全方位自然電場觀測方法和觀測技術(shù)研究

席繼樓 宋艷茹 胡明朝 劉 超 徐學(xué)恭 尚先旗

1）中國地震局地震預(yù)測研究所，北京100036

2）上海市地震局，上海 201203

3）天津市地震局，天津 300201

自然電場（又稱自然電位）是由地下礦體、電解質(zhì)與周圍介質(zhì)之間、以及地下巖石結(jié)構(gòu)體之間的物理化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生，包括氧化-還原電場、過濾電場、接觸-擴(kuò)散電場等。一般情況下，自然電場具有局部性和相對穩(wěn)定性等特點(diǎn)，也會由于局部性的地下水系、裂隙的變化，產(chǎn)生在時間和空間上的劇烈變化等。自然電場的物理意義比較明確，變化（孕震）機(jī)理相對明晰，在唐山7.8級地震、海城7.3級地震、松潘7.2級等中強(qiáng)以上地震前后，記錄到了可能與地震孕育有關(guān)的變化形態(tài)。

首先開展了全方位自然電場觀測方法研究工作。自然電場產(chǎn)生及變化與地下結(jié)構(gòu)體的物理屬性、破碎斷裂帶的規(guī)模與展布、地下水系的發(fā)育程度、巖石應(yīng)力的分布與強(qiáng)度、潮汐力的外力作用以及各種外場效應(yīng)等因素的關(guān)系比較密切。借鑒物探電法中的環(huán)形梯度法（又稱“8”字型觀測法，主要用于地下水流向測定），采用一種全方位裝置布設(shè)方法，即以觀測區(qū)域的中心點(diǎn)為基準(zhǔn)點(diǎn)，環(huán) 360°范圍內(nèi)布設(shè)相同測量裝置，同步記錄各個方位（至少8個方位）的自然電位梯度變化，以便能夠捕捉到每個測量方向上自然電場及其隨時間的變化特征，避免由于測道方法原因（如目前在地電阻率和地電場觀測中的兩個[正交]方向的測道布設(shè)方法等）造成的自然電場變化信息的遺漏和最大變化方位的缺失。

重點(diǎn)開展了基于上述全方位自然電場觀測方法的自然電場觀測技術(shù)研究。包括一種全向可旋接分體式不極化電極和多測道高精度自然電場觀測系統(tǒng)。其中，不極化電極采用Pb-PbCl2實(shí)現(xiàn)方案，輔助一種全向接觸性旋接式可拆解結(jié)構(gòu)，便于提高接觸穩(wěn)定性和可維護(hù)性；多測道高精度自然電場觀測系統(tǒng)采用“數(shù)據(jù)測量”和“網(wǎng)絡(luò)服務(wù)”兩個相互獨(dú)立運(yùn)行的分體式結(jié)構(gòu)（雙CPU結(jié)構(gòu)），主要完成自然電場數(shù)據(jù)的采集、調(diào)理、轉(zhuǎn)換、處理和存儲等，并通過互聯(lián)網(wǎng)或區(qū)域網(wǎng)遠(yuǎn)程傳輸自然電場觀測數(shù)據(jù)。在多測道高精度自然電場觀測系統(tǒng)的技術(shù)實(shí)現(xiàn)過程中，應(yīng)用了工業(yè)級高集成度低功耗的SOC器件、ARM主控系統(tǒng)、24 bit∑-Δ模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換、梳狀濾波、光電隔離、多電源供電、大容量數(shù)據(jù)存儲等多種技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了多測道、高精度、小型化、低功耗設(shè)計(jì)和便攜式應(yīng)用，具有比較高的抗工頻干擾能力，以及在-30℃～40℃野外環(huán)境條件下的穩(wěn)定工作能力。

為了兼容兼容和實(shí)現(xiàn)《中國數(shù)字地震觀測網(wǎng)絡(luò)技術(shù)規(guī)程 地震前兆臺網(wǎng)專用設(shè)備網(wǎng)絡(luò)通信》的相關(guān)通信和控制功能，在ARM主控系統(tǒng)和WinCE操作系統(tǒng)平臺下，利用VS2005和EVC開發(fā)環(huán)境，采用多進(jìn)程和多線程編程方法，實(shí)現(xiàn)了多用戶通過互聯(lián)網(wǎng)并發(fā)連接、命令原語（應(yīng)用層協(xié)議）響應(yīng)、觀測數(shù)據(jù)實(shí)時傳輸、系統(tǒng)狀態(tài)檢測控制等功能；利用COM+ASP技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了內(nèi)部WEB網(wǎng)頁的訪問、數(shù)據(jù)交換和系統(tǒng)監(jiān)控等。

通過上述研究工作，實(shí)現(xiàn)了如下主要性能指標(biāo)：①觀測精度（最大允許誤差）不低于0.1%R±0.1mV；②測量分辨力優(yōu)于0.01 mV；③、測量范圍：±1 000.00 mV；④輸入電阻：不低于20 MΩ；⑤工頻串模抑制比不低于80 dB；⑥工頻共模抑制比不低于140 dB；⑦測量通道：12個（8個主測道、1個備用測道、3個輔助測道）；⑧采樣率：12次/道.分鐘；⑨電極極化電位差不大于0.2 mV，短期穩(wěn)定性不大于0.1 mV/24 h，極化噪聲不大于0.01 mV。

在天津市靜海地震臺開展了試驗(yàn)觀測工作。在試驗(yàn)觀測期間，利用天津市地震局前兆臺網(wǎng)區(qū)域網(wǎng)，通過“中國地震前兆臺網(wǎng)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)”對每天的觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行自動或人工匯集，匯集數(shù)據(jù)進(jìn)入天津市地震局備用數(shù)據(jù)庫。試驗(yàn)結(jié)果表明，該試驗(yàn)觀測系統(tǒng)能夠獲得試驗(yàn)區(qū)域內(nèi)自然電場及其隨時間的動態(tài)變化特點(diǎn)。其中，東向和北向分量變化比較大，可能與地表水（引水渠附近）的季節(jié)性變化有關(guān)，其特點(diǎn)為在由積水期向枯水期的轉(zhuǎn)換過程中自然電場呈現(xiàn)下降趨勢，進(jìn)入枯水期以后逐步恢復(fù)平穩(wěn)變化。