李學(xué)波，賀嘉偉

（寧夏回族自治區(qū)地震局，寧夏 銀川 750001）

0 引言

地電場(chǎng)不僅能夠反映空間電磁場(chǎng)的變化，還能反映與之有關(guān)的地殼和地表的電性結(jié)構(gòu)及其變化。我國(guó)地電場(chǎng)觀測(cè)是在借鑒國(guó)內(nèi)外最新研究進(jìn)展及成果的基礎(chǔ)上發(fā)展的一種觀測(cè)手段。對(duì)地電場(chǎng)各種特性及其包含信息的觀測(cè)和研究，已經(jīng)在地震監(jiān)測(cè)領(lǐng)域得到全面開(kāi)展。

在地電場(chǎng)觀測(cè)中，電極作為觀測(cè)裝置的關(guān)鍵部件，對(duì)整個(gè)觀測(cè)數(shù)據(jù)的采集起決定性的作用。電極的作用是，利用電極的物理、化學(xué)效應(yīng)將地表土壤電位傳遞到金屬導(dǎo)線上，由導(dǎo)線輸送到測(cè)量?jī)x器。由于土壤是離子導(dǎo)電體，金屬導(dǎo)線是電子導(dǎo)電體，若金屬導(dǎo)線和土壤直接接觸，則不可避免的出現(xiàn)一個(gè)介于兩種不同導(dǎo)電介質(zhì)之間的界面，在此界面上會(huì)產(chǎn)生極化電位[1]。為了盡可能避免極化電位的產(chǎn)生，國(guó)內(nèi)地電場(chǎng)臺(tái)站普遍采用固體不極化電極作為測(cè)量電極。與傳統(tǒng)鉛電極相比，該電極較為穩(wěn)定，可以在一定程度上避免極化電位的產(chǎn)生，但存在使用壽命短的缺陷，不利于觀測(cè)資料積累。目前，國(guó)內(nèi)對(duì)地電場(chǎng)觀測(cè)電極的研究主要集中在固體不極化電極與鉛電極的對(duì)比、接地電阻、極化電位等方面[2-5]，但對(duì)于延長(zhǎng)電極使用壽命的討論卻很少，可供參考的資料也很少。實(shí)踐證明固體不極化電極的正確埋設(shè)是延長(zhǎng)電極使用壽命的有效手段之一，也是開(kāi)展其它研究的基礎(chǔ)。本文以固原地電場(chǎng)為例，對(duì)比其兩次固體不極化電極的埋設(shè)情況，分析更換電極后觀測(cè)資料質(zhì)量變化和成因，總結(jié)固體不極化電極埋設(shè)時(shí)需要注意的事項(xiàng)。

1 固原地電場(chǎng)觀測(cè)場(chǎng)地概況

固原地電場(chǎng)測(cè)點(diǎn)位于固原市原州區(qū)彭堡鄉(xiāng)，屬于無(wú)人值守，有人看護(hù)臺(tái)站。地形上屬于清水河壓陷型盆地，盆地內(nèi)的次級(jí)地貌主要為清水河沖積平原，測(cè)區(qū)在清水河古沖溝塬面上，地勢(shì)相對(duì)平坦。鉆孔資料顯示，測(cè)區(qū)地層自上而下分別為：0～24.5m為沖洪積砂質(zhì)粘土夾礫塊耕作黃土；24.5～46.7m為砂礫石層；46.7～75.3m為黃土狀粘土與砂質(zhì)粘土互層；75.3～112.7m為砂礫石與砂質(zhì)粘土互層；112.7m以下為泥質(zhì)砂巖。根據(jù)鉆孔資料推斷，第四系厚約100m，其下是第三系。觀測(cè)區(qū)域南偏西約6km是海原斷裂帶，北偏西約5km是清水河斷裂帶。測(cè)區(qū)西南方向約3km是冬至河，常年流水。東北2km有季節(jié)性河流。測(cè)區(qū)地下水深45m。觀測(cè)區(qū)域是河流沖淤形成的平坦農(nóng)田，農(nóng)田屬水澆地，測(cè)區(qū)內(nèi)有灌溉井兩口，其中一口在中心點(diǎn)南偏西約70m，另一口井在中心點(diǎn)北偏西約400m，灌溉時(shí)間主要在四月和十月份。地表灌溉對(duì)觀測(cè)影響較大。

固原地電場(chǎng)采用“L”型布極方式，共有NS、EW和NE三個(gè)方向，每個(gè)方向又分長(zhǎng)、短二種極距, 其中NS、EW向長(zhǎng)極距為300m ,短極距為200m。NE向長(zhǎng)極距為424m, 短極距為282m，線路采用絕緣電纜部分地埋、部分架空的方式。圖1為固原地電場(chǎng)地物圖和觀測(cè)布極圖。

圖1 固原地電場(chǎng)地物圖和布極圖Fig.1 Ground physical map and distribution map of Guyuan Geoelectrical Field

2 兩次更換電極的情況以及資料分析

2.1 2011年和2015年電極更換情況

固原地電場(chǎng)因?yàn)樯?jí)改造在2011年12月進(jìn)行了電極更換工作，所有電極更換為固體不極化電極，埋設(shè)在同一水平面上，使用鉆機(jī)打深為7～14m左右、直徑60cm左右的深孔為極坑，電極埋設(shè)深度如圖2所示。由于電極坑的深度較大，且電極坑的直徑僅有60cm，工作人員無(wú)法下去施工，所以只能把固體不極化電極順著極坑邊慢慢放下去，填土回埋，完成埋設(shè)工作。

圖2 固原地電場(chǎng)2011年電極埋設(shè)深度Fig.2 Buried depth of Guyuan Geoelectrical Field in 2011

2015年10月固原地電場(chǎng)再次更換固體不極化電極，電極坑的深度統(tǒng)一為地表以下3m，人工施工。對(duì)于處在礫石層上的電極坑，采取的處理措施為：挖一直徑1m、深3.5m的坑，在坑內(nèi)鋪1.5m厚的紅泥土并且夯實(shí)，再在紅土上挖深1m、直徑40cm的圓孔，將電極放置在圓孔內(nèi)后填滿細(xì)黃土，然后將圓孔用水灌滿并浸透，圓孔上部再填一層厚約0.5m的紅土并夯實(shí)，最后用挖出的原土將整個(gè)電極坑填平夯實(shí)。紅土具有較好的保水性，這樣處理后，既能保證電極不會(huì)處在干燥環(huán)境下而很快損壞，又能保證電極與大地之間有充分的接觸。對(duì)于處于黃土層的電極坑，處理措施類(lèi)似，但不再換土，原土回填即可。由于極坑采用人工開(kāi)挖，所以每一個(gè)電極埋設(shè)時(shí)，工作人員均能在極坑內(nèi)實(shí)施操作，從而保證了電極埋設(shè)規(guī)范合理。所有電極埋設(shè)完成后，通過(guò)空氣開(kāi)關(guān)將電極連接線與外線路連接起來(lái)，至此完成整個(gè)電極更換工作。

2.2 更換電極后的觀測(cè)資料質(zhì)量變化對(duì)比及成因分析

同方向長(zhǎng)、短極距地電場(chǎng)的相關(guān)系數(shù)以及地電場(chǎng)的差值是評(píng)判地電場(chǎng)觀測(cè)資料內(nèi)在質(zhì)量的重要指標(biāo)，相關(guān)系數(shù)可以作為觀測(cè)裝置穩(wěn)定性和觀測(cè)環(huán)境電磁干擾的評(píng)判依據(jù)，相關(guān)系數(shù)越高，代表著長(zhǎng)、短極距數(shù)據(jù)變化幅度、趨勢(shì)相同，數(shù)據(jù)的可靠性越高。月差值是全月日差值的均值，日差值作為評(píng)價(jià)地電場(chǎng)觀測(cè)系統(tǒng)工作穩(wěn)定性的主要依據(jù)，差值越小越好。對(duì)比分析兩次更換固體不極化電極后原始數(shù)據(jù)及其日相關(guān)系數(shù)和月差值，可發(fā)現(xiàn)資料質(zhì)量存在顯著差距。圖3、4分別為2012年和2016年9月中旬的觀測(cè)數(shù)據(jù)，2012年9月長(zhǎng)極距三個(gè)方向的月差值分別為2.187、4.115、3.569，2016年9月長(zhǎng)極距三個(gè)方向的月差值分別為0.255、0.683、0.556，明顯看出2015年更換電極后觀測(cè)數(shù)據(jù)差值小。圖5所示為2012年和2016年9月的全月日相關(guān)系數(shù)，從該圖可見(jiàn)，2016年9月的長(zhǎng)短極距相關(guān)性好，三個(gè)方向的相關(guān)系數(shù)相比2012年9月有明顯的提升。2016年9月與2012年9月的觀測(cè)數(shù)據(jù)相比，差值明顯減小，數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性得到提高，長(zhǎng)、短極距相關(guān)系數(shù)明顯提升，提高了觀測(cè)數(shù)據(jù)的可靠性。

圖3 固原地電場(chǎng)2012年9月10日至20日觀測(cè)數(shù)據(jù)Fig.3 Observation data of Guyuan Geoelectrical Field from September 10 to September 20，2012

圖4 固原地電場(chǎng)2016年9月10日至20日觀測(cè)數(shù)據(jù)Fig.4 Observation data of Guyuan Geoelectrical Field from September 10 to September 20, 2016

通過(guò)以上對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)兩個(gè)時(shí)段數(shù)據(jù)質(zhì)量存在明顯差距，究其原因，可能與電極埋設(shè)時(shí)電極坑的處理好壞有關(guān)。根據(jù)固體不極化電極的制作工藝和自身的特性，其在埋設(shè)到地下后，隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，在缺水的情況下，會(huì)出現(xiàn)電極固體電解液與土壤接觸不良，甚至分離的情況。這種情況下接地電阻變得非常大，同時(shí)電極本身固化造成內(nèi)阻增大，接地電阻的增大和內(nèi)阻的增大這兩種情況都將導(dǎo)致電極不能正常拾取電位。固體不極化電極與土質(zhì)之間是離子—離子導(dǎo)電，所以必須保證電極埋設(shè)在潮濕的環(huán)境中。否則，不僅起不到拾取電位的作用，而且隨著時(shí)間的增長(zhǎng)電極也會(huì)損壞報(bào)廢。為了減少濕度對(duì)電極的影響，電極最好要埋設(shè)于常年潛水位活動(dòng)面下。2011年更換電極的時(shí)間在12月份，北方天氣已經(jīng)變冷，埋設(shè)電極的時(shí)候難免會(huì)有表層的凍土填到電極的位置，不能保證電極與大地可靠接觸；其次，電極坑是鉆機(jī)打的深孔，最深的電極坑有十幾米，電極埋設(shè)時(shí)對(duì)電極位置矯正的手段很少，不能保證電極處于相對(duì)潮濕的環(huán)境里。而2015年更換電極時(shí)對(duì)電極坑進(jìn)行了精細(xì)的處理，固體不極化電極的埋設(shè)環(huán)境能保證相對(duì)的潮濕，也能保證可靠的接地電阻。

圖5 固原地電場(chǎng)2012年9月和2016年9月相關(guān)系數(shù)Fig.5 Correlation coefficient of Guyuan Geoelectrical Field in September， 2012 and September， 2016

圖6 固原地電場(chǎng)2015年3月11日至21日觀測(cè)數(shù)據(jù)Fig.6 Observation data of Guyuan Geoelectrical Field from March 11 to March 21, 2015

2015年更換電極之前用接地電阻測(cè)試儀測(cè)試了幾個(gè)電極的接地電阻（正常工作的固體不極化電極嚴(yán)禁測(cè)試接地電阻），結(jié)果如表1所示，電極a2和b2的接地電阻都超過(guò)了2000Ω，固體不極化電極可能已經(jīng)不能正常拾取電位了。圖6為固原地電場(chǎng)2015年3月11日至21日長(zhǎng)極距和短極距的觀測(cè)數(shù)據(jù)，從圖上可以看出長(zhǎng)極距的觀測(cè)數(shù)據(jù)有日變形態(tài)，清晰的記錄到3月18日的地磁暴，短極距已經(jīng)觀測(cè)不到地電場(chǎng)日變形態(tài)的變化，幾乎記錄不到3月18日的地磁暴。從短極距觀測(cè)數(shù)據(jù)可以看出電極a2和b2已經(jīng)不能正常拾取電位了，記錄不到本應(yīng)該觀測(cè)到的數(shù)據(jù)，也驗(yàn)證了固體不極化電極因?yàn)榻拥仉娮柙龃蟛荒苷Ｊ叭‰娢坏默F(xiàn)象。

表1 電極接地電阻

3 結(jié)論與討論

對(duì)比分析兩次更換電極后的觀測(cè)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)第二次更換電極后數(shù)據(jù)的內(nèi)在質(zhì)量明顯好于第一次。根據(jù)兩次更換電極的情況總結(jié)到下面幾條經(jīng)驗(yàn)，也是埋設(shè)固體不極化電極需要特別注意的地方。

（1）固體不極化電極用PVC管子將穩(wěn)定劑與電極封裝在一起，封裝后的電極與大地的接觸面只有PVC管上面直徑為15cm的圓孔，在埋設(shè)過(guò)程中一定要保證孔里面的穩(wěn)定劑與大地接觸可靠。

（2）為了維持電極固體電解液與土壤充分接觸，須保證固體不極化電極埋設(shè)環(huán)境足夠潮濕。若電極坑處在干燥、多礫石的地方，必須處理極坑，保證電極埋設(shè)的環(huán)境潮濕，且接地可靠，延長(zhǎng)電極的使用壽命。

（3）2011年固原地電場(chǎng)更換電極后資料質(zhì)量不理想，反思其原因，認(rèn)為存在以下兩點(diǎn)：首先，施工時(shí)間在12月份，北方天氣已經(jīng)變冷，埋設(shè)電極的時(shí)候難免會(huì)有表層的凍土填到電極的位置，不能保證電極與大地可靠接觸；其次，電極坑是鉆機(jī)打的深孔，電極埋設(shè)時(shí)對(duì)電極位置矯正的手段很少，不能保證電極處于相對(duì)潮濕的環(huán)境里。所以固體不極化電極埋設(shè)時(shí)電極坑的處理至關(guān)重要，只有經(jīng)過(guò)精細(xì)的處理，才能保證電極的使用壽命和可靠的觀測(cè)資料。本文所總結(jié)的固體不極化電極埋設(shè)注意事項(xiàng)，對(duì)地電場(chǎng)觀測(cè)臺(tái)站開(kāi)展相關(guān)工作具有一定的參考價(jià)值。