新豐江水庫區(qū)和平地電站電阻率深孔多電極抗干擾觀測(cè)實(shí)驗(yàn)

陳智群， 柴劍勇， 黃 暉， 李 敬，劉東輝，秦乃崗，陳莉芬

(1.廣東省地震局新豐江中心地震臺(tái)，廣東 河源 517021；2.廣東省地震局，廣東 廣州510070）

0 引言

在我國地電阻率觀測(cè)方法已連續(xù)有40多年的歷史，并有許多臺(tái)站記錄到在大地震前后顯示出與地震活動(dòng)有關(guān)的變化，積累了長期的觀測(cè)資料和一定的強(qiáng)震震例，使地電阻率前兆觀測(cè)結(jié)果成為震情判斷的重要依據(jù)[1]。

廣東也是較早開展地電阻率觀測(cè)的地區(qū)之一，河源黃子洞地電臺(tái)始建于1968年，進(jìn)行了連續(xù)24年的觀測(cè)，為本地區(qū) （特別是新豐江水庫區(qū)）的地震監(jiān)測(cè)和研究積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。1992年由于廣梅汕鐵路建設(shè)的需要，對(duì)黃子洞臺(tái)地電項(xiàng)目進(jìn)行了搬遷，在距離新豐江水庫東邊6 km的源南鎮(zhèn)和平尖下村建成了現(xiàn)在的和平地電站。1997年新豐江中心地震臺(tái)曾利用和平地電站地電阻率觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)本區(qū)的地震進(jìn)行了成功的預(yù)測(cè)。從國內(nèi)國外的大量的長期實(shí)踐證明，地電阻率觀測(cè)方法是有生命力的。

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，傳統(tǒng)的地震地電阻率觀測(cè)想避免環(huán)境干擾的影響已經(jīng)是不可能的事情。在這種形勢(shì)下，由橫向向縱深發(fā)展的深埋電極電阻率觀測(cè)方法應(yīng)用而生。和平地電站在建臺(tái)之初就進(jìn)行了深孔電阻率觀測(cè)試驗(yàn)，這是非常具有前瞻性的，十多年的觀測(cè)數(shù)據(jù)表明，該方法抑制環(huán)境干擾的效果是不容置疑的。

1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮鸵饬x

1.1 深孔多電極電阻率觀測(cè)實(shí)驗(yàn)是對(duì)深埋電極電阻率觀測(cè)方法的豐富和深入研究

隨著人們對(duì)深埋電極電阻率觀測(cè)方法的了解和研究的深入，越來越多的人認(rèn)識(shí)到了這種觀測(cè)方法的優(yōu)越性。環(huán)境因素的各種干擾得到了有效屏蔽，觀測(cè)精度也有了一定的提高，電阻率的變化也更加真實(shí)地反映了地下深部巖石體內(nèi)的應(yīng)力應(yīng)變。有理由相信，深埋電極電阻率觀測(cè)方法對(duì)捕捉地震前兆具有更大的可能性。

在體會(huì)到深埋電極電阻率觀測(cè)方法諸多優(yōu)越性的同時(shí)，人們也意識(shí)到了該方法電極布設(shè)經(jīng)費(fèi)投入較大的問題，電極埋入越深，開挖或鉆探的成本就越高。以和平地電站為例：1992年購入鉆探4個(gè)深孔 （深度分別為：65.30 m、65.65 m、63.50 m和64.70 m），共花費(fèi)2.6萬元，投入費(fèi)用較高。

能否在深孔里布設(shè)多對(duì)電極，觀測(cè)不同深度的電阻率？勘探學(xué)的研究結(jié)果認(rèn)為，地下不同深度的地層介質(zhì)存在電性差異，因此對(duì)垂直方向上不同電性分層的組合體 （地層）進(jìn)行地電阻率法測(cè)量的結(jié)果也是不同的[2]。

因此進(jìn)行深孔多電極電阻率觀測(cè)實(shí)驗(yàn)是有理論依據(jù)的，這也是在前人研究的基礎(chǔ)上，對(duì)深孔電阻率觀測(cè)方法進(jìn)行更加深入的研究，目的是充分利用現(xiàn)有成果，開發(fā)利用好現(xiàn)有資源的有益嘗試。

1.2 深孔多電極電阻率觀測(cè)實(shí)驗(yàn)的意義

從和平地電站現(xiàn)有的深孔電阻率試驗(yàn)觀測(cè)取得的大量數(shù)據(jù)分析中發(fā)現(xiàn)，視電阻率測(cè)值受季節(jié)、天氣及周圍環(huán)境的影響很小，精度較高；國內(nèi)其他進(jìn)行深埋電極研究的臺(tái)站或機(jī)構(gòu)均一致肯定該方法排除環(huán)境干擾的有效性，在地震監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)方面也取得了一定的實(shí)效。但是和平地電站深孔觀測(cè)由于是單一方向 （N80°W）、單組電極 (圖1)，觀測(cè)數(shù)據(jù)沒有參照組進(jìn)行對(duì)比分析，難免漏判、誤判有震異常。進(jìn)行深孔多電極電阻率的觀測(cè)實(shí)驗(yàn)，正是豐富該觀測(cè)方法的有效嘗試，可以達(dá)到在同一測(cè)向深孔電阻率觀測(cè)數(shù)據(jù)的參照對(duì)比，還可以在某組電極出現(xiàn)故障時(shí)不至于中斷連續(xù)觀測(cè)。

圖1 河源和平地電站深孔觀測(cè)基本組成Fig.1 Basic components of deep hole observation of Heping Seismic Station in Heyuan

2 實(shí)驗(yàn)的方法和原理

本實(shí)驗(yàn)的主要方法是利用和平地電站現(xiàn)有電阻率觀測(cè)的深孔放置兩組不同材料的電極，并對(duì)它們進(jìn)行同步對(duì)比觀測(cè)，選擇地下不同深度對(duì)這兩組電極進(jìn)行對(duì)比觀測(cè)實(shí)驗(yàn)，有目的地在不同的時(shí)間和不同的天氣情況下分別取得相應(yīng)的觀測(cè)數(shù)據(jù)，在電極附近的地表處注入人工干擾源，觀察電阻率測(cè)值的變化情況等。

2.1 實(shí)驗(yàn)觀測(cè)線路的組成

觀測(cè)線路由電極、導(dǎo)線、控制開關(guān)和觀測(cè)儀器等組成 （圖2）。電極A1B1M1N1為原深孔觀測(cè)組合，A2B2M2N2為新安裝鉛電極組合，A3B3M3N3為新安裝石墨電極組合。觀測(cè)時(shí)通過人工的控制，可以得到以上電極組合的電阻率測(cè)值，根據(jù)需要還可以得到其它新組合更多的對(duì)比觀測(cè)實(shí)驗(yàn)測(cè)值。

圖2 實(shí)驗(yàn)觀測(cè)線路原理圖Fig.2 Schematic circuit diagram of experimental observation

2.2 電極材料、規(guī)格及形狀

本實(shí)驗(yàn)分別采用鉛和石墨材料各制作一對(duì)電極，兩對(duì)電極均為實(shí)心圓柱體，規(guī)格 （高×直徑）為 250mm×45mm （圖3）。

2.3 電極組的布設(shè)和基本參數(shù)

首先將相應(yīng)的電極組放置到井下一定深度的位置，然后用吊繩固定。放置方法如圖4。

各深孔測(cè)井電極的布設(shè)排列方法相同，電極初始放置深度分別是，A電極測(cè)井：A2深61.50 m、A3深60.50 m （原電極 A1為65.30 m）；B電極測(cè)井：B2深56.00 m、B3深55.00 m（原電極B1為 65.65 m）；M電極測(cè)井：M2深 60.00 m、M3深59.00 m （原電極M1為63.50 m）；N電極測(cè)井：N2深58.50 m、N3深57.50 m （原電極N1為64.70 m）。各測(cè)井中，石墨電極與鉛電極的高差均固定為1 m。

電極布設(shè)后，經(jīng)過幾天的靜置后對(duì)各電極進(jìn)行了接地電阻檢查，檢查結(jié)果如表1。測(cè)量結(jié)果顯示，新放置的電極接地電阻均非常接近 （原B3電極因?yàn)闃O化等原因接地電阻變得很大）。

圖3 電極尺寸、外形圖Fig.3 Size and outline diagrams of electrode

圖4 電極布設(shè)排列方法Fig.4 Electrode arrangement method

2.4 實(shí)驗(yàn)觀測(cè)操作方法

（1）每天在不同的時(shí)間段采樣觀測(cè)5次左右，取當(dāng)次觀測(cè)的均值計(jì)算平均值為當(dāng)天的日均值。

（2）采樣觀測(cè)均在正常觀測(cè)之前進(jìn)行，按A2B2M2N2→A3B3M3N3→……最后 A1B1M1N1(正常觀測(cè))的順序進(jìn)行。

（3）通過人工控制12位開關(guān)控制器來變換觀測(cè)電極，觀測(cè)數(shù)據(jù)由數(shù)碼相機(jī)拍攝保存，文檔按電極排列順序相應(yīng)命名，如文件 “深孔2” 即為新鉛電極實(shí)時(shí)觀測(cè)的文件； “深孔3”即為石墨電極觀測(cè)的實(shí)時(shí)文件，其它文件命名方法相同。

表1 深孔各電極接地電阻值Table 1 Values of ground resistance of each electrode in Deep hole

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 深孔對(duì)比觀測(cè)的電阻率趨勢(shì)變化

2009年9月5日實(shí)驗(yàn)觀測(cè)工作開始連續(xù)進(jìn)行。從實(shí)際結(jié)果看，電極材料不同，在相同的觀測(cè)環(huán)境下，電阻率測(cè)值 （均為電極初始放置位置）是有差別的。但是從同一周期看，其變化趨勢(shì)是一致的（圖5）。

3.2 電極放置深度與電阻率測(cè)值的變化規(guī)律

3.2.1 實(shí)際觀測(cè)過程

圖6、7分別是對(duì)比電極組合向上移動(dòng)10 m和20 m時(shí)的實(shí)時(shí)測(cè)值。從實(shí)際對(duì)比觀測(cè)結(jié)果以及結(jié)合已有深孔觀測(cè)成果，可以認(rèn)為在30～70 m深度的范圍內(nèi)，視電阻率測(cè)值隨著深度的增加而增加。

圖5 深孔實(shí)驗(yàn)電阻率日均值Fig.5 Average daily value curve of the deep-hole resistivity

圖6 電極組合在50m附近實(shí)測(cè)值Fig.6 Measured values of the electrode combination about 50m deep

圖7 電極組合在40m附近實(shí)測(cè)值Fig.7 Measured values of the electrode combination about 40m deep

3.2.2 電極在深孔20 m處的測(cè)值

為了繼續(xù)驗(yàn)證電阻率隨著電極埋深變化而變化的規(guī)律，2009年12月22、23日再次將電極組合整體向上移動(dòng)40 m，也就是電極組合處于深孔20 m左右深度，圖8是這時(shí)候的實(shí)測(cè)結(jié)果。

實(shí)測(cè)結(jié)果發(fā)現(xiàn)深孔電阻率變化現(xiàn)象有：ρ50m＞ρ20m＞ρ40m，這一結(jié)果也說明了地層中電性結(jié)構(gòu)是不均衡的，電阻率的變化并不隨著地層深度的變化而按照特定的規(guī)律變化。

圖8 電極組合處在深孔20m深附近實(shí)測(cè)值Fig.8 Measured values of the electrode combination in deep-hole about 20m deep

3.3 人工干擾及對(duì)比觀測(cè)結(jié)果

3.3.1 干擾方法

抗干擾實(shí)驗(yàn)采用注入人工干擾的方法，分別進(jìn)行了兩種干擾實(shí)驗(yàn)：方法一是在深孔M、N測(cè)量電極的附近地表處，向地下分別打入一根長1m的銅釬電極，然后將兩根電極用導(dǎo)線連接使之成短路狀態(tài)[3](如圖9)。方法二是利用臺(tái)站原飲水井的水管 （鍍鋅鐵管），接上導(dǎo)線再串聯(lián)上白熾燈后接在220V電源的正極上，制造人為的漏電現(xiàn)象。方法二連接及走線方法 （圖 10）。

3.3.2 電極組合未移動(dòng)時(shí)的實(shí)驗(yàn)

電極組合在深井50 m附近的人工干擾實(shí)驗(yàn)分別在2009年12月9、13、21日進(jìn)行，同時(shí)采用了方法一和方法二觀測(cè)，對(duì)比觀測(cè)結(jié)果。

從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，無論是方法一還是方法二，注入人工干擾后的電阻率測(cè)值均未出現(xiàn)明顯變化，均方差波動(dòng)不大。通過計(jì)算發(fā)現(xiàn)其相對(duì)變化幅度也與正常觀測(cè)時(shí)沒有明顯區(qū)別。

圖9 在測(cè)量極M、N附近注入人工干擾方法之一Fig.9 The first method of inputting man-made interference around the M,N measuring electrode

圖10 在觀測(cè)點(diǎn)內(nèi)制造漏電注入人工干擾方法之二Fig.10 The second method of inputting man-made interference by making electric leakage

3.3.3 電極組合整體向上移動(dòng)40 m時(shí)的實(shí)驗(yàn)

為了進(jìn)一步驗(yàn)正深孔觀測(cè)電極方法抑制地表干擾的效果，2009年12月23日將電極組合整體提升40 m，也就是電極組合處于深井中20 m附近進(jìn)行了注入人工干擾的觀測(cè)對(duì)比（圖 11、 圖 12）。

從圖11、圖12的實(shí)驗(yàn)對(duì)比觀測(cè)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，注入人工干擾前后的觀測(cè)值均沒有發(fā)生明顯的變化，表明電極布設(shè)于深孔中20m左右時(shí)，地表的干擾影響已經(jīng)可以得到有效的抑制。

和平地電站臺(tái)址電測(cè)深曲線為H型，第一層表層為高阻層，此層厚度最深僅為17.4 m，第二層紅層基巖為低阻層。干擾影響主要存在于第一層，只要將電極埋入高阻層內(nèi)一定深度，使地表電流密度足夠小，就能夠有效地壓制表層電阻率變化的干擾[4]。

4 結(jié)論

（1）由于本實(shí)驗(yàn)僅有4個(gè)月的時(shí)間，數(shù)據(jù)未能涵蓋各個(gè)季節(jié)，對(duì)分析的結(jié)果有一定的影響。

圖11 在深井中20m附近注入人工干擾時(shí)鉛電極實(shí)時(shí)觀測(cè)對(duì)比Fig.11 Comparison of real-time observation of lead electrode when inputting man-made interference in deep well about 20m deep

圖12 在深井中20m附近注入人工干擾時(shí)石墨電極實(shí)時(shí)觀測(cè)對(duì)比Fig.12 Comparison of real-time observation of graphite electrode when inputting man-made interference in deep well about 20m deep

（2）為了保證正常的觀測(cè)工作不受到影響，本次實(shí)驗(yàn)觀測(cè)數(shù)據(jù)全部通過人工采樣取得。每次采樣觀測(cè)均要花近30 min的時(shí)間，實(shí)際取得實(shí)驗(yàn)觀測(cè)數(shù)據(jù)量不大及沒有一定的連續(xù)性，不利于不同材料電極的綜合對(duì)比。

（3）實(shí)驗(yàn)觀測(cè)雖然時(shí)間不長，但從親身體驗(yàn)的過程中還是得到了不少有益的啟發(fā)：首先是，在深孔中對(duì)電極及電極引線的焊接非常重要，還要做好防水處理這一關(guān)；其次是，電極組合之間的間隔要用絕熱材料隔開并保持一致間距。

（4）與本次實(shí)驗(yàn)同時(shí)進(jìn)行的電極極化原因研究因?yàn)閮?nèi)容較多，將另文論述。

從地電阻率觀測(cè)的發(fā)展方向看，和平臺(tái)深孔電極觀測(cè)方法值得從試驗(yàn)轉(zhuǎn)為正式觀測(cè)；多電極組合應(yīng)用于深孔觀測(cè)不單節(jié)約了開發(fā)成本，而且提升了效能；建議在深孔中適當(dāng)采用不同材料的電極，很可能會(huì)有驚喜的發(fā)現(xiàn)。

[1]田山，劉允秀，聶永安，等.地電阻率觀測(cè)改進(jìn)方法研究--電測(cè)井技術(shù)的移植應(yīng)用與數(shù)值模型分析[J].地震學(xué)報(bào)，2009，31(3)：272-281.

[2]陳有發(fā)，蔣澤雄，趙和云，等.地電阻率法的最佳觀測(cè)條件 [G].國家地震局科技監(jiān)測(cè)司編.地震監(jiān)測(cè)與預(yù)報(bào)方法清理成果匯編-地磁、地電分冊(cè).北京：地震出版社，1988：180-185.

[3]劉昌謀，桂燮泰，柴劍勇，秦乃崗，李發(fā)國，黃道立.河源地電臺(tái)全空間地電阻率試驗(yàn)[J].華南地震，1994， 14 （3）： 40-45

[4]劉允秀，吳國有，王蕃樹，王邦本.深埋電極地電阻率觀測(cè)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果[G].錢復(fù)業(yè)，趙玉林，陳英方主編.地震預(yù)測(cè)-地電方法論文集.福州：福建科技技術(shù)出版社，1985：206-216.