地電阻率儀觀測系統故障分析*

郭雷 徐錫泉 楊紅櫻 段昊 樊莎

內蒙古自治區地震局 內蒙古 呼和浩特 010010

引言

我國在1966年邢臺Ms7.2級地震后開始了規模性地震地電阻率監測臺網建設。經過“七五”至“十五”期間的臺網建設，目前已建成運行近90個地電阻率臺站，是國際上唯一有組織的長期堅持大規模、規范化地震地電觀測的國家[1-4]。地電阻率臺網在1976年唐山Ms7.8級地震、1976年松潘—平武 Ms7.2級地震前記錄了中期異常和顯著的短臨異常，對某些地震還進行了中期預報。可見，地電阻率觀測將在今后的地震監測預報中起到重要的作用，也是重點發展的觀測技術。由于對地震的孕育和發生過程以及震中區臺站的地殼結構和介質條件、應力過程等了解甚少，加之目前固定地電阻率臺站的探測深度范圍不大，且影響觀測環境的外界干擾不能完全排除，造成觀測數據有多重復雜性。內蒙古自治區地震局地電阻率觀測歷史悠久，“九五”、“十五”以及“背景場”項目共建設、改造了5個地電阻率臺站，分別是呼和浩特、寶昌、錫林浩特、烏加河、赤峰。總體的觀測運行狀況處于全國區域地電臺網中等水平。

本文對內蒙古地電阻率觀測系統中各種典型故障的判別和維修經驗進行總結分析，準確地排查內蒙古地電阻率觀測系統故障產生的各種問題，提出有效的解決方案，對比分析出儀器數據變化是觀測系統故障還是受干擾產生的。可有效地加強基層地震臺站人員對維護檢修儀器的認識，為使用地震地電阻率觀測資料的人員進行地震分析預報提供必要的參考依據。

1 資料選取及地電阻率觀測系統常見故障分析

本文主要選取寶昌地震臺、錫林浩特地震臺和烏加河地震臺的地電阻率資料為背景，分析判斷故障的原因，并給出排除辦法。

1.1 寶昌臺地電阻率儀觀測系統故障分析

1.1.1 避雷器故障。寶昌臺ZD8M地電儀：2019年10月27日06-15時地電阻率北南向發生故障如圖1，造成數據階變，數據階變最大變幅為0.70(Ω.m)，相對變化率0.57%。地電阻率東西向，均方差兩測向，自然電位差兩測向受影響不明顯。檢查發現避雷箱線路虛接，重新連接線路，維修后數據恢復正常。

圖1 寶昌臺地電阻率觀測曲線（2019年10月26-28日）

1.1.2 穩流電源故障。寶昌臺ZD8M地電儀：2019年11月1日05時－3日04時地電阻率穩流電源儀器發生故障，造成數據突跳，地電阻率兩測向觀測數據最大變幅為0.53Ω.m，相對變化率0.75%；均方差兩測向、自然電位差兩測向均受影響不明顯[5]。對穩流電源電流參數進行調整，由原來2.0A調整到1.8A。調整觀測數據變化恢復正常。

圖2 寶昌臺地電阻率觀測曲線（2019年10月29日－11月6日）

1.1.3 避雷器故障。寶昌臺ZD8M地電儀：2020年6月6日16時－07日09時地電阻率兩測向、自然電位差兩測向數據發生階變，地電阻率兩測向觀測數據最大變幅為4.62Ω.m，相對變化率3.65%；自然電位差兩測向數據最大變幅為7.8mv，相對變化率為58%，均方差兩測向受影響不明顯。檢查發現避雷器故障造成數據階變，故障持續時間為17小時。事后臺站對避雷器進行更換，更換后數據變化恢復正常。

圖3 寶昌臺地電阻率觀測曲線（2020年6月5-8日）

1.2 錫林浩特臺地電阻率儀觀測系統故障分析

圖4 錫林浩特臺地電阻率觀測曲線（2017年5月6-11日）

1.2.1 電極故障。錫林浩特地震臺地電阻率儀：直流單裝置自然電位差觀測北南向于2017年3月08日04時至2017年3月9日08時產生2.0mv的下降變化，其他分量正常。對比同期氣象三要素、地磁數據皆未發現明顯變化（地磁08至10日最大K指數為4）排除了自然環境及地磁擾動影響[6]。對儀器外線路，以及接地電阻與絕緣電阻進行了檢查，檢查結果正常且未發現儀器以及周邊場地環境有任何異常，排除了觀測系統以及周邊場地環境的影響。該測道曾于2017年1月11日05時至2017年1月12日17時發生類似下降變化，變化幅度為1.3mv。綜合判斷，判定此次數據下降為受電極極化影響。2017年至2018年共發生此類情況共8次，數據變化情況相同，綜合判斷均為電極極化影響。

1.2.2 供電線路故障。錫林浩特地震臺地電阻率儀：2021年1月29日00時至20時儀器所有測項均斷記，變化形態為缺數，儀器累計斷記20個小時。排查故障時經與儀器場地看護人員溝通后發現場地附近停電，儀器UPS電量耗盡，聯系本市供電局確認場地供電線路故障。

圖5 錫林浩特臺地電阻率觀測曲線（2021年1月28-30日）

1.3 烏加河臺地電阻率儀觀測系統故障分析

1.3.1 供電系統故障。烏加河臺15005測點J ZD8M地電儀：3月27日18：00-22：00 自然電位東西向18點出現突然下降，自然電位北南向變化1.5mv，自然電位東西向變化28.2mv。18:38地電阻率南北向北端測量極到中心桿之間供電電纜被施工隊挖斷。

圖6 烏加河臺地電阻率觀測曲線（2017年3月26-28日）

2 討論

根據觀測資料分析確定觀測系統故障的性質，首先判斷是裝置系統問題還是測量系統問題，觀測分析主要是分析6道曲線的日變化、日變幅度，共用電極的相關曲線變化形態等逐步縮小故障的可能范圍，盡量判別出問題在哪一部分，可采取替換法排除[7]。

進一步確定故障的位置。例如只有1道曲線變化形態不正常，就可以確定為是觀測儀器問題，2道曲線不正常基本上判斷為是外線路極的問題。

如果判定為裝置系統問題，可通過排查外線、查看接線頭是否氧化、接觸是否牢靠等，采用相應的處理辦法解決[8]。

數字化地震觀測儀器科技含量高，電路較復雜，對于基層地震臺站人員儀器的維護檢修是一個新課題，也是一個不斷探索、不斷積累經驗和不斷創新的過程。本文對陜西省5個地電阻率臺站實際觀測中出現的各類故障進行深入分析，從電極、外線路、觀測儀器等方面總結工作中電阻率觀測系統的各種典型故障及排除方法，包括儀器故障檢測、外線路和電極故障的排查，提出有效的解決方案。重點對地電儀的故障進行總結，提出地電阻率觀測系統建設的優選方案，供大家參考。