红格台井下地电阻率观测技术分析＊

周定林，张世凤，何学勤

（四川省地震局攀枝花地震监测中心站，四川 攀枝花 617000）

观测技术是获取观测数据的手段，是地震预测预报中一切观测工作的基础。地震地电阻率观测方法是从地球物理电法勘探技术中移植和改造而来，1966 年邢台地震后，中国建立第一个地电阻率观测台站，随着科学技术进步，经过50 多年的发展，地电阻率观测技术有了极大的发展。但是近年来，随着国家建设发展，大多数地电台站受到了不同程度的环境干扰，为了抑制地表干扰，先后有很多台站进行了井下地电阻率观测技术改造，攀枝花红格地震台于2014 年实施井下地电阻率观测技术改造后，观测系统抑制地表干扰能力增强，观测精度高。本文对红格台井下地电阻率观测技术系统进行了详细介绍，对观测数据质量进行分析，为其他台站进行井下地电阻率观测技术改造或建设提供参考。

1 台址条件

红格地震台位于攀枝花市盐边县红格镇，台站距离攀枝花市区30 km，海拔1 240 m。红格台地处川滇菱形块体内，台站周边主要断裂带有昔格达-元谋断裂、安宁河断裂、得力铺断裂、宁会断裂等（如图1所示）。台站附近区域地震活动较为频繁，周边地区强震和大震不断发生。地电阻率观测场地位于昔格达盆地，盆地呈南北向展布，横跨昔格达断裂。场地下方电剖面结构为Q 型，表层8 m 为砂砾层，以下为第四系。岩性多以灰色石英闪长岩、辉长岩为主；测区高差25～30 m，区内沟壑较多，地面植被稀少。区内地下水较为丰富，分布广泛，地下水埋深平均100 m，底下径流自东向西流。场区地势开阔、平坦、高差小，探测范围深，抑制季节、环境变化产生的背景干扰能力强，观测数据年变化幅度小。建台以来对攀枝花及周边地区的地震有很好的映震效能。

图1 红格地震台附近主要断裂带图

2 观测装置系统

2.1 布极方式

红格台井下地电阻率采用直流供电方式，设有南北（NS）、东西（EW）2 个测道，采用四极对称布极（ABMN），其布极示意图如图2 所示。其中EW 测道A3、B3 供电极距为345 m，M3、N3 测量极距为118 m；NS 测道A1、B1 供电极距为422 m，M1、N1测量极距为152 m。

图2 红格台深井地电阻率观测布极示意图

2.2 装置系数计算

进行地电阻率测量时，通过电源和供电电极向四极装置提供稳定的电流，供电电流I从电极A 流入，再从电极B 流出，此时仅会在4 个电极表面上积存电荷，通过人工电位补偿，抵消在M、N 这2 个测量电极上积存的电荷，这样在供电极A、B 上产生2 个异性点电荷[1]。假设地下介质电性均匀，由于2 个点电荷场的叠加，则由电流I产生的M、N 之间的电位差如下：

地电阻率值ρs的计算公式为：

式（2）中：ρs为地电阻率，Ω·m；K为装置系数，是通过装置系统中4 个电极布设位置距离计算出来的常数，m；UMN为电位差，V；IAB为电流，A。

将式（1）代入式（2），得：

式（3）为地电阻率观测系统装置系数计算公式，K值仅与电极A、B、M、N 之间的距离有关。计算得到EW 测道和NS 测道装置系数K如表1、表2 所示。

表1 红格台井下地电阻率EW 测道装置系数（单位：m）

表2 红格台井下地电阻率NS 测道装置系数（单位：m）

2.3 电极及线路埋设

2.3.1 电极埋设

红格地电台井下地电阻率观测井深度为82～110 m，孔径均为250～300 mm。电极选用化学性能比较稳定的铅板制作，其中电极A、B 规格为1 000 mm×250 mm的铅柱体，电极M、N规格为1 000 mm×25 mm的铅柱体。经过严格的防腐处理，在浇铸铅板时，将观测线路连接引线浇铸在铅板中，再用沥青灌注连接处，保证接触良好。

井下线路是电缆生产厂家定制的6 mm2铜芯绝缘线，导线抗拉强度大于等于28 kg/mm2。电极埋设过程中均采用原土同层的材料回填，电极垂直于地面方向埋入。所有电极接地电阻均小于9 Ω，井下线路绝缘电阻均大于500 MΩ。

2.3.2 线路埋设

红格台外线路除少部分跨沟渠线路采用空架线方式，其余线路均采用地埋方式。8 个观测井供电线和测量线采用铠装带屏蔽铜芯电缆连接到中心点检查井，再由中心点检查井采用铠装带屏蔽铜芯电缆连接到观测室，所有线路均套装阻燃管（规格：DN50 mm）。电缆采用挖沟槽埋设，沟槽采用人工开挖，顶宽1.4 m，底宽0.8 m，深1.2 m，底部70 cm 采用砂砾石回填，密实度90%以上，顶部50 cm 采用原土回填。在中心点及线路沿线修建检查井，便于对线路、电极的检查，线路沿线每20～30 m 设1 个标识，拐弯处设线路走向标识，观测井及检查井处设地震观测环境保护标识牌。

2.4 供电及避雷系统

2.4.1 台站供电系统

地震监测的特殊性要求地震台站观测设备长期不间断稳定运行，这就要求地电阻率观测台站供电系统稳定、不间断供电。红格地震台采用市电加UPS，同时采用发电机供电模式。市电用电缆引入配电房，将机房供电和生活用电分离。红格地震台所有观测仪器采用3 kVA 在线式UPS 供电，保证8 h 延时供电，为保障台站供电的稳定性，将UPS 安装在台站配电房，UPS 输出采用双回路敷设，分别保障台站观测机房和外线路交流供电。观测机房供电为避免单个设备损坏造成机房供电系统崩溃，采用回路设计，分别对机房的机柜和处理计算机进行供电。

2.4.2 台站避雷设计

按照台站避雷接地规范，红格地震台分别建有供电和仪器避雷接地网，接地电阻设计要求小于4 Ω。机房避雷采用三级设防：一级设防为交流变压器处跌落式熔断器、低压保险避雷器，二级设防为UPS 前端安装三相电源避雷器，三级设防为机房配电柜和外线路安装有三相电源避雷器。此外，在各仪器电源输入口安装电源避雷器，同时在通信和外线接入口安装信号避雷器进行四级设防。能最大限度避免雷电对台站仪器的损坏。

2.5 观测仪器

红格台井下地电阻率观测仪器主要包括ZD8M 型地电仪和WL6 高频开关稳流电源，另外配有UJ25 型直流高电势电位差计、BC9 型饱和标准电池、ZC-8 接地电阻测量仪、计算器、数字万用表、ZC25-3 型兆欧表、电脑等辅助设备。

ZD8M 地电仪由上位机、下位机和电源电路3 部分组成[2]。上位机为PC104 工控机，控制整个仪器运行，下位机包括以单片机80C31 为基础的主控电路，采集键盘、显示电路，A/D 转换电路，继电器组电路等，下位机根据设定的程序和输入的参数，按步骤进行测量。测量人工电位差分辨率达到0.01 mV，动态范围大于100 dB，输入电阻大于500 MΩ，抗干扰能力强，准确度、稳定性好，观测程序升级便捷，自动化、智能化程度高。仪器的主要工作参数如装置系数、测量间隔时间、供电时间、供电方式、一组测量的观测次数等均可在现场人工置入或通过网络远程进行修改[3]。

3 观测资料质量

地电阻率观测资料质量评价指标包括观测数据连续率、完整率，观测精度等。红格台井下地电阻率2015—2021 年观测数据连续率、完整率、观测精度统计如表3 所示，历年连续率为99.98%以上，完整率为99.23%以上，观测精度在0.04～0.1 之间。红格台深井地电阻率观测数据内在质量高，数据经常被相关专家用于分析预报，资料利用率较高。

表3 红格台地电阻率观测数据质量统计表

4 讨论

红格地震台台址条件好，符合地电阻率观测技术要求。台站实施地电阻率井下观测技术改造效果显著，利用井下观测技术可有效提高抑制干扰的能力，排除了长期以来建设施工对红格地震台观测环境的干扰，井下地电阻率观测系统装置稳定，观测数据质量明显优于地表观测结果，井下观测精度优于地表观测装置的观测精度，观测数据曲线变化动态明显优于原地表观测。但是深井观测井下线路和电极使用寿命有限，到一定年限后只能重新建设，应探索性能更加优良的材料和技术，延长观测系统寿命。目前全国地震台站在不断的改革，地电阻率观测台站已有无人值守成功案例，今后可通过技术改造，如采用太阳能供电等，实现红格台地电阻率观测无人值守。