新丰江水库区和平地电站电阻率深孔多电极抗干扰观测实验

陈智群， 柴剑勇， 黄 晖， 李 敬，刘东辉，秦乃岗，陈莉芬

(1.广东省地震局新丰江中心地震台，广东 河源 517021；2.广东省地震局，广东 广州510070）

0 引言

在我国地电阻率观测方法已连续有40多年的历史，并有许多台站记录到在大地震前后显示出与地震活动有关的变化，积累了长期的观测资料和一定的强震震例，使地电阻率前兆观测结果成为震情判断的重要依据[1]。

广东也是较早开展地电阻率观测的地区之一，河源黄子洞地电台始建于1968年，进行了连续24年的观测，为本地区 （特别是新丰江水库区）的地震监测和研究积累了丰富的经验。1992年由于广梅汕铁路建设的需要，对黄子洞台地电项目进行了搬迁，在距离新丰江水库东边6 km的源南镇和平尖下村建成了现在的和平地电站。1997年新丰江中心地震台曾利用和平地电站地电阻率观测数据对本区的地震进行了成功的预测。从国内国外的大量的长期实践证明，地电阻率观测方法是有生命力的。

随着社会经济的快速发展，传统的地震地电阻率观测想避免环境干扰的影响已经是不可能的事情。在这种形势下，由横向向纵深发展的深埋电极电阻率观测方法应用而生。和平地电站在建台之初就进行了深孔电阻率观测试验，这是非常具有前瞻性的，十多年的观测数据表明，该方法抑制环境干扰的效果是不容置疑的。

1 实验目的和意义

1.1 深孔多电极电阻率观测实验是对深埋电极电阻率观测方法的丰富和深入研究

随着人们对深埋电极电阻率观测方法的了解和研究的深入，越来越多的人认识到了这种观测方法的优越性。环境因素的各种干扰得到了有效屏蔽，观测精度也有了一定的提高，电阻率的变化也更加真实地反映了地下深部岩石体内的应力应变。有理由相信，深埋电极电阻率观测方法对捕捉地震前兆具有更大的可能性。

在体会到深埋电极电阻率观测方法诸多优越性的同时，人们也意识到了该方法电极布设经费投入较大的问题，电极埋入越深，开挖或钻探的成本就越高。以和平地电站为例：1992年购入钻探4个深孔 （深度分别为：65.30 m、65.65 m、63.50 m和64.70 m），共花费2.6万元，投入费用较高。

能否在深孔里布设多对电极，观测不同深度的电阻率？勘探学的研究结果认为，地下不同深度的地层介质存在电性差异，因此对垂直方向上不同电性分层的组合体 （地层）进行地电阻率法测量的结果也是不同的[2]。

因此进行深孔多电极电阻率观测实验是有理论依据的，这也是在前人研究的基础上，对深孔电阻率观测方法进行更加深入的研究，目的是充分利用现有成果，开发利用好现有资源的有益尝试。

1.2 深孔多电极电阻率观测实验的意义

从和平地电站现有的深孔电阻率试验观测取得的大量数据分析中发现，视电阻率测值受季节、天气及周围环境的影响很小，精度较高；国内其他进行深埋电极研究的台站或机构均一致肯定该方法排除环境干扰的有效性，在地震监测预报方面也取得了一定的实效。但是和平地电站深孔观测由于是单一方向 （N80°W）、单组电极 (图1)，观测数据没有参照组进行对比分析，难免漏判、误判有震异常。进行深孔多电极电阻率的观测实验，正是丰富该观测方法的有效尝试，可以达到在同一测向深孔电阻率观测数据的参照对比，还可以在某组电极出现故障时不至于中断连续观测。

图1 河源和平地电站深孔观测基本组成Fig.1 Basic components of deep hole observation of Heping Seismic Station in Heyuan

2 实验的方法和原理

本实验的主要方法是利用和平地电站现有电阻率观测的深孔放置两组不同材料的电极，并对它们进行同步对比观测，选择地下不同深度对这两组电极进行对比观测实验，有目的地在不同的时间和不同的天气情况下分别取得相应的观测数据，在电极附近的地表处注入人工干扰源，观察电阻率测值的变化情况等。

2.1 实验观测线路的组成

观测线路由电极、导线、控制开关和观测仪器等组成 （图2）。电极A1B1M1N1为原深孔观测组合，A2B2M2N2为新安装铅电极组合，A3B3M3N3为新安装石墨电极组合。观测时通过人工的控制，可以得到以上电极组合的电阻率测值，根据需要还可以得到其它新组合更多的对比观测实验测值。

图2 实验观测线路原理图Fig.2 Schematic circuit diagram of experimental observation

2.2 电极材料、规格及形状

本实验分别采用铅和石墨材料各制作一对电极，两对电极均为实心圆柱体，规格 （高×直径）为 250mm×45mm （图3）。

2.3 电极组的布设和基本参数

首先将相应的电极组放置到井下一定深度的位置，然后用吊绳固定。放置方法如图4。

各深孔测井电极的布设排列方法相同，电极初始放置深度分别是，A电极测井：A2深61.50 m、A3深60.50 m （原电极 A1为65.30 m）；B电极测井：B2深56.00 m、B3深55.00 m（原电极B1为 65.65 m）；M电极测井：M2深 60.00 m、M3深59.00 m （原电极M1为63.50 m）；N电极测井：N2深58.50 m、N3深57.50 m （原电极N1为64.70 m）。各测井中，石墨电极与铅电极的高差均固定为1 m。

电极布设后，经过几天的静置后对各电极进行了接地电阻检查，检查结果如表1。测量结果显示，新放置的电极接地电阻均非常接近 （原B3电极因为极化等原因接地电阻变得很大）。

图3 电极尺寸、外形图Fig.3 Size and outline diagrams of electrode

图4 电极布设排列方法Fig.4 Electrode arrangement method

2.4 实验观测操作方法

（1）每天在不同的时间段采样观测5次左右，取当次观测的均值计算平均值为当天的日均值。

（2）采样观测均在正常观测之前进行，按A2B2M2N2→A3B3M3N3→……最后 A1B1M1N1(正常观测)的顺序进行。

（3）通过人工控制12位开关控制器来变换观测电极，观测数据由数码相机拍摄保存，文档按电极排列顺序相应命名，如文件 “深孔2” 即为新铅电极实时观测的文件； “深孔3”即为石墨电极观测的实时文件，其它文件命名方法相同。

表1 深孔各电极接地电阻值Table 1 Values of ground resistance of each electrode in Deep hole

3 实验结果与分析

3.1 深孔对比观测的电阻率趋势变化

2009年9月5日实验观测工作开始连续进行。从实际结果看，电极材料不同，在相同的观测环境下，电阻率测值 （均为电极初始放置位置）是有差别的。但是从同一周期看，其变化趋势是一致的（图5）。

3.2 电极放置深度与电阻率测值的变化规律

3.2.1 实际观测过程

图6、7分别是对比电极组合向上移动10 m和20 m时的实时测值。从实际对比观测结果以及结合已有深孔观测成果，可以认为在30～70 m深度的范围内，视电阻率测值随着深度的增加而增加。

图5 深孔实验电阻率日均值Fig.5 Average daily value curve of the deep-hole resistivity

图6 电极组合在50m附近实测值Fig.6 Measured values of the electrode combination about 50m deep

图7 电极组合在40m附近实测值Fig.7 Measured values of the electrode combination about 40m deep

3.2.2 电极在深孔20 m处的测值

为了继续验证电阻率随着电极埋深变化而变化的规律，2009年12月22、23日再次将电极组合整体向上移动40 m，也就是电极组合处于深孔20 m左右深度，图8是这时候的实测结果。

实测结果发现深孔电阻率变化现象有：ρ50m＞ρ20m＞ρ40m，这一结果也说明了地层中电性结构是不均衡的，电阻率的变化并不随着地层深度的变化而按照特定的规律变化。

图8 电极组合处在深孔20m深附近实测值Fig.8 Measured values of the electrode combination in deep-hole about 20m deep

3.3 人工干扰及对比观测结果

3.3.1 干扰方法

抗干扰实验采用注入人工干扰的方法，分别进行了两种干扰实验：方法一是在深孔M、N测量电极的附近地表处，向地下分别打入一根长1m的铜钎电极，然后将两根电极用导线连接使之成短路状态[3](如图9)。方法二是利用台站原饮水井的水管 （镀锌铁管），接上导线再串联上白炽灯后接在220V电源的正极上，制造人为的漏电现象。方法二连接及走线方法 （图 10）。

3.3.2 电极组合未移动时的实验

电极组合在深井50 m附近的人工干扰实验分别在2009年12月9、13、21日进行，同时采用了方法一和方法二观测，对比观测结果。

从实验数据分析发现，无论是方法一还是方法二，注入人工干扰后的电阻率测值均未出现明显变化，均方差波动不大。通过计算发现其相对变化幅度也与正常观测时没有明显区别。

图9 在测量极M、N附近注入人工干扰方法之一Fig.9 The first method of inputting man-made interference around the M,N measuring electrode

图10 在观测点内制造漏电注入人工干扰方法之二Fig.10 The second method of inputting man-made interference by making electric leakage

3.3.3 电极组合整体向上移动40 m时的实验

为了进一步验正深孔观测电极方法抑制地表干扰的效果，2009年12月23日将电极组合整体提升40 m，也就是电极组合处于深井中20 m附近进行了注入人工干扰的观测对比（图 11、 图 12）。

从图11、图12的实验对比观测结果发现，注入人工干扰前后的观测值均没有发生明显的变化，表明电极布设于深孔中20m左右时，地表的干扰影响已经可以得到有效的抑制。

和平地电站台址电测深曲线为H型，第一层表层为高阻层，此层厚度最深仅为17.4 m，第二层红层基岩为低阻层。干扰影响主要存在于第一层，只要将电极埋入高阻层内一定深度，使地表电流密度足够小，就能够有效地压制表层电阻率变化的干扰[4]。

4 结论

（1）由于本实验仅有4个月的时间，数据未能涵盖各个季节，对分析的结果有一定的影响。

图11 在深井中20m附近注入人工干扰时铅电极实时观测对比Fig.11 Comparison of real-time observation of lead electrode when inputting man-made interference in deep well about 20m deep

图12 在深井中20m附近注入人工干扰时石墨电极实时观测对比Fig.12 Comparison of real-time observation of graphite electrode when inputting man-made interference in deep well about 20m deep

（2）为了保证正常的观测工作不受到影响，本次实验观测数据全部通过人工采样取得。每次采样观测均要花近30 min的时间，实际取得实验观测数据量不大及没有一定的连续性，不利于不同材料电极的综合对比。

（3）实验观测虽然时间不长，但从亲身体验的过程中还是得到了不少有益的启发：首先是，在深孔中对电极及电极引线的焊接非常重要，还要做好防水处理这一关；其次是，电极组合之间的间隔要用绝热材料隔开并保持一致间距。

（4）与本次实验同时进行的电极极化原因研究因为内容较多，将另文论述。

从地电阻率观测的发展方向看，和平台深孔电极观测方法值得从试验转为正式观测；多电极组合应用于深孔观测不单节约了开发成本，而且提升了效能；建议在深孔中适当采用不同材料的电极，很可能会有惊喜的发现。

[1]田山，刘允秀，聂永安，等.地电阻率观测改进方法研究--电测井技术的移植应用与数值模型分析[J].地震学报，2009，31(3)：272-281.

[2]陈有发，蒋泽雄，赵和云，等.地电阻率法的最佳观测条件 [G].国家地震局科技监测司编.地震监测与预报方法清理成果汇编-地磁、地电分册.北京：地震出版社，1988：180-185.

[3]刘昌谋，桂燮泰，柴剑勇，秦乃岗，李发国，黄道立.河源地电台全空间地电阻率试验[J].华南地震，1994， 14 （3）： 40-45

[4]刘允秀，吴国有，王蕃树，王邦本.深埋电极地电阻率观测的实验结果[G].钱复业，赵玉林，陈英方主编.地震预测-地电方法论文集.福州：福建科技技术出版社，1985：206-216.