地震地電場前兆觀測新方法

李桂清　杜喜超　孫新才　張帆

摘 要：依據(jù)深井（井下）電極垂向地電場觀測技術思路，本文提出了利用深井鋼管做電極開展垂向地電場觀測的新方法，開辟了地震地電場前兆觀測的新途徑。地震臺可利用深井擺測震井、地下流體觀測井等現(xiàn)有的深井鋼管條件，增加地電場地震前兆觀測項目，同時不需要太大的投資。在臺站具備深井條件時，該方法易于推廣和應用，效果良好。

關鍵詞：地震前兆;地電場;觀測新方法;深井鋼管電極

中圖分類號：P315.722文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2021）11-0134-04

A New Method of Precursor Observation of Seismic Geoelectric Field

—The observation Method of Deep Well Steel Pipe Electrode Geoelectric Field

LI Guiqing1 DU Xichao2 SUN Xincai2 ZHANG Fan2

（1. Puyang Seismic Station，Puyang Henan 457000;2. Qingfeng County Seismic Station，Puyang Henan 457300）

Abstract： According to the technical idea of deep well （downhole） electrode vertical geoelectric field observation， this paper proposed a new method of using deep well steel pipe as electrode to carry out vertical geoelectric field observation， which opened up a new way of seismic geoelectric field observation. Seismic stations can use existing deep well steel pipe conditions such as deep pendulum seismic logging wells and underground fluid observation wells to increase geoelectric field seismic precursor observation projects without requiring too much investment. When the station has deep well conditions， this method is easy to popularize and apply， and the effect is good.

Keywords： earthquake precursor;geoelectric field;new observation method;deep well steel pipe electrode

長期的科學觀測已充分表明，每一次地震前后尤其是發(fā)震過程中都存在電磁異常現(xiàn)象。這些異常不僅包括電磁波、地電場、地電流以及對應的大氣電場的異常變化，也包括地光、地聲、地熱、紅外輻射、地形變以及狂風暴雨之類的氣象異常。多數(shù)地震學家把這樣的電磁異常視為地震的伴生現(xiàn)象，即地下巖石破裂產(chǎn)生壓電效應，并做了許多試驗來證實這樣的觀點。而地電觀測有助于取得前兆異常信息，以便開展地震預測[1-4]。

地電場是重要的地球物理場之一，是地電學科研究的重要對象。在地震預測預報的多路探索中，地電學方法是比較成熟的地震前兆觀測方法之一，這也是地震前兆觀測的重要組成部分，在地震預報中發(fā)揮著重要作用。

國際上，希臘、法國、日本等多個國家已經(jīng)開展了地電場觀測工作，獲得了一系列與地震活動有關的地電場數(shù)據(jù)。我國地電場觀測始于1966年邢臺地震之后，先后經(jīng)歷了大地電流場模擬觀測、自然電場模擬觀測和數(shù)字化地電場觀測等階段，目前已經(jīng)建成100多個臺站組成的數(shù)字化地電場觀測網(wǎng)，基本覆蓋我國主要活動構造帶、地震重點監(jiān)視區(qū)和經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)。經(jīng)過50多年的國內(nèi)外觀測實踐，地電場觀測方法已經(jīng)基本成熟，在地球科學研究和地震監(jiān)測預測活動中發(fā)揮著重要作用。

據(jù)統(tǒng)計，全國地電學（地電阻率、地電場）觀測臺站、測項共有150余臺項，臺項數(shù)量較少，與地下流體724臺項、形變700余臺項相比，具有較大差別（地磁臺站也有207臺項）。河南省前兆觀測臺網(wǎng)也是如此情況，有5個地電臺項、30個流體臺項、57個形變臺項和8個地磁臺項。因此，應加強地電學前兆觀測臺站建設，提高地電學前兆地震監(jiān)測能力，從而有效提高地震預測預報水平。

然而，隨著國民經(jīng)濟的快速發(fā)展，特別是隨著城市化建設及各種電氣化基礎設施的建設，各類電磁環(huán)境干擾因素對現(xiàn)行地電場觀測（多方向、多極距地表水平方向觀測）的影響日益增強，這給地電場觀測場地選擇、臺站建設及從地電場觀測數(shù)據(jù)中提取有用的地震前兆信息增加了較大的難度[5-9]。因干擾影響，有的臺站觀測數(shù)據(jù)無法使用，失去了觀測的意義。

目前，地震預報還是一個世界性難題。要想解決地震預報這個難題，首先必須打牢地震前兆觀測這個基礎。但是，隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，地震前兆觀測受到越來越嚴重的干擾影響。為更好地獲取地震前兆異常信息，要開拓新思路，研究開發(fā)地震前兆觀測新方法、新技術，不斷提高地震監(jiān)測預報水平。

為了排除各類電磁環(huán)境對地電場前兆觀測的干擾影響，有些臺站開展了井下電極地電場觀測[10-11]，電極深度介于幾十米到幾百米，取得了較好的觀測效果。井下電極地電場觀測方法需要打多口電極井，費用高，不易推廣。王蘭煒等開展了井下電極垂直地電場觀測試驗[12-13]，該方法使用1口井就可開展地電場前兆觀測工作，降低了打井費用，可有效排除電磁干擾影響，開創(chuàng)了地電場觀測新思路。依據(jù)井下電極垂向地電場觀測技術思路，李桂清等開發(fā)了深井鋼管做電極進行垂向地電場觀測的方法，取得了較好的觀測效果，開辟了地電場觀測新途徑[14-17]。

深井鋼管做電極開展垂向地電場觀測的方法可利用地震臺深井擺測震井、地下流體觀測井等現(xiàn)有井孔條件開展地電場觀測工作。該方法充分利用了現(xiàn)有臺站原有的條件，開辟了地電場觀測新途徑。河南省濮陽市地震臺、清豐縣地震臺、開封地震臺等試驗觀測結果表明，深井鋼管電極垂向地電場（自然電位）觀測方法具有較好的震兆效果。現(xiàn)有地震臺應充分利用深井鋼管這個已有條件，使用深井鋼管做電極在地震臺開展地電場前兆觀測工作。本文對深井鋼管做電極開展垂向地電場觀測的方法做了介紹，對觀測試驗結果進行了分析。

1 基本原理

深井鋼管電極垂向地電場（自然電位）觀測方法原理如圖1所示。[O]為井管電極。地震臺應有深度大于300 m的鋼管深井，越深越好。井管[O]做測量電極。[A]為開展深井鋼管電極垂向地電場（自然電位）觀測需要安裝的輔助電極。人們可以埋設專用電極或埋設鋼管，深度為5～10 m。[A]距[O]的大小可保持在10～200 m。試驗結果顯示，10～200 m的距離內(nèi)，[A]在不同位置時的測量結果是一致的[16]。

若臺站有2個深淺不同的井管，則可直接使用2個井管作為電極組成測道開展地電場觀測。當臺站只有1個井管時，安裝輔助電極與井管組成測道開展地電場觀測。設井管電極電位為[VO]（mV），輔助電極為[VA]（mV），則垂向地電場觀測結果[EV]為：

2 觀測方法

一是人工模擬觀測，即采用數(shù)字萬用表觀測或無紙記錄儀觀測。二是數(shù)字化觀測，即使用帶IP地址的數(shù)據(jù)采集器觀測或使用地電場專用儀器觀測。

3 方法特點

深井電極垂向地電場觀測方法是地震前兆觀測的新方法，實現(xiàn)了觀測方法的創(chuàng)新應用，開辟了地電場地震前兆觀測的新途徑。該方法充分利用地震臺站現(xiàn)有條件，增加了新的觀測項目而不增加新的大規(guī)模投資;井管與電極的距離可保持在10 m左右，大大縮小了觀測場地范圍，便于地震臺觀測場地的選擇和地電場觀測項目建設;兩電極距離近，處于同一場地環(huán)境中，可有效排除地表電磁干擾影響;測量電極深度大（越深越好），易于獲取地下地震地電場信息，具有較好的地震前兆觀測效果，有效提高了地震短臨預報水平;該方法在具備深井條件的臺站中易于推廣應用，地震臺可利用深井擺測震井、地下流體觀測井井管開展深井鋼管電極垂向地電場觀測工作，實現(xiàn)了一井多用、綜合觀測的目的。

4 震例分析

4.1 濮陽市地震臺觀測試驗

濮陽市地震臺有兩口鋼管井，1號井深度為500 m，2號井深度為250 m，兩井相距約10 m。人們重點開展水位、水溫、深井擺測震等觀測項目，將兩口井的鋼管作為兩個電極，按照上述深井鋼管電極垂向地電場觀測方法，把兩個不同深度的井管組成一組觀測電極，開展地電場前兆觀測。2014年8月1日開展地電場觀測以來，地電場觀測資料異常與周圍200 km范圍2.0級以上地震有較好的對應關系。2014年地電場觀測資料異常與地震的對應關系分析結果如表1所示。

2015年以后的觀測資料分析從略。由表1分析結果及震例統(tǒng)計可知，濮陽臺地電場觀測資料異常特征有四點。一是異常起始時間。異常開始至發(fā)震的天數(shù)為13～52 d，平均為23 d。二是異常幅度。觀測值升高為異常變化，異常幅度介于10%～74%。異常幅度大，異常易于識別。三是異常對應率。根據(jù)地震發(fā)生情況，經(jīng)計算，異常對應率為80%。四是地震發(fā)生時間。地震一般在異常高值回落過程中或恢復正常后發(fā)震。

4.2 開封臺地電場觀測試驗

開封市地震臺位于開封城墻西北角，北距東京大道150 m，西臨西關北街路，占地面積為3 300 m2，東西接近70 m，南北約有50 m。臺站有兩口鋼管井，觀測井（深井擺測震井）深度為300 m，飲水井深度為150 m，兩井相距約50 m。人們將兩口井的鋼管作為兩個電極，開展地震地電場前兆觀測。開封臺2019年3月13日開展地電場觀測。開封臺地電場觀測資料異常與地震的對應關系分析結果如表2所示。

需要注意的是，2019年3月27日18：00開始，河南寶豐地電位繼續(xù)升高;3月28日至4月7日，河北臨漳地電位有一高值過程，但未發(fā)生2.0級以上地震;山西襄垣地電位在升高過程中跳動，11日23時最高電位為-0.030 2 mV，11日20：00最低電位為-0.033 0 mV;從河北磁縣、河南襄城、山東菏澤來看，8月30日開始，地電位升高，8月10日19：00至17日22：00為高值時段，8月20日08：00又開始突升，此時至22日形成高值時段，8月31日15：00出現(xiàn)突升，至9月9日斷記，地電位仍在高值階段，達-0.033 0 mV，其一直處于高值異常階段，形成了3個高值異常點，對應了3次地震。

根據(jù)表2分析結果，開封臺地電場異常變化有如下特征。一是異常起始時間。由表2可知，異常開始至發(fā)震的天數(shù)為7～40 d，平均為20 d。二是異常幅度。觀測值升高為異常，異常幅度介于3%～10%。異常幅度大，異常易于識別。三是異常對應率。根據(jù)地震發(fā)生情況，經(jīng)計算，異常對應率為79%。四是地震發(fā)生時間。地震一般在異常高值回落過程中或恢復正常后發(fā)生。開封臺地電場異常變化特征與濮陽臺相一致。

5 結論

深井鋼管電極地電場觀測方法是地電場地震前兆觀測的新方法，可使用地震觀測井井管做電極開展地電場觀測，充分利用地震觀測井原有條件并增加新的觀測項目，實現(xiàn)了一井多用、綜合運用的目的。深井井管深度大，更有利于獲得地下地震信息，觀測效果好。觀測井占地面積小，井管電極體積大，有效地排除了地表電磁干擾。該方法解決了現(xiàn)行地電場觀測方法場地選擇困難、干擾嚴重等問題，在地震臺站具備深井的條件下易于推廣和應用。

參考文獻：

[1]中國地震局監(jiān)測預報司.地震電磁學理論基礎與觀測技術（試用本）[M].北京：地震出版社，2010：81.

[2]田山，張磊，王建國，等.汶川、玉樹大地震前的地電場異常[J].地球物理學進展，2012（3）：878-887.

[3]李桂青，劉兆友.濮陽臺電磁波異常與地震活動關系的研究[J].河南科學，2000（2）：206-209.

[4]仇勇海，劉春生，戴前偉.自然電場法預測地震[M].長沙：中南大學出版社，2008：10.

[5]郭建芳，周劍青，佟鑫，等.地電場觀測中的干擾因素分析[J].華北地震科學，2011（4）：38-43.

[6]林向東，徐平，魯躍.地電場觀測中幾種常見干擾[J].華北地震科學，2007（3）：16-22.

[7]王峰，李偉，卜玉菲，等.南京地震臺地電場觀測干擾分析[J].高原地震，2014（3）：47-51.

[8]史紅軍.地電場觀測過程中的干擾因素分析[J].東北地震研究，2009（2）：51-57.

[9]李桂清，厲天琴，彭淑麗，等.濮陽臺地電波觀測的干擾因素分析[J].高原地震，2004（3）：69-70.

[10]楊興悅，楊立明，康云生，等.天水地震臺井下地電觀測系統(tǒng)介紹及其分析[J].地震研究，2012（1）：92-97.

[11]許忠祥，安張輝，于華，等.海安臺井下與地表地電觀測對比實驗研究[J].地球物理學進展，2014（4）：1588-1596.

[12]王蘭煒，張世中，康云生，等.垂直電場觀測試驗及數(shù)據(jù)初步分析[J].地震學報，2011（7）：461-470.

[13]顏蕊，王蘭煒，張世中，等.甘肅天祝地區(qū)垂直地電場觀測數(shù)據(jù)分析[J].大地測量與地球動力學，2013（4）：39-43.

[14]李桂清，杜喜超，陳繼闊，等.地震地電學前兆深井立體綜合觀測技術思路[J].四川地震，2015（4）：29-31.

[15]李桂清，李紅梅.地震地電場前兆觀測方法創(chuàng)新及應用：深井（鋼管）電極地電場前兆觀測方法及地震預測預報實踐[J].科技創(chuàng)新與應用，2017（28）：30-32.

[16]李桂清，何躍，李紅梅，等.地震地電場前兆觀測方法創(chuàng)新及應用：深井電極垂向地電場觀測方法及應用[J].山西地震，2018（2）：48-52.

[17]張帆，李桂清，孫新才.地震地電場前兆觀測方法創(chuàng)新與應用：河南范縣豫01井鋼管電極垂向地電場觀測資料異常與地震的關系[J].科技創(chuàng)新與應用，2020（23）：39-41.