甘肃平凉地电比测台站建设及地电阻率数据分析

赵斐 叶青 杨晓鹏 牛延平 张远富

1)中国地震局兰州地震研究所，兰州地球物理国家野外科学观测研究站，兰州 730000 2)中国地震台网中心，北京 100045

0 引言

1966年河北邢台地震后，中国引入物探地电阻率法进行地震预报观测实践，此后由政府组织建设了大规模、长期连续观测的台网。目前，在中国大陆人口密集、大中城市附近的地震活动区带共有80多个台站进行常规监测，每台布设2～3个测道，采用地表电阻率对称四极观测装置(杜学彬，2010)，至今已积累大量观测数据和科学研究成果，在方法理论、观测技术、观测数据应用等方面取得很大发展(毛先进等，2014； 孟庆武等，1991； 聂永安等，2010； 钱复业等，1982； 陈大元等，1983； 钱家栋等，1985、1998； 孙承德等，1998； 王本帮等，1981； 杜学彬等，2006、2010； 王兰炜等，2011； 解滔等，2012、2016； 杨兴悦等，2012； 叶青等，2013)。电法观测是地震前兆观测的重要手段之一，在历次大地震前观测到了明显的异常信息。连续、可靠、稳定的观测资料是地震预测预报研究的基础，而观测系统的正常运行是获得连续可靠的观测数据的基础，因而对仪器性能和长期稳定性的测试则是保障仪器稳定可靠的前提。

为了有效提高仪器质量，充分发挥地震计量服务防震减灾业务的基础支撑作用，中国地震局于2017年提出了地震计量体系建设及监测预报业务体制改革，其中改革的重点任务之一就是建立仪器装备计量业务体系，定期开展计量检定，目的在于实现地震计量能力和水平的全面提升。当前我国地震系统共新建检测实验室11个，比测台站7个。其中，地电仪器检测实验室1个，建于应急管理部国家自然灾害防治研究院(原中国地震局地壳应力研究所)； 地电比测台站2个，分别建于江苏高邮和甘肃平凉。通过地电比测台站的建设，可为地电仪器的标定、观测装置的稳定性提供完备的检测平台以及规范的测试方法，这对保障观测系统的产出质量和长期稳定性具有重要意义。其建设的内容包括地电计量标准、仪器性能测试、比测基准观测装置、质量检测规程以及自动标定装置等五个方面。高邮站和平凉站均于2019年完成相关建设内容，并进行了第一批次地电仪器的对比测试。本文以平凉站为例，讨论分析其建设过程中的优劣及存在的问题，以期为今后类似平台的建设提供有益参考。

1 比测场地环境

平凉地电比测台站选址于甘肃省平凉市崆峒地电台，具体地址位于平凉市西郊崆峒镇寨子街西侧，距离市区约11km。该台1997—2012年为地面单极距视电阻率观测，2013年改建为井下多极距地电阻率综合观测，多年来积累了丰富的背景资料。平凉地区宏观上处于南北地震带北段、六盘山断陷带东麓断裂的东侧，鄂尔多斯块体西缘，即陇西旋卷构造系向南收敛的区域，地质构造复杂。该区历史上曾发生过多次破坏性地震，如1920年海原MS8.0 地震，本台距离该震震中仅90km。台基岩性大致可分为4层：0～7m为亚砂土，其中表层有2～3m厚的黄土； 7～40m为砂砾石； 40～110m为第三系泥岩或砂泥岩； 110m以下为白垩纪地层，其上部为泥岩，下部为砂岩或砂砾岩。场地电磁环境良好，布极区距离泾河南岸500m，测区平坦开阔，原为耕地，现属于绿化保护区，周边为村镇。地下水埋深10～20m，测区周围除农业外无工业建筑及大型用电设施。观测保护区内无观测规范要求避开的干扰源：0.05km范围内无30kVA以下、0.1km范围内无30kVA以上变压器或是其他相当功率的用电器； 1km范围内无地面敷设或埋地金属管道； 非工频人工电磁源产生的附加电场强度Ed<0.5mV/km； 各测道最大工频干扰均小于1250mV/km。

2 比测装置系统及观测室

比测基准观测装置是地电比测台站建设较为关键的内容，其好坏关乎最终比测结果的正确与否。因此，建设前期需要考虑各方面的影响因素，建设完成后还需要进行可靠性、稳定性等的对比测试。观测室也是建设的主要内容之一，其功能为尽可能地模拟现有观测台站的环境条件，但与检测实验室相比要求并不是很高，仅需对室内的温、湿度有一定控制，更多的是注重功能划分、防雷接地、综合布线等。

2.1 地电阻率基准观测装置

图1 平凉地电仪器比测装置示意图(a)地电阻率基准观测装置； (b)地电场基准观测装置

2.2 地电场基准观测装置

地电场基准观测装置为新建装置，与地电阻率装置同场地，布设NS、EW、N45°W三个方向的测道，成反L型布设，如图1(b)所示。同一方向均设有长、短两个测道，其中，NS、EW长极距为200m，短极距150m；N45°W长极距283m，短极距212m。电缆通过地埋的方式接入观测室，再通过室内的配线盘和避雷装置与主机相连。每个电极坑埋设4个电极，其中3个为固体不极化电极，另外1个为铅电极。固体不极化电极型号为LGB-3型，规格为Φ110mm×560mm和Φ160mm×560mm，铅电极的型号为JX-2010，规格为Φ800mm×170mm。电极坑为正方形，边长约1.2m，电极置于坑内四个角的位置。每个电极埋设时倒置放入充满添加剂的容器中，容器上端开口，下端密封，保证电极与外界介质的紧密耦合，形成同一电极坑内相互独立的4个电极，电极埋设深度为4m。外线路采用2.5mm×4mm四芯铠装铜芯线，地埋方式连接入配线箱。电缆选用耐压450/750V聚乙烯绝缘电缆，JVR2.5×4国标电缆线阻小于10.0Ω/km，绝缘满足200m深度以内工程使用。外线路电缆埋深1.5m(参考依据：当地冻土层厚度0.7m)，按相关技术要求进行布设和测试，安装完成后全部回填。电缆到达观测室端时，在室外转接软线后进入观测室，转接装置安装在不锈钢壁挂箱体内，箱体与地面之间采用切石板材护罩，以防年久线路老化。为避开原有场地内的井下地电阻率观测线路，回填后沿布线方向间隔10m放置标志墩。

2.3 观测室

为满足地电比测系统的功能使用，结合台站现有硬件条件，将原有的地电值班室进行新的功能划分。由西至东依次为信息网络机房(兼地电观测机房)、地电阻率检测平台、地电场检测平台、工作人员值班室(两间)、备震库房等，其中在检测室加装了空调用于室内温度调控，如图2(a)所示。室内装修主要包括地面工程、顶面及墙面工程、综合布线、仪器避雷及比测实验室设备等方面。为了避免各种雷电的侵害，检测平台加装一组高性能避雷器，进入地电场仪器室的信号线均连接相应的避雷器。接地电缆采用≥8.0mm2多股铜线。根据各套仪器的使用要求，将仪器外壳及机柜接地，引入数据线屏蔽接地，信号线避雷接地，达到防雷的目的，如图2(b～c)所示。为了使观测室环境简洁、美观，实用室内线路采用暗藏式桥架综合布线，并遵循强弱电分开的原则。此次实验室改造符合地电比测的环境要求，符合地震行业标准要求，可为仪器运行提供良好的观测环境。

图2 观测室及避雷系统(a)观测室功能划分示意图； (b)避雷系统示意图； (c)避雷器及接线

图3 地电比测台站操作流程

3 比测及其结果分析

3.1 比测

地电比测台站测试操作流程如图3所示，主要包括功能测试与观测数据质量分析两部分。功能测试主要包括参数设置功能、控制测试与数据传输功能。参数设置功能为对地电阻率仪器在工作时需要的测量参数(电极极距、测项分量代码等)、台站参数(台站名称、仪器ID等)、网络参数(IP地址等)进行设置； 控制测试主要包括读取和修改仪器时间、仪器重启、复位等； 数据传输功能主要包括被测仪器是否可接入中国地震前兆台网管理系统、网页数据下载及FTP数据下载功能。测试结果质量分析主要包括仪器性能长期稳定性(地电阻率误差测试)、数据连续率、数据一致性(包括相对均方差的日均值、被测仪器与参考仪器观测数据日均值的差值)。

3.2 地电阻率仪比测结果分析

以地电阻率为例，对ZD8M型地电阻率仪(仪器编号：X321 IOCD1187)与台站运行仪器ZD8MI型多极距地电阻率仪(仪器编号：X321 IOCD1302)进行比测(中国地震局，2008b、2010)，主要目的是验证仪器的功能性、长期稳定性、数据一致性和运行连续率是否达到定型入网要求。比测时间为2019年5月1日至6月15日，比测中使用的辅助设备包括UJ34A型直流电位差计和BC9型饱和标准电池。

数据连续率和曲线动态是比测结果合格与否的基本要求。连续率是仪器产出数据占应产出数据的比例，可以反映观测系统产出数据的能力(刘春国等，2017)，计算方法为实际测量数据个数与应有数据个数的比值，比测技术规范要求该值不低于95%。本次比测连续率计算结果为100%，说明此段时间观测仪器的运行情况良好。曲线动态对比是从整体上判别测量结果的正确与否，要求两仪器测量结果数值接近，曲线形态相似。图4为本次被比测仪器和参考仪器产出数据曲线对比，其中黑色曲线为ZD8M型地电阻率仪(被比测仪器)产出数据曲线，红色曲线为ZD8MI型多极距地电阻率仪(参考仪器)产出数据曲线。可以看出2台仪器测量结果数值接近，曲线形态相似，符合比测技术规范要求。

图4 比测仪器与参考仪器观测数据对比(a)井下100mNS测道； (b)井下100mEW测道

仪器长期稳定性测试是比测的主要内容之一，其方法是比测前后对仪器测量误差进行检查(即标定)，判断依据是仪器测量偏差(绝对值)是否小于最大允许误差(绝对值)。2019年4月30日和5月16日分别对ZD8M型地电阻率仪进行了仪器性能稳定性测试，结果如图5所示。可以看出，该仪器正、反向测量偏差在±(0～0.2)之间，比测前后基本一致，测试数据曲线均处于最大允许误差线以内，表明检查结果符合地电观测规范要求，该仪器经过48天运行之后性能稳定。

图5 仪器性能长期稳定性测试结果(a)正向标定； (b)反向标定

数据一致性测试是比测的另一主要内容，其判断指标有2个，其一是被测仪器小时值3倍相对方差的日均值，计算公式为(要求该值小于或等于0.3)

(1)

(2)

图6 数据一致性测试结果(2019年)(a)相对均方差日均值曲线； (b)差值日均值曲线3Kσ表示被测仪器小时观测值3倍相对方差的日均值； 差值表示被测仪器和参考仪器观测数据日均值的插值

3.3 地电场基准装置测试结果分析

平凉地电场基准观测装置于2018年底建成，经过一年多的测试，验证了装置系统的稳定性及可靠性，测试采用不同仪器对比测试和不同电极对比测试两种方法。判断指标主要有曲线动态、数据完整性、数据一致性和数据质量。其中，曲线动态指标要求为数值接近，曲线形态相似； 数据完整性要求连续率大于95%，计算方法为实际测量数据个数与应有数据个数的比值，这里考虑该装置与电阻率装置同场地会受到电阻率测量时的供电干扰，采用完整率作参考，计算方法为实际测量数据个数减去干扰数据个数再与应有数据个数的比值； 数据一致性要求各测道长、短极距相关系数的平均值大于0.8，各测道长、短极距差值的平均值小于3mV/km，相关系数计算公式为

(3)

(4)

式中，Δxy表示差值；n为当天参与计算的数据个数。数据质量没有具体的数值要求，仅作为对比参考，理论上变化幅度的数值越小越好。

不同仪器对比测试于2019年7月6日—8月5日完成，仪器选用GEF-2(2台)，测试方法为同装置并行观测，测试结果参见图7和表1。从数据曲线动态可以看出2台仪器的测值变化平稳，长极距变化幅度在71.8mV以内，短极距在65.4mV以内； 存在明显的日变形态，长、短极距相关性较好，符合中纬度地区地电场变化规律； 2台仪器记录的数据质量均能达到相关技术指标。由此表明，新建装置系统运行稳定，记录数据可靠。

图7 不同仪器对比测试结果(2019年7月6日—8月5日)

表1 不同仪器对比测试结果统计

图8 不同电极对比测试结果(a)NS测道； (b)EW测道； (c)N45°W测道

不同电极的对比测试于2020年1月27日至3月8日完成，仪器选用GEF-2，测试方法为不同电极连续观测(每种电极连续观测10天)，测试结果参见图8和表2。从数据曲线动态可以看出，不极化电极产出的数据变化相对平稳，相关性较好，均能观测到较明显的日变形态； 铅电极产出的数据曲线波动较大，日变形态模糊，趋势性变化显著，这可能与铅电极容易极化有关。从数据完整性来看，几种电极均能达到相关技术指标。从数据一致性和数据质量来看，铅电极产出数据质量较差，不极化电极(大)产出数据质量最优。该测试结果表明，地电场观测中选用不极化电极产出数据的稳定性和一致性优于铅电极。总体来看，虽然铅电极产出数据质量略差，但从数据一致性来看，其测试结果较好，可见该装置产出的数据有效可靠。

表2 不同电极对比测试结果统计

4 结论及讨论

甘肃平凉地电比测台站场地环境良好，电磁干扰小，信噪比较高。地电阻率基准观测装置沿用台站现有的井下装置，既节约了台站建设的成本，又合理地利用了资源，且该台已积累了较好的背景资料，装置稳定性、可靠性均得到了较好的验证。针对新建地电场基准观测装置，通过不同仪器、不同电极，对其稳定性和可靠性进行了测试，结果表明，新建装置系统运行稳定，产出数据真实可靠。在观测室的改建过程中，充分考虑了现有基础设施，尽可能地满足了地电比测台站建设的各项要求，更注重功能划分、防雷接地、综合布线等方面。通过对第一批次ZD8M型地电阻率仪定型比测结果的分析，进一步说明了甘肃平凉地电比测台站的各项指标均符合相关技术规范，可以满足地电仪器比测的需求。

本文详细介绍了平凉地电比测平台的建设，在装置系统布设、观测室改造、综合布线等方面积累了较好的经验，通过地电阻率仪的比测及地电地电场装置系统的测试分析，总结梳理了相应的测试方法和技术指标要求，以期为今后类似平台的建设提供有益参考。另外，在对地电场装置系统测试分析时也发现了一些问题，例如2种装置系统同场地布设存在供电干扰的现象，虽然可以采用一些方法剔除干扰数据，但对比测结果仍有一定影响，因此建议将2种装置系统分场地布设； 又如地电场装置系统中电极的选择，从测试结果来看，选用不极化电极产出数据的稳定性和一致性优于铅电极，因此建议地电场观测尽量选择不极化电极。