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(jiān)測到地殼淺層巖石介質(zhì)的電性結(jié)構(gòu)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(qū)應(yīng)力累積和巖體的膨脹微裂過程，是重要的地震前兆監(jiān)測預(yù)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(huán)境因素干擾，減輕由于淺層晝夜溫差、海水漲落等引發(fā)的地電阻率季節(jié)性變化，更加真實客觀地記錄巖體電性結(jié)構(gòu)變化（高曙德，2016；解滔等，2019），井下地電阻率觀測成為地電學(xué)科主流發(fā)展方向之一，深井地電觀測技術(shù)已在甘肅天水臺（楊興悅等，2012）、甘肅平?jīng)雠_（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(yīng)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(tǒng)于2018年6月開始前期場地勘選，同年9月起進行施工建設(shè)，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(diào)試好儀器并正式投入試運行。該臺為首個架設(shè)在安寧河斷裂中段附近的深井地電觀測系統(tǒng)。本文對冕寧臺深井地電阻率觀測的總體建設(shè)情況、施工技術(shù)要點、觀測設(shè)備及主要性能、設(shè)計安裝施工技術(shù)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(shù)據(jù)進行對比梳理，為進一步提高冕寧深井地電觀測資料的質(zhì)量和同類井下地電觀測建設(shè)項目提供參考。

1 冕寧臺深井地電阻率觀測系統(tǒng)概況

1.1 測區(qū)地理位置及地下巖性結(jié)構(gòu)

冕寧地震臺深井地電阻率觀測系統(tǒng)地處四川省涼山州冕寧縣回坪鄉(xiāng)橫路村，地表為開闊平坦的煙草種植基本農(nóng)田，無明顯地形高差，測區(qū)內(nèi)無較大的強電磁干擾源，農(nóng)業(yè)游散電磁信號的干擾源較小，布極區(qū)及周邊無較大的河流、水渠、積水坑洼，無鐵路、高鐵線路經(jīng)過，布極區(qū)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(cè)約6 km為處于高應(yīng)力積累下閉鎖狀態(tài)的安寧河主斷裂帶中部敏感區(qū)域，下方為NNE向南河隱伏斷裂（見圖1）。根據(jù)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(jù)鉆孔巖芯資料，臺址上覆第四系覆蓋層，表層為粉質(zhì)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(jù)電測深資料，測區(qū)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(jié)構(gòu)為厚380～400 m的砂礫石層、發(fā)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(jié)構(gòu)為花崗巖基底（見圖2）。

圖1 冕寧深井地電觀測系統(tǒng)地理位置圖

圖2 冕寧深井地電觀測系統(tǒng)測區(qū)巖性結(jié)構(gòu)圖

1.2 布極觀測方式及主要設(shè)備性能

冕寧地震臺深井地電阻率觀測系統(tǒng)分為淺層觀測和深層觀測兩部分（淺層觀測預(yù)計于2020年12月啟用），淺層電極敷設(shè)在距地表3.5 m處，深層電極敷設(shè)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(shè)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(yīng)力研究所生產(chǎn)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(tài)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(chǎn)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(tǒng)深層和淺層電極布設(shè)示意圖

表1 冕寧深井地電觀測系統(tǒng)主要儀器設(shè)備性能及參數(shù)

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(shù)見表2。供配電采用市電加UPS模式，市電經(jīng)氧化鋅避雷器、配電箱后接入UPS電源，再輸出到儀器設(shè)備，產(chǎn)出的地電觀測數(shù)據(jù)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(jié)點服務(wù)器，匯集到省局前兆數(shù)據(jù)庫（見圖4）。

表2 冕寧深井地電觀測系統(tǒng)電極接地電阻值及裝置系數(shù)

圖4 冕寧深井地電觀測系統(tǒng)整體架構(gòu)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(tǒng)暫時未啟用，故選取冕寧臺深井地電阻率觀測系統(tǒng)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)進行對比（見圖5）。采用數(shù)據(jù)相對變化量作為進一步分析觀測數(shù)據(jù)穩(wěn)定性的依據(jù)（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(shù)據(jù)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(xiāng)結(jié)合部分，測區(qū)觀測環(huán)境干擾復(fù)雜，淺層地電阻率觀測系統(tǒng)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(guān)。冕寧臺新場地井下觀測數(shù)據(jù)和舊場地淺層數(shù)據(jù)來說總體變化平穩(wěn)，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(shù)據(jù)變化形態(tài)基本一致，無大幅度階躍、突跳。EW向測道在2020年6月23日發(fā)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(chǎn)生線路漏電現(xiàn)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(shù)據(jù)更加平滑穩(wěn)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(shù)據(jù)質(zhì)量對比分析

選取2020年2月至9月時段內(nèi)的冕寧臺新場地深井地電阻率觀測數(shù)據(jù)和舊場地淺層地電阻率觀測數(shù)據(jù)的連續(xù)率、完整率、月精度進行對比分析（見表3），數(shù)據(jù)連續(xù)率反映了觀測系統(tǒng)的運行狀態(tài)；數(shù)據(jù)完整率反映了觀測數(shù)據(jù)的連續(xù)性；數(shù)據(jù)月精度反映了當月觀測數(shù)據(jù)內(nèi)在噪聲水平，其計算公式為（張磊，2015）：

式中L為測道數(shù)，D為當月天數(shù)，N為1天中整點值觀測數(shù)據(jù)個數(shù)，（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(shù)據(jù)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(tǒng)產(chǎn)出數(shù)據(jù)的連續(xù)率除6月份為96.76%外，其余七個月的連續(xù)率均高于地電阻率觀測評估指標要求的98%，平均連續(xù)率達到了99.46%；同樣地，數(shù)據(jù)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(tǒng)受降雨和雷擊影響較大，造成主機故障次數(shù)較多，依據(jù)學(xué)科規(guī)范在預(yù)處理時刪除突跳數(shù)據(jù)也較多，造成數(shù)據(jù)連續(xù)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(tǒng)在統(tǒng)計時段內(nèi)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(shù)據(jù)的連續(xù)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(huán)境、觀測環(huán)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(shù)據(jù)質(zhì)量對比

3 冕寧臺新場地典型干擾分析

3.1 觀測系統(tǒng)故障干擾

地電阻率觀測系統(tǒng)包括裝置（電極、內(nèi)外線路、避雷裝置等）、測量（主機、供配電系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸?shù)龋?、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(tǒng)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(nèi)冕寧地區(qū)連續(xù)多日暴雨黃色預(yù)警，冕寧臺新場地深井觀測系統(tǒng)受雷電影響各測道數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)產(chǎn)生階躍，地電阻率NS和NW向數(shù)據(jù)變化幅度分別為0.89%和0.91%，雷電過后恢復(fù)正常，EW向地電阻率數(shù)據(jù)受避雷閥片擊穿后線路漏電影響，數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)恢復(fù)正常。為減少觀測系統(tǒng)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(fù)，同時全面巡檢了內(nèi)外線路，此后數(shù)據(jù)質(zhì)量和穩(wěn)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(tǒng)故障干擾

3.2 觀測環(huán)境干擾

2020年2月至7月期間，冕寧臺新場地深井觀測系統(tǒng)NS向和NW向自然電位不定時出現(xiàn)大幅度突跳（見圖7），對應(yīng)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(tǒng)工作正常，應(yīng)該是觀測場地周邊環(huán)境存在干擾源，通過摸排發(fā)現(xiàn)該時段內(nèi)靠近B1和A4電極的區(qū)域正在進行電焊和土建施工，為測區(qū)不定時受基建高壓直流電焊干擾引起數(shù)據(jù)突跳，此后各測項自然電位數(shù)據(jù)隨著施工的結(jié)束而逐漸恢復(fù)正常，8月份起當?shù)亻_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(shù)據(jù)小幅度突跳，但整體屬于正常觀測范圍。

3.3 自然環(huán)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(shù)據(jù)采用局部加權(quán)線性回歸方法（汪凱翔等，2020）擬合出變化趨勢（見圖8）。可以看出地電阻率觀測數(shù)據(jù)變化趨勢曲線呈現(xiàn)出一定的年變特征，變化幅度小于1%，結(jié)合該時段內(nèi)降雨量數(shù)據(jù)，推測這是由于冕寧1月初至6月初為旱季，該時段內(nèi)地下水位總體平穩(wěn)，所以地電阻率測值變化也相對穩(wěn)定；6月中旬至10月初為冕寧雨季，該時段內(nèi)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(nèi)地下水位開始下降，導(dǎo)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(shù)據(jù)年變規(guī)律還有待進一步觀察。

圖7 冕寧臺深井觀測系統(tǒng)受觀測環(huán)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(jié)論與討論

通過梳理四川冕寧地電臺觀測系統(tǒng)建設(shè)在場地勘選、布極設(shè)計、施工建設(shè)、配套設(shè)備、系統(tǒng)架構(gòu)等方面的要點，并將試運行期間產(chǎn)出的深井地電阻率觀測數(shù)據(jù)與冕寧臺舊場地淺層地電阻率數(shù)據(jù)進行了對比分析，初步得出以下結(jié)論：冕寧深井地電觀測相比于舊場地淺層觀測在數(shù)據(jù)質(zhì)量上更高，整點值曲線變化幅度更平穩(wěn)，總體上達到了深井觀測目的；冕寧井下地電阻率觀測數(shù)據(jù)在6月至9月期間易受雷擊影響而不穩(wěn)，主要原因在于儀器主機易受雷擊干擾使得數(shù)據(jù)發(fā)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(guī)律與季節(jié)性降雨有關(guān)，但由于觀測時間較短，還需進一步觀察。