地震地電場前兆觀測方法創(chuàng)新及應(yīng)用
——深井電極垂向地電場觀測方法及應(yīng)用

李桂清，何 躍，李紅梅，賈 婧，張 帆，董 爽，劉 榮

(1.河南濮陽市地震臺，河南 濮陽 457000;2.河南清豐縣地震臺，河南 清豐 457300)

0 引言

地電場是重要的地球物理場之一，是地電學(xué)科研究的重要對象。目前，在希臘、法國、日本等多個國家已經(jīng)開展地電場觀測工作，獲得一系列與地震活動有關(guān)的地電場數(shù)據(jù)。我國地電場觀測始于1966年邢臺地震之后，先后經(jīng)歷大地電流場模擬觀測、自然電場模擬觀測和數(shù)字化地電場觀測等階段。目前，已建成100多個臺站組成的數(shù)字化地電場觀測網(wǎng)，基本覆蓋我國主要活動構(gòu)造帶、地震重點監(jiān)視區(qū)和經(jīng)濟比較發(fā)達地區(qū)。經(jīng)過40多年的國內(nèi)外觀測實踐，地電場觀測方法已經(jīng)基本成熟，在地球科學(xué)研究和地震監(jiān)測預(yù)測活動中發(fā)揮著重要作用。

1 現(xiàn)行地電場觀測方法[1-2]

地電場測量時，需要對至少兩個不同方向的分量進行同時測量。通常情況下，選擇東西方向和南北方向(正交方向)進行測量(見圖1)。

地電場分量值的測量方法如圖2所示。實際測量中，在地表分量值的測線方向埋設(shè)兩個電極，形成一個測道，測量兩個電極之間的電位差及其變化情況。

實際觀測中，地電場觀測裝置(電極)的布設(shè)通常采用“十”字布設(shè)、“L”型布設(shè)或多“L”型布設(shè)的“多方向、多極距”方式(見第49頁圖3)。

圖1 地電場觀測原理示意圖Fig.1 Principle of geoelectric field observation

圖2 地電場分量值觀測(測道)原理示意圖Fig.2 Principle of the components value (measuring lines) of geoelectric field observation

為保證地電場測量數(shù)據(jù)的準確性和可靠性，及時檢測和排除測量系統(tǒng)中可能出現(xiàn)的有關(guān)問題，我國現(xiàn)行的地電場觀測中均采用“多方向、多極距”的電極布設(shè)方法。即在至少兩個不同方向上進行測量，每個測向布設(shè)至少兩種不同極距測道進行對比觀測。利用這種觀測方法得到的地電場觀測數(shù)據(jù)資料，可以通過計算同一測向不同測道之間觀測數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)和差值，對其內(nèi)在質(zhì)量和可靠性進行分析和評估。

圖3 地電場觀測電極“十”字及多“L”型布設(shè)方式圖Fig.3 The layout of “十” form and “L” form of electrodes for geoelectric field observation

隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展， 高壓線路的架設(shè)，大功率用電設(shè)備的安裝使用，地鐵、高鐵的運行，對地表地電學(xué)前兆觀測帶來越來越大的影響，干擾引起的異常變化覆蓋了地震異常變化，使地電學(xué)觀測方法在地震監(jiān)測和預(yù)報應(yīng)用中受到了極大的限制，地表的地震前兆觀測失去意義[3-7]。為排除各類電磁環(huán)境對地電場觀測的干擾影響，有些臺站開展了井下電極地電場觀測[8-9](見圖4)，電極深度幾十米到幾百米，取得了較好的觀測效果。按照現(xiàn)行觀測方法的規(guī)定，開展井下電極地電場觀測，需要打多口深井。深井鉆探費用較高，限制了井下電極地電場觀測方法的推廣應(yīng)用。

圖4 井下電極水平方向地電場觀測示意圖Fig.4 Geoelectric field observation of downhole electrode in horizontal direction

2 深井電極垂向地電場觀測原理及方法[10]

井下電極地電場觀測取得較好的觀測效果，但多口深井的鉆探費用太高，難以推廣應(yīng)用。下面對在1口深井中按不同深度安裝電極，開展垂向地電場觀測的可行性進行研究。

目前觀測中，在地表2 m以下埋設(shè)電極，測量S、O、E點的地電學(xué)參數(shù)，獲取地震前兆異常變化，進行地震預(yù)測預(yù)報(見圖5)。如果將測量電極在深井中以垂直方向按不同深度埋設(shè)布置，則形成深井電極垂向地電場觀測方法。設(shè)震源為P點，在地震孕育發(fā)展過程中，S、O、E點的電學(xué)參數(shù)發(fā)生變化，則地下不同巖層的地電學(xué)參數(shù)也會發(fā)生異常變化，即a、b、c、a′、b′、c′點的地電學(xué)參數(shù)也會發(fā)生異常變化。采用深井鉆探技術(shù)，開展深井電極垂向地電場觀測，將電極埋于井下，測量a、b、c、a′、b′、c′點的地電學(xué)參數(shù)，可獲得地電學(xué)前兆異常變化。深井電極垂向地電場觀測方法是可行的。深井電極垂向地電場觀測方法原理如圖6所示。

依照現(xiàn)行地電場“多方向、多極距”觀測方法，根據(jù)經(jīng)費實際情況，可采用不同的深井電極垂向地電場觀測方式(單口或多口(3口)深井)。深井電極用PVC管為支撐，在深井中進行安裝。

圖5 深井電極地震地電學(xué)前兆異常示意圖Fig.5 Seismic geoelectric precursory anomaly of deep well electrode

圖6 深井電極垂向地電場觀測示意圖Fig.6 Geoelectric field observation of deep well electrode in vertical direction

2.1 單井多極距垂向地電場觀測

在一口深井中，按不同巖性、不同深度安裝多個電極，可組成在不同深度多個測道的垂向地電場觀測，如圖7所示。單井垂向地電場觀測占地少，便于觀測場地的選擇。

圖7 單井多極距地電場垂向觀測圖Fig.7 Geoelectric field observation in single well with multi polar distance in vertical direction

2.2 多井垂向地電場立體觀測

采用深井鉆探技術(shù)，按L型排列方式，打3個鉆孔，可在不同深度、不同地點按東西、南北方向設(shè)置電極和觀測探頭，形成立體全方位觀測，取得更好的觀測效果(見圖8)。

圖8 深井電極垂向地電場多井全方位立體觀測圖Fig.8 Omni-directional stereoscopic observation of geoelectric field in multi deep well in vertical direction

2.3 綜合觀測

無論是單井垂向地電場觀測還是多井垂向地電場立體觀測，在深井鉆孔中，還可在安裝電極時，放入地磁觀測、電磁輻射觀測探頭，或地熱觀測探頭等，形成不同觀測項目的綜合觀測系統(tǒng)。也可在不同觀測孔的不同深度放入其他項目的觀測探頭，開展對比觀測，提供更全面的觀測資料。開展深井綜合觀測可充分利用深井資源，做到一井多用，獲取更豐富的觀測資料。

3 深井鋼管作電極開展地電場觀測的方法

開展深井電極地電場前兆觀測，打好深井是關(guān)鍵。深井鉆孔費用高，一般臺站沒有專項資金，無法打出深井鉆孔，使得開展深井電極地電場觀測存在困難。在一些年長的臺站有地下流體或深井擺測震等觀測項目，臺站有打好幾百米的深井，且下放了鋼管。這些鋼管能否用作電極來開展地電場前兆觀測呢？依據(jù)上述垂向地電場觀測技術(shù)思路，利用深井鋼管也可開展地電場前兆觀測。李桂清利用深井鋼管作電極開展了地震地電場前兆觀測實驗研究，取得了較好的觀測效果[11]。

開展地電場觀測時至少需要2個電極，當有1個深井鋼管時，需安裝1個輔助電極與鋼管組成電極對。根據(jù)深井電極垂向地電場觀測思路和已有的井下電極觀測結(jié)果，深井鋼管深度應(yīng)大于50 m，輔助電極距井管5～10 m，埋深5～10 m。這樣，組成的電極對水平距離在10 m以內(nèi)，垂向距離大于40 m，垂直深度大于水平距離，形成深井電極垂向地電場觀測系統(tǒng)。

當臺站有2個深井鋼管時，可直接將其作為電極開展地電場觀測。若2個井管深度相當，則可視為水平方向的地電場觀測；若2個井管的深度差別較大(大于50 m)，又相距較近時，可視為深井電極垂向地電場觀測；當兩井管相距較遠時，可視為水平方向觀測。無論是水平方向還是垂直方向，只要電極的深度較大，可取得好的觀測效果，就達到了觀測的目的和要求(見圖9)。

圖9 深井鋼管電極地電場觀測示意圖Fig.9 Geoelectric field observation of deep well steel tube electrode

4 深井電極垂向地電場觀測方法應(yīng)用

依據(jù)深井電極垂向地電場觀測技術(shù)思路，在清豐縣地震臺打深井約100 m，在80 m、30 m和10 m深處安裝測量電極，分別觀測10 m～30 m和30 m～80 m的地電場，觀測儀器為數(shù)字毫伏直流電壓表。2016年的觀測結(jié)果與濮陽及鄰區(qū)小地震活動有較好的對應(yīng)關(guān)系，如圖10所示。2017年1月19日在清豐臺增加300 m深井鋼管電極與10 m電極的地電場觀測，觀測曲線如圖11所示。2017年8月，對觀測儀器進行升級改造，數(shù)字電壓表更換為無紙記錄儀進行觀測。

圖10 清豐臺深井電極垂向地電場觀測資料異常與地震關(guān)系圖Fig.10 Relation between anomaly of geoelectric field observation data of deep well electrode in vertical direction at Qingfeng Station and earthquake

在濮陽市地震臺，利用兩口深井鋼管開展深井鋼管電極垂向地電場觀測實驗。兩口井分別深250 m和500 m，相距約10 m，東西向排列。2014年8月開始觀測，地電場觀測資料異常與周圍地震活動具有很好的對應(yīng)關(guān)系。根據(jù)地電場觀測資料異常進行了多次地震預(yù)測，取得了很好的觀測效果[11]。

5 結(jié)論

現(xiàn)行地電場觀測及其觀測裝置系統(tǒng)是按照“多方向、多極距”的方法進行布設(shè)。一般測量電極分別以南北、東西、北西進行布局，每個測項都有一長一短兩個測道?，F(xiàn)有地電場觀測的不足之處是對地震臺站的觀測場地要求比較高，所布電極越多則占用的場地就越大。另外，就是抗干擾能力比較弱，易受超高壓輸電系統(tǒng)、軌道交通系統(tǒng)、大型用電設(shè)備、類金屬管道系統(tǒng)以及對地表電性結(jié)構(gòu)產(chǎn)生改變的類金屬管線干擾等。

圖11 清豐臺深井鋼管電極垂向地電場觀測資料異常與地震關(guān)系圖Fig.11 Relation between anomaly of geoelectric field observation data of deep well steel tube electrode in vertical direction at Qingfeng Station and earthquake

深井電極垂向地電場觀測方法是可行的，無論是單井還是多井觀測，其觀測場地面積大大縮小，便于選取，還能有效排除干擾影響，更好地獲取地震前兆信息，解決目前地電場觀測推廣中存在的場地選取困難及干擾影響問題。

開展深井電極垂向地電場觀測，可充分利用深井鉆孔這個條件，安裝其他項目觀測裝置，開展綜合觀測，取得更豐富的觀測資料。

利用已有臺站的深井鋼管作為電極，開展地電場前兆觀測，開辟了地震前兆觀測的新途徑，有較好的觀測效果，可在年長的臺站增設(shè)地電場觀測項目而不需要太大的投資，值得推廣。

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