冕寧地震臺深井地電阻率觀測系統簡述及典型干擾數據特征分析

楊志鵬，繆素秋，陳秀清，徐建明，張御陽，楊賢和，巫萌飛

（1.四川省地震局西昌地震中心站，四川 西昌 615022；2.云南省地震局，云南 昆明 650225；3.四川省地震局，四川 成都 610041）

地震地電阻率觀測可以監測到地殼淺層巖石介質的電性結構隨時間的變化，其觀測資料中的異常變化特征可指示孕震過程中的震源區應力累積和巖體的膨脹微裂過程，是重要的地震前兆監測預報手段之一（王燚坤等，2018；孫昱等，2019）。近年來，為減輕地電阻率觀測中地表人為因素或自然環境因素干擾，減輕由于淺層晝夜溫差、海水漲落等引發的地電阻率季節性變化，更加真實客觀地記錄巖體電性結構變化（高曙德，2016；解滔等，2019），井下地電阻率觀測成為地電學科主流發展方向之一，深井地電觀測技術已在甘肅天水臺（楊興悅等，2012）、甘肅平涼臺（田野等，2019）、河北大柏舍臺（張磊等，2015）、江蘇江寧臺（樊曉春等，2019）、陜西合陽臺、廣東河源臺（劉君等，2015）開展了相應的觀測試驗，并取得了較好的效果。四川冕寧地電臺觀測系統于2018年6月開始前期場地勘選，同年9月起進行施工建設，至2019年11月土建工程、觀測室改造與避雷接地工程相繼完成，2020年1月5日安裝調試好儀器并正式投入試運行。該臺為首個架設在安寧河斷裂中段附近的深井地電觀測系統。本文對冕寧臺深井地電阻率觀測的總體建設情況、施工技術要點、觀測設備及主要性能、設計安裝施工技術要點等方面進行了簡述，對冕寧臺新舊場地儀器記錄的典型數據進行對比梳理，為進一步提高冕寧深井地電觀測資料的質量和同類井下地電觀測建設項目提供參考。

1 冕寧臺深井地電阻率觀測系統概況

1.1 測區地理位置及地下巖性結構

冕寧地震臺深井地電阻率觀測系統地處四川省涼山州冕寧縣回坪鄉橫路村，地表為開闊平坦的煙草種植基本農田，無明顯地形高差，測區內無較大的強電磁干擾源，農業游散電磁信號的干擾源較小，布極區及周邊無較大的河流、水渠、積水坑洼，無鐵路、高鐵線路經過，布極區遠離高壓輸電鐵塔。場地南北面為海拔3 000 m以上的高山，東側約6 km為處于高應力積累下閉鎖狀態的安寧河主斷裂帶中部敏感區域，下方為NNE向南河隱伏斷裂（見圖1）。根據物探直流電測深資料，臺址電測深曲線為KH型，下伏巖土在各方向上的分布差異性較小，呈均勻分布。根據鉆孔巖芯資料，臺址上覆第四系覆蓋層，表層為粉質粘土，厚約0.65 m；上部為漂卵石含量約85%的近代沖積、洪積砂卵石層，厚約39.4 m；中部為漂卵石含量約55%的河床粘土層和砂礫石層，厚約40 m；下部為漂卵石含量約80%的砂礫石層，厚約42 m。另據電測深資料，測區共有4個電性層，第1、2層淺部電阻率為200～800Ω·m，第3層中深部電阻率為53Ω·m，解譯巖性結構為厚380～400 m的砂礫石層、發育有破碎花崗巖并賦存有豐富的地下水，第4層深部電阻率為1 423Ω·m，解譯巖性結構為花崗巖基底（見圖2）。

圖1 冕寧深井地電觀測系統地理位置圖

圖2 冕寧深井地電觀測系統測區巖性結構圖

1.2 布極觀測方式及主要設備性能

冕寧地震臺深井地電阻率觀測系統分為淺層觀測和深層觀測兩部分（淺層觀測預計于2020年12月啟用），淺層電極敷設在距地表3.5 m處，深層電極敷設在距地表120 m處，布極分布為NS向、EW向、NW向三個測向，每個方位上采用對稱四極裝置布設供電電極和測量電極，三個測向的測量電極中心點與供電電極中心點重合，其中供電極距A1B1～A4B4均為600 m，測量極距M1N1～M4N4均為200 m，同一測向的電極距和測量極距在同一直線上（見圖3）。深層電極采用卷筒狀鉛板電極，淺層電極采用平板狀鉛板電極。觀測儀器采用中國地震局地殼應力研究所生產的ZD8M地電儀，每日整點觀測得到24個自然電位和地電阻率值，其在工作狀態下儀器分辨率為：人工電位差分辨力0.01 mV，供電電流分辨力0.1 mA，電阻率測量分辨力0.01Ω·m。外線路采用江蘇華能電纜股份有限公司生產的深井專用鎧裝雙股銅芯絕緣電纜，外線路絕緣電阻大于500 MΩ，線路埋地1.5 m深（見表1），且確保同一電纜溝中的測量線和電纜線間隔在0.5 m以上，避免線間漏電造成干擾。

圖3 冕寧深井地電觀測系統深層和淺層電極布設示意圖

表1 冕寧深井地電觀測系統主要儀器設備性能及參數

由于冕寧臺深井地電阻率觀測場地下為較厚的近代沖積、洪積的砂礫石層、沙層，接地電阻阻值較大，為降低接地電阻，采用了增加降阻劑、更換電極掩埋土壤等方法，供電極、測量極接地電阻及測道裝置系數見表2。供配電采用市電加UPS模式，市電經氧化鋅避雷器、配電箱后接入UPS電源，再輸出到儀器設備，產出的地電觀測數據通過無線路由器以VPN無線傳輸方式鏈接到西昌地震中心站信息節點服務器，匯集到省局前兆數據庫（見圖4）。

表2 冕寧深井地電觀測系統電極接地電阻值及裝置系數

圖4 冕寧深井地電觀測系統整體架構示意圖

2 冕寧臺新舊場地觀測資料對比分析

2.1 新舊場地地電阻率變化對比分析

由于新場地淺層觀測系統暫時未啟用，故選取冕寧臺深井地電阻率觀測系統2020年1月5日試運行開始至2020年10月24日項目總驗收前夕共計294天的深層地電阻率觀測整點值數據進行分析，并與同期冕寧地震臺舊觀測場址的淺層地電觀測數據進行對比（見圖5）。采用數據相對變化量作為進一步分析觀測數據穩定性的依據（田野，2019）：

式中x0表示初始值，xi表示觀測變化值，R定量描述了觀測值相對初始值的相對變化量。

從圖5（左）可以看出冕寧臺舊場地淺層觀測地電阻率數據起伏變化幅度較大，NS向、EW向、NW向測道最大變幅分別為31.09Ω·m、48.10Ω·m和14.74Ω·m，相對變化幅度分別達到了10.49%、18.41%和5.57%。舊場地地處冕寧縣城鄉結合部分，測區觀測環境干擾復雜，淺層地電阻率觀測系統易受降雨天氣、基建、灌溉抽水、金屬管線、游散電流等因素影響有關。冕寧臺新場地井下觀測數據和舊場地淺層數據來說總體變化平穩，NS向、EW向、NW向測道最大變幅分別為2.35Ω·m、5.39Ω·m和2.26Ω·m，相對變化幅度分別為1.16%、2.54%、1.10%。從圖5（右）可以看出，NS、NW向兩個測道數據變化形態基本一致，無大幅度階躍、突跳。EW向測道在2020年6月23日發生異常突跳的原因是當日受雷擊影響，避雷裝置中該測道的氧化鋅閥片被擊穿，產生線路漏電現象所致，又因工作人員原因該故障一直未加以處理，直至2020年9月10日更換主機及避雷器閥片后才得以解決。從圖5（右）中也可看出2020年9月10日后三個測道的深井觀測數據更加平滑穩定，很好的抑制了來自地表的干擾，達到了深井觀測的目的。

2.2 新舊場地觀測數據質量對比分析

選取2020年2月至9月時段內的冕寧臺新場地深井地電阻率觀測數據和舊場地淺層地電阻率觀測數據的連續率、完整率、月精度進行對比分析（見表3），數據連續率反映了觀測系統的運行狀態；數據完整率反映了觀測數據的連續性；數據月精度反映了當月觀測數據內在噪聲水平，其計算公式為（張磊，2015）：

式中L為測道數，D為當月天數，N為1天中整點值觀測數據個數，（σn）jik和（ρs）jik分別表示當月第i天、第j時、第k個測道的觀測數據的均方差和地電阻率測值。

圖5 冕寧臺深井新舊場地地電阻率整點值和相對變化量R曲線

由表3可知自2020年2月至9月，冕寧臺新場地深井地電阻率觀測系統產出數據的連續率除6月份為96.76%外，其余七個月的連續率均高于地電阻率觀測評估指標要求的98%，平均連續率達到了99.46%；同樣地，數據的完整率除6月份為95.43%外，其余七個月的完整率均高于評估指標要求的96%，平均完整率達到了98.95%。6月份觀測系統受降雨和雷擊影響較大，造成主機故障次數較多，依據學科規范在預處理時刪除突跳數據也較多，造成數據連續率和完整率均有所下滑。另外，新場地深井地電阻率觀測系統在統計時段內的平均觀測精度僅為0.016%，遠小于評估指標要求的0.3%。從表3還可以看出，冕寧臺新場地深井地電阻率觀測數據的連續率、完整率、月精度均高于舊場地淺層觀測資料，說明深埋電極和電纜能夠有效減輕自然環境、觀測環境等因素的干擾，從而提升觀測效能。

表3 冕寧地電阻率觀測數據質量對比

3 冕寧臺新場地典型干擾分析

3.1 觀測系統故障干擾

地電阻率觀測系統包括裝置（電極、內外線路、避雷裝置等）、測量（主機、供配電系統、數據傳輸等）、檢定三個部分（孫昱，2019），冕寧臺新場地深井地電阻率觀測系統在試運行期間干擾主要是主機故障、線路漏電和避雷裝置損壞。以2020年6月21日至7月1日期間為例，該時段內冕寧地區連續多日暴雨黃色預警，冕寧臺新場地深井觀測系統受雷電影響各測道數據變化較大（見圖6），6月23日暴雷引起地電阻率和自然電位數據產生階躍，地電阻率NS和NW向數據變化幅度分別為0.89%和0.91%，雷電過后恢復正常，EW向地電阻率數據受避雷閥片擊穿后線路漏電影響，數據階躍1.52%。6月27日0時至19時同樣受雷電影響，主機斷電故障造成缺測，20時重啟儀器后數據恢復正常。為減少觀測系統故障，冕寧臺工作人員于9月初重新更換了主機并對避雷裝置進行了修復，同時全面巡檢了內外線路，此后數據質量和穩定性得到了有效提高。

圖6 冕寧臺深井地電阻率觀測受觀測系統故障干擾

3.2 觀測環境干擾

2020年2月至7月期間，冕寧臺新場地深井觀測系統NS向和NW向自然電位不定時出現大幅度突跳（見圖7），對應該時段的電阻率和均方差并沒有明顯變化（見圖5），而EW向自然電位也無顯著變化，由此推斷儀器系統工作正常，應該是觀測場地周邊環境存在干擾源，通過摸排發現該時段內靠近B1和A4電極的區域正在進行電焊和土建施工，為測區不定時受基建高壓直流電焊干擾引起數據突跳，此后各測項自然電位數據隨著施工的結束而逐漸恢復正常，8月份起當地開始收割煙葉，在中心O點處附近有房屋施工和電焊活動，引起了各測項自然電位數據小幅度突跳，但整體屬于正常觀測范圍。

3.3 自然環境干擾

對2020年1月5日至10月24日期間的冕寧臺深井地電阻率整點值觀測數據采用局部加權線性回歸方法（汪凱翔等，2020）擬合出變化趨勢（見圖8）?？梢钥闯龅仉娮杪视^測數據變化趨勢曲線呈現出一定的年變特征，變化幅度小于1%，結合該時段內降雨量數據，推測這是由于冕寧1月初至6月初為旱季，該時段內地下水位總體平穩，所以地電阻率測值變化也相對穩定；6月中旬至10月初為冕寧雨季，該時段內降雨致地下水位上升，所以地電阻率測值逐步下滑至最低值，從10月中旬開始再次進入旱季，推測該時段內地下水位開始下降，導致地電阻率測值開始逐步回升，但由于觀測時段的限制，冕寧深井地電觀測數據年變規律還有待進一步觀察。

圖7 冕寧臺深井觀測系統受觀測環境干擾

圖8 冕寧臺深井觀測地電阻率擬合變化趨勢與降雨量對比

4 結論與討論

通過梳理四川冕寧地電臺觀測系統建設在場地勘選、布極設計、施工建設、配套設備、系統架構等方面的要點，并將試運行期間產出的深井地電阻率觀測數據與冕寧臺舊場地淺層地電阻率數據進行了對比分析，初步得出以下結論：冕寧深井地電觀測相比于舊場地淺層觀測在數據質量上更高，整點值曲線變化幅度更平穩，總體上達到了深井觀測目的；冕寧井下地電阻率觀測數據在6月至9月期間易受雷擊影響而不穩，主要原因在于儀器主機易受雷擊干擾使得數據發生突跳、階躍、缺記等；冕寧井下地電阻率測值年變幅度小于1%，初步判斷年變規律與季節性降雨有關，但由于觀測時間較短，還需進一步觀察。