地电阻率仪观测系统故障分析*

郭雷 徐锡泉 杨红樱 段昊 樊莎

内蒙古自治区地震局 内蒙古 呼和浩特 010010

引言

我国在1966年邢台Ms7.2级地震后开始了规模性地震地电阻率监测台网建设。经过“七五”至“十五”期间的台网建设，目前已建成运行近90个地电阻率台站，是国际上唯一有组织的长期坚持大规模、规范化地震地电观测的国家[1-4]。地电阻率台网在1976年唐山Ms7.8级地震、1976年松潘—平武 Ms7.2级地震前记录了中期异常和显著的短临异常，对某些地震还进行了中期预报。可见，地电阻率观测将在今后的地震监测预报中起到重要的作用，也是重点发展的观测技术。由于对地震的孕育和发生过程以及震中区台站的地壳结构和介质条件、应力过程等了解甚少，加之目前固定地电阻率台站的探测深度范围不大，且影响观测环境的外界干扰不能完全排除，造成观测数据有多重复杂性。内蒙古自治区地震局地电阻率观测历史悠久，“九五”、“十五”以及“背景场”项目共建设、改造了5个地电阻率台站，分别是呼和浩特、宝昌、锡林浩特、乌加河、赤峰。总体的观测运行状况处于全国区域地电台网中等水平。

本文对内蒙古地电阻率观测系统中各种典型故障的判别和维修经验进行总结分析，准确地排查内蒙古地电阻率观测系统故障产生的各种问题，提出有效的解决方案，对比分析出仪器数据变化是观测系统故障还是受干扰产生的。可有效地加强基层地震台站人员对维护检修仪器的认识，为使用地震地电阻率观测资料的人员进行地震分析预报提供必要的参考依据。

1 资料选取及地电阻率观测系统常见故障分析

本文主要选取宝昌地震台、锡林浩特地震台和乌加河地震台的地电阻率资料为背景，分析判断故障的原因，并给出排除办法。

1.1 宝昌台地电阻率仪观测系统故障分析

1.1.1 避雷器故障。宝昌台ZD8M地电仪：2019年10月27日06-15时地电阻率北南向发生故障如图1，造成数据阶变，数据阶变最大变幅为0.70(Ω.m)，相对变化率0.57%。地电阻率东西向，均方差两测向，自然电位差两测向受影响不明显。检查发现避雷箱线路虚接，重新连接线路，维修后数据恢复正常。

图1 宝昌台地电阻率观测曲线（2019年10月26-28日）

1.1.2 稳流电源故障。宝昌台ZD8M地电仪：2019年11月1日05时－3日04时地电阻率稳流电源仪器发生故障，造成数据突跳，地电阻率两测向观测数据最大变幅为0.53Ω.m，相对变化率0.75%；均方差两测向、自然电位差两测向均受影响不明显[5]。对稳流电源电流参数进行调整，由原来2.0A调整到1.8A。调整观测数据变化恢复正常。

图2 宝昌台地电阻率观测曲线（2019年10月29日－11月6日）

1.1.3 避雷器故障。宝昌台ZD8M地电仪：2020年6月6日16时－07日09时地电阻率两测向、自然电位差两测向数据发生阶变，地电阻率两测向观测数据最大变幅为4.62Ω.m，相对变化率3.65%；自然电位差两测向数据最大变幅为7.8mv，相对变化率为58%，均方差两测向受影响不明显。检查发现避雷器故障造成数据阶变，故障持续时间为17小时。事后台站对避雷器进行更换，更换后数据变化恢复正常。

图3 宝昌台地电阻率观测曲线（2020年6月5-8日）

1.2 锡林浩特台地电阻率仪观测系统故障分析

图4 锡林浩特台地电阻率观测曲线（2017年5月6-11日）

1.2.1 电极故障。锡林浩特地震台地电阻率仪：直流单装置自然电位差观测北南向于2017年3月08日04时至2017年3月9日08时产生2.0mv的下降变化，其他分量正常。对比同期气象三要素、地磁数据皆未发现明显变化（地磁08至10日最大K指数为4）排除了自然环境及地磁扰动影响[6]。对仪器外线路，以及接地电阻与绝缘电阻进行了检查，检查结果正常且未发现仪器以及周边场地环境有任何异常，排除了观测系统以及周边场地环境的影响。该测道曾于2017年1月11日05时至2017年1月12日17时发生类似下降变化，变化幅度为1.3mv。综合判断，判定此次数据下降为受电极极化影响。2017年至2018年共发生此类情况共8次，数据变化情况相同，综合判断均为电极极化影响。

1.2.2 供电线路故障。锡林浩特地震台地电阻率仪：2021年1月29日00时至20时仪器所有测项均断记，变化形态为缺数，仪器累计断记20个小时。排查故障时经与仪器场地看护人员沟通后发现场地附近停电，仪器UPS电量耗尽，联系本市供电局确认场地供电线路故障。

图5 锡林浩特台地电阻率观测曲线（2021年1月28-30日）

1.3 乌加河台地电阻率仪观测系统故障分析

1.3.1 供电系统故障。乌加河台15005测点J ZD8M地电仪：3月27日18：00-22：00 自然电位东西向18点出现突然下降，自然电位北南向变化1.5mv，自然电位东西向变化28.2mv。18:38地电阻率南北向北端测量极到中心杆之间供电电缆被施工队挖断。

图6 乌加河台地电阻率观测曲线（2017年3月26-28日）

2 讨论

根据观测资料分析确定观测系统故障的性质，首先判断是装置系统问题还是测量系统问题，观测分析主要是分析6道曲线的日变化、日变幅度，共用电极的相关曲线变化形态等逐步缩小故障的可能范围，尽量判别出问题在哪一部分，可采取替换法排除[7]。

进一步确定故障的位置。例如只有1道曲线变化形态不正常，就可以确定为是观测仪器问题，2道曲线不正常基本上判断为是外线路极的问题。

如果判定为装置系统问题，可通过排查外线、查看接线头是否氧化、接触是否牢靠等，采用相应的处理办法解决[8]。

数字化地震观测仪器科技含量高，电路较复杂，对于基层地震台站人员仪器的维护检修是一个新课题，也是一个不断探索、不断积累经验和不断创新的过程。本文对陕西省5个地电阻率台站实际观测中出现的各类故障进行深入分析，从电极、外线路、观测仪器等方面总结工作中电阻率观测系统的各种典型故障及排除方法，包括仪器故障检测、外线路和电极故障的排查，提出有效的解决方案。重点对地电仪的故障进行总结，提出地电阻率观测系统建设的优选方案，供大家参考。