地震地电场前兆观测新方法

李桂清　杜喜超　孙新才　张帆

摘 要：依据深井（井下）电极垂向地电场观测技术思路，本文提出了利用深井钢管做电极开展垂向地电场观测的新方法，开辟了地震地电场前兆观测的新途径。地震台可利用深井摆测震井、地下流体观测井等现有的深井钢管条件，增加地电场地震前兆观测项目，同时不需要太大的投资。在台站具备深井条件时，该方法易于推广和应用，效果良好。

关键词：地震前兆;地电场;观测新方法;深井钢管电极

中图分类号：P315.722文献标识码：A文章编号：1003-5168（2021）11-0134-04

A New Method of Precursor Observation of Seismic Geoelectric Field

—The observation Method of Deep Well Steel Pipe Electrode Geoelectric Field

LI Guiqing1 DU Xichao2 SUN Xincai2 ZHANG Fan2

（1. Puyang Seismic Station，Puyang Henan 457000;2. Qingfeng County Seismic Station，Puyang Henan 457300）

Abstract： According to the technical idea of deep well （downhole） electrode vertical geoelectric field observation， this paper proposed a new method of using deep well steel pipe as electrode to carry out vertical geoelectric field observation， which opened up a new way of seismic geoelectric field observation. Seismic stations can use existing deep well steel pipe conditions such as deep pendulum seismic logging wells and underground fluid observation wells to increase geoelectric field seismic precursor observation projects without requiring too much investment. When the station has deep well conditions， this method is easy to popularize and apply， and the effect is good.

Keywords： earthquake precursor;geoelectric field;new observation method;deep well steel pipe electrode

長期的科学观测已充分表明，每一次地震前后尤其是发震过程中都存在电磁异常现象。这些异常不仅包括电磁波、地电场、地电流以及对应的大气电场的异常变化，也包括地光、地声、地热、红外辐射、地形变以及狂风暴雨之类的气象异常。多数地震学家把这样的电磁异常视为地震的伴生现象，即地下岩石破裂产生压电效应，并做了许多试验来证实这样的观点。而地电观测有助于取得前兆异常信息，以便开展地震预测[1-4]。

地电场是重要的地球物理场之一，是地电学科研究的重要对象。在地震预测预报的多路探索中，地电学方法是比较成熟的地震前兆观测方法之一，这也是地震前兆观测的重要组成部分，在地震预报中发挥着重要作用。

国际上，希腊、法国、日本等多个国家已经开展了地电场观测工作，获得了一系列与地震活动有关的地电场数据。我国地电场观测始于1966年邢台地震之后，先后经历了大地电流场模拟观测、自然电场模拟观测和数字化地电场观测等阶段，目前已经建成100多个台站组成的数字化地电场观测网，基本覆盖我国主要活动构造带、地震重点监视区和经济发达地区。经过50多年的国内外观测实践，地电场观测方法已经基本成熟，在地球科学研究和地震监测预测活动中发挥着重要作用。

据统计，全国地电学（地电阻率、地电场）观测台站、测项共有150余台项，台项数量较少，与地下流体724台项、形变700余台项相比，具有较大差别（地磁台站也有207台项）。河南省前兆观测台网也是如此情况，有5个地电台项、30个流体台项、57个形变台项和8个地磁台项。因此，应加强地电学前兆观测台站建设，提高地电学前兆地震监测能力，从而有效提高地震预测预报水平。

然而，随着国民经济的快速发展，特别是随着城市化建设及各种电气化基础设施的建设，各类电磁环境干扰因素对现行地电场观测（多方向、多极距地表水平方向观测）的影响日益增强，这给地电场观测场地选择、台站建设及从地电场观测数据中提取有用的地震前兆信息增加了较大的难度[5-9]。因干扰影响，有的台站观测数据无法使用，失去了观测的意义。

目前，地震预报还是一个世界性难题。要想解决地震预报这个难题，首先必须打牢地震前兆观测这个基础。但是，随着社会经济的发展，地震前兆观测受到越来越严重的干扰影响。为更好地获取地震前兆异常信息，要开拓新思路，研究开发地震前兆观测新方法、新技术，不断提高地震监测预报水平。

为了排除各类电磁环境对地电场前兆观测的干扰影响，有些台站开展了井下电极地电场观测[10-11]，电极深度介于几十米到几百米，取得了较好的观测效果。井下电极地电场观测方法需要打多口电极井，费用高，不易推广。王兰炜等开展了井下电极垂直地电场观测试验[12-13]，该方法使用1口井就可开展地电场前兆观测工作，降低了打井费用，可有效排除电磁干扰影响，开创了地电场观测新思路。依据井下电极垂向地电场观测技术思路，李桂清等开发了深井钢管做电极进行垂向地电场观测的方法，取得了较好的观测效果，开辟了地电场观测新途径[14-17]。

深井钢管做电极开展垂向地电场观测的方法可利用地震台深井摆测震井、地下流体观测井等现有井孔条件开展地电场观测工作。该方法充分利用了现有台站原有的条件，开辟了地電场观测新途径。河南省濮阳市地震台、清丰县地震台、开封地震台等试验观测结果表明，深井钢管电极垂向地电场（自然电位）观测方法具有较好的震兆效果。现有地震台应充分利用深井钢管这个已有条件，使用深井钢管做电极在地震台开展地电场前兆观测工作。本文对深井钢管做电极开展垂向地电场观测的方法做了介绍，对观测试验结果进行了分析。

1 基本原理

深井钢管电极垂向地电场（自然电位）观测方法原理如图1所示。[O]为井管电极。地震台应有深度大于300 m的钢管深井，越深越好。井管[O]做测量电极。[A]为开展深井钢管电极垂向地电场（自然电位）观测需要安装的辅助电极。人们可以埋设专用电极或埋设钢管，深度为5～10 m。[A]距[O]的大小可保持在10～200 m。试验结果显示，10～200 m的距离内，[A]在不同位置时的测量结果是一致的[16]。

若台站有2个深浅不同的井管，则可直接使用2个井管作为电极组成测道开展地电场观测。当台站只有1个井管时，安装辅助电极与井管组成测道开展地电场观测。设井管电极电位为[VO]（mV），辅助电极为[VA]（mV），则垂向地电场观测结果[EV]为：

2 观测方法

一是人工模拟观测，即采用数字万用表观测或无纸记录仪观测。二是数字化观测，即使用带IP地址的数据采集器观测或使用地电场专用仪器观测。

3 方法特点

深井电极垂向地电场观测方法是地震前兆观测的新方法，实现了观测方法的创新应用，开辟了地电场地震前兆观测的新途径。该方法充分利用地震台站现有条件，增加了新的观测项目而不增加新的大规模投资;井管与电极的距离可保持在10 m左右，大大缩小了观测场地范围，便于地震台观测场地的选择和地电场观测项目建设;两电极距离近，处于同一场地环境中，可有效排除地表电磁干扰影响;测量电极深度大（越深越好），易于获取地下地震地电场信息，具有较好的地震前兆观测效果，有效提高了地震短临预报水平;该方法在具备深井条件的台站中易于推广应用，地震台可利用深井摆测震井、地下流体观测井井管开展深井钢管电极垂向地电场观测工作，实现了一井多用、综合观测的目的。

4 震例分析

4.1 濮阳市地震台观测试验

濮阳市地震台有两口钢管井，1号井深度为500 m，2号井深度为250 m，两井相距约10 m。人们重点开展水位、水温、深井摆测震等观测项目，将两口井的钢管作为两个电极，按照上述深井钢管电极垂向地电场观测方法，把两个不同深度的井管组成一组观测电极，开展地电场前兆观测。2014年8月1日开展地电场观测以来，地电场观测资料异常与周围200 km范围2.0级以上地震有较好的对应关系。2014年地电场观测资料异常与地震的对应关系分析结果如表1所示。

2015年以后的观测资料分析从略。由表1分析结果及震例统计可知，濮阳台地电场观测资料异常特征有四点。一是异常起始时间。异常开始至发震的天数为13～52 d，平均为23 d。二是异常幅度。观测值升高为异常变化，异常幅度介于10%～74%。异常幅度大，异常易于识别。三是异常对应率。根据地震发生情况，经计算，异常对应率为80%。四是地震发生时间。地震一般在异常高值回落过程中或恢复正常后发震。

4.2 开封台地电场观测试验

开封市地震台位于开封城墙西北角，北距东京大道150 m，西临西关北街路，占地面积为3 300 m2，东西接近70 m，南北约有50 m。台站有两口钢管井，观测井（深井摆测震井）深度为300 m，饮水井深度为150 m，两井相距约50 m。人们将两口井的钢管作为两个电极，开展地震地电场前兆观测。开封台2019年3月13日开展地电场观测。开封台地电场观测资料异常与地震的对应关系分析结果如表2所示。

需要注意的是，2019年3月27日18：00开始，河南宝丰地电位继续升高;3月28日至4月7日，河北临漳地电位有一高值过程，但未发生2.0级以上地震;山西襄垣地电位在升高过程中跳动，11日23时最高电位为-0.030 2 mV，11日20：00最低电位为-0.033 0 mV;从河北磁县、河南襄城、山东菏泽来看，8月30日开始，地电位升高，8月10日19：00至17日22：00为高值时段，8月20日08：00又开始突升，此时至22日形成高值时段，8月31日15：00出现突升，至9月9日断记，地电位仍在高值阶段，达-0.033 0 mV，其一直处于高值异常阶段，形成了3个高值异常点，对应了3次地震。

根据表2分析结果，开封台地电场异常变化有如下特征。一是异常起始时间。由表2可知，异常开始至发震的天数为7～40 d，平均为20 d。二是异常幅度。观测值升高为异常，异常幅度介于3%～10%。异常幅度大，异常易于识别。三是异常对应率。根据地震发生情况，经计算，异常对应率为79%。四是地震发生时间。地震一般在异常高值回落过程中或恢复正常后发生。开封台地电场异常变化特征与濮阳台相一致。

5 结论

深井钢管电极地电场观测方法是地电场地震前兆观测的新方法，可使用地震观测井井管做电极开展地电场观测，充分利用地震观测井原有条件并增加新的观测项目，实现了一井多用、综合运用的目的。深井井管深度大，更有利于获得地下地震信息，观测效果好。观测井占地面积小，井管电极体积大，有效地排除了地表电磁干扰。该方法解决了现行地电场观测方法场地选择困难、干扰严重等问题，在地震台站具备深井的条件下易于推广和应用。

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