韓和平,馬利軍,宋曉煜,張廣莉

(1.河北省地震局陽原地震臺，河北 陽原 075800; 2.保定地震監(jiān)測中心站，河北 保定 075000; 3.張家口地震監(jiān)測中心站，河北 張家口 075000)

0 引 言

目前全國有80多個地表長極距地電阻率觀測臺站，大多數(shù)電極埋深一般小于3 m。河北陽原地表地電阻率觀測電極埋設(shè)深度為20 m，是全國地表觀測電極埋設(shè)最深的臺站之一[1-2]。目前，多數(shù)臺站測區(qū)內(nèi)的干擾源越來越多，造成淺表電性結(jié)構(gòu)改變或存在地面雜散工農(nóng)業(yè)漏電，對地表大極距地電阻率觀測造成嚴(yán)重的干擾[1-3]。為了保證臺站監(jiān)測業(yè)務(wù)的正常有序進行，提高觀測數(shù)據(jù)的內(nèi)在質(zhì)量，目前電磁學(xué)科正在探索實踐深井短極距地電阻率觀測系統(tǒng)，以降低淺表觀測環(huán)境因素的干擾[4-6]?！岸瑠W會保障晉冀蒙監(jiān)測能力提升項目”河北分項在陽原地震臺(以下簡稱“陽原臺”)新建一套短極距深井地電阻率觀測系統(tǒng)[4-6]。布設(shè)三個水平測道和一個垂直測道，各測道供電極距AB均為80 m，測量極距MN均為20 m。水平測道采用等邊三角形布局，三個測道兩兩共用一個供電電極，所有電極埋設(shè)深度為100 m。垂直測道中心點深度為100 m，最底端電極埋設(shè)深度140 m，最頂端為60 m。電極埋設(shè)后，所有數(shù)據(jù)技術(shù)指標(biāo)符合規(guī)范要求，電極接地電阻均為5 Ω左右，符合地震臺站建設(shè)規(guī)范(DB/T18.1-2006 )[3]要求。本文將詳細介紹陽原臺深井地電阻率觀測系統(tǒng)電極的制作過程、埋設(shè)過程、關(guān)鍵技術(shù)、注意事項，并對試運行數(shù)據(jù)進行分析。

1 項目基本情況

1.1 臺站概況

陽原地震臺位于冀西北山間盆地，地勢平坦開闊，臺站四周多為當(dāng)?shù)剞r(nóng)民莊稼地，東面約10 m處為陽原縣液化氣公司，南面約200 m處為大秦鐵路。目前，測區(qū)內(nèi)建有上百家住戶以及洗衣廠、投資公司、幼兒園、養(yǎng)殖廠等多處潛在的干擾源。

1.2 地質(zhì)概況及場地勘選

陽原臺位于陰山—燕山和太行山兩大構(gòu)造交匯處的桑干河斷裂帶附近。該地區(qū)主要的活動斷裂帶為北東東走向的南山山前斷裂帶和北山山前斷裂帶，兩條斷裂帶均為傾向盆地中心的正斷層，地電觀測區(qū)覆蓋層厚度超過100 m(圖1)。臺站所在的晉冀蒙交界區(qū)域近幾十些年來地震活動較為頻繁，有記錄以來共發(fā)生8次6.0級以上地震，其中7級地震1次，最近一次強震為1998年張北6.2級地震。

圖1 陽原臺周邊地質(zhì)構(gòu)造

1.3 項目概況

本項目為“冬奧會保障晉冀蒙監(jiān)測能力提升項目”[4-6]河北分項，建設(shè)地點位于河北省陽原縣西城鎮(zhèn)北關(guān)村鐵路北陽原地震臺東約800 m處。建設(shè)內(nèi)容包括：新建三個水平測道和一個垂直測道，各測道采用對稱四級觀測裝置(圖2)。

圖2 深井地電阻率布極

2 電極的制作及埋設(shè)

2.1 電極的制作

因電極需要長期在井下埋設(shè)使用，按照規(guī)范要求，選擇含鉛量99.99 %以上，厚度5 mm的鉛板制作電極，鉛板大小為1 000 mm×628 mm。使用折彎機將鉛板卷成底面直徑200 mm、高1 000 mm的圓柱體。為避免電極因含有不同材質(zhì)金屬導(dǎo)致較大的極化電位，圓筒電極接縫處用鉛條熔化后進行焊接(圖3)，而不采用銅絲或其他金屬絲進行縫合。

圖3 鉛板及卷成后的電極

焊接電纜時，電纜的2股芯線應(yīng)分別分布在電極內(nèi)表面的對稱位置。電極外部焊接處用鉛條溶化后焊牢并密封；內(nèi)部焊接處先使用9005全透明環(huán)氧樹脂AB膠封線，待膠完全干后再用995硅酮結(jié)構(gòu)密封膠增大密封面積和厚度(圖4)。電纜焊接完成后，不能有任何裸露的線芯，以防止與土壤直接接觸引起自然電位的變大，也是為了防止銅線與水或地層接觸，造成銅線受腐蝕斷掉。焊接完成后，把承重碳纖維繩固定在電極的兩端即可。

圖4 電極內(nèi)、外部的接頭密封

2.2 電極的埋設(shè)

鉆孔完成后，應(yīng)盡快下放電極和電纜。電極下井安裝之前，需再次檢測電纜和電極，確保焊點密封良好、焊接電纜線芯不承受電極重量；在電纜上標(biāo)記電極下放到指定深度的位置；對于垂直測道，還應(yīng)標(biāo)記4個電極對應(yīng)的電纜(表1)。電極下井前井底須有3 m左右的泥漿或干凈的松土，下放時確保電極位于井孔的中間位置。

電極在下井前應(yīng)該做浸水測試，時間1小時為宜，可使用兆歐表測試銅導(dǎo)線與外部屏蔽層之間的絕緣電阻，大于5兆歐為宜，陽原臺所測數(shù)據(jù)全部合格(圖5、表1)。電極下井前還應(yīng)該用鐵刷子刷掉電極表面的氧化層，這樣做可以減小電極的接地電阻(圖5)。下放電極時受力使用電纜內(nèi)部自帶的碳纖維繩，利用一個定滑輪，固定在井架上，下放過程要保持勻速緩慢，下放到預(yù)定深度后，將剩余電纜纏繞在固定裝置上。

電極下放完成后，需要測量引線間電阻、引線與絕緣層的絕緣電阻，確保下放過程中沒有變化。測量各電極的接地電阻，供電電極接地電阻宜小于30 Ω，測量電極接地電阻宜小于100 Ω。陽原臺所有電極接地電阻均在5 Ω左右，所有數(shù)據(jù)完全符合規(guī)范要求(表1)。電極下放完成后，應(yīng)該立即進行井孔回填，陽原臺選取原土回填，回填后需要把每個電極井口的電纜線進行固定，垂直井的井口還需安裝鎖井裝置(圖5)。另外，按照規(guī)范要求在不同時間段測量相應(yīng)的各組數(shù)據(jù)，陽原臺所有測量數(shù)據(jù)完全符合規(guī)范要求(表1)。

圖5 電極浸泡測試、刮刷氧化層及垂直井鎖井裝置

表1 電極下井前后檢查數(shù)據(jù)

3 產(chǎn)出數(shù)據(jù)分析

2020年4月1日本項目所有儀器安裝完畢,觀測儀器為ZD8MI多極距地電阻率儀。從2020年4月1日～6月30日陽原臺深井電阻率日精度數(shù)據(jù)來看：東西向測道精度范圍在0.02%～0.06%，西北向測道精度范圍在0.02%～0.04%，東北向測道精度范圍在0.007%～0.03%，垂直測道精度范圍在0.005%～0.04%。數(shù)據(jù)穩(wěn)定，觀測精度非常高。再從2020年4月1日～6月30日陽原臺地表長極距地電阻率觀測日精度數(shù)據(jù)來看，東北向測道精度范圍在0.1%～0.35%，西北向測道精度范圍在0.2%～0.3%。目前中國地震局地電監(jiān)測要求臺網(wǎng)產(chǎn)出日觀測精度優(yōu)于0.3%，由此可見，深井電阻率觀測精度遠高于現(xiàn)行地表觀測的標(biāo)準(zhǔn)，觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量明顯要優(yōu)于同場地的地表觀測(圖6a、b)。

降雨是影響陽原臺地表地電阻率觀測最主要的干擾因素，所以同時繪制了降雨期間2020年4月21日～7月8日的陽原臺地表地電阻率觀測小時值曲線(圖6a)、深井電阻率小時值曲線(圖6b)和降雨量曲線(圖6c)。從近3個月的數(shù)據(jù)來看，深井電阻率4個測道觀測數(shù)據(jù)總體變化穩(wěn)定，其中垂直測道電阻率變化較大，長趨勢變化較明顯，可能與四個電極位于同一井孔內(nèi)、井孔回填土逐漸趨于壓實有關(guān)。從圖中可以看出，深井地電阻率觀測數(shù)據(jù)變化穩(wěn)定，未受降雨影響。同樣，從圖中可以看出，地表電阻率觀測受降雨影響明顯，每次降雨后均呈現(xiàn)出數(shù)據(jù)快速下降，其后又緩慢恢復(fù)的特征，西北向測道要比東北向變化明顯。

圖6 陽原臺地表地電阻率(a)、深井電阻率(b)、降雨量(c)小時值曲線(20200421～20200708)

從以上分析可以得出，陽原臺深井電阻率觀測能有效避開降雨影響，其數(shù)據(jù)變化穩(wěn)定，滿足電磁學(xué)科規(guī)范[4]要求，能準(zhǔn)確產(chǎn)出觀測精度優(yōu)于0.1%的指標(biāo)要求的觀測數(shù)據(jù)。

4 結(jié) 語

(1)本項目在陽原臺地電觀測的測區(qū)內(nèi)新建水平三個測道和一個垂直測道的深井觀測系統(tǒng)。所有電極埋設(shè)后按照電磁學(xué)科規(guī)范[3]要求測量絕緣電阻、接地電阻等相關(guān)數(shù)據(jù)，全部合格。

(2)電極在埋設(shè)過程中，應(yīng)注意以下幾個方面：固定電纜時應(yīng)保證焊點不承受拉力；電極焊點處的電纜不得有任何裸露的線芯；回填時盡量選取原土回填，垂直測道的電纜需至少在井口的鎖井裝置上纏繞3圈以上。

(3)從2020年4月1日開始3個月的觀測數(shù)據(jù)來看，數(shù)據(jù)的觀測精度比地表長極距觀測高一個數(shù)量級，而且消除了降雨干擾。由于極距短，占地面積小且裝置埋設(shè)較深，不受周邊地區(qū)城市規(guī)化發(fā)展等環(huán)境變化的影響，可在全國范圍內(nèi)多新增該觀測項目，以達到整體提高全國地震監(jiān)測能力的目的。