断裂监测新技术及应用实例

2016-08-18刘延勇

地下水 2016年4期

关键词：监测站电场监测点

刘延勇

(广州市地质调查院，广东广州 510440)

断裂监测新技术及应用实例

刘延勇

(广州市地质调查院，广东广州 510440)

断裂监测是为了获取到大陆地震前兆的各种信息，从而达到地震预测的目的。以往的断裂监测方法存在一些局限性和不足，本文介绍的断裂监测新方法为深孔电磁场和水位监测系统(DH-EMW)，并在广州市金沙洲、大坦沙分别建成断裂监测站和安装了该监测系统。目前，监测系统运作正常，监测数据与理论预期一致，效果甚佳，为后续开展其他断裂监测提供示范。

断裂；监测；新技术；示范

断裂是断块的边界，它切割的深度决定了断块的规模，地壳(岩石圈)级别的断块活动，是诱发地震、海啸、地面开裂、山体崩塌等大规模地质灾害的主要原因。通过对断裂的监测，有可能获取到大陆地震前兆的各种信息，从而达到地震预测或预警的目的。目前，断裂监测的方法或手段大体分可为以下几类：

(1)断层位移或变形监测：包括重复水准测量和使用的GPS在内的各类大地测量仪器，对断裂两盘位移或区域地壳变形进行监测。此类监测的问题是：虽然监测数据精度很高，但目前无法确定水准测量或利用GPS观测到的地面变形，与断裂突发活动或地震发生之间有何关联。

(2)地应力测量：通过钻孔测量地应力的方法已比较成熟，但这种方法所获得的数据只能反映地壳浅部(钻孔所穿过的深度)、而非深部地震源区的应力变化(大陆地震的震源深度绝大部分在5～25 km间)；

(3)断层流体测量：包括断层气测量、地下水位和水化学测量等；就监测方式而言，可分为流动监测和固定监测，前者在地面进行，需要进行定期性测量；后者则多在横穿断裂带的坑道安装各类监测仪器，进行连续观测。

(4)区域地球物理场测量：包括微震测量、地磁场测量、地电场测量等，其中微震和地磁场测量主要通过地震台网。地电场测量实质是测量区域自然电场的变化，方法是在特定区域内，在地壳浅部(通常在土壤中)埋藏若干电极对，组成监测网络。该方法我国称之为“土地电法”，国外使用的VAN法的监测对象相同，不同的只是布极方法。

除了上述监测方法外，尚有其它活断层监测方法，例如微震监测、大地电磁监测、地热监测等等。总体上，以往的断裂监测方法存在一些不足，同时还受项目经费、时间、监测场地等条件的限制。

1　断裂监测新方法

最新研究发现，在距今6～7万年以来，广州主要断裂的广从断裂、白坭-沙湾断裂和狮子洋断裂均发生过突发活动，导致珠江三角洲的环境发生多次重大变迁[1]，而且断裂活动在将来有再次发生的可能，直接威胁着区内的社会经济发展和人民生命财产安全。为了解和监测这些断裂的潜在活动性，广州市地质调查院在实施“广州城市地质环境监测预警新技术示范研究”项目过程中，与由中山大学陈国能教授科研团队合作，引入断裂监测新方法，该方法为深孔电磁场和水位监测系统(DH-EMW)。

1.1断裂电场及其形成原理

断裂电场是指断面两侧岩石在力作用下产生压电效应而在断裂面上形成的电场。石英是自然界中最普遍的压电矿物，实验表明花岗岩类岩石因含大量石英晶体而通常具有较大的压电模数，而无石英矿物的基性岩类压电模数很小。绝大部分大陆地震的震源出现在陆壳内部5～25 km的深度范围，这一深度通常也称为“大陆地震层”。大陆地震层的位置正是大陆花岗岩层的位置相当。这意味着切割到这一深度的断裂，断面两侧的岩石都有可能产生压电效应，从而形成“断裂电场”[2]。如图1所示，当断面上盘断块对断面的作用力(可来自构造力或上盘断块自身的重力)均匀分布于断面上，此时的断裂电场为正常场；一旦断块在外力或自身重力作用下出现滑移趋势，但断面的凹凸不平又使得断块滑移受阻，那么原来均与分布于整个断面上的作用力会逐渐集中在阻力点上，换言之，阻力点上承受的力(F)将随着时间的发展而逐渐增加，由此引起该点两侧的岩石(花岗岩)产生越来越强的压电效应，震前地电异常逐渐升高和持续在高位运行的现象即为这一认识的证据。由于压电点是断裂运动的阻力点，即断面上的应力积聚点，因而就是断裂的孕震区。一旦该点的阻力被突破，积聚的能量随即释放，形成地震，该点岩石的压电效应也随即消失，这是地震发生与地电异常消失同步出现的原因。

箭头F为作用与压电点上的外力，断面上红、蓝两色分别示正、负电场，数字为示意的电场强度等值线

图1断裂压电效应与断裂电场形成的理论模型

(陈国能，2012)

1.2断裂电场监测方法

断裂深部的压电点是“电源”，其产生的电流沿断裂到达地表浅部，由于断裂与浅表含水层间的相互连通，导致了压电电流会继续沿浅层地下水传导和扩散，其扩散方式表现为电场强度向远离断裂延展方向的两侧迅速减弱。根据电场的特性，对于断裂电场中的不同部位，其电场强度大小不一，越接近“电源”，电场强度越大。因此在断裂电场的不同部位测得的电场强度数据必有差异。

根据上述认识，断裂电场监测方法(图2)：在钻探到监测断裂破碎带的钻孔底部放置中心电极(A),在断裂上盘(或下盘)和断裂破碎带上方的沉积层中分别埋放B、C电极(也可设置更多的电极)。根据断裂电场原理，应有：① A、B两点的电位差大于A、C两点；② A电极是公共电极，故A—B测道和A—C测道获得的电位差曲线应呈同步变化特征。

说明：红色和蓝色虚线及数字为假设电场线，带F的箭头示压电点(断裂孕震区)的作用力方向，粉红色点为电极

图2断裂电场监测方法模型图

1.3深孔电磁场和水位监测系统(DH-EMW)

深孔电磁场和水位监测系统(DH-EMW)由断裂电场、磁场和地下水位监测组成[3]，因为电、磁场变化数据可以互相印证，同时监测地下水位变化对断裂电场产生影响。该监测系统监测模型见图3。其中的站1为主监测孔，在其底部将设置公共电极(图2中的电极A)，上方放置水位仪探头；站3为辅助监测孔，用于放置深孔地磁仪。站4和站2分别相当于图2中的B、C电极，埋设于地面以下>2 m的第四纪沉积层中。其中C电极(站2)下方为断裂破碎带，距离上比B电极(站4)更靠近A电极；B电极位于断裂上盘地块浅表沉积层中，公共电极A(站1)分别与电极B(站4)和电极C(站2)连接，构成A—B和A—C两个测道。如果断裂电场理论属实，预期监测结果应有：①站1和站4，即A—B测道的电位差应大于A—C测道；②两个测道的电位差曲线应同步变化，即有相同的相位。

图3　深孔电磁场和水位监测系统模型

2　监测仪器设备安装与调试

监测仪器设备广州市拓深电子技术开发有限公司提供，并负责装调试。仪器设备及安装内容包括：

配置安装一套ATS-SR深孔地电场观测系统(包括电极布设、电源供电系统)；

配置安装一套PMT-ZK深孔地磁场观测系统(包括深孔磁探头、供电电源及极化电源)；

配置安装一套EWT-A 地下水位观测系统(包括井下探头、供电电源)；

配置安装一套多路网络数传单元及数采、网页等控制软件；

配置相关仪器设备信道、信号、市电的防雷器；

设置井口及电极标志墩、各信号电缆的套管埋设等。

3　应用实例

3.1金沙洲监测站

2011-2012年，选择广从断裂作为监测对象，通过监测站场选址、断裂带勘查、监测站房建设、监测仪器采购安装调试等一系列工作后，在金沙中学完成建设广从断裂金沙洲监测站[4]。

根据前面所述的断裂监测系统模型(图3)，设计了金沙洲监测站平面布局方案。在监测点1，即ZKDH202(主监测孔)孔底部约200 m深度处布设电极A，同时在孔深12 m处安装水位仪；监测点2安装电极C；监测点3，即 ZKDH201(辅助监测孔)孔内安装地磁场观测探头；监测点4安装电极B，电极B、C埋深均为2.5 m。监测站房设于金沙中学教学楼楼顶，用于放置室内监测仪器设备。

3.2大坦沙监测站

2013-2014年，选择白坭-沙湾作为监测对象，通过监测站场选址、断裂带勘查、监测站房建设、监测仪器采购安装调试等一系列工作后，在广州市境新置业有限公司完成建设白坭-沙湾断裂大坦沙监测站[5]。

根据前面所述的断裂监测系统模型(图3)，设计了大坦沙监测站平面布局方案。在监测点1，即ZKDT07(主监测孔)孔底部约200 m深度处布设电极A，同时在孔深12 m处安装水位仪；监测点2安装电极C；监测点3，即 ZKDT08(辅助监测孔)孔内安装地磁场观测探头；监测点4安装电极B，电极B、C埋深均为6.0 m。监测站房设于境新公司楼顶，用于放置室内监测仪器设备。

4　监测成果分析

4.1金沙洲监测站监测成果分析

图4是按30分钟平滑处理后的地电场主测道曲线(10秒一组的监测数据)，可见：①系列一(A—B测道，1号与4号监测站之间)的电位差确实比系列二(A—C测道，1号与2号监测站之间)高，监测数据与理论预期吻合，证明理论模型合理；②系列一和系列二两条曲线基本同步变化，说明曲线的波动并非起因于两个浅埋电极，而是与两者的共同电极接受到的电场信号有关，亦即是深部因素引起[6]。

图4　地电仪监测曲线图(2012年12月1—6日)

图5　金沙洲站地电地磁监测曲线图(2012年12月12—25日)

图5是从监测屏幕上显示的监测曲线，第一行的曲线为水位曲线，形成一个半日潮的变化曲线；第二行为地磁场曲线，地磁场曲线大体稳定；第三行为地电场A—B测道曲线，第四行为地电场A—C测道曲线，反映出前者高于后者且两者同步变化。

4.2大坦沙监测站监测成果分析

图6是该站2015年3月14日—4月18日的地电场曲线，可见两条曲线的位差十分清楚，及A—B测道(蓝色曲线)的位差显著大于A—C测道(红色曲线)[6]。然而，C电极因靠近建筑场地，附近正在进行建筑场地钻探，可以看到其对C电极的干扰十分大，造成A—C曲线上出现跳跃式的波峰。此外，水位和地磁场变化基本平稳。由于，附近建筑场地尚要进行基坑开挖和建筑物施工，这些都会对该测点的数据造成影响，因此，需要相当一段时间、大坦沙监测站才能获取到准确的数据。