新丰江深井地电阻率钻孔施工干扰判定

刘吉平严 兴陈智群刘东辉

1）中国合肥230026中国科学技术大学

2）中国广州510070广东省地震局

3）中国广东517021新丰江中心地震台

新丰江深井地电阻率钻孔施工干扰判定

刘吉平1），2）严 兴2）陈智群3）刘东辉3）

1）中国合肥230026中国科学技术大学

2）中国广州510070广东省地震局

3）中国广东517021新丰江中心地震台

2015年5月15日河源市东源县3.2 级地震前，新丰江和平地电台地电阻率测值出现大幅度下降变化，对自然环境、观测系统，特别是场地环境进行分析，认为该地电阻率变化由测区内钻孔施工干扰所致，非地震前兆异常。

数据跟踪分析；地电阻率；钻孔施工；干扰；地震前兆台网

0 引言

为落实《中国地震局关于加强地震监测预报工作的意见》（中震测发〔2010〕94 号），推进地震前兆台网日常工作重心从观测向观测、应用并重转变，提高地震前兆台网整体运行质量与服务效能，广东省地震局前兆台网于2014年6月开始正式开展地震前兆日常数据跟踪分析工作，背景场改造项目仪器在试运行后纳入数据跟踪分析。新丰江和平地电台地电阻率观测始于1992年，多次记录到河源地区中强地震前异常变化。

2015年5月15日5时32分，河源市东源县锡场镇发生MS3.2地震，距震中约33 km的河源和平台地电阻率测项两个测道在地震前两天出现大幅度下降变化，该台附近的两个水氡测点观测值出现较大幅度上升。广东省地震局及时对两次异常做深入调查，判定地电阻率异常为测区钻孔施工导致的场地环境影响。

1 新丰江地电观测背景

1.1 测区概况

广东省地震局新丰江和平地电台位于广东省河源市源城区和平村，新丰江水库大坝以东约6 km（图1），河源盆地北东侧，河源断裂以东约4 km及杨村—下屯之间；该区主要为红岩台地和狭小的河流冲积地貌，相对高差不大（约20—40 m），东北高、西南低；测区主要有西南角的东江、黄竹坑和石下水系，自东北流向西南注入东江，测区地下水受地貌控制，场地内地下水较为贫乏，地下水主要含水层为砂质土孔隙水和基层岩裂隙水，富水程度较弱。和平地电台距1962年河源6.1级地震震中约6 km，1992年开始观测，设地电阻率和地电场2个测项，经多次改造，仪器装置和周围环境均有较大变化。

1.2观测装置

和平地电台运行的地电阻率装置由背景场项目建设，配备ZD8M新型地电阻率观测仪，2013年12月底试运行，装置系统布设2个测道，分别为：①近EW向A1M1N1B1，4个电极均埋深90 m，测线长90 m；②M1电极垂向位置的A1′M1′N1′B1′，测线长90 m，4个电极分别埋深60 m、90 m、120 m、150 m。M1和M1′实为同一电极，两个测道公用（图2）。

图1　异常变化前兆测点和地震震中空间分布Fig.1 The location map of epicenter and precursory anomalies

2 数据异常

和平地电台1992年开展地电阻率观测以来，台站50 km范围内发生6次4级以上地震，震前C-ATS深井地电阻率（现因改造停止）具有较明显的疑似异常变化；从2013年底ZD8M仪器运行以来，河源市东源县发生2014年4月25日MS3.9、7月11日MS4.2及2015年5月15日MS3.2地震，MS3.9地震发生时，ZD8M仪运行尚不稳定（至2014年年中运行稳定），未发现明显异常信息；2014年6月纳入广东省地震台网前兆数据跟踪分析。

2015年5月15日河源市东源县MS3.2地震发生前，和平地电台地电阻率两个测道震前2—3天出现大幅度下降变化（图3）。近EW向测道地电阻率值自5月12日9时起逐步下降约0.267Ω·m，降幅0.65%；垂直向测道5月13日18时起逐步下降约1.3 Ω·m，降幅2.6%。2015年4月初地电阻率测值曾出现1次较大幅度下降变化，当时定性为C孔施工影响，而此次地电阻率测值下降，周边有较显著地震发生，且附近水氡测点出现明显高值异常变化，不能排除此次下降变化为地震前兆异常，有必要现场核实下降变化的真实原因。

图3　新丰江和平台2015年5月15日MS3.2地震前地电阻率变化Fig.3 The change of the earth resistivity before MS3.2 earthquake at Heping Seismic Station on May 15，2015

3 现场核实

2015年5月13日—17日和平地电台地电阻率测值下降变化，伴随3次事件：①台站测区内钻孔施工；②附近的黄子洞及庄田水氡观测点测值出现突跳或异常升高；③离台站约30 km的东源县锡场镇发生MS3.2地震。为确定此次地电阻率变化是否为地震前兆异常，广东省地震预报研究中心派出工作组进行现场核实。

3.1 工作方案

台站现场根据初步判定工作，调查方案如下：①查看仪器工作状况是否正常；②收集测区降雨量和水位变化资料；③查看施工场地各钻孔施工资料，量取各钻孔和目前测道距离，收集钻探岩芯资料，确定钻孔施工进度的时间节点。

3.2 分析

（1）经检测，发现测量装置外线路大部分埋设地下，电极掩埋在观测井中，观测仪器工作状态良好，观测系统运转正常。

（2）检查新丰江地区降雨量和水位数据，发现2015年4月以来，降雨量呈增大趋势，与往年相比也在正常范围内，水位从5月开始呈现上升趋势（图4），与往年变化形态一致。地电阻率测值经大幅度下降变化后迅速恢复，与水位变化不同步，认为此次变化与降雨和水位变化无关。

图4　新丰江地区降雨量及水位变化曲线Fig.4 The curves of daily mean value of rainfall and the minute value of water level in Xinfengjiang area

（3）据钻孔施工资料，测区内需钻5个孔，施工进行顺序依次为C、N2、B2、M2、A2，钻孔相对位置见图2（a），截至5月16日，只有A2孔未完工。调查收集钻孔施工进度详细资料，以便对比分析电阻率测值变化时间和空间的相关性。绘制钻孔深度随时间变化曲线，用圆点表示当日钻头到达深度，点上长条表示当日工作量，即新增加深度，点上无长条表示当日停工或进行止水作业，最后一个无长条的点表示前一日已经终孔。

4 钻孔施工干扰

钻孔C位于和平地电台院内（图2），与近EW向测道地表距离为14 m，于3月24日开孔，4月2日钻孔进深84 m，4月3日进深100 m，4月15日终孔，孔深263.7 m；N2钻孔位于地电台站南向约30 m处（图2），于4月16日开孔，4月25日终孔，孔深152 m；B2钻孔位于地电台站南向约60 m处（图2），于4月26日开孔，5月5日终孔，孔深154 m；M2钻孔位于地电台站南向围墙脚外侧（图2），于5月6日开孔，钻孔施工进展记录为：5月12日—14日钻头到达深度分别为78 m、103 m、128 m，5月15日终孔，孔深152 m。钻孔C、N2、B2、M2施工进展与两个测道地电阻率整点值曲线见图5。

综合分析钻孔数据与电阻率测值变化，由图5可见，测值变化与钻孔施工进度存在以下相关性。

图5　钻孔施工进展及地电阻率整点值曲线（a）C钻孔对比；（b）N2钻孔对比；（c）B2钻孔对比；（d）M2钻孔对比Fig.5 Comparison chart of well drilling construction progress and hour-value curve of resistivity

（1）从钻孔施工进度分析：水平向的EW测道在钻头深度约80 m受到影响，地电阻率测值出现下降，钻头深度90—130 m时下降速度较快，130 m后低值平稳变化；垂直向测道在钻头深度100 m左右开始受到影响，100—150 m区间下降速度较快，超过150 m则在低值平稳变化（本调查中只有C钻孔超过该深度）。由此可见，水平向首先受到影响，垂直向受影响滞后，但影响幅度较大。

（2）从钻孔位置空间角度分析：C、M2、N2、B2与测线距离依次增大，对电阻率测值影响幅度依次减小，其中N2、B2对电阻率水平向几乎无影响。可见，影响幅度与钻孔至测线的距离可能为剧烈衰减关系。

5 结论

根据各钻孔施工进度和地电阻率测值变化的相关性分析，发现测值开始下降时间和钻头达到深度具有较好的相关性，测值从低值恢复到正常值与终孔后起钻时间有精确到小时的相关性。可以推断，2015年5月13日—17日地电阻率观测异常应为场地环境影响，排除地震前兆异常可能。

根据钻孔施工要求，每个孔要用水泥和膨润土止水，之后24小时水位变化不超过1 cm，故孔中几乎无渗入的地下水，因而导致地电阻率测值受到影响的根本原因是钻头。钻头作为一个良导体，相当于一个低阻异常体，电流汇聚于导体，必然导致测量电极范围内的电流密度减小，由此导致地电阻率测值减小，对于垂直向测道，电流密度更多穿入地下，和水平向相比，深入地下的钻头更容易吸收垂直测量电流，从而导致垂直向受钻孔影响大；而从时间和空间角度分析，钻头距测量电极越近，影响幅度越大，反之则减小。可在当前定性分析基础上，开展数值模拟定量分析，根据实地测量及资料收集结果，建立测区电性结构及钻探钻头作为低阻异常体的三维有限元模型，研究钻孔位置和钻探深度对互相垂直测道测值的影响。

6 结束语

地电阻率观测环境容易受到高压输电线路、轨道交通、大型变电站、大型建筑施工等的影响，为了减少或消除这种影响，把电极埋入深井是地电阻率观测的发展方向，但处于城郊的地电台站，随着城市化进展，建筑工程中的钻探施工难免产生影响，应通过数值模拟方法，研究确立台站可能受到影响的钻探范围及钻孔深度，以保护深井地电台站观测环境。

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Abstract

The greatly decline change of earth resistivity was observed at Xinfengjiang Geoelectric Station before Dongyuan MS3.2 earthquake occurred on May 15，2015.By analyzing the observation system，natural and field environment during the resistivity anomaly，it is considered that the earth resistivity variations are not some earthquake precursor abnormalities，but resulting from the well drilling in measuring area.

The determination of interference of drilling on deep geoelectric resistivity in Xinfengjiang

Liu Jiping1，2），Yan Xing2），Chen Zhiqun3）and LiuDonghui3）
1） University of Science and Technology of China，Hefei 230026，China
2） Earthquake Administration of Guangdong Province，Guangzhou 510070，China
3） Xinfengjiang Seismic Center Station，Guangdong Province 517021，China

data tracking and analysis，earth resistivity，drilling，interference，precursor networks

10.3969/j.issn.1003-3246.2016.03.022

刘吉平（1981—），男，硕士，主要从事电磁学科和GPS前兆数据分析处理工作。E-mail：jipingliu@163.com