紅格臺(tái)井下地電阻率觀測(cè)技術(shù)分析＊

周定林，張世鳳，何學(xué)勤

（四川省地震局攀枝花地震監(jiān)測(cè)中心站，四川 攀枝花 617000）

觀測(cè)技術(shù)是獲取觀測(cè)數(shù)據(jù)的手段，是地震預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)中一切觀測(cè)工作的基礎(chǔ)。地震地電阻率觀測(cè)方法是從地球物理電法勘探技術(shù)中移植和改造而來，1966 年邢臺(tái)地震后，中國(guó)建立第一個(gè)地電阻率觀測(cè)臺(tái)站，隨著科學(xué)技術(shù)進(jìn)步，經(jīng)過50 多年的發(fā)展，地電阻率觀測(cè)技術(shù)有了極大的發(fā)展。但是近年來，隨著國(guó)家建設(shè)發(fā)展，大多數(shù)地電臺(tái)站受到了不同程度的環(huán)境干擾，為了抑制地表干擾，先后有很多臺(tái)站進(jìn)行了井下地電阻率觀測(cè)技術(shù)改造，攀枝花紅格地震臺(tái)于2014 年實(shí)施井下地電阻率觀測(cè)技術(shù)改造后，觀測(cè)系統(tǒng)抑制地表干擾能力增強(qiáng)，觀測(cè)精度高。本文對(duì)紅格臺(tái)井下地電阻率觀測(cè)技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)介紹，對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量進(jìn)行分析，為其他臺(tái)站進(jìn)行井下地電阻率觀測(cè)技術(shù)改造或建設(shè)提供參考。

1 臺(tái)址條件

紅格地震臺(tái)位于攀枝花市鹽邊縣紅格鎮(zhèn)，臺(tái)站距離攀枝花市區(qū)30 km，海拔1 240 m。紅格臺(tái)地處川滇菱形塊體內(nèi)，臺(tái)站周邊主要斷裂帶有昔格達(dá)-元謀斷裂、安寧河斷裂、得力鋪斷裂、寧會(huì)斷裂等（如圖1所示）。臺(tái)站附近區(qū)域地震活動(dòng)較為頻繁，周邊地區(qū)強(qiáng)震和大震不斷發(fā)生。地電阻率觀測(cè)場(chǎng)地位于昔格達(dá)盆地，盆地呈南北向展布，橫跨昔格達(dá)斷裂。場(chǎng)地下方電剖面結(jié)構(gòu)為Q 型，表層8 m 為砂礫層，以下為第四系。巖性多以灰色石英閃長(zhǎng)巖、輝長(zhǎng)巖為主；測(cè)區(qū)高差25～30 m，區(qū)內(nèi)溝壑較多，地面植被稀少。區(qū)內(nèi)地下水較為豐富，分布廣泛，地下水埋深平均100 m，底下徑流自東向西流。場(chǎng)區(qū)地勢(shì)開闊、平坦、高差小，探測(cè)范圍深，抑制季節(jié)、環(huán)境變化產(chǎn)生的背景干擾能力強(qiáng)，觀測(cè)數(shù)據(jù)年變化幅度小。建臺(tái)以來對(duì)攀枝花及周邊地區(qū)的地震有很好的映震效能。

圖1 紅格地震臺(tái)附近主要斷裂帶圖

2 觀測(cè)裝置系統(tǒng)

2.1 布極方式

紅格臺(tái)井下地電阻率采用直流供電方式，設(shè)有南北（NS）、東西（EW）2 個(gè)測(cè)道，采用四極對(duì)稱布極（ABMN），其布極示意圖如圖2 所示。其中EW 測(cè)道A3、B3 供電極距為345 m，M3、N3 測(cè)量極距為118 m；NS 測(cè)道A1、B1 供電極距為422 m，M1、N1測(cè)量極距為152 m。

圖2 紅格臺(tái)深井地電阻率觀測(cè)布極示意圖

2.2 裝置系數(shù)計(jì)算

進(jìn)行地電阻率測(cè)量時(shí)，通過電源和供電電極向四極裝置提供穩(wěn)定的電流，供電電流I從電極A 流入，再?gòu)碾姌OB 流出，此時(shí)僅會(huì)在4 個(gè)電極表面上積存電荷，通過人工電位補(bǔ)償，抵消在M、N 這2 個(gè)測(cè)量電極上積存的電荷，這樣在供電極A、B 上產(chǎn)生2 個(gè)異性點(diǎn)電荷[1]。假設(shè)地下介質(zhì)電性均勻，由于2 個(gè)點(diǎn)電荷場(chǎng)的疊加，則由電流I產(chǎn)生的M、N 之間的電位差如下：

地電阻率值ρs的計(jì)算公式為：

式（2）中：ρs為地電阻率，Ω·m；K為裝置系數(shù)，是通過裝置系統(tǒng)中4 個(gè)電極布設(shè)位置距離計(jì)算出來的常數(shù)，m；UMN為電位差，V；IAB為電流，A。

將式（1）代入式（2），得：

式（3）為地電阻率觀測(cè)系統(tǒng)裝置系數(shù)計(jì)算公式，K值僅與電極A、B、M、N 之間的距離有關(guān)。計(jì)算得到EW 測(cè)道和NS 測(cè)道裝置系數(shù)K如表1、表2 所示。

表1 紅格臺(tái)井下地電阻率EW 測(cè)道裝置系數(shù)（單位：m）

表2 紅格臺(tái)井下地電阻率NS 測(cè)道裝置系數(shù)（單位：m）

2.3 電極及線路埋設(shè)

2.3.1 電極埋設(shè)

紅格地電臺(tái)井下地電阻率觀測(cè)井深度為82～110 m，孔徑均為250～300 mm。電極選用化學(xué)性能比較穩(wěn)定的鉛板制作，其中電極A、B 規(guī)格為1 000 mm×250 mm的鉛柱體，電極M、N規(guī)格為1 000 mm×25 mm的鉛柱體。經(jīng)過嚴(yán)格的防腐處理，在澆鑄鉛板時(shí)，將觀測(cè)線路連接引線澆鑄在鉛板中，再用瀝青灌注連接處，保證接觸良好。

井下線路是電纜生產(chǎn)廠家定制的6 mm2銅芯絕緣線，導(dǎo)線抗拉強(qiáng)度大于等于28 kg/mm2。電極埋設(shè)過程中均采用原土同層的材料回填，電極垂直于地面方向埋入。所有電極接地電阻均小于9 Ω，井下線路絕緣電阻均大于500 MΩ。

2.3.2 線路埋設(shè)

紅格臺(tái)外線路除少部分跨溝渠線路采用空架線方式，其余線路均采用地埋方式。8 個(gè)觀測(cè)井供電線和測(cè)量線采用鎧裝帶屏蔽銅芯電纜連接到中心點(diǎn)檢查井，再由中心點(diǎn)檢查井采用鎧裝帶屏蔽銅芯電纜連接到觀測(cè)室，所有線路均套裝阻燃管（規(guī)格：DN50 mm）。電纜采用挖溝槽埋設(shè)，溝槽采用人工開挖，頂寬1.4 m，底寬0.8 m，深1.2 m，底部70 cm 采用砂礫石回填，密實(shí)度90%以上，頂部50 cm 采用原土回填。在中心點(diǎn)及線路沿線修建檢查井，便于對(duì)線路、電極的檢查，線路沿線每20～30 m 設(shè)1 個(gè)標(biāo)識(shí)，拐彎處設(shè)線路走向標(biāo)識(shí)，觀測(cè)井及檢查井處設(shè)地震觀測(cè)環(huán)境保護(hù)標(biāo)識(shí)牌。

2.4 供電及避雷系統(tǒng)

2.4.1 臺(tái)站供電系統(tǒng)

地震監(jiān)測(cè)的特殊性要求地震臺(tái)站觀測(cè)設(shè)備長(zhǎng)期不間斷穩(wěn)定運(yùn)行，這就要求地電阻率觀測(cè)臺(tái)站供電系統(tǒng)穩(wěn)定、不間斷供電。紅格地震臺(tái)采用市電加UPS，同時(shí)采用發(fā)電機(jī)供電模式。市電用電纜引入配電房，將機(jī)房供電和生活用電分離。紅格地震臺(tái)所有觀測(cè)儀器采用3 kVA 在線式UPS 供電，保證8 h 延時(shí)供電，為保障臺(tái)站供電的穩(wěn)定性，將UPS 安裝在臺(tái)站配電房，UPS 輸出采用雙回路敷設(shè)，分別保障臺(tái)站觀測(cè)機(jī)房和外線路交流供電。觀測(cè)機(jī)房供電為避免單個(gè)設(shè)備損壞造成機(jī)房供電系統(tǒng)崩潰，采用回路設(shè)計(jì)，分別對(duì)機(jī)房的機(jī)柜和處理計(jì)算機(jī)進(jìn)行供電。

2.4.2 臺(tái)站避雷設(shè)計(jì)

按照臺(tái)站避雷接地規(guī)范，紅格地震臺(tái)分別建有供電和儀器避雷接地網(wǎng)，接地電阻設(shè)計(jì)要求小于4 Ω。機(jī)房避雷采用三級(jí)設(shè)防：一級(jí)設(shè)防為交流變壓器處跌落式熔斷器、低壓保險(xiǎn)避雷器，二級(jí)設(shè)防為UPS 前端安裝三相電源避雷器，三級(jí)設(shè)防為機(jī)房配電柜和外線路安裝有三相電源避雷器。此外，在各儀器電源輸入口安裝電源避雷器，同時(shí)在通信和外線接入口安裝信號(hào)避雷器進(jìn)行四級(jí)設(shè)防。能最大限度避免雷電對(duì)臺(tái)站儀器的損壞。

2.5 觀測(cè)儀器

紅格臺(tái)井下地電阻率觀測(cè)儀器主要包括ZD8M 型地電儀和WL6 高頻開關(guān)穩(wěn)流電源，另外配有UJ25 型直流高電勢(shì)電位差計(jì)、BC9 型飽和標(biāo)準(zhǔn)電池、ZC-8 接地電阻測(cè)量?jī)x、計(jì)算器、數(shù)字萬用表、ZC25-3 型兆歐表、電腦等輔助設(shè)備。

ZD8M 地電儀由上位機(jī)、下位機(jī)和電源電路3 部分組成[2]。上位機(jī)為PC104 工控機(jī)，控制整個(gè)儀器運(yùn)行，下位機(jī)包括以單片機(jī)80C31 為基礎(chǔ)的主控電路，采集鍵盤、顯示電路，A/D 轉(zhuǎn)換電路，繼電器組電路等，下位機(jī)根據(jù)設(shè)定的程序和輸入的參數(shù)，按步驟進(jìn)行測(cè)量。測(cè)量人工電位差分辨率達(dá)到0.01 mV，動(dòng)態(tài)范圍大于100 dB，輸入電阻大于500 MΩ，抗干擾能力強(qiáng)，準(zhǔn)確度、穩(wěn)定性好，觀測(cè)程序升級(jí)便捷，自動(dòng)化、智能化程度高。儀器的主要工作參數(shù)如裝置系數(shù)、測(cè)量間隔時(shí)間、供電時(shí)間、供電方式、一組測(cè)量的觀測(cè)次數(shù)等均可在現(xiàn)場(chǎng)人工置入或通過網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程進(jìn)行修改[3]。

3 觀測(cè)資料質(zhì)量

地電阻率觀測(cè)資料質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)包括觀測(cè)數(shù)據(jù)連續(xù)率、完整率，觀測(cè)精度等。紅格臺(tái)井下地電阻率2015—2021 年觀測(cè)數(shù)據(jù)連續(xù)率、完整率、觀測(cè)精度統(tǒng)計(jì)如表3 所示，歷年連續(xù)率為99.98%以上，完整率為99.23%以上，觀測(cè)精度在0.04～0.1 之間。紅格臺(tái)深井地電阻率觀測(cè)數(shù)據(jù)內(nèi)在質(zhì)量高，數(shù)據(jù)經(jīng)常被相關(guān)專家用于分析預(yù)報(bào)，資料利用率較高。

表3 紅格臺(tái)地電阻率觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量統(tǒng)計(jì)表

4 討論

紅格地震臺(tái)臺(tái)址條件好，符合地電阻率觀測(cè)技術(shù)要求。臺(tái)站實(shí)施地電阻率井下觀測(cè)技術(shù)改造效果顯著，利用井下觀測(cè)技術(shù)可有效提高抑制干擾的能力，排除了長(zhǎng)期以來建設(shè)施工對(duì)紅格地震臺(tái)觀測(cè)環(huán)境的干擾，井下地電阻率觀測(cè)系統(tǒng)裝置穩(wěn)定，觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量明顯優(yōu)于地表觀測(cè)結(jié)果，井下觀測(cè)精度優(yōu)于地表觀測(cè)裝置的觀測(cè)精度，觀測(cè)數(shù)據(jù)曲線變化動(dòng)態(tài)明顯優(yōu)于原地表觀測(cè)。但是深井觀測(cè)井下線路和電極使用壽命有限，到一定年限后只能重新建設(shè)，應(yīng)探索性能更加優(yōu)良的材料和技術(shù)，延長(zhǎng)觀測(cè)系統(tǒng)壽命。目前全國(guó)地震臺(tái)站在不斷的改革，地電阻率觀測(cè)臺(tái)站已有無人值守成功案例，今后可通過技術(shù)改造，如采用太陽能供電等，實(shí)現(xiàn)紅格臺(tái)地電阻率觀測(cè)無人值守。