置和電極布設(shè)示意圖

垂向觀測井鉆探完畢時，按照要求進(jìn)行了視電阻率測井、自然伽瑪測井和聲速測井。結(jié)果顯示：該井觀測深度為 251.80m，水位為48.4 米。在75.30m ～85.00m、218.80m ～224.90m、232.50m～237.30m，視電阻率值低，而聲速值低，自然伽馬值高分析為泥巖，結(jié)合勘察井巖芯判斷其余均為白堊系紅色砂巖偶見白色石英條帶。

2.4 地埋裝置的制備

電極和導(dǎo)線的焊接：用橡皮錘在鉛版一端錘出直徑為10 公分的碗狀小坑，滴入熔融的鉛液，將電纜銅芯插入熔融的鉛板，待鉛板凝固后，靜置24 小時檢查鉛板和銅芯的接觸情況，隨后用環(huán)氧樹脂將焊接部位和銅線接頭處均勻涂抹，形成焊斑處的環(huán)氧樹脂保護(hù)層。

電極的制備與下井：因為電極為垂直懸空投放，為避免焊接點受力造成銅絲脫焊，采取適當(dāng)困扎和吊裝方式，確保焊點不受力，電纜與電極焊接后，在下井前后要測量地表兩股芯線的電阻值，檢測電極與電纜的連通性；

電極制作完全后，為確保焊接電和絕緣層之間無破損漏電發(fā)生，需要進(jìn)行24 小時泡水測試，并測量絕緣層與銅線間的絕緣電阻。在測量井成井后應(yīng)立即進(jìn)行電極下井工作，應(yīng)注意避免淺層鋼制套管與電纜的接觸。電極下井后緊接著進(jìn)行電極接地電阻的測量，接地電阻滿足小于300Ω，即可進(jìn)行回填操作。

3 埋地裝置基本參數(shù)的測定

紫蓬山深井地電阻率井垂向觀測和深井水平觀測均采用對稱四極法。因井下電阻率觀測裝置都是一次性投入，因此入地前要對入地裝置的每個環(huán)節(jié)進(jìn)行測試，確保每個部件都能滿足相應(yīng)的要求，現(xiàn)對基本參數(shù)測定如下：

3.1 電纜指標(biāo)的檢驗與測試

絕緣層和內(nèi)阻的測量與基礎(chǔ)指標(biāo)：井下地電阻率觀測要求測量導(dǎo)線、供電導(dǎo)線的線路電阻要小于10Ω/km[15]，紫蓬山臺此次采用的測量導(dǎo)線為2 芯*4mm2的黃銅線（江蘇華能電纜股份有限公司生產(chǎn)），導(dǎo)體直流電阻為4.61Ω/km，經(jīng)測量各電纜的線阻如表2。

表2 各測量電極的線電阻

除此之外測量導(dǎo)線按照規(guī)范要求還應(yīng)滿足：芯線與鎧（屏蔽層）間絕緣大于100MΩ；浸水時，鎧與外皮的絕緣電阻大于50MΩ/100m；經(jīng)實測線芯與鎧（屏蔽層）間的絕緣電阻普遍大于5000 兆歐，浸水實驗時鎧與外皮的絕緣電阻大于50 MΩ/100m。

3.2 接地電阻的測量

電極是地電阻率觀測系統(tǒng)中人工電流供給與人工電位差測量的傳感器，電極是否可靠是地電阻率觀測系統(tǒng)中的重要指標(biāo)之一，通過測量電極的接地電阻大小可以評價電極的性能作為觀測裝置的重要指標(biāo)，它取決于電極本身的特性、電極與接觸介質(zhì)的耦合狀態(tài)[16]。根據(jù)《DB/T 18.1-2006 地震臺站建設(shè)規(guī)范 地電觀測臺站第1 部分：地電阻率臺站》(下文簡稱規(guī)范)(中國地震局，2006)，地電臺站需要每個季度對觀測系統(tǒng)進(jìn)行全面檢查，電極接地電阻測量是其中一項主要測試項目。常用的方法是采用接地電阻測試儀器，斷開電極測試，進(jìn)而判斷電極與介質(zhì)的耦合程度，深井電阻的不同在于觀測系統(tǒng)深埋地下，帶著長長的線阻，用經(jīng)典測量方法理論上并不準(zhǔn)確，文獻(xiàn)[17]研究了目前較為常用的幾中測量接地電阻的方法，表明原地表接地電阻測量方法與采用解方程測量接地電阻的結(jié)果相近，本文采用常規(guī)接地電阻測量方法減去線阻的方式對各電極的接地電阻進(jìn)行估算。

目前關(guān)于供電和測量電極的規(guī)定沿用地表地電阻率標(biāo)準(zhǔn):供電極不大于100Ω，測量極不大于30Ω。紫蓬山深井電極入井后各電極的接地電阻（見表3）與合格標(biāo)準(zhǔn)有不小的差距，這可能與電極處于高阻層有一定關(guān)系。接地電阻過大，測量時采用同樣的電流，電壓將過大，容易損傷儀器,目前調(diào)低穩(wěn)流源輸出的電流，降低供電電壓的方式開展觀測。

表3 各測量電極的接地電阻

3.3 裝置系數(shù)的計算

紫蓬山深井地電阻率觀測系統(tǒng)由3 個測道組成。兩個水平測向共7 個電極，NS 和EW 兩個測道公用A1/A2電極，采用對稱四極法測量地電阻率，電極埋深地面以下100 米，供電極距90 米，測量極距23 米。垂直觀測井供電極距160 米，測量極距40 米。按照對井下不同深度電極模型的推導(dǎo)分析[18]，紫蓬山臺兩個深井水平觀測的測道可視為不完全空間，垂直電極按照不完全空間模型進(jìn)行，裝置系數(shù)見表4。

表4 各測道裝置參數(shù)表

4 結(jié)論

本文按照規(guī)范要求，梳理了紫蓬山深井地電阻率臺站建設(shè)工作。同時對井下地電阻率觀測系統(tǒng)地埋裝置的搭建全過程進(jìn)行了記錄，并對基本參數(shù)進(jìn)行測定和計算，總結(jié)出了系統(tǒng)搭建過程中的存在問題和應(yīng)注意的事項。

4.1 項目的建設(shè)嚴(yán)格按照臺站建設(shè)規(guī)范的要求開展，本項目開工前未進(jìn)行電磁騷擾測試。

4.2 梳理了測量導(dǎo)線的驗收指標(biāo)、電極制備、裝置下井過程中應(yīng)該注意的問題。

4.3 按照目前已有的接地電阻測試方法測定電極的接地電阻，針對接地電阻普遍超出規(guī)范要求的原因進(jìn)行了分析，認(rèn)為可能與電極埋設(shè)深度處于高阻層有關(guān)。

4.4 我國深井地電阻率觀測雖然已經(jīng)有多個臺站建設(shè)，目前仍未有統(tǒng)一的規(guī)范或技術(shù)指導(dǎo)意見作為臺站建設(shè)的依據(jù)和參考。已建成臺站在觀測系統(tǒng)的建設(shè)中流程、方法各異，特別是裝置系統(tǒng)（極距、孔深、孔徑、電極的制作、電極電纜的連接、密封和線纜的走線方式）制備方面方法各異，應(yīng)該從技術(shù)層面指定較為完備的規(guī)范或流程，從而促進(jìn)深井地電阻率手段的發(fā)展。