張　宇　張興國　王蘭煒　馬小溪趙慶福　袁慎杰　王子影

1) 中國北京100085中國地震局地殼應(yīng)力研究所　　　2) 中國北京100085北京市地震觀測工程技術(shù)研究中心3) 中國長春130117吉林省地震局　4) 中國南京211100南京市江寧區(qū)地震辦公室

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新型地電阻率交流觀測系統(tǒng)研究及江寧臺觀測試驗*

張宇1,2)張興國1，2),*王蘭煒1,2)馬小溪3)趙慶福4)袁慎杰4)王子影1,2)

1) 中國北京100085中國地震局地殼應(yīng)力研究所2) 中國北京100085北京市地震觀測工程技術(shù)研究中心3) 中國長春130117吉林省地震局4) 中國南京211100南京市江寧區(qū)地震辦公室

地電阻率地鐵干擾交流觀測信號檢測臺站試驗

地電阻率前兆觀測是我國地震前兆觀測重要手段之一，但是目前城市地鐵和輕軌等對其造成了嚴(yán)重影響. 利用低頻交流電場與直流電場具有相似特性的特點(桂燮泰等，1988； 馬希融，1989)，采用交流方法進(jìn)行地電阻率觀測，能夠在一定程度上抑制地鐵和輕軌的干擾影響(張宇等，2014； 馬小溪等，2015).

目前，地電阻率臺站所受到的突出干擾是地鐵、輕軌等運(yùn)行引起的近直流干擾，干擾周期主要為120—180 s，干擾頻段集中在0.1 Hz以下． 為降低地鐵干擾的影響，供電頻率應(yīng)避開干擾頻段范圍，同時考慮避免工頻干擾影響，本文選擇0.1—10 Hz為交流觀測工作頻率． 為盡量完整恢復(fù)采樣信號，實際應(yīng)用中應(yīng)保證采樣頻率為信號頻率的5—10倍，因此采樣頻率應(yīng)在50 Hz以上． 根據(jù)我國地電阻率觀測規(guī)范(中國地震局，2009)要求，供電電極的單電極接地電阻不應(yīng)大于30 Ω，因此供電電源的負(fù)載能力至少為60 Ω. 以交流穩(wěn)流電源供電電流為2.5 A估算，利用功率計算公式P=I2R可以計算出交流穩(wěn)流電源的供電功率應(yīng)不小于375 W. 此外，考慮到目前部分地電阻率觀測臺站的場地干擾較大，對交流信號源的功率要求應(yīng)不小于400 W． 通過數(shù)值模擬仿真頻率穩(wěn)定度對信號檢測結(jié)果的影響, 得到信號檢測相對誤差結(jié)果隨頻率抖動增大而增大，當(dāng)頻率抖動不超過0.04 Hz時，信號檢測的相對誤差在不同采樣時間和不同信號頻率下均小于0.3%，可以滿足地電阻率測量的要求． 綜上所述，地電阻率交流觀測系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)列于表1．

表1　地電阻率交流觀測系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)

基于以上技術(shù)指標(biāo)分析設(shè)計的地電阻率交流觀測系統(tǒng)如圖1所示． 該觀測系統(tǒng)分為控制模塊和數(shù)據(jù)采集模塊，采用精簡指令集計算機(jī)(Acorn RISC Machine，簡寫為ARM)+現(xiàn)場可編程門陣列(field-programmable gate array，簡寫為FPGA)結(jié)構(gòu)設(shè)計. 其中，控制模塊基于ARM構(gòu)建，負(fù)責(zé)控制整個系統(tǒng)的協(xié)調(diào)工作，接收來自數(shù)據(jù)采集模塊的數(shù)據(jù)，并處理計算得到地電阻率值； 數(shù)據(jù)采集模塊基于FPGA構(gòu)建，其功能主要包括兩個方面，其一為接收來自控制模塊的指令，并根據(jù)指令控制采集過程，其二為實現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的數(shù)字濾波、降采樣等數(shù)據(jù)處理工作，將處理后的數(shù)據(jù)傳輸至ARM控制模塊． 數(shù)據(jù)采集分為電壓測量和電流測量兩個通道，其中電壓通道直接測量來自測量極MN的人工電位差，電流通道則通過測量標(biāo)準(zhǔn)電阻上的電壓實現(xiàn)對供電電流的測量； 兩個測量通道均通過串行外設(shè)接口(Serial Peripheral Interface，簡寫為SPI)總線與FPGA連接，實現(xiàn)供電電流與人工電位差的同步采集．

圖1　地電阻率交流觀測系統(tǒng)框圖Fig.1　Block diagram of AC geo-electrical resistivity observation system

為了驗證地電阻率交流觀測系統(tǒng)對地鐵干擾的抑制能力，本文選擇受地鐵干擾比較嚴(yán)重的江蘇省江寧臺開展初步對比觀測試驗． 圖2a和2b分別給出了2014年10月13—14日場地干擾測試時域和頻域分析曲線，噪聲幅度和信噪比計算結(jié)果列于表2． 夜間地鐵停運(yùn)時(23—5時)南北向和東西向信噪比分別為44.16 dB和30.81 dB，地鐵運(yùn)行時(5—22時)南北向和東西向信噪比分別降低了33.87 dB和32.92 dB，可見地鐵運(yùn)行導(dǎo)致信噪比大幅度降低，并使觀測數(shù)據(jù)精度降低，干擾信號周期主要集中在100—300 s．

表2　江寧臺觀測場地噪聲幅度及信噪比計算

圖2　2014年10月13—14日江寧臺干擾時域(a)和頻域(b)分析 圖中縱坐標(biāo)UNS和UEW分別代表南北、東西方向的噪聲幅度Fig.2　Interference analysis of Jiangning station during 13--14 October 2014 in time domain (a) and frequency domain (b). UNS and UEW represent the noise amplitude in N--S and E--W directions

采用現(xiàn)有地電阻率觀測裝置開展交、直流觀測方法的對比觀測試驗，2014年底完成地電阻率交流觀測系統(tǒng)的架設(shè)，試驗選取0.1，0.3，1，3，10 Hz共5個頻點進(jìn)行觀測． 圖3給出了2014年11月—2015年7月1 Hz交流頻率觀測結(jié)果與直流觀測結(jié)果的對比分析曲線，圖中數(shù)據(jù)已進(jìn)行預(yù)處理，直流觀測方差太大而導(dǎo)致計算溢出的數(shù)據(jù)已剔除． 可以看出： 原有直流觀測系統(tǒng)南北測向的地電阻率值在124—130 Ω·m范圍內(nèi)變化，最大方差約為11 Ω·m； 而東西測向測量電極離地鐵軌道較南北測向更近(僅為3 km)，其地電阻率值在95—110 Ω·m范圍內(nèi)變化，方差變化幅度更大． 由圖3還可以看出，采用改進(jìn)交流觀測方法所獲取的地電阻率觀測值比較穩(wěn)定，南北測向地電阻率值在126—128 Ω·m范圍內(nèi)變化，方差小于1.5 Ω·m，東西測向地電阻率值在100—101 Ω·m范圍內(nèi)變化，方差小于2 Ω·m，因此，與同場地直流觀測結(jié)果(黑色曲線)對比，交流觀測結(jié)果(紅色曲線)的觀測方差明顯減?。?/p>

針對目前存在的地電阻率臺站受地鐵干擾的問題，采用交流觀測方法可以有效地抑制地鐵運(yùn)營等各種雜散電流的影響，為地電阻率觀測技術(shù)的發(fā)展提供了一種新的途徑． 隨著地電阻率交流觀測方法的深入研究和觀測系統(tǒng)的穩(wěn)定，可以預(yù)期該方法能夠彌補(bǔ)目前直流地電阻率觀測系統(tǒng)抗地鐵干擾能力的不足，減少因經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人文干擾增加而造成的地電阻率臺站被迫搬遷和重建，從而保障臺站產(chǎn)出連續(xù)、穩(wěn)定的地電阻率觀測數(shù)據(jù)．

圖3　2014年11月—2015年7月1 Hz交流觀測與直流觀測結(jié)果對比(a) 南北測向地電阻率ρNS和均方根誤差σNS; (b) 東西測向地電阻率ρEW和均方根誤差σEWFig.3　Comparison of geo-resistivity by DC observation with that by 1 Hz AC observations from November of 2014 to July of 2015(a) Curves of geo-resistivity ρNS in NS direction and its RMS error σNS;(b) Curves of geo-resistivity ρEW in EW direction and its RMS error σEW

桂燮泰，戴經(jīng)安，關(guān)華平. 1988. 低頻交流電法的試驗和研究[J]. 西北地震學(xué)報，10(2): 22--28.

Gui X T，Dai J A，Guan H P. 1988. Experiment and discussion on the low frequency A.C.method[J].NorthwesternSeismologicalJournal，10(2): 22--28 (in Chinese).

馬希融. 1989. 交流地電阻率方法在馬家溝地震臺試驗結(jié)果[J]. 地震，(3): 46--51.

Ma X R. 1989. Experimental results of alternative resistivity method in Majiagou station[J].Earthquake，(3): 46--51 (in Chinese).

馬小溪，張宇，王蘭煒，張興國. 2015. 地電阻率交流觀測方法中信號檢測方法研究[J]. 地震學(xué)報，37(5): 853--864.

Ma X X，Zhang Y，Wang L W，Zhang X G. 2015. Signal detection method for AC geo-resistivity observation[J].ActaSeismologicaSinica，37(5): 853--864 (in Chinese).

張宇，王蘭煒，張興國，朱旭，劉大鵬，顏蕊. 2014. 相關(guān)檢測技術(shù)在低頻交流地電阻率觀測中的應(yīng)用[J]. 地球物理學(xué)進(jìn)展，29(4): 1973--1979.

Zhang Y，Wang L W，Zhang X G，Zhu X，Liu D P，Yan R. 2014. Application of correlation detection technology in low-frequency AC geo-resistivity observation[J].ProgressinGeophysics，29(4): 1973--1979 (in Chinese).

中國地震局. 2009. 地震標(biāo)準(zhǔn)匯編[G]. 北京: 地震出版社: 1214--1220.

China Earthquake Administration. 2009.SeismicStandardsCompilation[G]. Beijing: Seismological Press: 1214--1220 (in Chinese).

A new AC geo-electrical resistivity observation system and experimental observation in Jiangning seismic station

Zhang Yu1,2)Zhang Xingguo1,2),*Wang Lanwei1,2)Ma Xiaoxi3)Zhao Qingfu4)Yuan Shenjie4)Wang Ziying1,2)

1)InstituteofCrustalDynamics，ChinaEarthquakeAdministration，Beijing100085，China2)BeijingEngineeringResearchCenterofEarthquakeObservation，Beijing100085，China3)EarthquakeAdministrationofJilinProvince，Changchun130117，China4)SeismologicalOfficeofJiangningDistrictofNanjingCity，Nanjing211100，China

geo-electrical resistivity； subway interference； AC observation； signal detection; seismic station experimental observation

中國大陸綜合地球物理場觀測儀器研發(fā)專項(Y201603)、國家自然科學(xué)基金(41374127)和中國地震局地殼應(yīng)力研究所基本科研業(yè)務(wù)專項(ZDJ2012-04)共同資助.

2015-10-07收到初稿，2016-03-17決定采用修改稿.

e-mail: zxgllp@163.com

10.11939/jass.2016.05.015

P319.3+1

A

張宇，張興國, 王蘭煒, 馬小溪，趙慶福，袁慎杰，王子影. 2016. 新型地電阻率交流觀測系統(tǒng)研究及江寧臺觀測試驗. 地震學(xué)報, 38(5): 807--810. doi:10.11939/jass.2016.05.015.

Zhang Y, Zhang X G, Wang L W, Ma X X, Zhao Q F, Yuan S J, Wang Z Y. 2016. A new AC geo-electrical resistivity observation system and experimental observation in Jiangning seismic station.ActaSeismologicaSinica, 38(5): 807--810. doi:10.11939/jass.2016.05.015.

研究簡報