元謀苴林地電場改造前后數(shù)據(jù)分析

[摘要]""" 以楚雄地震監(jiān)測中心站元謀苴林地電場觀測資料為研究對象，結(jié)合該地電場觀測以來兩次改造的思路與具體內(nèi)容，對兩次改造前后共3個(gè)時(shí)間段內(nèi)的觀測數(shù)據(jù)曲線變化特征及數(shù)據(jù)質(zhì)量進(jìn)行對比分析，得到以下經(jīng)驗(yàn)，供其他地電場觀測臺站進(jìn)行改造與建設(shè)作參考：①固體不極化電極的抗干擾能力及穩(wěn)定性遠(yuǎn)超鉛電極；②電極埋深需更多考慮土壤電性一致而非注重埋設(shè)深度，應(yīng)在建臺時(shí)做好場地的地勘工作，確保各電極埋設(shè)后接地電阻無較大差距，同時(shí)還應(yīng)注意電極引線埋深一定要大于農(nóng)戶日常耕作可能觸及的深度；③雙“L”型布極需嚴(yán)格按照地電臺站建設(shè)規(guī)范布設(shè)長短極距；④對于架空線路絕緣問題，可做抱箍與電桿間先通過絕緣橡膠墊絕緣，再做抱箍與鋼絞線間通過絕緣子再次絕緣，特別是有地電阻率同場地觀測的臺站，更應(yīng)注重鋼絞線絕緣問題。

[關(guān)鍵詞] 元謀苴林; 地電場; 改造; 觀測質(zhì)量

[DOI] 10.19987/j.dzkxjz.2023-133

0" 引言

地電場不僅能夠反映空間電磁場的變化，還能反映與之有關(guān)的地殼和地表的電性結(jié)構(gòu)及其變化，對地電場各種特性及其包含的有用信息的觀測和研究，已經(jīng)在地震監(jiān)測領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[1]。元謀苴林地電場自2015年1月1日起開始正式觀測，觀測數(shù)據(jù)各測道相關(guān)性長期偏低，差值超出學(xué)科規(guī)范要求。于是在2022年9月和2023年8月對該地電場觀測裝置進(jìn)行兩次改造，本文通過對兩次改造前后數(shù)據(jù)觀測質(zhì)量進(jìn)行分析，總結(jié)改造方式與成果，為將來其他地電場的改造與新建提供重要經(jīng)驗(yàn)。

1" 臺站基本情況

元謀苴林地電場位于云南省元謀縣黃瓜園鎮(zhèn)苴林小村田壩內(nèi)，離元謀地震臺近20 km。隸屬云南省地震局楚雄地震監(jiān)測中心站，海拔1135 m。該觀測點(diǎn)位于元謀斷陷盆地西側(cè)，距離綠汁江大斷裂西側(cè)30 km，在距離此觀測站東面約120 km處是著名的小江斷裂帶，在此建觀測點(diǎn)可用來監(jiān)測滇中北部地區(qū)南北構(gòu)造帶—南北向綠汁江大斷裂和小江斷裂一帶的地震活動情況（圖1）。該觀測點(diǎn)于2014年6月初完成“十五”項(xiàng)目的建設(shè)，并試運(yùn)行，2015年1月1日正式運(yùn)行。為無人職守臺站，使用ZD9A-2B型地電場儀進(jìn)行觀測，無備機(jī)，儀器運(yùn)行穩(wěn)定，外線路為架空觀測，該場地同時(shí)還有地電阻率觀測。元謀苴林地電場外線路按北南、東西兩個(gè)方向采用“L”型方式布設(shè)，未明顯區(qū)分長短極距測道。北南向長極距262 m、短極距255 m，東西向長極距231 m、短極距226 m，斜道北東向長極距349 m、短極距341 m （圖2）。

地電場觀測采用鉛電極，電極規(guī)格尺寸為25 mm×250 mm，形狀為圓柱形，電極埋深10 m，接地電阻在10.0～50.0 Ω之間（建設(shè)初期同時(shí)埋設(shè)了固體不極化電極與鉛電極，因固體不極化電極使用壽命有限，使用鉛電極觀測）。外線路采用2 mm×10 mm×0.5 mm銅芯電纜線架空敷設(shè)，電極引線為2 mm×10 mm×0.5 mm銅芯電纜線。

2" 改造情況

2.1" 第1次改造

由于自2015年1月1日開始正式觀測起，觀測數(shù)據(jù)各測道相關(guān)性長期偏低，差值超出學(xué)科規(guī)范要求，長極距測道常有不明原因的大幅度漂移，短極距測道數(shù)據(jù)相對正常（圖3）。在學(xué)科要求的季度半年檢查中，線路絕緣良好，避雷裝置及各接頭接觸良好無氧化情況，儀器標(biāo)定正常。因后期改用鉛電極觀測，發(fā)現(xiàn)西端電極A1A2接地電阻遠(yuǎn)超其他4個(gè)電極。

針對數(shù)據(jù)出現(xiàn)的情況，臺站多次與省局專家進(jìn)行實(shí)地測試與檢查，未能找出數(shù)據(jù)觀測質(zhì)量超出學(xué)科規(guī)范的原因，于是在2022年4月對該場地做了1次地電阻率電法勘測，根據(jù)測試所得電阻率反演剖面圖發(fā)現(xiàn)，在西端A1 和A2電極所在位置（地下5～20 m）存在大量高阻異常區(qū)，而中心點(diǎn)O1、O2及B1、B2電極所在區(qū)域無此類高阻異常區(qū)。于是在2022年9月9—15日進(jìn)行了第1次改造，改造內(nèi)容為在原電極位置重新埋設(shè)6只新的固體不極化電極替換原有電極進(jìn)行觀測，并且為了避免電極埋深位于高阻異常區(qū)，導(dǎo)致各電極坑電性不一致，因而將電極埋深從改造前的10 m調(diào)整為2.5 m，此次改造使用的固體不極化電極為蘭州地震研究所陸陽泉老師于2018年生產(chǎn)的。

此次改造后，觀測數(shù)據(jù)各測道相關(guān)性很好，差值在學(xué)科要求范圍內(nèi)，大幅漂移減少（圖4）。由此可見各電極坑，特別是同一測道電極坑土質(zhì)及電性應(yīng)接近，電極埋深并非越深越好，應(yīng)確保電極坑電性的一致性，特別是同一測道的兩個(gè)電極坑電性宜相同，且從以往研究及改造后實(shí)際情況表明，不極化電極抗干擾能力優(yōu)于鉛電極，故降低埋深后應(yīng)優(yōu)先考慮不極化電極[2]。但由于第1次改造電極引線至電桿表箱段埋深較淺，僅有0.3 m，雖套有PVC管，在觀測過程中還是多次發(fā)生電極引線被農(nóng)戶機(jī)械耕作挖斷的情況，嚴(yán)重影響觀測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和連續(xù)性[3]。且第1次改造后布極方式和最初建設(shè)一樣，為極距幾乎相等的雙“L”型布設(shè)，算是無長短極距區(qū)分，雖數(shù)據(jù)相關(guān)性很好，但不符合《地震臺站建設(shè)規(guī)范 地電臺站 第2部分：地電場臺站》（DB/T18.2—2006）中關(guān)于長短極距的要求[4]。

2.2" 第2次改造

鑒于第1次改造后的問題及2019年開始出現(xiàn)的鋼絞線絕緣性變差甚至部分位置為0的情況，元謀苴林地電場于2023年8月進(jìn)行了第2次改造，此次改造內(nèi)容為：①更改布極方式，把之前極距幾乎相等的雙“L”型布極改為極距不等的長短極距雙“L”型布極，在B1B2段、A1A2段均加掛一段電纜線（6 mm2單銅芯電纜）和鋼絞線（用于借助現(xiàn)有電桿延伸長極距測道距離），北南向長極距323 m、短極距260 m，東西向長極距301 m、短極距225m，斜道北東向長極距440 m、短極距344 m（圖2）；②新埋設(shè)固體不極化電極6只和鉛電極6只，使用固體不極化電極觀測，鉛電極為備用電極，每對電極（1只固體不極化電極和1只鉛電極）埋設(shè)在同一電極坑中，間隔1.2 m；③對所有鋼絞線進(jìn)行絕緣處理，抱箍與電桿之間均安裝絕緣膠墊（10 kV級），且在抱箍上安裝陶瓷絕緣子，將鋼絞線掛于陶瓷絕緣子上，使其與抱箍隔開；④加深電極及電極引線埋深，將電極從第1次改造的埋深2.5 m加深到3.5 m，電極引線埋深從0.3 m加深到0.8 m，此次改造使用的固體不極化電極為蘭州地震研究所陸陽泉老師于2023年生產(chǎn)的[5]。

改造完成后，觀測數(shù)據(jù)各測道相關(guān)性良好，差值在學(xué)科要求范圍內(nèi)，地電場日變形態(tài)清晰（圖5）。相較第1次改造后，數(shù)據(jù)受地表游散電流干擾明顯減少，與新的固體不極化電極性能及埋深有關(guān)[6-7]。同時(shí)由于第2次改造在每個(gè)電極坑間隔1.2 m各埋設(shè)一個(gè)鉛電極和一個(gè)固體不極化電極，因固體不極化電極的特性，不能測量其接地電阻。根據(jù)每個(gè)電極坑埋設(shè)時(shí)對土壤的觀測，若把整個(gè)電極坑看為一個(gè)整體，理論上可通過測量鉛電極的接地電阻，得到該電極坑區(qū)域的土壤電性，避免出現(xiàn)6個(gè)電極埋設(shè)區(qū)域土壤電性差距較大的情況。從表1對比改造前后各電極接地電阻測試結(jié)果來看，在進(jìn)行第2次改造后，A1、A2點(diǎn)位的接地電阻降低，B1、B2、O1、O2點(diǎn)位的接地電阻升高，導(dǎo)致該結(jié)果的原因?yàn)殡姌O埋深從10 m調(diào)整到3.5 m后，A1、A2點(diǎn)位脫離了該場地的地下高阻異常區(qū)域，電阻降低，而B1、B2、O1、O2點(diǎn)位電極埋設(shè)深度變淺，電阻有所升高，最終滿足了電極坑電性一致的情況，特別是同一測道的兩個(gè)電極坑電性基本相同。

2.3" 數(shù)據(jù)質(zhì)量分析

分析元謀苴林地電場兩次改造前后的數(shù)據(jù)，從數(shù)據(jù)形態(tài)來看，發(fā)現(xiàn)第1次改造后長極距測道數(shù)據(jù)消除了之前未知原因的數(shù)據(jù)漂移，但數(shù)據(jù)容易記錄到大量的臺階及突跳變化，經(jīng)臺站工作人員現(xiàn)場核實(shí)，這些臺階及干擾多為測區(qū)內(nèi)農(nóng)戶機(jī)械耕作或抽水灌溉時(shí)設(shè)備漏電造成的。

在地電場觀測中，在同一地區(qū)自然電場部分基本穩(wěn)定，因此同一測向兩個(gè)測道觀測的數(shù)據(jù)變化規(guī)律應(yīng)當(dāng)接近。若變化趨勢一致，說明數(shù)據(jù)可信度較高；反之，需要考慮觀測系統(tǒng)工作是否正常，測區(qū)內(nèi)是否存在干擾等。通過利用對同測向不同測道的觀測數(shù)據(jù)計(jì)算得到的相關(guān)系數(shù)與差值，評價(jià)地電場的觀測質(zhì)量，并初步判斷觀測系統(tǒng)的可信度。相關(guān)系數(shù)越接近1，差值越小，同一測向兩個(gè)測道的觀測數(shù)據(jù)越一致，觀測數(shù)據(jù)越穩(wěn)定[8-9]。

相關(guān)系數(shù)計(jì)算方法：

（1）

式中，為1天的相關(guān)系數(shù)，為第時(shí)刻長極距測值，為第時(shí)刻短極距測值，為長極距日均值，為短極距日均值。

差值計(jì)算方法：

（2）

式中，為1天的差值，為第時(shí)刻長極距測值，為第時(shí)刻短極距測值，為長極距日均值，為短極距日均值。

根據(jù)公式（1）和公式（2），取元謀苴林地電場兩次改造前后3段，各9天數(shù)據(jù)，計(jì)算得到元謀苴林地電場3個(gè)時(shí)段各測向的相關(guān)系數(shù)（表2）及差值（表3）。

通過對比，發(fā)現(xiàn)第1次改造后，數(shù)據(jù)質(zhì)量有了明顯提升，第2次改造后相關(guān)系數(shù)及差值沒有第1次改造后好，但也符合學(xué)科規(guī)范要求，且優(yōu)于全國許多地電場臺站數(shù)據(jù)質(zhì)量。第2次改造為何會比第1次改造后有所下降，主要是由于布極方式的改變和測區(qū)內(nèi)干擾導(dǎo)致的。第1次改造沿用最初的等極距雙“L”型布極，且A1A2、B1B2、O1O2電極兩兩相隔距離僅為5 m左右，導(dǎo)致同向?qū)?yīng)測道所觀測的幾乎為相同的信號數(shù)據(jù)，當(dāng)然相關(guān)性良好。第2次改造將布極方式更換為長短極距雙“L”型，A1O1和A2O2、B1O1和B2O2、A1B1和A2B2 6條3組對應(yīng)測道極距比均增大（表4），按照地電場觀測原理，必然相同測向長短極距能觀測到的內(nèi)容信號會存在不同或相同內(nèi)容信號強(qiáng)弱不等的情況，例如對于一個(gè)干擾源，相同測向長短極距兩個(gè)測道所測量數(shù)據(jù)定會有一定差別，所以相關(guān)系數(shù)及差值略有下降是正常的，但這并不意味著觀測質(zhì)量不如之前，反而可以根據(jù)相同異常源在長短極距上記錄到的不同信息，更好的達(dá)到監(jiān)測定位異常源的目的。

3" 結(jié)論與討論

通過對元謀苴林地電場兩次改造前后觀測數(shù)據(jù)曲線變化特征及數(shù)據(jù)質(zhì)量進(jìn)行對比分析，結(jié)合兩次改造的內(nèi)容，得出如下結(jié)論：

（1）電極選擇。在地電場觀測中，固體不極化電極的抗干擾能力及穩(wěn)定性遠(yuǎn)超鉛電極，且蘭州地震研究所陸陽泉老師2023年生產(chǎn)的固體不極化電極在抗干擾性能上，較之前元謀苴林地電場使用的固體不極化電極（2018年生產(chǎn)）有明顯提升。

（2）電極埋深。埋深更深的確能有效降低地表游散電流的干擾，但深埋電極的前提一定是各電極所埋設(shè)區(qū)域的土壤電性須一致，如各電極埋設(shè)后接地電阻差距較大，則可能降低觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量及觀測數(shù)據(jù)的可靠性，為避免此情況，應(yīng)在建臺時(shí)做好場地的地勘工作。同時(shí)電極引線埋深一定要大于農(nóng)戶日常耕作可能觸及的深度，避免電極引線被農(nóng)戶破壞而產(chǎn)生錯(cuò)誤數(shù)據(jù)及影響觀測的連續(xù)性。

（3）布極。等極距雙“L”型布極相關(guān)系數(shù)及差值較不等極距雙“L”型布極更好，但在觀測中干擾源位置確定與地震震后的應(yīng)力分析等需要反推具體方位時(shí)，不如不等極距雙“L”型布極。為了更好定位異常點(diǎn)位及服務(wù)于地震前兆異常觀測研究，建議建臺與改造時(shí)還需嚴(yán)格按照地電臺站建設(shè)規(guī)范布設(shè)長短極距。

（4）架空線路。新建臺站鋼絞線應(yīng)嚴(yán)格按照學(xué)科要求，利用在每根電桿兩端加裝絕緣子做到鋼絞線“切割”分段，這樣能最佳保證鋼絞線的絕緣效果，但此種做法對施工難度及經(jīng)費(fèi)要求較高。如果經(jīng)費(fèi)有限，也可做抱箍與電桿間先通過絕緣橡膠墊絕緣，再做抱箍與鋼絞線間通過絕緣子再次絕緣，這樣也能起到較好的絕緣效果。特別是有地電阻率與地電場同場觀測的臺站，更應(yīng)注意鋼絞線絕緣問題，避免地電阻率供電造成的數(shù)據(jù)干擾。

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Data analysis before and after the transformation of Yuanmou Julin geoelectric field

Xiao Xin1， *， Yang Runhai2， Shi Jianming1， Zhou Jianrong1， Wang Linlan1

1. Chuxiong Earthquake Monitoring Center Station， Yunnan Earthquake Agency， Yunnan Chuxiong 675000， China

2. Yunnan Earthquake Agency， Yunnan Kunming 650000， China

[Abstract]"""" Taking the geoelectric field observation data of Yuanmou Julin of Chuxiong Earthquake Monitoring Center Station as the research object， combined with the ideas and specific contents of the two transformations since the geoelectric field observation， the observation data curve variation characteristics and data quality in three time periods before and after the two transformations are compared and analyzed， and the following experience is obtained， which can be used as a reference for the transformation and construction of other geoelectric field observation stations： ① The anti-interference ability and stability of solid non-polarized electrodes far exceed lead electrodes; ② Electrode buried depth need to consider more consistent soil electrical properties rather than pay attention to the buried depth， should do a good job in the construction of the site geological prospecting work， to ensure that the electrode buried after the grounding resistance without a big gap， but also should pay attention to the electrode lead buried depth must be greater than the farmers daily farming may touch the depth; ③ Double “L” type pole arrangement needs to be strictly in accordance with the construction specifications of the geoelectric station to arrange the long and short pole spacing; ④ For the insulation problem of overhead lines， it can be done between the hoop and the pole first through the insulation rubber pad insulation， and then between the hoop and the steel strand through the insulator re-insulating， especially the ground resistivity with the site observation station， more attention should be paid to the insulation of the steel strand.

[Keywords] Yuanmou Julin; geoelectric field; transform; observed mass