楊志鵬，繆素秋，陳秀清，徐建明，張御陽(yáng)，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(cè)可以監(jiān)測(cè)到地殼淺層巖石介質(zhì)的電性結(jié)構(gòu)隨時(shí)間的變化，其觀測(cè)資料中的異常變化特征可指示孕震過(guò)程中的震源區(qū)應(yīng)力累積和巖體的膨脹微裂過(guò)程，是重要的地震前兆監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)手段之一（王燚坤等，2018；孫昱等，2019）。近年來(lái)，為減輕地電阻率觀測(cè)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(shí)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(cè)成為地電學(xué)科主流發(fā)展方向之一，深井地電觀測(cè)技術(shù)已在甘肅天水臺(tái)（楊興悅等，2012）、甘肅平?jīng)雠_(tái)（田野等，2019）、河北大柏舍臺(tái)（張磊等，2015）、江蘇江寧臺(tái)（樊曉春等，2019）、陜西合陽(yáng)臺(tái)、廣東河源臺(tái)（劉君等，2015）開(kāi)展了相應(yīng)的觀測(cè)試驗(yàn)，并取得了較好的效果。四川冕寧地電臺(tái)觀測(cè)系統(tǒng)于2018年6月開(kāi)始前期場(chǎng)地勘選，同年9月起進(jìn)行施工建設(shè)，至2019年11月土建工程、觀測(cè)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(yùn)行。該臺(tái)為首個(gè)架設(shè)在安寧河斷裂中段附近的深井地電觀測(cè)系統(tǒng)。本文對(duì)冕寧臺(tái)深井地電阻率觀測(cè)的總體建設(shè)情況、施工技術(shù)要點(diǎn)、觀測(cè)設(shè)備及主要性能、設(shè)計(jì)安裝施工技術(shù)要點(diǎn)等方面進(jìn)行了簡(jiǎn)述，對(duì)冕寧臺(tái)新舊場(chǎng)地儀器記錄的典型數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比梳理，為進(jìn)一步提高冕寧深井地電觀測(cè)資料的質(zhì)量和同類井下地電觀測(cè)建設(shè)項(xiàng)目提供參考。

1 冕寧臺(tái)深井地電阻率觀測(cè)系統(tǒng)概況

1.1 測(cè)區(qū)地理位置及地下巖性結(jié)構(gòu)

冕寧地震臺(tái)深井地電阻率觀測(cè)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(kāi)闊平坦的煙草種植基本農(nóng)田，無(wú)明顯地形高差，測(cè)區(qū)內(nèi)無(wú)較大的強(qiáng)電磁干擾源，農(nóng)業(yè)游散電磁信號(hào)的干擾源較小，布極區(qū)及周邊無(wú)較大的河流、水渠、積水坑洼，無(wú)鐵路、高鐵線路經(jīng)過(guò)，布極區(qū)遠(yuǎn)離高壓輸電鐵塔。場(chǎng)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(jiàn)圖1）。根據(jù)物探直流電測(cè)深資料，臺(tái)址電測(cè)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(tái)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?yè)?jù)電測(cè)深資料，測(cè)區(qū)共有4個(gè)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(jiàn)圖2）。

圖1 冕寧深井地電觀測(cè)系統(tǒng)地理位置圖

圖2 冕寧深井地電觀測(cè)系統(tǒng)測(cè)區(qū)巖性結(jié)構(gòu)圖

1.2 布極觀測(cè)方式及主要設(shè)備性能

冕寧地震臺(tái)深井地電阻率觀測(cè)系統(tǒng)分為淺層觀測(cè)和深層觀測(cè)兩部分（淺層觀測(cè)預(yù)計(jì)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(gè)測(cè)向，每個(gè)方位上采用對(duì)稱四極裝置布設(shè)供電電極和測(cè)量電極，三個(gè)測(cè)向的測(cè)量電極中心點(diǎn)與供電電極中心點(diǎn)重合，其中供電極距A1B1～A4B4均為600 m，測(cè)量極距M1N1～M4N4均為200 m，同一測(cè)向的電極距和測(cè)量極距在同一直線上（見(jiàn)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(cè)儀器采用中國(guó)地震局地殼應(yīng)力研究所生產(chǎn)的ZD8M地電儀，每日整點(diǎn)觀測(cè)得到24個(gè)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(cè)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(jiàn)表1），且確保同一電纜溝中的測(cè)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(cè)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(cè)系統(tǒng)主要儀器設(shè)備性能及參數(shù)

由于冕寧臺(tái)深井地電阻率觀測(cè)場(chǎng)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(cè)量極接地電阻及測(cè)道裝置系數(shù)見(jiàn)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U(xiǎn)PS電源，再輸出到儀器設(shè)備，產(chǎn)出的地電觀測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線路由器以VPN無(wú)線傳輸方式鏈接到西昌地震中心站信息節(jié)點(diǎn)服務(wù)器，匯集到省局前兆數(shù)據(jù)庫(kù)（見(jiàn)圖4）。

表2 冕寧深井地電觀測(cè)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(cè)系統(tǒng)整體架構(gòu)示意圖

2 冕寧臺(tái)新舊場(chǎng)地觀測(cè)資料對(duì)比分析

2.1 新舊場(chǎng)地地電阻率變化對(duì)比分析

由于新場(chǎng)地淺層觀測(cè)系統(tǒng)暫時(shí)未啟用，故選取冕寧臺(tái)深井地電阻率觀測(cè)系統(tǒng)2020年1月5日試運(yùn)行開(kāi)始至2020年10月24日項(xiàng)目總驗(yàn)收前夕共計(jì)294天的深層地電阻率觀測(cè)整點(diǎn)值數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并與同期冕寧地震臺(tái)舊觀測(cè)場(chǎng)址的淺層地電觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比（見(jiàn)圖5）。采用數(shù)據(jù)相對(duì)變化量作為進(jìn)一步分析觀測(cè)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(cè)變化值，R定量描述了觀測(cè)值相對(duì)初始值的相對(duì)變化量。

從圖5（左）可以看出冕寧臺(tái)舊場(chǎng)地淺層觀測(cè)地電阻率數(shù)據(jù)起伏變化幅度較大，NS向、EW向、NW向測(cè)道最大變幅分別為31.09Ω·m、48.10Ω·m和14.74Ω·m，相對(duì)變化幅度分別達(dá)到了10.49%、18.41%和5.57%。舊場(chǎng)地地處冕寧縣城鄉(xiāng)結(jié)合部分，測(cè)區(qū)觀測(cè)環(huán)境干擾復(fù)雜，淺層地電阻率觀測(cè)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(tái)新場(chǎng)地井下觀測(cè)數(shù)據(jù)和舊場(chǎng)地淺層數(shù)據(jù)來(lái)說(shuō)總體變化平穩(wěn)，NS向、EW向、NW向測(cè)道最大變幅分別為2.35Ω·m、5.39Ω·m和2.26Ω·m，相對(duì)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(gè)測(cè)道數(shù)據(jù)變化形態(tài)基本一致，無(wú)大幅度階躍、突跳。EW向測(cè)道在2020年6月23日發(fā)生異常突跳的原因是當(dāng)日受雷擊影響，避雷裝置中該測(cè)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(jī)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(gè)測(cè)道的深井觀測(cè)數(shù)據(jù)更加平滑穩(wěn)定，很好的抑制了來(lái)自地表的干擾，達(dá)到了深井觀測(cè)的目的。

2.2 新舊場(chǎng)地觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量對(duì)比分析

選取2020年2月至9月時(shí)段內(nèi)的冕寧臺(tái)新場(chǎng)地深井地電阻率觀測(cè)數(shù)據(jù)和舊場(chǎng)地淺層地電阻率觀測(cè)數(shù)據(jù)的連續(xù)率、完整率、月精度進(jìn)行對(duì)比分析（見(jiàn)表3），數(shù)據(jù)連續(xù)率反映了觀測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)；數(shù)據(jù)完整率反映了觀測(cè)數(shù)據(jù)的連續(xù)性；數(shù)據(jù)月精度反映了當(dāng)月觀測(cè)數(shù)據(jù)內(nèi)在噪聲水平，其計(jì)算公式為（張磊，2015）：

式中L為測(cè)道數(shù)，D為當(dāng)月天數(shù)，N為1天中整點(diǎn)值觀測(cè)數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)，（σn）jik和（ρs）jik分別表示當(dāng)月第i天、第j時(shí)、第k個(gè)測(cè)道的觀測(cè)數(shù)據(jù)的均方差和地電阻率測(cè)值。

圖5 冕寧臺(tái)深井新舊場(chǎng)地地電阻率整點(diǎn)值和相對(duì)變化量R曲線

由表3可知自2020年2月至9月，冕寧臺(tái)新場(chǎng)地深井地電阻率觀測(cè)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(gè)月的連續(xù)率均高于地電阻率觀測(cè)評(píng)估指標(biāo)要求的98%，平均連續(xù)率達(dá)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(gè)月的完整率均高于評(píng)估指標(biāo)要求的96%，平均完整率達(dá)到了98.95%。6月份觀測(cè)系統(tǒng)受降雨和雷擊影響較大，造成主機(jī)故障次數(shù)較多，依據(jù)學(xué)科規(guī)范在預(yù)處理時(shí)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(chǎng)地深井地電阻率觀測(cè)系統(tǒng)在統(tǒng)計(jì)時(shí)段內(nèi)的平均觀測(cè)精度僅為0.016%，遠(yuǎn)小于評(píng)估指標(biāo)要求的0.3%。從表3還可以看出，冕寧臺(tái)新場(chǎng)地深井地電阻率觀測(cè)數(shù)據(jù)的連續(xù)率、完整率、月精度均高于舊場(chǎng)地淺層觀測(cè)資料，說(shuō)明深埋電極和電纜能夠有效減輕自然環(huán)境、觀測(cè)環(huán)境等因素的干擾，從而提升觀測(cè)效能。

表3 冕寧地電阻率觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量對(duì)比

3 冕寧臺(tái)新場(chǎng)地典型干擾分析

3.1 觀測(cè)系統(tǒng)故障干擾

地電阻率觀測(cè)系統(tǒng)包括裝置（電極、內(nèi)外線路、避雷裝置等）、測(cè)量（主機(jī)、供配電系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸?shù)龋?、檢定三個(gè)部分（孫昱，2019），冕寧臺(tái)新場(chǎng)地深井地電阻率觀測(cè)系統(tǒng)在試運(yùn)行期間干擾主要是主機(jī)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(shí)段內(nèi)冕寧地區(qū)連續(xù)多日暴雨黃色預(yù)警，冕寧臺(tái)新場(chǎng)地深井觀測(cè)系統(tǒng)受雷電影響各測(cè)道數(shù)據(jù)變化較大（見(jiàn)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(guò)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(shí)至19時(shí)同樣受雷電影響，主機(jī)斷電故障造成缺測(cè)，20時(shí)重啟儀器后數(shù)據(jù)恢復(fù)正常。為減少觀測(cè)系統(tǒng)故障，冕寧臺(tái)工作人員于9月初重新更換了主機(jī)并對(duì)避雷裝置進(jìn)行了修復(fù)，同時(shí)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(tái)深井地電阻率觀測(cè)受觀測(cè)系統(tǒng)故障干擾

3.2 觀測(cè)環(huán)境干擾

2020年2月至7月期間，冕寧臺(tái)新場(chǎng)地深井觀測(cè)系統(tǒng)NS向和NW向自然電位不定時(shí)出現(xiàn)大幅度突跳（見(jiàn)圖7），對(duì)應(yīng)該時(shí)段的電阻率和均方差并沒(méi)有明顯變化（見(jiàn)圖5），而EW向自然電位也無(wú)顯著變化，由此推斷儀器系統(tǒng)工作正常，應(yīng)該是觀測(cè)場(chǎng)地周邊環(huán)境存在干擾源，通過(guò)摸排發(fā)現(xiàn)該時(shí)段內(nèi)靠近B1和A4電極的區(qū)域正在進(jìn)行電焊和土建施工，為測(cè)區(qū)不定時(shí)受基建高壓直流電焊干擾引起數(shù)據(jù)突跳，此后各測(cè)項(xiàng)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(dāng)?shù)亻_(kāi)始收割煙葉，在中心O點(diǎn)處附近有房屋施工和電焊活動(dòng)，引起了各測(cè)項(xiàng)自然電位數(shù)據(jù)小幅度突跳，但整體屬于正常觀測(cè)范圍。

3.3 自然環(huán)境干擾

對(duì)2020年1月5日至10月24日期間的冕寧臺(tái)深井地電阻率整點(diǎn)值觀測(cè)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(shì)（見(jiàn)圖8）?？梢钥闯龅仉娮杪视^測(cè)數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)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(shí)段內(nèi)降雨量數(shù)據(jù)，推測(cè)這是由于冕寧1月初至6月初為旱季，該時(shí)段內(nèi)地下水位總體平穩(wěn)，所以地電阻率測(cè)值變化也相對(duì)穩(wěn)定；6月中旬至10月初為冕寧雨季，該時(shí)段內(nèi)降雨致地下水位上升，所以地電阻率測(cè)值逐步下滑至最低值，從10月中旬開(kāi)始再次進(jìn)入旱季，推測(cè)該時(shí)段內(nèi)地下水位開(kāi)始下降，導(dǎo)致地電阻率測(cè)值開(kāi)始逐步回升，但由于觀測(cè)時(shí)段的限制，冕寧深井地電觀測(cè)數(shù)據(jù)年變規(guī)律還有待進(jìn)一步觀察。

圖7 冕寧臺(tái)深井觀測(cè)系統(tǒng)受觀測(cè)環(huán)境干擾

圖8 冕寧臺(tái)深井觀測(cè)地電阻率擬合變化趨勢(shì)與降雨量對(duì)比

4 結(jié)論與討論

通過(guò)梳理四川冕寧地電臺(tái)觀測(cè)系統(tǒng)建設(shè)在場(chǎng)地勘選、布極設(shè)計(jì)、施工建設(shè)、配套設(shè)備、系統(tǒng)架構(gòu)等方面的要點(diǎn)，并將試運(yùn)行期間產(chǎn)出的深井地電阻率觀測(cè)數(shù)據(jù)與冕寧臺(tái)舊場(chǎng)地淺層地電阻率數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比分析，初步得出以下結(jié)論：冕寧深井地電觀測(cè)相比于舊場(chǎng)地淺層觀測(cè)在數(shù)據(jù)質(zhì)量上更高，整點(diǎn)值曲線變化幅度更平穩(wěn)，總體上達(dá)到了深井觀測(cè)目的；冕寧井下地電阻率觀測(cè)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(jī)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(cè)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(cè)時(shí)間較短，還需進(jìn)一步觀察。