冕宁地震台深井地电阻率观测系统简述及典型干扰数据特征分析

杨志鹏，缪素秋，陈秀清，徐建明，张御阳，杨贤和，巫萌飞

（1.四川省地震局西昌地震中心站，四川 西昌 615022；2.云南省地震局，云南 昆明 650225；3.四川省地震局，四川 成都 610041）

地震地电阻率观测可以监测到地壳浅层岩石介质的电性结构随时间的变化，其观测资料中的异常变化特征可指示孕震过程中的震源区应力累积和岩体的膨胀微裂过程，是重要的地震前兆监测预报手段之一（王燚坤等，2018；孙昱等，2019）。近年来，为减轻地电阻率观测中地表人为因素或自然环境因素干扰，减轻由于浅层昼夜温差、海水涨落等引发的地电阻率季节性变化，更加真实客观地记录岩体电性结构变化（高曙德，2016；解滔等，2019），井下地电阻率观测成为地电学科主流发展方向之一，深井地电观测技术已在甘肃天水台（杨兴悦等，2012）、甘肃平凉台（田野等，2019）、河北大柏舍台（张磊等，2015）、江苏江宁台（樊晓春等，2019）、陕西合阳台、广东河源台（刘君等，2015）开展了相应的观测试验，并取得了较好的效果。四川冕宁地电台观测系统于2018年6月开始前期场地勘选，同年9月起进行施工建设，至2019年11月土建工程、观测室改造与避雷接地工程相继完成，2020年1月5日安装调试好仪器并正式投入试运行。该台为首个架设在安宁河断裂中段附近的深井地电观测系统。本文对冕宁台深井地电阻率观测的总体建设情况、施工技术要点、观测设备及主要性能、设计安装施工技术要点等方面进行了简述，对冕宁台新旧场地仪器记录的典型数据进行对比梳理，为进一步提高冕宁深井地电观测资料的质量和同类井下地电观测建设项目提供参考。

1 冕宁台深井地电阻率观测系统概况

1.1 测区地理位置及地下岩性结构

冕宁地震台深井地电阻率观测系统地处四川省凉山州冕宁县回坪乡横路村，地表为开阔平坦的烟草种植基本农田，无明显地形高差，测区内无较大的强电磁干扰源，农业游散电磁信号的干扰源较小，布极区及周边无较大的河流、水渠、积水坑洼，无铁路、高铁线路经过，布极区远离高压输电铁塔。场地南北面为海拔3 000 m以上的高山，东侧约6 km为处于高应力积累下闭锁状态的安宁河主断裂带中部敏感区域，下方为NNE向南河隐伏断裂（见图1）。根据物探直流电测深资料，台址电测深曲线为KH型，下伏岩土在各方向上的分布差异性较小，呈均匀分布。根据钻孔岩芯资料，台址上覆第四系覆盖层，表层为粉质粘土，厚约0.65 m；上部为漂卵石含量约85%的近代冲积、洪积砂卵石层，厚约39.4 m；中部为漂卵石含量约55%的河床粘土层和砂砾石层，厚约40 m；下部为漂卵石含量约80%的砂砾石层，厚约42 m。另据电测深资料，测区共有4个电性层，第1、2层浅部电阻率为200～800Ω·m，第3层中深部电阻率为53Ω·m，解译岩性结构为厚380～400 m的砂砾石层、发育有破碎花岗岩并赋存有丰富的地下水，第4层深部电阻率为1 423Ω·m，解译岩性结构为花岗岩基底（见图2）。

图1 冕宁深井地电观测系统地理位置图

图2 冕宁深井地电观测系统测区岩性结构图

1.2 布极观测方式及主要设备性能

冕宁地震台深井地电阻率观测系统分为浅层观测和深层观测两部分（浅层观测预计于2020年12月启用），浅层电极敷设在距地表3.5 m处，深层电极敷设在距地表120 m处，布极分布为NS向、EW向、NW向三个测向，每个方位上采用对称四极装置布设供电电极和测量电极，三个测向的测量电极中心点与供电电极中心点重合，其中供电极距A1B1～A4B4均为600 m，测量极距M1N1～M4N4均为200 m，同一测向的电极距和测量极距在同一直线上（见图3）。深层电极采用卷筒状铅板电极，浅层电极采用平板状铅板电极。观测仪器采用中国地震局地壳应力研究所生产的ZD8M地电仪，每日整点观测得到24个自然电位和地电阻率值，其在工作状态下仪器分辨率为：人工电位差分辨力0.01 mV，供电电流分辨力0.1 mA，电阻率测量分辨力0.01Ω·m。外线路采用江苏华能电缆股份有限公司生产的深井专用铠装双股铜芯绝缘电缆，外线路绝缘电阻大于500 MΩ，线路埋地1.5 m深（见表1），且确保同一电缆沟中的测量线和电缆线间隔在0.5 m以上，避免线间漏电造成干扰。

图3 冕宁深井地电观测系统深层和浅层电极布设示意图

表1 冕宁深井地电观测系统主要仪器设备性能及参数

由于冕宁台深井地电阻率观测场地下为较厚的近代冲积、洪积的砂砾石层、沙层，接地电阻阻值较大，为降低接地电阻，采用了增加降阻剂、更换电极掩埋土壤等方法，供电极、测量极接地电阻及测道装置系数见表2。供配电采用市电加UPS模式，市电经氧化锌避雷器、配电箱后接入UPS电源，再输出到仪器设备，产出的地电观测数据通过无线路由器以VPN无线传输方式链接到西昌地震中心站信息节点服务器，汇集到省局前兆数据库（见图4）。

表2 冕宁深井地电观测系统电极接地电阻值及装置系数

图4 冕宁深井地电观测系统整体架构示意图

2 冕宁台新旧场地观测资料对比分析

2.1 新旧场地地电阻率变化对比分析

由于新场地浅层观测系统暂时未启用，故选取冕宁台深井地电阻率观测系统2020年1月5日试运行开始至2020年10月24日项目总验收前夕共计294天的深层地电阻率观测整点值数据进行分析，并与同期冕宁地震台旧观测场址的浅层地电观测数据进行对比（见图5）。采用数据相对变化量作为进一步分析观测数据稳定性的依据（田野，2019）：

式中x0表示初始值，xi表示观测变化值，R定量描述了观测值相对初始值的相对变化量。

从图5（左）可以看出冕宁台旧场地浅层观测地电阻率数据起伏变化幅度较大，NS向、EW向、NW向测道最大变幅分别为31.09Ω·m、48.10Ω·m和14.74Ω·m，相对变化幅度分别达到了10.49%、18.41%和5.57%。旧场地地处冕宁县城乡结合部分，测区观测环境干扰复杂，浅层地电阻率观测系统易受降雨天气、基建、灌溉抽水、金属管线、游散电流等因素影响有关。冕宁台新场地井下观测数据和旧场地浅层数据来说总体变化平稳，NS向、EW向、NW向测道最大变幅分别为2.35Ω·m、5.39Ω·m和2.26Ω·m，相对变化幅度分别为1.16%、2.54%、1.10%。从图5（右）可以看出，NS、NW向两个测道数据变化形态基本一致，无大幅度阶跃、突跳。EW向测道在2020年6月23日发生异常突跳的原因是当日受雷击影响，避雷装置中该测道的氧化锌阀片被击穿，产生线路漏电现象所致，又因工作人员原因该故障一直未加以处理，直至2020年9月10日更换主机及避雷器阀片后才得以解决。从图5（右）中也可看出2020年9月10日后三个测道的深井观测数据更加平滑稳定，很好的抑制了来自地表的干扰，达到了深井观测的目的。

2.2 新旧场地观测数据质量对比分析

选取2020年2月至9月时段内的冕宁台新场地深井地电阻率观测数据和旧场地浅层地电阻率观测数据的连续率、完整率、月精度进行对比分析（见表3），数据连续率反映了观测系统的运行状态；数据完整率反映了观测数据的连续性；数据月精度反映了当月观测数据内在噪声水平，其计算公式为（张磊，2015）：

式中L为测道数，D为当月天数，N为1天中整点值观测数据个数，（σn）jik和（ρs）jik分别表示当月第i天、第j时、第k个测道的观测数据的均方差和地电阻率测值。

图5 冕宁台深井新旧场地地电阻率整点值和相对变化量R曲线

由表3可知自2020年2月至9月，冕宁台新场地深井地电阻率观测系统产出数据的连续率除6月份为96.76%外，其余七个月的连续率均高于地电阻率观测评估指标要求的98%，平均连续率达到了99.46%；同样地，数据的完整率除6月份为95.43%外，其余七个月的完整率均高于评估指标要求的96%，平均完整率达到了98.95%。6月份观测系统受降雨和雷击影响较大，造成主机故障次数较多，依据学科规范在预处理时删除突跳数据也较多，造成数据连续率和完整率均有所下滑。另外，新场地深井地电阻率观测系统在统计时段内的平均观测精度仅为0.016%，远小于评估指标要求的0.3%。从表3还可以看出，冕宁台新场地深井地电阻率观测数据的连续率、完整率、月精度均高于旧场地浅层观测资料，说明深埋电极和电缆能够有效减轻自然环境、观测环境等因素的干扰，从而提升观测效能。

表3 冕宁地电阻率观测数据质量对比

3 冕宁台新场地典型干扰分析

3.1 观测系统故障干扰

地电阻率观测系统包括装置（电极、内外线路、避雷装置等）、测量（主机、供配电系统、数据传输等）、检定三个部分（孙昱，2019），冕宁台新场地深井地电阻率观测系统在试运行期间干扰主要是主机故障、线路漏电和避雷装置损坏。以2020年6月21日至7月1日期间为例，该时段内冕宁地区连续多日暴雨黄色预警，冕宁台新场地深井观测系统受雷电影响各测道数据变化较大（见图6），6月23日暴雷引起地电阻率和自然电位数据产生阶跃，地电阻率NS和NW向数据变化幅度分别为0.89%和0.91%，雷电过后恢复正常，EW向地电阻率数据受避雷阀片击穿后线路漏电影响，数据阶跃1.52%。6月27日0时至19时同样受雷电影响，主机断电故障造成缺测，20时重启仪器后数据恢复正常。为减少观测系统故障，冕宁台工作人员于9月初重新更换了主机并对避雷装置进行了修复，同时全面巡检了内外线路，此后数据质量和稳定性得到了有效提高。

图6 冕宁台深井地电阻率观测受观测系统故障干扰

3.2 观测环境干扰

2020年2月至7月期间，冕宁台新场地深井观测系统NS向和NW向自然电位不定时出现大幅度突跳（见图7），对应该时段的电阻率和均方差并没有明显变化（见图5），而EW向自然电位也无显著变化，由此推断仪器系统工作正常，应该是观测场地周边环境存在干扰源，通过摸排发现该时段内靠近B1和A4电极的区域正在进行电焊和土建施工，为测区不定时受基建高压直流电焊干扰引起数据突跳，此后各测项自然电位数据随着施工的结束而逐渐恢复正常，8月份起当地开始收割烟叶，在中心O点处附近有房屋施工和电焊活动，引起了各测项自然电位数据小幅度突跳，但整体属于正常观测范围。

3.3 自然环境干扰

对2020年1月5日至10月24日期间的冕宁台深井地电阻率整点值观测数据采用局部加权线性回归方法（汪凯翔等，2020）拟合出变化趋势（见图8）。可以看出地电阻率观测数据变化趋势曲线呈现出一定的年变特征，变化幅度小于1%，结合该时段内降雨量数据，推测这是由于冕宁1月初至6月初为旱季，该时段内地下水位总体平稳，所以地电阻率测值变化也相对稳定；6月中旬至10月初为冕宁雨季，该时段内降雨致地下水位上升，所以地电阻率测值逐步下滑至最低值，从10月中旬开始再次进入旱季，推测该时段内地下水位开始下降，导致地电阻率测值开始逐步回升，但由于观测时段的限制，冕宁深井地电观测数据年变规律还有待进一步观察。

图7 冕宁台深井观测系统受观测环境干扰

图8 冕宁台深井观测地电阻率拟合变化趋势与降雨量对比

4 结论与讨论

通过梳理四川冕宁地电台观测系统建设在场地勘选、布极设计、施工建设、配套设备、系统架构等方面的要点，并将试运行期间产出的深井地电阻率观测数据与冕宁台旧场地浅层地电阻率数据进行了对比分析，初步得出以下结论：冕宁深井地电观测相比于旧场地浅层观测在数据质量上更高，整点值曲线变化幅度更平稳，总体上达到了深井观测目的；冕宁井下地电阻率观测数据在6月至9月期间易受雷击影响而不稳，主要原因在于仪器主机易受雷击干扰使得数据发生突跳、阶跃、缺记等；冕宁井下地电阻率测值年变幅度小于1%，初步判断年变规律与季节性降雨有关，但由于观测时间较短，还需进一步观察。