井下地电阻率观测技术应用与探讨——以天水台为例

姚赛赛,赵 洁,陈雪梅,安振宁,张晓阳

(中国地震局兰州地震研究所，甘肃 兰州 730000)

0 引言

井下地电阻率观测作为一种能有效减少和抑制地表干扰及地表电磁干扰影响的手段，是地电阻率观测方法在抑制环境干扰、提高观测精度方面的一种有益选择[1]。为应对地表观测环境干扰，解决地电阻率地表观测用地与经济发展用地间的矛盾，2008年起，全国开始进行井下地电阻率观测试验并开展相关分析[2-5]。2010年，天水地电台(以下简称天水台)开始井下地电阻率观测手段的建设。2011年1月10日井下多极距、多通道地电阻率观测钻孔施工和仪器架设初步完工，开始井下地电阻率观测技术、方法理论方面的研究。该文对天水台井下和地面地电阻率观测资料进行分析，对井下地电阻率观测系统进行评价，以期为该区域井下观测资料分析及前兆异常识别提供参考。

1 台址条件及观测系统

1.1 台址条件

天水台位于天水市麦积区马跑泉镇崖湾村，海拔1 153 m。测区地处崖湾村与白石村之间的永川河Ⅰ、Ⅱ级河谷阶地上，第四系覆盖层厚度20～30 m，其下是第三系黏土层，厚约450～500 m，基底为古生界变质岩。位于祁吕贺兰山字形前弧内缘褶带与陇西华家岭至天水旋回褶带复合部位，地势西北高、东南低(见表1)。

表1 天水台台址条件Table 1 Site conditions of Tianshui Geo-electric Station

1.2 观测系统

1.2.1 装置系统

布极方式采用四极对称装置，大致呈NS、EW、N45°W的近似等边直角(81°)三角形分布。NS、EW供电极距为300 m，测量极距为100 m；N45°W供电极距为390 m，测量极距为130 m(见第19页图1)。天水台井下地电观测使用JX-2010型专用电极，电极埋深100 m，地表观测的电极埋深6 m。采用直流供电的观测系统，井下、地面观测的采样率为1次/小时。

图1 天水地电台井下观测布极示意图Fig.1 Schematic diagram of deep well observation electrode distribution of Tianshui Geo-electric Station

外线路的地埋电缆线要解决鼠害噬咬、轻度机械损伤和抗腐蚀问题，保障电缆芯线的安全。基于以上要求，选用兰州众邦电缆生产的4×2.5国标铠装电缆，内外护套材料为聚氯乙烯，芯线的绝缘层材料为聚乙烯。线路埋深在1.0～1.5 m，避免冬季地面冻结和解冻对地埋线的影响，保持线槽平缓、线路松弛，以延长线路的使用寿命。

室内配线和避雷系统采用测、供分离避雷箱，线路通过防浪涌保护装置后，在信号线引入观测室前接入避雷器，地电阻率供电极、测量极分别采用200×400×600不锈钢机箱，独立安装电极引线的避雷器，氧化锌浪涌避雷器单元的峰压为470 V，瞬时电流40 kA。在观测室进入相应的分离挂墙箱，通过配线盒中的接线端子为仪器接输入线。

1.2.2 测量系统

测量仪器使用中国地震局地壳应力研究所研发的ZD8BI型，具有准确度高、动态范围大、抗干扰能力强、长期稳定性好、观测程序改动方便等优点。供电设备使用中国地震局地震预测研究所研发的WL6稳流电源，能增强观测系统运行的可靠性。

1.2.3 观测系统检测校准

地电台网的运行管理执行《地震前兆台网运行管理细则——地电》(2016版，以下简称《细则》)。下面从电极接地电阻、漏电电位差、仪器校准、供电电源性能四方面介绍观测系统的检测。

(1) 电极接地电阻测量。

电极是否稳定可靠是地电阻率观测系统的重要指标之一，主要通过测量电极的接地电阻大小来评价其性能状态。使用ZC-8型接地电阻表测量NS、EW、N45°W三道测量电极(M、N)和供电电极(A、B)的接地电阻。2016-2020年电极接地电阻变化如图2所示。可以看出，NS、EW、N45°W井下电极接地电阻变化较平稳，基本在4.12～7.46 Ω之间，室内接地电阻在2.1～3.8 Ω之间。

图2 电极接地电阻变化Fig.2 Change of electrode grounding resistance

(2) 测量系统漏电电位差检查。

《细则》要求，供电回路漏电电流IL应不大于正常供电电流的1%，漏电电位差ΔVL应不大于正常人工电位差的5%[6]。最近一次的漏电电位差检查在2021年12月。

(3) 仪器检测校准。

使用标准仪器UJ34A型直流电位差计、BC3型饱和标准电池，对UJ34A进行初始化设置，对仪器进行校零点和校满度，最后分别检查在不同标准电压值下地电仪测到的观测值[7]。正向检测校准时，偏差在0.001～0.008之间；反向时，偏差在-0.001～0.006之间。

(4) 供电电源性能检测。

《细则》要求，1 min内输出直流电流的不稳定度≤0.5%，输出电流纹波因数γ≤0.5%。最近一次的供电电源性能检测在2021年12月，纹波因数为0.0%。

2 观测资料分析

2.1 地表、井下地电阻率数据对比

2016年后，天水台地电测区修建麦积大道，地表观测受到较大干扰。为比较地表与井下地电阻率观测的差异，选取2011-2015年两者同时段的观测曲线进行对比分析。

由图3看出，地表观测值具有明显的年变化，呈夏高冬低的年变形态。测值变化分别为NS道5.33～6.81 (Ω·m)、EW道11.34～13.10 (Ω·m)、N45°W道7.26～8.00 (Ω·m)。地表观测的3道年变幅分别为24.38%、14.40%、9.71%，说明地表观测易受各种因素的干扰，数据波动幅度大，年变幅大。

图3 地表、井下地电阻率日均值图Fig.3 Daily average of surface and deep well geo-electric resistivity

井下观测年变幅小，呈现近直线变化。测值变化分别为NS道4.97～4.99 (Ω·m)、EW道7.02～7.06 (Ω·m)、N45°W道7.42～7.57 (Ω·m)。井下观测的3道年变幅分别为0.55%、0.53%、1.98%，说明地下观测装置可减小甚至抑制干扰及降雨变化对视电阻率观测结果的影响。2011-2012年，井下N45°W测值突跳较大，原因是井下观测系统处于试运行阶段，观测装置未达到稳定状态。

2.2 地表、井下观测值均方根误差对比

视电阻率观测精度是所测的视电阻率准确度的度量，由系统误差和偶然误差两部分组成。其中，偶然误差是多种因素的综合作用使观测值产生某些变化，使测量值在均值附近波动，其大小用均方根误差来表示。多次观测值的均方根误差σn-1由下式计算：

图4 地表、井下观测各测道均方差日均值图Fig.4 Daily mean value of surface and deep well mean square deviation of each survey track

2.3 井下电阻率月精度、年变化幅度

观测精度Kσn的计算公式为：

式中：N为台站的测道数；D为当月的天数；H为一天中小时观测数据的个数；(σn)kji是当月第j测道、第i天、第k小时地电阻率测值的均方差；(ρs)kji为当月第j测道、第i天、第k小时地电阻率测值[7]。2014-2020年3测道月精度如第22页图5所示，可见3测道Kσn值均未超过0.2%，且以0.1%及以下居多，变化较为平稳，表明仪器的工作状态良好，数据的离散度小，干扰信息少，数据可靠度高。

2014-2020年3测道年变幅分别为NS道0.26%～0.54%、EW道0.26%～0.54%、N45°W道0.26%～0.54%(见图5)，表明井下观测数据变化平稳，年变幅低，年变形态不明显。

图5 各测道月精度及年变幅度Fig.5 Monthly accuracy and annual variation amplitude of each survey track

3 地震监测效能评价

2013年4月20日四川芦山发生MS7.0地震，震中距天水地电台540 km。地震前11 d即4月9日，天水台井下地电阻率NS、EW和N45°W测值出现同步异常，形态表现为电阻率测值高频扰动，震前2 d波动更明显。NS正常观测值为4.98±0.01 (Ω·m)，震前变幅为±0.03 (Ω·m)，震前1 d的最大变幅达-0.06 (Ω·m)；EW正常观测值为7.05±0.01 (Ω·m)，震前变幅±0.03 (Ω·m)，震前1 d的最大变幅达-0.04 (Ω·m)；N45°W正常观测值为7.5±0.1 (Ω·m)，震前变幅为±0.03 (Ω·m)，震前3 h的最大变幅达+0.29 (Ω·m)。此波动异常持续至5月4日结束。

2013年7月22日甘肃岷县—漳县发生MS6.6地震，震中距天水台155 km，地震前约40 d天水台井下地电阻率出现异常。EW在6月11日、NS在6月12日均出现异常，异常形态和芦山地震前的相似，表现为明显的高频扰动；幅度较芦山地震前的小，EW异常时段波动变化幅度为±0.03 (Ω·m)，NS为±0.02 (Ω·m)，N45°W未显示明显异常。2013年6月17日，天水台结合地电阻率、流体学科资料异常，向中国地震局和甘肃省地震局预报部门提交短临预报卡。

2017年8月8日四川九寨沟发生MS7.0地震，震中距天水地电台240 km，地震前约5个月，天水台井下地电阻率出现异常。2017年4月以来，由于测区西侧修建麦积山公路，在7至11点、14至18点有大型机械间歇施工，整点值形态受到影响，高频扰动中夹杂有环境干扰，日均值趋势较清晰。NS、EW和N45°W均处于趋势转折阶段，天水台地电阻率典型震例总结如表2所示。

表2 地电阻率典型震例总结Table 2 Summary of typical earthquake cases of geo-electric resistivity

综上分析认为，从震前天水台地电阻率异常变化来看，地电阻率整点值呈现高频扰动变化，此时日均值呈现趋势转折或趋势下降(见第23页图6)。

图6 各测道整点值、日均值及震例图Fig.6 Hourly point value,daily average value and earthquake example map of each survey track

根据地电阻率地表观测已有震例的分析和研究结果，认为地电阻率异常对7级以上大地震的检测能力较好，一般距震中300 km范围内的地电台站能记录到可辨认的较长趋势的中期或短期异常[8]。根据天水台井下地电阻率震例研究结果，2013年4月20日四川芦山MS7.0地震，天水台井下地电阻率距震中约540 km，在震前11 d出现异常。此种现象与地震的关系，需要结合其他井下地电阻率台站的已有震例做更多的研究。

4 结论和讨论

通过对天水台井下地电阻率观测的分析，可得出如下结论：

(1) 天水台井下地电阻率外场地设施全部地埋，与架空线相比，在使用寿命、防风扰、防盗窃、防雷电方面有一定优势，能保证系统的长期稳定运行。自观测以来，各类校准、标定工作按《细则》进行，均符合要求。井下地电阻率测值相较地表具有测值平稳、年变幅度小、精度高的优势。

(2) 天水台井下地电阻率观测表现出较好的映震能力。震前异常表现为整点值曲线的高频扰动，日均值曲线呈趋势转折或趋势下降。

(3) 在观测期间，天水台地电测区受到麦积大道扩建的影响，地埋线遭到开挖损坏，维修成本高。因此，要做好地面标识，检查井、钢管防护等措施。观测井是一次性回填，做好井中线路、电极的连接及线路的对地绝缘是提高观测数据质量的前提。井下地电阻率在一定深度地层观测，当地表观测场地存在大型机械施工干扰时，井下地电阻率观测值会受到一定影响，在资料分析中要仔细甄别，客观科学地分析资料变化。