江油地震臺地電觀測場地勘選及觀測質量評估

劉華姣，何思源，李雪浩，魏嘉熙，呂 茜，丁 勇

(1.四川省地震局成都地震監測中心站,四川 成都 611730；2.成都理工大學，四川 成都 610059;3.四川省地震局江油地震臺，四川 江油 621700)

0 引言

江油市位于強震多發區，屬全國地震重點監視防御區。近年來，隨著國民經濟的發展和城市建設規模的擴大，原位于江油市德勝村的江油地震臺(以下簡稱江油臺)觀測環境受到不同程度的破壞。2012年，該臺因受江油市修建S205線繞城公路的影響，決定搬遷至位于龍門山中北段的江油市八一鄉，新建地電阻率、地電場等觀測手段，項目的建設對加強四川地區地震前兆觀測具有重要作用。勘選觀測場地是地電項目建設的重要環節，地電觀測數據質量的好壞將直接影響地震預測的準確性。通過電測深、非工頻和工頻干擾3項測試，分析江油臺新建地電觀測項目所具備的條件，并對地電觀測數據質量進行評估，為更好地開展地電觀測夯實基礎，加強地電觀測數據在地震分析預報中的應用。

1 臺址概況

江油臺位于龍門山中北段江油前山斷裂帶構造附近，屬北東向構造體系，構造線走向為北東45°～50°。場地屬剝蝕構造丘陵地貌，地形坡度在20°左右，丘頂較平緩，多呈渾圓狀、臺地狀。場地基巖由上侏羅統紫灰色砂巖、黃棕色巖屑石英砂巖、棕紅色粉砂巖與泥巖層等組成的互層，表現為傾向北西的單斜層。該區域地勢相對較高且平坦，無大型深溝和陡峭山丘，周邊為農田，測區內除一蝦魚塘抽水、蓄水干擾外(見圖1)，無工業生產、城市交通軌道等干擾，觀測環境較好。

圖1 地電場布極示意圖

2 電測深測試

根據地電觀測技術規范要求[1]，對江油八一地震臺地電阻率觀測場地地下介質的電性結構分布情況進行勘探。

2.1 測試方法

采用對稱四極裝置進行電測深測試，采取視電阻率十字測深剖面法，布設NS和EW向2條十字電測深測線，NS和EW測線上供電測深點上均布置實測15個極距，最大供電極距AB/2為750 m，最小供電極距AB/2為1.5 m，對應的最大測量電極距MN/2為70 m，最小測量電極距MN/2為0.5 m。測量儀器使用WDFZ-5大功率機電測量系統，測量電極使用無水硫酸銅不極化電極，測量前對儀器穩定性、精度、電極極差等各項性能指標進行測試檢查。在測量過程中出現的異常點、可疑點均改變電流，重復觀測。

2.2 電測深結果及分析

由NS向電測深視電阻率曲線可見(見圖2)，隨著極距(AB/2從1.5～750 m)的變化，視電阻率值由15～56( Ω·m)，且基本呈線性遞增，未出現明顯的高、低電阻率層位；由EW向電測深視電阻率曲線可見(見圖3)，除小極距(對應近地表)處，該測深點位于(干)水田邊緣的斜坡上，視電阻率略有偏大，其余部分隨著極距的變化，視電阻率值由15～55(Ω·m)，也基本呈線性遞增變化，未出現明顯的高、低電阻率層位。

圖2 NS向電測深點視電阻率曲線圖

圖3 EW向電測深點視電阻率曲線圖

2.3 電測深資料反演及分析

為定量分析兩個測深點下的電性分布，在目前對單個測深點不利于進行直接反演的情況下，采用二維有限單元法模擬技術，分別對兩個測深點進行數值模擬計算，結果如圖4、圖5所示。

圖4 NS向供電測深點模擬結果

圖5 EW向供電測深點模擬結果

用式(1)統計模擬精度:

(1)

經數據統計分析得到南北向視電阻率的均方誤差為±0.93 (Ω·m)，東西向為±0.91 (Ω·m)。南北、東西兩條線視電阻率均方根誤差的絕對值均小于1 (Ω·m)，擬合精度較高，實現最佳擬合。從實測值與擬合模型電阻率值的符合度可看出，此次測量精度高；測深點下方的電性比較均勻，在極距控制(300 m左右)深度內，無明顯高、低電阻率層。

根據模擬結果及現場的具體地質情況，對2條電測深曲線做初步地質分析。推斷NS向測線0～1.5 m處是淤泥土，1.5～7.5 m為泥頁巖，7.5～170 m為粉砂質泥土，170 m以上為泥質粉砂巖；EW向測線0～2.0 m處是泥土，2.0～7.5 m為泥頁巖，7.5～170 m為粉砂質泥巖，170 m以上為泥質粉砂巖。觀測區巖性為電性結構基本相同的泥土、泥頁巖、粉砂質泥巖、泥質粉砂巖層，電阻率變化小，無明顯的高、低電阻率層。測深點附近地下介質橫向電阻率較均勻，縱向電阻率變化小，該場地符合地電阻率、地電場觀測的電性結構要求。

3 電磁干擾測試

根據DB/T 18.2-2006地震臺站建設規范(地電臺站)中電磁干擾源對地電場觀測環境影響的測試方法[2]，對江油臺地電待建場地進行工頻及非工頻干擾測試。測試設備由測量電極和主機兩部分構成，主機置于農家院房內，外場地位于江油市八一鄉農田內，測量外線呈L型布設(見第29頁圖6)。其中，NS長極距150 m，EW長極距150 m，NW長極距212 m，NS短極距100 m，EW短極距100 m，NW短極距141 m，鋪設方式采用地面鋪設。

圖6 測量外線布極圖

3.1 非工頻干擾測試

地電場非工頻測試對象是大地自然電場及人為干擾電場，通過連續72 h的觀測查找有規律的干擾，計算干擾幅度，確定該場地是否符合大地電場的觀測條件。非工頻干擾測試設備采用北京陸洋科技開發公司生產的ZD9A-Ⅱ地電場儀，測量電極采用不極化電極。N、S電極的測量線與地電場儀ZD9A的CH1通道連接，E、W電極的測量線與CH2通道連接，連續觀測約72 h。正常信號平均值為E0，干擾數據為Ee= E0±3σn-1，干擾值為：

Ed=Ee-E0

通過對江油臺新觀測場地非工頻電磁干擾背景測試數據的分析，該場地的地電場日變化較清晰，無明顯高頻干擾，最大干擾信號Ed為309.51 mV/km，干擾值超過0.5 mV/km的允許值，但不符合“每天或每小時2個測向均定時出現”的規定，認為不是干擾，是偶然事件所致。因此，該場地符合規定的地電場、地電阻率臺站建設的電磁環境要求[3](見表1)。

表1 地電場非工頻干擾數據表

3.2 工頻干擾測試

工頻測試對象是人為干擾電場，通過連續72 h的觀測查找有規律的干擾，計算干擾幅度，確定該場地是否符合大地電場的觀測條件。工頻干擾測試設備采用美國泰克(Tektronix)TDS-1012C型示波器。將示波器通道CH1、CH2分別與測量極N、S連接，示波器置于CH1-CH2的工作方式(2通道相減)。測試結果表明，在觀測時段內未發現工頻干擾信號，干擾信號峰值的平均強度Eind小于1 250 mV/km，最大工頻干擾幅度符合《地震臺站觀測環境技術要求》的規定。

4 觀測質量評估

江油臺地電觀測分地電場和地電阻率2套觀測系統，均于2016年1月1日正式運行，至今已積累4年的連續觀測資料,長時間的連續觀測有助于客觀評估觀測質量。

4.1 質量評估方法

用于地電場觀測質量評估的參數主要有連續率、完整率、相關系數和差值等，用于地電阻率觀測質量評估的參數主要有連續率、完整率和精度等。

4.1.1 連續率和完整率

觀測資料的連續率和完整率是評價觀測資料質量的主要參數之一，連續率和完整率越接近1，觀測質量越高，其計算方法如下：

(1)

4.1.2 相關系數和差值

相關系數和差值可用于評價地電場觀測資料的質量，在同一地區，自然電場部分基本穩定，因此，同一測向長、短極距觀測的數據變化規律應當接近。若變化趨勢一致，說明數據可信度較高；反之，需要考慮觀測系統工作是否正常，測區內是否存在干擾等。相關系數越接近1，差值越小，同一測向長、短極距的觀測數據越一致，觀測數據越穩定。

相關系數的計算方法如式(2)：

(2)

差值的計算方法如式(3)：

(3)

4.1.3 精度

電阻率觀測精度是所測電阻率準確程度的量度，由系統誤差和偶然誤差組成。系統誤差主要是測量儀器和某種人為因素引起的誤差，可通過定期的儀器標定來衡量，也可通過改進儀器性能等措施加以克服；偶然誤差是多種因素的綜合作用使觀測值產生某些變化，出現測量值在均值附近波動，其大小用均方根誤差來表示。相對均方根誤差Kσ由下式(4)計算而來：

(4)

精度值越小，電阻率準確程度越高，越能識別地電阻率異常。若可靠識別出不低于1%的地電阻率異常，則達到國家基本地電臺網觀測精度質量標準。

4.2 地電場觀測質量評估

對江油臺地電場數據的年平均連續率、完整率、相關系數和差值進行統計(見表2)。結果顯示，2016至2020年連續率均在99%以上，完整率均在97%以上。表明，連續率、完整率均較高；差值在0.4 (mV·km-1)以內。總體來說，江油臺地電場觀測系統運行穩定，觀測質量較好。

表2 地電場連續率、完整率、相關系數及差值年均值統計表

地電場三測道相關系數關系為NS向高于EW向，EW向高于NW向，這與地下介質及觀測場地環境有關。NS向2016至2019年相關系數在0.90～0.95之間，相關系數較高，變幅不大，較為穩定;EW及NW向相關系數在2018年突降。由日相關系數曲線圖看出(見圖7)，EW、NW向于2018年1月27日起呈起伏下降，8月降至歷史最低。經排查，EW測道A1至A2電極附近，在2018年1月27日有蝦魚塘圍欄的彩鋼板進場，28日正式施工。該蝦魚塘的施工及其投入使用后的蓄水放水，可能引起EW及NW向相關系數的降低。

圖7 地電場日相關系數曲線圖

4.3 地電阻率觀測質量評估

對地電阻率數據的年平均連續率、完整率及觀測精度進行統計(見第31頁表3)。結果顯示，地電阻率NS、EW向連續率及完整率2016至2019年均在99%以上，觀測系統運行穩定，觀測數據連續。2016至2019年兩測道觀測精度值均小于0.06%，精度高，達到國家基本地電臺網精度質量標準[4]，能夠可靠識別不低于1%的地電阻率異常。

表3 地電阻率連續率、完整率、精度年均值統計表

4.4 觀測數據分析

江油臺地電場靜日(2016年6月3日)分鐘值日變化形態曲線如第31頁圖8所示，NS、EW、NW三測向數據均有明顯的日變形態——雙峰單谷。NS、EW測道極小值均出現在北京時間14時左右; NW測道日變形態極小值出現在北京時間12時左右。三個測向的日變形態稍有區別，但是整體的趨勢基本保持一致，各測向的日變幅不大，一般在0.5 mV/km左右。說明江油臺地電場無明顯月變、年變規律。

圖8 地電場日變化曲線

地電阻率小時值觀測數據變化較穩定，變幅較小，NS測道觀測數據在57.7至58.6 (Ω·m)之間變化，EW測道觀測數據在55.6至57.0 (Ω·m)之間變化(除去環境干擾產生的突跳)。NS、EW 兩測道觀測數據均具有清晰的年變形態，呈夏低冬高的年變規律(見圖9)。地電阻率與該臺記錄的降雨量對比發現，NS、EW 測道觀測數據與降雨呈負相關，表明地電阻率導電與地下介質孔隙中含水量有關。

圖9 地電阻率年變化曲線

5 結論與討論

通過以上研究，可得出如下結論：

(1) 按地電臺站建設規范規定方法，對江油臺地電阻率、地電場觀測場地進行十字電測深野外測試和分析。可得出，觀測場地的縱向電性變化小，橫向電性均勻，且電測深曲線反演解釋與定性解釋吻合。該臺新地電觀測場地符合地電阻率、地電場觀測臺站臺址電性條件的技術要求。

(2) 對地電阻率、地電場觀測場地進行工頻干擾和非工頻干擾2項測試。根據測試數據的分析和干擾數據統計，該場地的地電場日變化清晰，工頻干擾平均強度Eind的最大值小于1 250 mV/km，非工頻最大干擾信號Ed超過0.5 mV/km的允許值，不符合“每天或每小時2個測向均定時出現”的規定，認為是偶然事件所致,非干擾。該臺地電新觀測場地符合地電阻率、地電場觀測的工頻、非工頻干擾背景要求[3]。

(3) 對地電觀測質量進行評估，地電場連續率、完整率較高，差值較小，相關系數因EW測向A1、A2電極附近蝦魚塘的施工和使用，在2018至2019年EW、NW測向相關系數降低；地電阻率觀測連續率、完整率高，精度高。地電場靜日變化呈雙峰單谷，地電阻率年變化呈夏低冬高形態。總體來說，江油地電觀測系統運行穩定，各項指標均符合相關技術規范標準[4]，產出數據質量可靠。

根據以上勘選結果分析可認定，該觀測場地適合建設地電觀測項目。觀測系統正式運行后，狀態穩定，能反映觀測場地的客觀變化，觀測質量較好。

感謝成都理工大學地球物理學院江玉樂教授完成并提供電測深資料和四川省地震局顏曉燁老師提供電磁干擾測試資料。