浅谈兴济地震台地电场电极更换的经验

李瑞卿，郭学增，张 蕾，信世民，张国苓

(1.河北省地震局兴济地震台，河北 沧州 061721；2.河北省地震局，河北 石家庄 050021)

0 引言

地电场是重要的地球物理场之一，它不仅能够反映空间电磁场的变化，还能反映与之有关的地壳和地表的电性结构及其变化，对地电场各种特性及其中包含的有用信息开展观测和研究，已经在地震监测领域得到广泛应用[1]。我国数字化地震地电场观测起始于20世纪90年代，经过“九五”项目、“首都圈示范工程”“十五”项目及“背景场”项目的建设，逐步形成覆盖全国范围的自动化和网络化的地电场观测台网[2]。

在地电场观测中，电极是地电场观测系统中的关键部件，电极将大地的电信号通过导线传导至仪器。但在实际工作中，当每个电极与土壤介质接触时，由于电极与土壤的物质差异，在两种不同导电介质间出现一个相对平衡的接触电位，也就是极化电位。极化电位不是准确的地电场信号，需要通过一些技术来减少极化电位[1-6]。目前，国内地电场台站观测普遍采用不极化电极，逐渐替代以前极化电位差较大的铅电极，不极化电极有效减少了电极的极化电位[2-8]。国内主流的不极化电极为陆阳泉老师研制的LGB型固体不极化电极。

兴济地震台(以下简称兴济台)地电场电极从建台到现在使用过铅电极，以及目前正在使用的陆阳泉老师研制的LGB型固体不极化电极。从使用情况来看，铅电极稳定性差，观测资料长短极距数据几乎不同步变化；不极化电极相对稳定，观测数据质量好，但电极老化故障易造成观测资料变差，及时判断电极故障并更换电极，可以保障观测资料的质量。目前，国内对地电场观测干扰的研究大多数为观测仪器、线路及观测环境的干扰[9-13]，少数研究电极故障的干扰[14-15]，对电极故障的判断方法进行总结较少。另外，在电极的更换中，较好的更换方法，可以减少干扰，延长电极使用寿命[3,8,16]。

1 台站布极图简介

兴济台始建于1982年，其前身是青县电法站，因观测环境干扰搬迁至兴济。该台位于河北省沧州市以北约15 km，兴济镇东3 km处。兴济台地电场观测项目于2001年6月1日正式投入，台站处于沧东断裂附近，沧县隆起的东翼斜坡上(见第45页图1a)。采用较为特殊的布极方式，平行于沧东断裂带走向的N30°E布极和垂直沧东断裂带走向的N60°W布极，布极方式为L型。共分N30°E_L(300 m)、N60°W_L(300 m)、N75°E_L(424 m)、N30°E_S(150 m)、N60°W_S(150 m)、N75°E_S(212 m)六道测线(见第45页图1b)。

2 电极故障的判断

兴济台地电场使用LGB型固体不极化电极，自建台以来多次因故障更换过，对电极故障的判断积累了一定的实践经验。电极故障多为单个电极故障，当发生故障时，共用该故障电极的两个测道有同步干扰。首先，表现在相关测道观测数据的相关系数变小，差值变大，而且存在同步性。以兴济台2018年9月24日更换电极为例。更换电极前，N75°E向长短测道相关系数及N60°W向长短测道相关系数有较大同步波动，

图1 兴济地震台构造地质和测区布极Fig.1 Structural geology of Xingji seismic station and distribution of measuring area

相关系数最低下降至0.649；无干扰的N30°E向长短测道的相关系数变化平稳，数值稳定在0.995以上(见图2a)；N75°E向长短测道差值及N60°W向长短测道差值出现同步性的增大，差值最大变化量为7.71 mV/km(见图2b)。另外，通过数据图像长短测道的数据对比可以直观看出数据同步性变化。兴济台地电场观测数据正常日变化幅度约为5.00 mV/km。2018年9月1日至9日N75°E_L与N60°W_L同步出现趋势性变化。N75°E_L相对于N75°E_S出现趋势性下降变化，最大变化幅度约为15.99 mV/km；N60°W_L相对于N60°W_S出现趋势性上升变化，最大变化幅度约为20.62 mV/km，属异常变化；N30°E向的长短两个测道均正常，其最大变化幅度约为5.12 mV/km属于正常变化(见图2c)，由此可以判断故障电极为N75°E_L及N60°W_L共用电极A1故障。表明电极故障时，其数据图像特征为同步出现台阶、突跳、长趋势性变化，对雷雨、浇地等干扰的抗干扰能力变差等特点。

3 电极的更换

以前，国内大部分电极坑的挖掘使用人工开凿或者挖掘机挖取，电极埋设工艺比较粗糙，其缺点主要表现为：耗费较大的人力物力，需要多人以及机器进行作业；会造成农田的破坏，除了支付农田用地费用，还需要支付农田作物的赔偿费用，如果想减少农作物的赔付费用，必须在无农作物的时节施工，易导致更换电极不及时；大面积的挖掘土地，会对电极位置的原位土层造成较大破坏。例如，电极埋设处为胶泥，而回填时则掺杂上层松散的沙土；挖掘机挖取的方法对原环境的破坏不仅表现在原位土层不一致，还表现为回填后的土壤无法压实，降雨或农田灌溉时造成地面下陷，在观测过程中会因地电场观测环境变化而出现较为明显的干扰；在埋设电极时，由于电极坑面积大，容易掉入杂质，表层的野草等埋入地下变质腐烂会产生离子而影响观测，如果掉入金属物质则在其腐蚀过程中产生阳离子，虽是良导体，但也属于异常物质，在地电场观测中属于干扰源。

图2 更换电极前地电场观测日相关系数、日差值和数据曲线图Fig.2 Daily correlation coefficient, daily difference and data curve of geoelectric field observation before electrode replacement

目前，兴济台应用洛阳铲挖取电极坑，并在部分台站进行推广。其优点表现在：相对于以前挖掘机取土埋设，洛阳铲仅在耕地上产生直径20～30 cm大小的孔洞，几乎不会破坏耕地，相对于挖掘机挖取1 m甚至5 m的电极坑也减少对原观测环境的破坏；洛阳铲操作方便，最快用1 h就可以挖取一个电极坑，减少人力物力，节约成本及时间；洛阳铲挖取土量少，可以对原位土进行保存，回填原位土减少观测环境的改变；其孔洞小，可以有效减少异物落入，减少后期观测的干扰;由于孔径小，埋设后降雨不会造成地面下陷，在后续观测中不会因降雨灌溉等原因影响观测数据。

兴济台的电极更换过程可分为电极坑的挖取、电极埋入及埋入后的其他工作三部分，以下将对这三部分工作进行介绍。

3.1 电极坑的挖取

由于兴济台处于华北平原，第四系覆盖物也多为土层，故更换电极采用洛阳铲取土的方式进行。洛阳铲口径约15 cm，可控制洞口的大小，达到刚好放入电极。电极坑的挖取需注意以下3点：第一，取出的电极坑土可做回填土用，原位土回填可以减少对原土层结构及土质的破坏；第二，电极坑的挖取尽量挖深到潜水层水面以下60 cm，保障电极可以完全浸入水面，保持电极周围的湿润，减少电极内部电解质变干造成的老化故障及地下水水位变化造成的环境影响。兴济台选在旱季挖取，保障了电极一年四季均在地下水中。若电极与地下水部分接触，可能会因季节的变化，地下水水位改变，对电极造成影响[16]；第三，电极坑中尽量保证不要掉入异物，尤其是金属类物品，避免金属类物品在土壤中产生极化电位[4,6]。

3.2 电极埋入

兴济台目前使用的是LGB不极化电极。以LGB不极化电极为例，其外部由PVC管包裹，整体高56 cm，直径20 cm，重约15 kg。由于地电场电极仅有一根电极引线与电极连接，放入电极时需要用其他较为牢固的线进行牵引放入，切勿直接拉拽电极引线。放入电极后，应用木棍等按压电极，使电极下方的土质被压实。放入电极后倒入食盐水，增加不极化电极的使用性能。电极坑回填土应为原土层的土。

3.3 电极埋入后的其他工作

电极埋入后应对电极引线进行保护，尽量不要外露。兴济台地电场观测曾因电极引线外露，被农民割草时割断及野火燃烧烧断。可设置地震台设备标识，或者用PVC套管保护。由于新电极埋设后电极及土层不稳定，需要提前一周预埋电极，期间数据观测暂用故障电极完成，待一周电极趋于稳定后将预埋电极替换故障电极，更换电极后，相应的电极故障干扰消除。

4 更换前后数据对比

兴济台2018年9月N60°W_L极距处电极A1故障，15日在N60°W_L极距处进行预埋，并在24日更换该电极。更换电极前相关系数下降到0.9(见图2a)，更换后恢复到0.995以上(见图3a)；更换前差值出现波动，最高达到2.8(见图2b)，更换后差值变化平稳，数值保持在0.5以下(见图3b)；在观测数据曲线方面，更换电极前出现趋势性变化，最大变化幅度为20.62 mV/km(见图2c)，更换后趋势性变化异常消除，除地电扰动、地电暴等干扰外，正常日变幅度在5.00 mV/km左右(见图3c)。

图3 更换电极后地电场观测日相关系数、日差值和数据曲线图Fig.3 Daily correlation coefficient, daily difference and data curve of geoelectric field observation after electrode replacement

5 结语

兴济台地电场观测数据资料质量在全国排名较前，电极的及时更换保障了兴济台地电场数据的观测质量，较优的更换方法增加了电极的使用性能。现对兴济台电极故障的判断及更换经验总结如下：

(1) 电极故障判断的方法为电极故障后，共用该电极的两个测道有同步干扰，主要表现在，与故障电极有关的测项计算出的相关系数减小，差值增大；数据曲线同步出现突跳、台阶、趋势性及抗干扰能力下降等现象，通过与同向正常测道的数据对比可明显看出。

(2) 更换电极选用的埋设方法为使用洛阳铲或钻机挖取电极坑，减少对原土层的破坏；埋设电极在潜水层水面以下，减少电极受使用环境变化的影响，增加电极使用性能；电极坑原位土保留，待电极放入后回填，减少对原土层环境的破坏；电极放入后压实，增加电极稳定性；埋设电极整个过程中尽量保证无异物掉入，尤其是金属类物品；保护好电极引线，确保后期不容易被破坏；预埋后一周，待电极稳定后再接入观测。