全方位自然电场观测方法和观测技术研究

席继楼 宋艳茹 胡明朝 刘 超 徐学恭 尚先旗

1）中国地震局地震预测研究所，北京100036

2）上海市地震局，上海 201203

3）天津市地震局，天津 300201

自然电场（又称自然电位）是由地下矿体、电解质与周围介质之间、以及地下岩石结构体之间的物理化学反应产生，包括氧化-还原电场、过滤电场、接触-扩散电场等。一般情况下，自然电场具有局部性和相对稳定性等特点，也会由于局部性的地下水系、裂隙的变化，产生在时间和空间上的剧烈变化等。自然电场的物理意义比较明确，变化（孕震）机理相对明晰，在唐山7.8级地震、海城7.3级地震、松潘7.2级等中强以上地震前后，记录到了可能与地震孕育有关的变化形态。

首先开展了全方位自然电场观测方法研究工作。自然电场产生及变化与地下结构体的物理属性、破碎断裂带的规模与展布、地下水系的发育程度、岩石应力的分布与强度、潮汐力的外力作用以及各种外场效应等因素的关系比较密切。借鉴物探电法中的环形梯度法（又称“8”字型观测法，主要用于地下水流向测定），采用一种全方位装置布设方法，即以观测区域的中心点为基准点，环 360°范围内布设相同测量装置，同步记录各个方位（至少8个方位）的自然电位梯度变化，以便能够捕捉到每个测量方向上自然电场及其随时间的变化特征，避免由于测道方法原因（如目前在地电阻率和地电场观测中的两个[正交]方向的测道布设方法等）造成的自然电场变化信息的遗漏和最大变化方位的缺失。

重点开展了基于上述全方位自然电场观测方法的自然电场观测技术研究。包括一种全向可旋接分体式不极化电极和多测道高精度自然电场观测系统。其中，不极化电极采用Pb-PbCl2实现方案，辅助一种全向接触性旋接式可拆解结构，便于提高接触稳定性和可维护性；多测道高精度自然电场观测系统采用“数据测量”和“网络服务”两个相互独立运行的分体式结构（双CPU结构），主要完成自然电场数据的采集、调理、转换、处理和存储等，并通过互联网或区域网远程传输自然电场观测数据。在多测道高精度自然电场观测系统的技术实现过程中，应用了工业级高集成度低功耗的SOC器件、ARM主控系统、24 bit∑-Δ模拟数字转换、梳状滤波、光电隔离、多电源供电、大容量数据存储等多种技术，实现了多测道、高精度、小型化、低功耗设计和便携式应用，具有比较高的抗工频干扰能力，以及在-30℃～40℃野外环境条件下的稳定工作能力。

为了兼容兼容和实现《中国数字地震观测网络技术规程 地震前兆台网专用设备网络通信》的相关通信和控制功能，在ARM主控系统和WinCE操作系统平台下，利用VS2005和EVC开发环境，采用多进程和多线程编程方法，实现了多用户通过互联网并发连接、命令原语（应用层协议）响应、观测数据实时传输、系统状态检测控制等功能；利用COM+ASP技术，实现了内部WEB网页的访问、数据交换和系统监控等。

通过上述研究工作，实现了如下主要性能指标：①观测精度（最大允许误差）不低于0.1%R±0.1mV；②测量分辨力优于0.01 mV；③、测量范围：±1 000.00 mV；④输入电阻：不低于20 MΩ；⑤工频串模抑制比不低于80 dB；⑥工频共模抑制比不低于140 dB；⑦测量通道：12个（8个主测道、1个备用测道、3个辅助测道）；⑧采样率：12次/道.分钟；⑨电极极化电位差不大于0.2 mV，短期稳定性不大于0.1 mV/24 h，极化噪声不大于0.01 mV。

在天津市静海地震台开展了试验观测工作。在试验观测期间，利用天津市地震局前兆台网区域网，通过“中国地震前兆台网数据管理系统”对每天的观测数据进行自动或人工汇集，汇集数据进入天津市地震局备用数据库。试验结果表明，该试验观测系统能够获得试验区域内自然电场及其随时间的动态变化特点。其中，东向和北向分量变化比较大，可能与地表水（引水渠附近）的季节性变化有关，其特点为在由积水期向枯水期的转换过程中自然电场呈现下降趋势，进入枯水期以后逐步恢复平稳变化。