地電阻率儀觀測系統(tǒng)故障分析*

郭雷 徐錫泉 楊紅櫻 段昊 樊莎

內(nèi)蒙古自治區(qū)地震局 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010

引言

我國在1966年邢臺Ms7.2級地震后開始了規(guī)模性地震地電阻率監(jiān)測臺網(wǎng)建設(shè)。經(jīng)過“七五”至“十五”期間的臺網(wǎng)建設(shè)，目前已建成運(yùn)行近90個(gè)地電阻率臺站，是國際上唯一有組織的長期堅(jiān)持大規(guī)模、規(guī)范化地震地電觀測的國家[1-4]。地電阻率臺網(wǎng)在1976年唐山Ms7.8級地震、1976年松潘—平武 Ms7.2級地震前記錄了中期異常和顯著的短臨異常，對某些地震還進(jìn)行了中期預(yù)報(bào)?？梢?，地電阻率觀測將在今后的地震監(jiān)測預(yù)報(bào)中起到重要的作用，也是重點(diǎn)發(fā)展的觀測技術(shù)。由于對地震的孕育和發(fā)生過程以及震中區(qū)臺站的地殼結(jié)構(gòu)和介質(zhì)條件、應(yīng)力過程等了解甚少，加之目前固定地電阻率臺站的探測深度范圍不大，且影響觀測環(huán)境的外界干擾不能完全排除，造成觀測數(shù)據(jù)有多重復(fù)雜性。內(nèi)蒙古自治區(qū)地震局地電阻率觀測歷史悠久，“九五”、“十五”以及“背景場”項(xiàng)目共建設(shè)、改造了5個(gè)地電阻率臺站，分別是呼和浩特、寶昌、錫林浩特、烏加河、赤峰?？傮w的觀測運(yùn)行狀況處于全國區(qū)域地電臺網(wǎng)中等水平。

本文對內(nèi)蒙古地電阻率觀測系統(tǒng)中各種典型故障的判別和維修經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行總結(jié)分析，準(zhǔn)確地排查內(nèi)蒙古地電阻率觀測系統(tǒng)故障產(chǎn)生的各種問題，提出有效的解決方案，對比分析出儀器數(shù)據(jù)變化是觀測系統(tǒng)故障還是受干擾產(chǎn)生的?？捎行У丶訌?qiáng)基層地震臺站人員對維護(hù)檢修儀器的認(rèn)識，為使用地震地電阻率觀測資料的人員進(jìn)行地震分析預(yù)報(bào)提供必要的參考依據(jù)。

1 資料選取及地電阻率觀測系統(tǒng)常見故障分析

本文主要選取寶昌地震臺、錫林浩特地震臺和烏加河地震臺的地電阻率資料為背景，分析判斷故障的原因，并給出排除辦法。

1.1 寶昌臺地電阻率儀觀測系統(tǒng)故障分析

1.1.1 避雷器故障。寶昌臺ZD8M地電儀：2019年10月27日06-15時(shí)地電阻率北南向發(fā)生故障如圖1，造成數(shù)據(jù)階變，數(shù)據(jù)階變最大變幅為0.70(Ω.m)，相對變化率0.57%。地電阻率東西向，均方差兩測向，自然電位差兩測向受影響不明顯。檢查發(fā)現(xiàn)避雷箱線路虛接，重新連接線路，維修后數(shù)據(jù)恢復(fù)正常。

圖1 寶昌臺地電阻率觀測曲線（2019年10月26-28日）

1.1.2 穩(wěn)流電源故障。寶昌臺ZD8M地電儀：2019年11月1日05時(shí)－3日04時(shí)地電阻率穩(wěn)流電源儀器發(fā)生故障，造成數(shù)據(jù)突跳，地電阻率兩測向觀測數(shù)據(jù)最大變幅為0.53Ω.m，相對變化率0.75%；均方差兩測向、自然電位差兩測向均受影響不明顯[5]。對穩(wěn)流電源電流參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，由原來2.0A調(diào)整到1.8A。調(diào)整觀測數(shù)據(jù)變化恢復(fù)正常。

圖2 寶昌臺地電阻率觀測曲線（2019年10月29日－11月6日）

1.1.3 避雷器故障。寶昌臺ZD8M地電儀：2020年6月6日16時(shí)－07日09時(shí)地電阻率兩測向、自然電位差兩測向數(shù)據(jù)發(fā)生階變，地電阻率兩測向觀測數(shù)據(jù)最大變幅為4.62Ω.m，相對變化率3.65%；自然電位差兩測向數(shù)據(jù)最大變幅為7.8mv，相對變化率為58%，均方差兩測向受影響不明顯。檢查發(fā)現(xiàn)避雷器故障造成數(shù)據(jù)階變，故障持續(xù)時(shí)間為17小時(shí)。事后臺站對避雷器進(jìn)行更換，更換后數(shù)據(jù)變化恢復(fù)正常。

圖3 寶昌臺地電阻率觀測曲線（2020年6月5-8日）

1.2 錫林浩特臺地電阻率儀觀測系統(tǒng)故障分析

圖4 錫林浩特臺地電阻率觀測曲線（2017年5月6-11日）

1.2.1 電極故障。錫林浩特地震臺地電阻率儀：直流單裝置自然電位差觀測北南向于2017年3月08日04時(shí)至2017年3月9日08時(shí)產(chǎn)生2.0mv的下降變化，其他分量正常。對比同期氣象三要素、地磁數(shù)據(jù)皆未發(fā)現(xiàn)明顯變化（地磁08至10日最大K指數(shù)為4）排除了自然環(huán)境及地磁擾動影響[6]。對儀器外線路，以及接地電阻與絕緣電阻進(jìn)行了檢查，檢查結(jié)果正常且未發(fā)現(xiàn)儀器以及周邊場地環(huán)境有任何異常，排除了觀測系統(tǒng)以及周邊場地環(huán)境的影響。該測道曾于2017年1月11日05時(shí)至2017年1月12日17時(shí)發(fā)生類似下降變化，變化幅度為1.3mv。綜合判斷，判定此次數(shù)據(jù)下降為受電極極化影響。2017年至2018年共發(fā)生此類情況共8次，數(shù)據(jù)變化情況相同，綜合判斷均為電極極化影響。

1.2.2 供電線路故障。錫林浩特地震臺地電阻率儀：2021年1月29日00時(shí)至20時(shí)儀器所有測項(xiàng)均斷記，變化形態(tài)為缺數(shù)，儀器累計(jì)斷記20個(gè)小時(shí)。排查故障時(shí)經(jīng)與儀器場地看護(hù)人員溝通后發(fā)現(xiàn)場地附近停電，儀器UPS電量耗盡，聯(lián)系本市供電局確認(rèn)場地供電線路故障。

圖5 錫林浩特臺地電阻率觀測曲線（2021年1月28-30日）

1.3 烏加河臺地電阻率儀觀測系統(tǒng)故障分析

1.3.1 供電系統(tǒng)故障。烏加河臺15005測點(diǎn)J ZD8M地電儀：3月27日18：00-22：00 自然電位東西向18點(diǎn)出現(xiàn)突然下降，自然電位北南向變化1.5mv，自然電位東西向變化28.2mv。18:38地電阻率南北向北端測量極到中心桿之間供電電纜被施工隊(duì)挖斷。

圖6 烏加河臺地電阻率觀測曲線（2017年3月26-28日）

2 討論

根據(jù)觀測資料分析確定觀測系統(tǒng)故障的性質(zhì)，首先判斷是裝置系統(tǒng)問題還是測量系統(tǒng)問題，觀測分析主要是分析6道曲線的日變化、日變幅度，共用電極的相關(guān)曲線變化形態(tài)等逐步縮小故障的可能范圍，盡量判別出問題在哪一部分，可采取替換法排除[7]。

進(jìn)一步確定故障的位置。例如只有1道曲線變化形態(tài)不正常，就可以確定為是觀測儀器問題，2道曲線不正?；旧吓袛酁槭峭饩€路極的問題。

如果判定為裝置系統(tǒng)問題，可通過排查外線、查看接線頭是否氧化、接觸是否牢靠等，采用相應(yīng)的處理辦法解決[8]。

數(shù)字化地震觀測儀器科技含量高，電路較復(fù)雜，對于基層地震臺站人員儀器的維護(hù)檢修是一個(gè)新課題，也是一個(gè)不斷探索、不斷積累經(jīng)驗(yàn)和不斷創(chuàng)新的過程。本文對陜西省5個(gè)地電阻率臺站實(shí)際觀測中出現(xiàn)的各類故障進(jìn)行深入分析，從電極、外線路、觀測儀器等方面總結(jié)工作中電阻率觀測系統(tǒng)的各種典型故障及排除方法，包括儀器故障檢測、外線路和電極故障的排查，提出有效的解決方案。重點(diǎn)對地電儀的故障進(jìn)行總結(jié)，提出地電阻率觀測系統(tǒng)建設(shè)的優(yōu)選方案，供大家參考。