全方位自然電場(chǎng)觀測(cè)方法和觀測(cè)技術(shù)研究

席繼樓 宋艷茹 胡明朝 劉 超 徐學(xué)恭 尚先旗

1）中國(guó)地震局地震預(yù)測(cè)研究所，北京100036

2）上海市地震局，上海 201203

3）天津市地震局，天津 300201

自然電場(chǎng)（又稱自然電位）是由地下礦體、電解質(zhì)與周圍介質(zhì)之間、以及地下巖石結(jié)構(gòu)體之間的物理化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生，包括氧化-還原電場(chǎng)、過(guò)濾電場(chǎng)、接觸-擴(kuò)散電場(chǎng)等。一般情況下，自然電場(chǎng)具有局部性和相對(duì)穩(wěn)定性等特點(diǎn)，也會(huì)由于局部性的地下水系、裂隙的變化，產(chǎn)生在時(shí)間和空間上的劇烈變化等。自然電場(chǎng)的物理意義比較明確，變化（孕震）機(jī)理相對(duì)明晰，在唐山7.8級(jí)地震、海城7.3級(jí)地震、松潘7.2級(jí)等中強(qiáng)以上地震前后，記錄到了可能與地震孕育有關(guān)的變化形態(tài)。

首先開展了全方位自然電場(chǎng)觀測(cè)方法研究工作。自然電場(chǎng)產(chǎn)生及變化與地下結(jié)構(gòu)體的物理屬性、破碎斷裂帶的規(guī)模與展布、地下水系的發(fā)育程度、巖石應(yīng)力的分布與強(qiáng)度、潮汐力的外力作用以及各種外場(chǎng)效應(yīng)等因素的關(guān)系比較密切。借鑒物探電法中的環(huán)形梯度法（又稱“8”字型觀測(cè)法，主要用于地下水流向測(cè)定），采用一種全方位裝置布設(shè)方法，即以觀測(cè)區(qū)域的中心點(diǎn)為基準(zhǔn)點(diǎn)，環(huán) 360°范圍內(nèi)布設(shè)相同測(cè)量裝置，同步記錄各個(gè)方位（至少8個(gè)方位）的自然電位梯度變化，以便能夠捕捉到每個(gè)測(cè)量方向上自然電場(chǎng)及其隨時(shí)間的變化特征，避免由于測(cè)道方法原因（如目前在地電阻率和地電場(chǎng)觀測(cè)中的兩個(gè)[正交]方向的測(cè)道布設(shè)方法等）造成的自然電場(chǎng)變化信息的遺漏和最大變化方位的缺失。

重點(diǎn)開展了基于上述全方位自然電場(chǎng)觀測(cè)方法的自然電場(chǎng)觀測(cè)技術(shù)研究。包括一種全向可旋接分體式不極化電極和多測(cè)道高精度自然電場(chǎng)觀測(cè)系統(tǒng)。其中，不極化電極采用Pb-PbCl2實(shí)現(xiàn)方案，輔助一種全向接觸性旋接式可拆解結(jié)構(gòu)，便于提高接觸穩(wěn)定性和可維護(hù)性；多測(cè)道高精度自然電場(chǎng)觀測(cè)系統(tǒng)采用“數(shù)據(jù)測(cè)量”和“網(wǎng)絡(luò)服務(wù)”兩個(gè)相互獨(dú)立運(yùn)行的分體式結(jié)構(gòu)（雙CPU結(jié)構(gòu)），主要完成自然電場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集、調(diào)理、轉(zhuǎn)換、處理和存儲(chǔ)等，并通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)或區(qū)域網(wǎng)遠(yuǎn)程傳輸自然電場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)。在多測(cè)道高精度自然電場(chǎng)觀測(cè)系統(tǒng)的技術(shù)實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，應(yīng)用了工業(yè)級(jí)高集成度低功耗的SOC器件、ARM主控系統(tǒng)、24 bit∑-Δ模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換、梳狀濾波、光電隔離、多電源供電、大容量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等多種技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了多測(cè)道、高精度、小型化、低功耗設(shè)計(jì)和便攜式應(yīng)用，具有比較高的抗工頻干擾能力，以及在-30℃～40℃野外環(huán)境條件下的穩(wěn)定工作能力。

為了兼容兼容和實(shí)現(xiàn)《中國(guó)數(shù)字地震觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)規(guī)程 地震前兆臺(tái)網(wǎng)專用設(shè)備網(wǎng)絡(luò)通信》的相關(guān)通信和控制功能，在ARM主控系統(tǒng)和WinCE操作系統(tǒng)平臺(tái)下，利用VS2005和EVC開發(fā)環(huán)境，采用多進(jìn)程和多線程編程方法，實(shí)現(xiàn)了多用戶通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)并發(fā)連接、命令原語(yǔ)（應(yīng)用層協(xié)議）響應(yīng)、觀測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸、系統(tǒng)狀態(tài)檢測(cè)控制等功能；利用COM+ASP技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了內(nèi)部WEB網(wǎng)頁(yè)的訪問(wèn)、數(shù)據(jù)交換和系統(tǒng)監(jiān)控等。

通過(guò)上述研究工作，實(shí)現(xiàn)了如下主要性能指標(biāo)：①觀測(cè)精度（最大允許誤差）不低于0.1%R±0.1mV；②測(cè)量分辨力優(yōu)于0.01 mV；③、測(cè)量范圍：±1 000.00 mV；④輸入電阻：不低于20 MΩ；⑤工頻串模抑制比不低于80 dB；⑥工頻共模抑制比不低于140 dB；⑦測(cè)量通道：12個(gè)（8個(gè)主測(cè)道、1個(gè)備用測(cè)道、3個(gè)輔助測(cè)道）；⑧采樣率：12次/道.分鐘；⑨電極極化電位差不大于0.2 mV，短期穩(wěn)定性不大于0.1 mV/24 h，極化噪聲不大于0.01 mV。

在天津市靜海地震臺(tái)開展了試驗(yàn)觀測(cè)工作。在試驗(yàn)觀測(cè)期間，利用天津市地震局前兆臺(tái)網(wǎng)區(qū)域網(wǎng)，通過(guò)“中國(guó)地震前兆臺(tái)網(wǎng)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)”對(duì)每天的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)或人工匯集，匯集數(shù)據(jù)進(jìn)入天津市地震局備用數(shù)據(jù)庫(kù)。試驗(yàn)結(jié)果表明，該試驗(yàn)觀測(cè)系統(tǒng)能夠獲得試驗(yàn)區(qū)域內(nèi)自然電場(chǎng)及其隨時(shí)間的動(dòng)態(tài)變化特點(diǎn)。其中，東向和北向分量變化比較大，可能與地表水（引水渠附近）的季節(jié)性變化有關(guān)，其特點(diǎn)為在由積水期向枯水期的轉(zhuǎn)換過(guò)程中自然電場(chǎng)呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，進(jìn)入枯水期以后逐步恢復(fù)平穩(wěn)變化。