阳原台短极距深井地电阻率建设

韩和平,马利军,宋晓煜,张广莉

(1.河北省地震局阳原地震台，河北 阳原 075800; 2.保定地震监测中心站，河北 保定 075000; 3.张家口地震监测中心站，河北 张家口 075000)

0 引 言

目前全国有80多个地表长极距地电阻率观测台站，大多数电极埋深一般小于3 m。河北阳原地表地电阻率观测电极埋设深度为20 m，是全国地表观测电极埋设最深的台站之一[1-2]。目前，多数台站测区内的干扰源越来越多，造成浅表电性结构改变或存在地面杂散工农业漏电，对地表大极距地电阻率观测造成严重的干扰[1-3]。为了保证台站监测业务的正常有序进行，提高观测数据的内在质量，目前电磁学科正在探索实践深井短极距地电阻率观测系统，以降低浅表观测环境因素的干扰[4-6]。“冬奥会保障晋冀蒙监测能力提升项目”河北分项在阳原地震台(以下简称“阳原台”)新建一套短极距深井地电阻率观测系统[4-6]。布设三个水平测道和一个垂直测道，各测道供电极距AB均为80 m，测量极距MN均为20 m。水平测道采用等边三角形布局，三个测道两两共用一个供电电极，所有电极埋设深度为100 m。垂直测道中心点深度为100 m，最底端电极埋设深度140 m，最顶端为60 m。电极埋设后，所有数据技术指标符合规范要求，电极接地电阻均为5 Ω左右，符合地震台站建设规范(DB/T18.1-2006 )[3]要求。本文将详细介绍阳原台深井地电阻率观测系统电极的制作过程、埋设过程、关键技术、注意事项，并对试运行数据进行分析。

1 项目基本情况

1.1 台站概况

阳原地震台位于冀西北山间盆地，地势平坦开阔，台站四周多为当地农民庄稼地，东面约10 m处为阳原县液化气公司，南面约200 m处为大秦铁路。目前，测区内建有上百家住户以及洗衣厂、投资公司、幼儿园、养殖厂等多处潜在的干扰源。

1.2 地质概况及场地勘选

阳原台位于阴山—燕山和太行山两大构造交汇处的桑干河断裂带附近。该地区主要的活动断裂带为北东东走向的南山山前断裂带和北山山前断裂带，两条断裂带均为倾向盆地中心的正断层，地电观测区覆盖层厚度超过100 m(图1)。台站所在的晋冀蒙交界区域近几十些年来地震活动较为频繁，有记录以来共发生8次6.0级以上地震，其中7级地震1次，最近一次强震为1998年张北6.2级地震。

图1 阳原台周边地质构造

1.3 项目概况

本项目为“冬奥会保障晋冀蒙监测能力提升项目”[4-6]河北分项，建设地点位于河北省阳原县西城镇北关村铁路北阳原地震台东约800 m处。建设内容包括：新建三个水平测道和一个垂直测道，各测道采用对称四级观测装置(图2)。

图2 深井地电阻率布极

2 电极的制作及埋设

2.1 电极的制作

因电极需要长期在井下埋设使用，按照规范要求，选择含铅量99.99 %以上，厚度5 mm的铅板制作电极，铅板大小为1 000 mm×628 mm。使用折弯机将铅板卷成底面直径200 mm、高1 000 mm的圆柱体。为避免电极因含有不同材质金属导致较大的极化电位，圆筒电极接缝处用铅条熔化后进行焊接(图3)，而不采用铜丝或其他金属丝进行缝合。

图3 铅板及卷成后的电极

焊接电缆时，电缆的2股芯线应分别分布在电极内表面的对称位置。电极外部焊接处用铅条溶化后焊牢并密封；内部焊接处先使用9005全透明环氧树脂AB胶封线，待胶完全干后再用995硅酮结构密封胶增大密封面积和厚度(图4)。电缆焊接完成后，不能有任何裸露的线芯，以防止与土壤直接接触引起自然电位的变大，也是为了防止铜线与水或地层接触，造成铜线受腐蚀断掉。焊接完成后，把承重碳纤维绳固定在电极的两端即可。

图4 电极内、外部的接头密封

2.2 电极的埋设

钻孔完成后，应尽快下放电极和电缆。电极下井安装之前，需再次检测电缆和电极，确保焊点密封良好、焊接电缆线芯不承受电极重量；在电缆上标记电极下放到指定深度的位置；对于垂直测道，还应标记4个电极对应的电缆(表1)。电极下井前井底须有3 m左右的泥浆或干净的松土，下放时确保电极位于井孔的中间位置。

电极在下井前应该做浸水测试，时间1小时为宜，可使用兆欧表测试铜导线与外部屏蔽层之间的绝缘电阻，大于5兆欧为宜，阳原台所测数据全部合格(图5、表1)。电极下井前还应该用铁刷子刷掉电极表面的氧化层，这样做可以减小电极的接地电阻(图5)。下放电极时受力使用电缆内部自带的碳纤维绳，利用一个定滑轮，固定在井架上，下放过程要保持匀速缓慢，下放到预定深度后，将剩余电缆缠绕在固定装置上。

电极下放完成后，需要测量引线间电阻、引线与绝缘层的绝缘电阻，确保下放过程中没有变化。测量各电极的接地电阻，供电电极接地电阻宜小于30 Ω，测量电极接地电阻宜小于100 Ω。阳原台所有电极接地电阻均在5 Ω左右，所有数据完全符合规范要求(表1)。电极下放完成后，应该立即进行井孔回填，阳原台选取原土回填，回填后需要把每个电极井口的电缆线进行固定，垂直井的井口还需安装锁井装置(图5)。另外，按照规范要求在不同时间段测量相应的各组数据，阳原台所有测量数据完全符合规范要求(表1)。

图5 电极浸泡测试、刮刷氧化层及垂直井锁井装置

表1 电极下井前后检查数据

3 产出数据分析

2020年4月1日本项目所有仪器安装完毕,观测仪器为ZD8MI多极距地电阻率仪。从2020年4月1日～6月30日阳原台深井电阻率日精度数据来看：东西向测道精度范围在0.02%～0.06%，西北向测道精度范围在0.02%～0.04%，东北向测道精度范围在0.007%～0.03%，垂直测道精度范围在0.005%～0.04%。数据稳定，观测精度非常高。再从2020年4月1日～6月30日阳原台地表长极距地电阻率观测日精度数据来看，东北向测道精度范围在0.1%～0.35%，西北向测道精度范围在0.2%～0.3%。目前中国地震局地电监测要求台网产出日观测精度优于0.3%，由此可见，深井电阻率观测精度远高于现行地表观测的标准，观测数据质量明显要优于同场地的地表观测(图6a、b)。

降雨是影响阳原台地表地电阻率观测最主要的干扰因素，所以同时绘制了降雨期间2020年4月21日～7月8日的阳原台地表地电阻率观测小时值曲线(图6a)、深井电阻率小时值曲线(图6b)和降雨量曲线(图6c)。从近3个月的数据来看，深井电阻率4个测道观测数据总体变化稳定，其中垂直测道电阻率变化较大，长趋势变化较明显，可能与四个电极位于同一井孔内、井孔回填土逐渐趋于压实有关。从图中可以看出，深井地电阻率观测数据变化稳定，未受降雨影响。同样，从图中可以看出，地表电阻率观测受降雨影响明显，每次降雨后均呈现出数据快速下降，其后又缓慢恢复的特征，西北向测道要比东北向变化明显。

图6 阳原台地表地电阻率(a)、深井电阻率(b)、降雨量(c)小时值曲线(20200421～20200708)

从以上分析可以得出，阳原台深井电阻率观测能有效避开降雨影响，其数据变化稳定，满足电磁学科规范[4]要求，能准确产出观测精度优于0.1%的指标要求的观测数据。

4 结 语

(1)本项目在阳原台地电观测的测区内新建水平三个测道和一个垂直测道的深井观测系统。所有电极埋设后按照电磁学科规范[3]要求测量绝缘电阻、接地电阻等相关数据，全部合格。

(2)电极在埋设过程中，应注意以下几个方面：固定电缆时应保证焊点不承受拉力；电极焊点处的电缆不得有任何裸露的线芯；回填时尽量选取原土回填，垂直测道的电缆需至少在井口的锁井装置上缠绕3圈以上。

(3)从2020年4月1日开始3个月的观测数据来看，数据的观测精度比地表长极距观测高一个数量级，而且消除了降雨干扰。由于极距短，占地面积小且装置埋设较深，不受周边地区城市规化发展等环境变化的影响，可在全国范围内多新增该观测项目，以达到整体提高全国地震监测能力的目的。