周定林，張世鳳，何學勤

（四川省地震局攀枝花地震監(jiān)測中心站，四川 攀枝花 617000）

觀測技術是獲取觀測數(shù)據(jù)的手段，是地震預測預報中一切觀測工作的基礎。地震地電阻率觀測方法是從地球物理電法勘探技術中移植和改造而來，1966 年邢臺地震后，中國建立第一個地電阻率觀測臺站，隨著科學技術進步，經(jīng)過50 多年的發(fā)展，地電阻率觀測技術有了極大的發(fā)展。但是近年來，隨著國家建設發(fā)展，大多數(shù)地電臺站受到了不同程度的環(huán)境干擾，為了抑制地表干擾，先后有很多臺站進行了井下地電阻率觀測技術改造，攀枝花紅格地震臺于2014 年實施井下地電阻率觀測技術改造后，觀測系統(tǒng)抑制地表干擾能力增強，觀測精度高。本文對紅格臺井下地電阻率觀測技術系統(tǒng)進行了詳細介紹，對觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量進行分析，為其他臺站進行井下地電阻率觀測技術改造或建設提供參考。

1 臺址條件

紅格地震臺位于攀枝花市鹽邊縣紅格鎮(zhèn)，臺站距離攀枝花市區(qū)30 km，海拔1 240 m。紅格臺地處川滇菱形塊體內(nèi)，臺站周邊主要斷裂帶有昔格達-元謀斷裂、安寧河斷裂、得力鋪斷裂、寧會斷裂等（如圖1所示）。臺站附近區(qū)域地震活動較為頻繁，周邊地區(qū)強震和大震不斷發(fā)生。地電阻率觀測場地位于昔格達盆地，盆地呈南北向展布，橫跨昔格達斷裂。場地下方電剖面結構為Q 型，表層8 m 為砂礫層，以下為第四系。巖性多以灰色石英閃長巖、輝長巖為主；測區(qū)高差25～30 m，區(qū)內(nèi)溝壑較多，地面植被稀少。區(qū)內(nèi)地下水較為豐富，分布廣泛，地下水埋深平均100 m，底下徑流自東向西流。場區(qū)地勢開闊、平坦、高差小，探測范圍深，抑制季節(jié)、環(huán)境變化產(chǎn)生的背景干擾能力強，觀測數(shù)據(jù)年變化幅度小。建臺以來對攀枝花及周邊地區(qū)的地震有很好的映震效能。

圖1 紅格地震臺附近主要斷裂帶圖

2 觀測裝置系統(tǒng)

2.1 布極方式

紅格臺井下地電阻率采用直流供電方式，設有南北（NS）、東西（EW）2 個測道，采用四極對稱布極（ABMN），其布極示意圖如圖2 所示。其中EW 測道A3、B3 供電極距為345 m，M3、N3 測量極距為118 m；NS 測道A1、B1 供電極距為422 m，M1、N1測量極距為152 m。

圖2 紅格臺深井地電阻率觀測布極示意圖

2.2 裝置系數(shù)計算

進行地電阻率測量時，通過電源和供電電極向四極裝置提供穩(wěn)定的電流，供電電流I從電極A 流入，再從電極B 流出，此時僅會在4 個電極表面上積存電荷，通過人工電位補償，抵消在M、N 這2 個測量電極上積存的電荷，這樣在供電極A、B 上產(chǎn)生2 個異性點電荷[1]。假設地下介質(zhì)電性均勻，由于2 個點電荷場的疊加，則由電流I產(chǎn)生的M、N 之間的電位差如下：

地電阻率值ρs的計算公式為：

式（2）中：ρs為地電阻率，Ω·m；K為裝置系數(shù)，是通過裝置系統(tǒng)中4 個電極布設位置距離計算出來的常數(shù)，m；UMN為電位差，V；IAB為電流，A。

將式（1）代入式（2），得：

式（3）為地電阻率觀測系統(tǒng)裝置系數(shù)計算公式，K值僅與電極A、B、M、N 之間的距離有關。計算得到EW 測道和NS 測道裝置系數(shù)K如表1、表2 所示。

表1 紅格臺井下地電阻率EW 測道裝置系數(shù)（單位：m）

表2 紅格臺井下地電阻率NS 測道裝置系數(shù)（單位：m）

2.3 電極及線路埋設

2.3.1 電極埋設

紅格地電臺井下地電阻率觀測井深度為82～110 m，孔徑均為250～300 mm。電極選用化學性能比較穩(wěn)定的鉛板制作，其中電極A、B 規(guī)格為1 000 mm×250 mm的鉛柱體，電極M、N規(guī)格為1 000 mm×25 mm的鉛柱體。經(jīng)過嚴格的防腐處理，在澆鑄鉛板時，將觀測線路連接引線澆鑄在鉛板中，再用瀝青灌注連接處，保證接觸良好。

井下線路是電纜生產(chǎn)廠家定制的6 mm2銅芯絕緣線，導線抗拉強度大于等于28 kg/mm2。電極埋設過程中均采用原土同層的材料回填，電極垂直于地面方向埋入。所有電極接地電阻均小于9 Ω，井下線路絕緣電阻均大于500 MΩ。

2.3.2 線路埋設

紅格臺外線路除少部分跨溝渠線路采用空架線方式，其余線路均采用地埋方式。8 個觀測井供電線和測量線采用鎧裝帶屏蔽銅芯電纜連接到中心點檢查井，再由中心點檢查井采用鎧裝帶屏蔽銅芯電纜連接到觀測室，所有線路均套裝阻燃管（規(guī)格：DN50 mm）。電纜采用挖溝槽埋設，溝槽采用人工開挖，頂寬1.4 m，底寬0.8 m，深1.2 m，底部70 cm 采用砂礫石回填，密實度90%以上，頂部50 cm 采用原土回填。在中心點及線路沿線修建檢查井，便于對線路、電極的檢查，線路沿線每20～30 m 設1 個標識，拐彎處設線路走向標識，觀測井及檢查井處設地震觀測環(huán)境保護標識牌。

2.4 供電及避雷系統(tǒng)

2.4.1 臺站供電系統(tǒng)

地震監(jiān)測的特殊性要求地震臺站觀測設備長期不間斷穩(wěn)定運行，這就要求地電阻率觀測臺站供電系統(tǒng)穩(wěn)定、不間斷供電。紅格地震臺采用市電加UPS，同時采用發(fā)電機供電模式。市電用電纜引入配電房，將機房供電和生活用電分離。紅格地震臺所有觀測儀器采用3 kVA 在線式UPS 供電，保證8 h 延時供電，為保障臺站供電的穩(wěn)定性，將UPS 安裝在臺站配電房，UPS 輸出采用雙回路敷設，分別保障臺站觀測機房和外線路交流供電。觀測機房供電為避免單個設備損壞造成機房供電系統(tǒng)崩潰，采用回路設計，分別對機房的機柜和處理計算機進行供電。

2.4.2 臺站避雷設計

按照臺站避雷接地規(guī)范，紅格地震臺分別建有供電和儀器避雷接地網(wǎng)，接地電阻設計要求小于4 Ω。機房避雷采用三級設防：一級設防為交流變壓器處跌落式熔斷器、低壓保險避雷器，二級設防為UPS 前端安裝三相電源避雷器，三級設防為機房配電柜和外線路安裝有三相電源避雷器。此外，在各儀器電源輸入口安裝電源避雷器，同時在通信和外線接入口安裝信號避雷器進行四級設防。能最大限度避免雷電對臺站儀器的損壞。

2.5 觀測儀器

紅格臺井下地電阻率觀測儀器主要包括ZD8M 型地電儀和WL6 高頻開關穩(wěn)流電源，另外配有UJ25 型直流高電勢電位差計、BC9 型飽和標準電池、ZC-8 接地電阻測量儀、計算器、數(shù)字萬用表、ZC25-3 型兆歐表、電腦等輔助設備。

ZD8M 地電儀由上位機、下位機和電源電路3 部分組成[2]。上位機為PC104 工控機，控制整個儀器運行，下位機包括以單片機80C31 為基礎的主控電路，采集鍵盤、顯示電路，A/D 轉(zhuǎn)換電路，繼電器組電路等，下位機根據(jù)設定的程序和輸入的參數(shù)，按步驟進行測量。測量人工電位差分辨率達到0.01 mV，動態(tài)范圍大于100 dB，輸入電阻大于500 MΩ，抗干擾能力強，準確度、穩(wěn)定性好，觀測程序升級便捷，自動化、智能化程度高。儀器的主要工作參數(shù)如裝置系數(shù)、測量間隔時間、供電時間、供電方式、一組測量的觀測次數(shù)等均可在現(xiàn)場人工置入或通過網(wǎng)絡遠程進行修改[3]。

3 觀測資料質(zhì)量

地電阻率觀測資料質(zhì)量評價指標包括觀測數(shù)據(jù)連續(xù)率、完整率，觀測精度等。紅格臺井下地電阻率2015—2021 年觀測數(shù)據(jù)連續(xù)率、完整率、觀測精度統(tǒng)計如表3 所示，歷年連續(xù)率為99.98%以上，完整率為99.23%以上，觀測精度在0.04～0.1 之間。紅格臺深井地電阻率觀測數(shù)據(jù)內(nèi)在質(zhì)量高，數(shù)據(jù)經(jīng)常被相關專家用于分析預報，資料利用率較高。

表3 紅格臺地電阻率觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量統(tǒng)計表

4 討論

紅格地震臺臺址條件好，符合地電阻率觀測技術要求。臺站實施地電阻率井下觀測技術改造效果顯著，利用井下觀測技術可有效提高抑制干擾的能力，排除了長期以來建設施工對紅格地震臺觀測環(huán)境的干擾，井下地電阻率觀測系統(tǒng)裝置穩(wěn)定，觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量明顯優(yōu)于地表觀測結果，井下觀測精度優(yōu)于地表觀測裝置的觀測精度，觀測數(shù)據(jù)曲線變化動態(tài)明顯優(yōu)于原地表觀測。但是深井觀測井下線路和電極使用壽命有限，到一定年限后只能重新建設，應探索性能更加優(yōu)良的材料和技術，延長觀測系統(tǒng)壽命。目前全國地震臺站在不斷的改革，地電阻率觀測臺站已有無人值守成功案例，今后可通過技術改造，如采用太陽能供電等，實現(xiàn)紅格臺地電阻率觀測無人值守。