井下地电观测漫谈

甘肃省地震局 安海静 康云生 石航

安徽省地震局 姜薇薇

井下地电观测漫谈

Discussion on earth--electrical observation in the wells

甘肃省地震局 安海静 康云生 石航

安徽省地震局 姜薇薇

地震的孕育和发生过程是以力学为主导的复杂过程，各种前兆在本质上都起源于力学作用，孕育体岩石所受应力方向和大小的变化都将引起岩体电阻率的各向异性的变化。地电观测就是通过测量岩石电阻率的相对变化过程来推断岩石的应力应变过程，从而预测发生地震的可能性。用地电阻率法观测地震是当今我国乃至世界预测地震的主要方法之一。

井下地电观测是相对于传统的地表地电观测的新方式，它通过技术革新，采用新研制的观测装置及新的连接工艺和安装方法，将传统的布设于地表的地电观测装置安全稳定的移植于井下，从而有效的避开地表电磁或建筑物干扰，提高了地电观测方法自身的抗干扰能力。

甘肃省地震局井下地电观测实用技术研究起步早，成效显著。2001年开始了地电观测技术准备，2010年通过对天水地电井下观测等工程建设实践，技术日臻成熟。2011年该局“井下地电观测实用技术研究”项目通过地震星火计划科技成果评定，该项目在新认识、新发现、新技术和成果应用方面的研究成果获得优秀等级。基于井下观测资料，2013年成功地预测了岷县6.6级地震，用震例见证了地电方法的观测效能。

话说井下地电观测技术的创新与实践

井下地电观测的话题既传统又新异，传统是指井下观测这种方式已问世许多年，新异的是通过井下观测设施构建，达到产出观测资料的质量指标（观测效能）和设施的长期稳定运行。这就需要对观测技术进行改造和创新。

既然是改造，就必然肩负着改造传统观测中的一些棘手问题和弊端，例如最为棘手的电磁干扰问题，季节性环境变化引起的“年变”弊端等等。

既然是创新，就必然肩负着推陈出新的任务。笔者明确的主张是放弃传统的架空外线路，这就是“推陈”，相应的“出新”就是采用全地埋外线路。全地埋外线路是甘肃井下地电观测的创新点之一，也就是本节漫谈要讨论的内容。

甘肃省地震局构建的井下地电观测系统有两个特点：第一，长期运行稳定；第二，产出的观测资料无干扰，并且质量指标优秀。这是地电观测方法在技术改造方面取得的进展和成就。

稳定和无干扰观测资料恰恰又是预测预报的前提。特别是基于井下地电观测资料，成功地预测了2013年岷县6.6级地震，这一点引起人们的对井下观测的兴趣，欲更多地了解一些关于井下观测的思路和设施构建的细节。这两个方面本身就不能绞织在同一个层面来讨论，况且还有前兆效能的问题呢，三合一，更加不便用论文的框架来讨论，这就是本文采用“漫谈”形式的原因。

上述“稳定、无干扰”是地电方法在观测技术方面的取得的成就，体现的是井下“观测效能”。那么，在预测预报方面有没有“前兆效能呢”？这问题不能用简单的有或者没有来回答。地震预报是一个非常严肃的科学问题，是个尚未攻克的世界性科学难题。的确，做到科学意义上的精准预报还不现实，甚至有人认为地震不可预报。但是，也不可否认有减灾意义的理性预测，特别是基于观测资料的预测、预报震例。毕竟，震例才是检

验效能的试金石。而甘肃省地震局的井下地电观测恰恰就有这么一个震例。

基于天水井下地电观测资料，甘肃省地震局成功地（指三要素指标吻合）预测了2013年7月22日岷县6.6级地震。这次地震是地震局成立以来，在甘肃省境内发生的最大的一次地震。这也是地电方法成功预测预报的又一个震例。同时，也是对井下地电观测方式、观测效能甚至是前兆效能的一次检验。

它的意义还在于地电观测方法向行业最艰难的短临预报迈出了小小的一步。 同时，给人们一些启发：

·如何获取无干扰的观测资料，如何量化观测资料的质量和质量指标以及观测效能的评估呢？

·如何看待地下介质电阻率相对变化和变化幅度的前兆意义，以及这些与井下地电观测紧密相关的一些实质性问题呢？

这些问题涉及井下地电观测的思路，特别是井下观测设施的构建思路、观测设施自身的一些指标取向和实现指标的技术路线。

要指出的是，天水井下地电观测系统是甘肃省地震局全额投资的第一个地电观测技术改造工程，凝聚了局领导、学者、专家以及工程技术人员的聪明才智和辛勤劳动。

甘肃井下观测从技术准备到方案论证的务虚工作经历了10年的时间。2010年起转入务实，至目前已经完成3个台站的地电观测技术改造，合计构建和运行着12个井下水平观测分量，这是井下地电观测的目标分量，即以抑制干扰为目的；完成构建和运行着大约10个垂直观测分量，这是井下地电观测项目附带的实验观测分量，目的是探索和检验垂直观测抑制干扰的效能；构建和运行着7个分量的地面对比观测，与井下同规格的电极，安装于井下5 m深处，可以实现同一观测场地、同一观测时段、同一极距参数的“三同”对比，见证井下观测的效能；运行着12个分量的地面、井下交换电极的实验观测，目的是探索干扰来源于AB还是MN端，有没有可能减少钻孔降低成本。在上述测项中，凡是电阻率测项的电极，全部使用了有甘肃局知识产权专利号的JX-2010型井下地电观测专用电极。另外，构建了9个分量的多层地温观测，目的是探索不同深度季节性温度变化与年变的关系，为井下地电观测电极安装深度提供依据，当然，地温本身也是一种前兆手段。此外，借助MN钻孔，构建了合计24个分量的地电场观测（包括地面水平、井下水平、垂直3种方式）。所以甘肃的井下地电观测是多测项共享钻孔资源（钻孔费是主体成本，所以钻孔是高值资源）的综合观测，这是甘肃局一个创新点。

本文就井下地电观测技术的创新只谈一个要点，这就是井下地电观测外线路的相关问题。因此，以下5个小标题就关乎一个字——线。

全地埋外线路要解决的问题

地电观测中，外线路是观测装置的重要组成部分。外线路有两个要害指标，一是对地绝缘，二是线路通断（接头的接触不良）指标。二者也是全地埋布线的前提。否则，地埋必将带来更加严重的观测问题，甚至导致地电观测无效。

全地埋布线是地电观测装置外线布设的一种方式，是常规架空线路的改进和发展，属性是观测技术改造。所以，全地埋布线是针对实际问题的技术措施，那么，先来梳理一下常规架空线路存在哪些短板问题。

（1）“风扰”弊端（风吹动架空线路，线路切割地磁线产生的感生电流对观测带来的干扰），刊载很多论文是讨论风扰危害的。

（2）外线路的使用寿命短，一般5～7年；而地埋大于15年。

（3）外线路引雷电，设备遭雷电袭击风险。

（4）外线路遭盗窃、车辆挂断，以及与其他线路搭接风险；还有树木、建筑物影响。

（5）电杆、斜拉线占用土地，观测与建设用地的矛盾日益突出，给台站运行和管理带来诸多弊端。

全地埋布线方式，能够一并解决上述问题。况且，全地埋布线的初建成本低于架空。20年周期的运行、维修、改造和更新成本是架空方式的1/5。

多年以来，我们在这方面做了一些探讨性的实验工作，在实验结论的指导下，已完成功能芯线合计43 km长度的地埋布线，稳定运行超过10年。

对全地埋外线路布设施工的几点要求

我们在长期的观测实践中，结合一些具体事例，实验处理绝缘问题的一些途径，取得了针对绝缘指标、长期稳定运行问题的一些经验，并将经验应用到工程建设的线缆选材、布设、接头处理中，进而在实践中提炼总结。这方面的一些事项，已在实践中检验长达10年以上。所以，本文给出的一些细节和技术要求是成熟的，可以直

接引用。对布设施工的4点要求是：

（1）单端回填：电极安装完成后自电极端起始，单端回填，直至观测室。目的是避免回填过程中电缆受水平张力。

（2）舒缓布线：电缆在地槽中避免拉紧，尽可能舒缓布设，确保在长期的使用中不受水平张力影响，确保使用寿命。

（3）规避冻土层：井下段不存在冻土层问题，但地面段地槽深度须大于当地冻土层，避免冻土层封冻、解冻过程中对电缆的影响；在冻土层小的地区，线路埋深须≥1 m，确保通常情况下地埋线路的安全。

（4）地面标志：完成布线和地槽回填后，在地表设立布线标志，以警示地埋线路不被他人无故损坏。

对地埋线路绝缘指标的要求

绝缘指标是个非常关键的问题，对井下地电观测而言，其重要性可以直接地描述为“没有绝缘就没有井下观测”。绝缘指标又是非常棘手的问题，与架空线路相比，井下有着完全不同的环境，例如高湿度、高压强，介质的围压、蠕变甚至小幅度的岩层错动等等，这些都是电缆的选材、安装两个环节都有要着重考虑因素，也就是说：技术方案必定要建立在实模式实验的基础上。

我们这里要给出的正是井下地电观测设施建设、运行、观测结果总结和系统性解读后得到的结果，是个实模式实验结果，是个负责任的结果。

要求：井下地电观测、地埋线路对地绝缘指标≥100 MΩ。

中国地震局颁布的《地电观测技术规范》中这一指标≥5 MΩ，这是对常规地面观测而言的。而井下的环境苛刻，100 MΩ是经过实践检验后提出要求。

需求是要求的前提，需求来源于实践，我们已经完成并投入正常观测的多个井下地电观测系统就是实践源泉。工程实例是：

天水井下地电观测：2010年10月构建，构建初期，绝缘指标≥300 MΩ，3年后绝缘指标≥200 MΩ。

武都井下地电观测：2012年12月构建，构建初期状况同天水；我们期待3周年后的结果；平凉井下地电观测2013年7月构建、浙江长兴井下地电观测2012年6月构建，初建绝缘指标均雷同天水，即≥300 MΩ，我们期待3周年后的绝缘指标。

前面提到43 km长度全地埋线路，是指“十五”甘肃天祝前兆台阵项目于2005年8月构建的全地埋外线路（包括6个地电场、1个多级距和9个磁通门观测）,建设之初，借鉴了一些相关绝缘指标的早期工作（例如20多年的MT重复监测、绝缘材质实验等等），还系统地做了多种样线、电缆的指标测试、绝缘指标实验。那么，这些设施投入正式运行已达10年，10年后这些地埋线路的绝缘指标又怎么样呢？2014年12月我们借改迁寺滩台站地电场外线路的机会，对长度240 m的全地埋线路做了测试，绝缘指标仍然＞200 M欧姆。

所以，对井下地电观测系统中线路对地绝缘指标≥100 MΩ是合理的要求。即是需求，又是现实中通过细致的工作完全可以获取的指标。

井下地电观测对电缆芯数的要求

甘肃省地震局对井下地电观测的务虚工作从2001年就开始了，开始之初就是针对具体问题寻求解决途径，目的就这么简明，但征途就没有这么简单了。10年后的2010年务实工作开始，动工天水井下地电观测设施建设，实质性地开展地电观测技术改造，笔者被卷入改造的前线，筹划井下地电观测设施构建的具体事宜，直至完成观测系统的全部建设产出观测资料，包括工程设计、建设、观测效能评估、项目验收汇报直至档案。期间对井下观测的研究、特别是对井下环境、运行需求、安装需求的研究比较深入。对电缆指标的要求恰恰来源于这些研究。我们首先来梳理一下井下地电观测对电缆芯线数的需求是什么？

（1）电极对电缆芯线数量的需求：通常地面观测表明，供电电极的使用寿命比测量电极要短，地面可更换解决，而井下则不能，为了改善这种状况，笔者设计的井下观测装置拟定使用两对供电电极，其中1对使用，另1对备用。这样当钻孔回填后，观测装置的实际使用寿命将延长1倍，也就说对电缆的需求必然不止1根芯线。

（2）绝缘测试对电缆芯线数量的需求：地面观测中人工断开电极端和仪器端的接头，就可以测试线路对地的绝缘，而井下观测就无法实现电极端断开和非常可靠的连接，也就不能实现线路的绝缘测试，或者因接触不良给观测带来问题，这些在井下观测中都是绝对不能容忍问题。吸取教训，转变思路，另辟蹊径是实现井下观测系统中外线路测试功能的出路。另辟蹊径的两条原则，第一，绝对不能采用任何断开电极端引线的方式；第二，绝对保障外线路与电极的可靠焊接和焊接点以及整条电

缆的绝缘防护。笔者另辟的蹊径是“替代法”，思路是同一条铠装电缆中的若干芯线中，用单独的1根芯线在电极端绝缘，专门做为整条电缆绝缘指标的测试线，当地层岩体蠕变造成电缆损坏，或者若干年后使用寿命到期时，必然能够在地面端检测到相应某条的电缆绝缘指标。需求仅仅是一根芯线。

（3）通断测试对电缆芯线数量的需求：地电观测走过40年的历史，观测设施特别是外线路也出过一些奇奇怪怪故障现象。线路断开是常见的故障之一，当AB回路发生开路故障时仪器报警提示，而MN回路发生开路性故障就不那么容易判断了，故发生过MN断线观测的例子。井下看不见摸不着，界定断线问题更加困难。为了解决这一问题，笔者采取回路测试的原理来测试和界定井下电缆的通断状况是否完好。这个通断测试功能又需求1根电缆芯线，与绝缘测试芯线配合来满足二者的指标测试需求。

综上所述，这么一个思路，这么一套方案，又将方案付诸与实际工程，指导完成井下地电观测装置的构建，电缆芯数是必要条件之一。那么，这些井下设施运行以来稳定吗，产出资料合格吗？质量指标如何，观测效能如何，前兆效能如何等等有待以后讨论。电缆芯数是井下观测系统构建、实现各种测试功能的前提。目标和需求落定之后，我们给出适合井下地电观测设施构建的电缆芯数为4根。

井下地电观测对电缆结构的要求

井下地电观测装置的外线路与常规地面观测中的架空线路环境有着本质的区别，那么相应的电缆和电缆结构必然存在本质的差别。常规思维和理念认为，井下观测只不过是把电极和外线路由地面埋入井下，这个概念在形式上没有疑问，而在上事实上行不通。一些井下观测效能不良恰恰是概念造成的，这是教训，警示人们必须从实际出发，认真研究电缆“适应”井下环境的问题。

井下环境和环境指标的认定，是电缆结构与之相适应的前提。那么，井下是什么环境呢？

第一，高湿度、高压强，二者俱在，对绝缘指标是个挑战；第二，安装施工过程中电缆的防护需求，对电缆结构的合理性性、适应性要求；第三，长期运行中可能遇到的岩体蠕变，微量形变对电缆损伤的问题；第四，电极、电缆的自重问题。这个问题必须在安装中解决，否则，井口段电缆承担二者的自重，势必对电缆的使用寿命产生负面影响。但不涉及也不影响本节对电缆结构的讨论。

井下地电信号转换箱

自制井下地电探头

安装井下探头吊装中

井下地电探头下井吊装前

我们在井下地电观测设施构建中，正是在解析上述问题的基础上提出关于电缆结构的一些原则：即电缆结构必须服从适应性、服从电缆行业准则、服从现实；立足点是实验，以实验为先导，以指标为准则；通过电缆结构满足井下需求，通过安装保障井下电缆安全，进而保障电缆的技术指标。

了解上述一些理念、问题和解决问题的出发点后，相信读者对井下地电观测中对电缆的要求有了初步的认识，对其指标、结构需求等实质性问题有了一定的理解，对全新的井下线路测试需求、测试方式和测试效能有所见解，从而改变“从地面移至井下非现实性”的观念。

总结：本次讨论了关于“线”的一些内容，即井下地电观测中全地埋外线路要解决的问题、解决问题的思路和途径，针对性地提出来一些最基本的要求；而要实现“线”的功能（测量功能：供电、传输信号；测试功能：绝缘、通断状态）指标和性能指标，除了线自身以外，还需解决安装方面的其他问题。总之，井下地电观测是一个复杂的系统技术问题，尚需做很多技术层面的研究和完善，更需要真实的震例检测，但它的发展前景和目前所产生的社会效益无疑是巨大的。

（本文由地震科技星火计划、甘肃省地震局老年科协资助）