新沂臺(tái)地電阻率觀測的新背景場效能評價(jià)1

李 飛 秦 磊 楊馮威

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新沂臺(tái)地電阻率觀測的新背景場效能評價(jià)1

李 飛 秦 磊 楊馮威

（江蘇省新沂地震臺(tái)，新沂221400）

根據(jù)中國地震局電磁學(xué)科技術(shù)管理組制定的《地電臺(tái)站觀測效能評估方案》，對新沂臺(tái)地電阻率新場地觀測效能進(jìn)行了全面評價(jià)。從評價(jià)結(jié)果來看，新沂地震臺(tái)地電阻率新場地遠(yuǎn)離或避開蔬菜大棚，有效地避免了蔬菜大棚的影響，臺(tái)址結(jié)構(gòu)條件、電磁環(huán)境、臺(tái)站觀測系統(tǒng)等均符合地電阻率臺(tái)站建設(shè)規(guī)范要求，地電阻率觀測精度符合異常識別的指標(biāo)要求。新場地在2013年的試運(yùn)行中能夠記錄到十分清晰的區(qū)域應(yīng)力場調(diào)整，隨著時(shí)間的推移，其觀測數(shù)據(jù)對本區(qū)及鄰近地區(qū)的地震監(jiān)測、預(yù)報(bào)和地震科學(xué)研究將發(fā)揮更加重要的作用。

新沂臺(tái) 地電阻率 效能 評價(jià)

引言

新沂地震臺(tái)地電阻率觀測始于1980年，同時(shí)新沂地震臺(tái)也是國家基準(zhǔn)臺(tái)。在30多年的地電阻率觀測中，所使用的儀器從過去的DDC-2A型更新?lián)Q代為ZD8B型。2012年新沂臺(tái)實(shí)施地電阻率觀測的背景場項(xiàng)目，為了盡可能避開蔬菜大棚對地電阻率觀測的影響，在近乎同場地又新建了一個(gè)地電阻率觀測新場地，并于2013年1月1日進(jìn)行了與老地電阻率觀測場地并行的觀測。新建的觀測系統(tǒng)嚴(yán)格按照專業(yè)技術(shù)規(guī)范進(jìn)行了勘選、設(shè)計(jì)和建設(shè)，各類條件符合地電阻率觀測對臺(tái)址條件的技術(shù)要求。同時(shí)，觀測場地的電磁環(huán)境和觀測系統(tǒng)也符合臺(tái)站建設(shè)規(guī)范、觀測方法標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的技術(shù)要求，可保證產(chǎn)出準(zhǔn)確的地電阻率觀測數(shù)據(jù)。

本文依據(jù)2012年中國地震局電磁學(xué)科管理組制定的《地電阻率臺(tái)站觀測效能評估方案》，對新沂臺(tái)新建場地的觀測效能分別從裝置系統(tǒng)、測量系統(tǒng)、臺(tái)址條件、數(shù)據(jù)產(chǎn)出等進(jìn)行了系統(tǒng)的評價(jià)，以期對獲取更高精度的地電阻率觀測數(shù)據(jù)提供一定的借鑒。

1 新沂臺(tái)基本情況

新沂臺(tái)位于郯廬斷裂帶上，其東側(cè)500m處為郯廬斷裂帶的F1斷裂，F(xiàn)5斷裂和小f5斷裂從地電阻率觀測場地中穿過。測區(qū)內(nèi)的斷層為逆掩-逆沖斷層，F(xiàn)5和小f5斷裂兼有右旋水平位移特征，其走向?yàn)榻蹦舷?，斷層面傾角陡，巖性為安山巖。臺(tái)站周圍的地形比較平坦開闊，東高西低，高差約4m多，略呈“凹兜”狀。在地電阻率觀測的NS測向以東，巖石出露較淺，僅2—6m；而在地電阻率觀測的NS測向以西，巖石出露逐步變深，從6m左右快速地過渡到40m。

2012年新沂臺(tái)實(shí)施地電阻率的背景場項(xiàng)目，為了盡可能避開蔬菜大棚對地電阻率觀測的影響，在近乎同場地又新建了一個(gè)地電阻率觀測新場地，并于2013年1月1日進(jìn)行了與老地電阻率觀測場地并行的觀測。新場地與老場地相比，新場地的NS測向比老場地向東平移了60m，新場地的N45°E為老場地原測線沿N45°E方向平移了380m，其目的是為了避開附近的蔬菜大棚區(qū)，而EW測向仍位于老場地的原處。

2 新沂臺(tái)觀測系統(tǒng)評價(jià)

2.1 裝置系統(tǒng)

新場地的地電阻率采用四極對稱系統(tǒng)，分別有3個(gè)測向即NS向、N45°E向、EW向。其中：NS和EW向的供電極距為1000m；N45°E向的供電極距為1020m；3個(gè)測向的測量極距均為240m。此外，新場地各電極的埋深與老場地不同（老場地均為2.5m左右），平均埋深約為6m左右。其中，最淺的為B3電極，埋深約3.5m；最深的為A3電極，埋深約16.5m。總體布設(shè)是越往場地西側(cè)，電極埋深越深，具體如圖1所示。而供電極與測量極電極都采用直徑36mm、高1000mm的圓筒鉛筒，再用8芯16mm2銅線作為引線接出地面。經(jīng)測量，各電極的接地電阻維持在6.4—18.6Ω·m左右，其中高電阻為場地東北部的B1、B2、B3電極。外線路從觀測室到原中心桿的供電線路為2.5mm2×8芯的銅芯埋地電纜，測量線電纜為1.5mm2×19芯的銅芯架空電纜。從原中心桿到各電極均為8mm2×7芯鋁線，并采用架空連接。一部分干線采用鋼鉸線懸吊方式，另一部分干線采用橫擔(dān)絕緣子架空方式。電桿采用8m標(biāo)準(zhǔn)圓柱水泥電桿。因此，新沂臺(tái)裝置系統(tǒng)基本符合DB/T 18.1-2006（杜學(xué)彬等，2006）關(guān)于臺(tái)站建設(shè)的技術(shù)要求。

2.2 測量系統(tǒng)

新沂臺(tái)原場地自1998年7月以來使用ZD8B數(shù)字地電儀觀測，電壓測量的準(zhǔn)確度為：±（0.2%讀數(shù)+0.05%滿度值）。改造后，新場地仍沿用ZD8M數(shù)字地電儀系統(tǒng)觀測。雖然都是使用ZD8B數(shù)字地電儀，但后者卻增加了網(wǎng)絡(luò)傳輸、網(wǎng)頁下載、自動(dòng)查漏電等功能，更能保證測量系統(tǒng)對地電阻率觀測儀器的要求，即符合DB/T 18.1-2006（杜學(xué)彬等，2006）。

2.3 常規(guī)檢查

按照《地震及前兆數(shù)字觀測技術(shù)規(guī)范（電場觀測）》（中國地震局科技監(jiān)測司，2001）的要求，新沂臺(tái)對測量系統(tǒng)按季度進(jìn)行標(biāo)定、校準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)儀器為0.01級的直流電位差計(jì)和0.005級的飽和標(biāo)準(zhǔn)電池，標(biāo)準(zhǔn)儀器每年在計(jì)量部門進(jìn)行年檢。從每年的檢查結(jié)果看，測量系統(tǒng)穩(wěn)定，各類檢查、標(biāo)定結(jié)果均符合規(guī)范要求。每季度定期對外線路絕緣性能進(jìn)行檢查，并定期檢查外負(fù)載。每半年定期檢查各電極的接地電阻。每月定期巡視檢查觀測場地環(huán)境，保證了觀測系統(tǒng)正常運(yùn)行。

3 新沂臺(tái)臺(tái)址條件評價(jià)

3.1 臺(tái)址地質(zhì)結(jié)構(gòu)

新沂臺(tái)電測深曲線主要為AHQ型，淺層電測深曲線為A型（150m范圍內(nèi)），如圖2所示。測區(qū)中部偏東多數(shù)地區(qū)在10m范圍內(nèi)為電阻值較低的土層、風(fēng)化層砂礫石，如圖3所示。電阻率變化范圍在16—100Ω·m，符合地電阻率臺(tái)站淺部電阻率大于10Ω·m的要求。同時(shí)，通過地質(zhì)剖面圖4可以看出，NS向與EW向地下結(jié)構(gòu)存在較明顯的差異，這也驗(yàn)證了兩測向電測深曲線的略不相同。其中，NS和EW向深部電阻率差異較大，各向異性明顯，有利于深部電阻率觀測（杜學(xué)彬等，2007）。

3.2 臺(tái)址電磁環(huán)境

在新沂臺(tái)地電阻率沒有進(jìn)行背景場改造前，在觀測區(qū)內(nèi)當(dāng)?shù)剞r(nóng)民于2007年9—11月新建了一片蔬菜大棚，大棚近東西走向，長100m，寬12m左右，大棚內(nèi)地下無金屬管道。每個(gè)蔬菜大棚的東西方向用大約53根鋼絲作為拉絲，基本上每根鋼絲與地單獨(dú)連接；而南北向用25根鋼管作為龍骨，并用水泥棒支撐與大棚東西向的鋼絲相連。蔬菜大棚最近點(diǎn)距離原場地M2（位置見圖3）約2m左右，距EW測向約100m左右，大棚最近點(diǎn)到NS測線的距離約95—160m左右。

在蔬菜大棚建設(shè)及建成期間，新沂臺(tái)對背景場曾進(jìn)行過相關(guān)調(diào)查和分析（張秀霞等，2009）。結(jié)果表明，蔬菜大棚確實(shí)對新沂臺(tái)地電阻率存在一定的影響，其主要表現(xiàn)為對NS、N45°E測向的影響，而對EW測向沒有影響，為此在2008年6月進(jìn)行過相關(guān)處理。但近幾年發(fā)現(xiàn)，每當(dāng)出現(xiàn)明顯的降雨前后以及蔬菜大棚耕種期間，蔬菜大棚對NS、N45°E測向的小時(shí)值還是存在一定影響，其主要表現(xiàn)為：一是在降雨前后，NS測向往往會(huì)出現(xiàn)先下降后上升；二是在N45°E測向往往會(huì)出現(xiàn)降雨時(shí)快速上升，雨后很快下降，雖然幅度不大，但比較明顯，這與張秀霞等（2009）的研究結(jié)果相似；三是在蔬菜大棚耕種時(shí)，電阻率的均方差較平時(shí)能增大4—6倍左右。為此，在2012年新沂臺(tái)進(jìn)行背景場改造時(shí)，為了減小蔬菜大棚的影響，將NS測向向東平移了60m；同時(shí)N45°E測向沿測向方向平移了380m，以減小或避免蔬菜大棚的影響。測線和蔬菜大棚的具體分布情況見圖1。

此外，再?zèng)]有影響地電阻率觀測的干擾源。表1列出了新沂臺(tái)地電阻率測區(qū)幾種主要干擾源的距離，基本符合《地震及前兆數(shù)字觀測技術(shù)規(guī)范（電場觀測）》（中國地震局科技監(jiān)測司，2001）中要求的觀測環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)。

表l 新沂臺(tái)地電阻率測區(qū)幾種主要干擾源距離Table 1 The distances of major interference sources around the survey area in Xinyi station

續(xù)表

序號干擾源要求避開距離（km）實(shí)際距離（km） 4567835kV高壓輸電線帶護(hù)欄的封閉公路110kV高壓輸電線鐵路兩線一地交流變壓器（500kV·A）0.300.500.501.002.00＞1.00＞1.00＞1.00＞1.00＞2.00

4 新沂臺(tái)數(shù)據(jù)產(chǎn)出評價(jià)

4.1 數(shù)據(jù)產(chǎn)出的精度

自1998年7月以來，新沂臺(tái)使用ZD8B型數(shù)字地電儀每天整點(diǎn)進(jìn)行觀測24次，以產(chǎn)出地電阻率小時(shí)值和日均值。2012年新沂臺(tái)進(jìn)行背景場改造后，從2013年開始又使用ZD8M型數(shù)字地電儀進(jìn)行了與老地電阻率觀測場地并行的觀測。經(jīng)過近1年的并行觀測，兩套儀器的完整率分別為99.97%和99.91%。使用ZD8B型數(shù)字地電儀新沂臺(tái)分別獲得了：σ1日均值為1天24個(gè)s的均方根誤差值；σ1月均值為1個(gè)月的s日值均方根誤差值；σ日均值為1天24個(gè)s的σ1的平均值；σ月均值為1個(gè)月的σ日均值的平均值。

根據(jù)地電阻率觀測的評比標(biāo)準(zhǔn)，其觀測精度可用公式（1）計(jì)算：

（1）

其中：

（3）

所以，σ-1和σ值的大小是評判電阻率觀測內(nèi)在質(zhì)量優(yōu)劣的關(guān)鍵。根據(jù)公式（1）筆者分別計(jì)算了新沂臺(tái)新、老場地的值。其中，新場地NS、N45°E、EW三個(gè)測向的值分別為0.9988、0.9989和0.9991；而老場地NS、N45°E、EW三個(gè)測向的值分別為0.9973、0.9978和0.9990。由此可以看出，新、老場地EW向的觀測精度基本相當(dāng)，而對于其他2個(gè)測向的觀測精度，新場地要高于老場地。

為了比較清晰地驗(yàn)證觀測資料的變化是否存在蔬菜大棚的影響，筆者還進(jìn)行了新、老場地地電阻率日值均方差曲線的對比分析，如圖4所示。從圖中可以看出，新場地的地電阻率均方差在雨季存在個(gè)別天受到降雨影響造成觀測值偏大外，整體維持在較小的水平；而舊場地除EW測向外，NS、N45°E測向在蔬菜大棚耕種期間灌溉用水量最大的2、4、5、6月，其觀測數(shù)據(jù)的均方差日值明顯偏大，且比同期新場地的地電阻率均方差高4—6倍，由此可見，新場地要優(yōu)于老場地。

從整體來看，新沂臺(tái)數(shù)字地電儀觀測精度不低于3‰，可保證識別不低于1%的地電阻率異常。

4.2 背景噪聲

依據(jù)《地震及前兆數(shù)字觀測技術(shù)規(guī)范（電場觀測）》（中國地震局科技監(jiān)測司，2001）中的要求，場地觀測的信噪比可用公式（4）計(jì)算：

（4）

式中，MN供為測量極上測得的由供電產(chǎn)生的人工電位差；MN擾為測量極上測得的背景擾動(dòng)電壓幅值。

根據(jù)公式（4）筆者分別計(jì)算出了新沂臺(tái)NS、N45°E、EW三個(gè)測向的MN供值，其全年基本維持在30.85mV—31.77mV、33.61mV—34.54mV和33.00mV—33.96mV左右，而MN擾皆小于0.01mV。同時(shí)，計(jì)算出的新沂臺(tái)NS、N45°E、EW三個(gè)測向的背景噪聲都大于70dB，遠(yuǎn)高于規(guī)范規(guī)定的不小于40dB的標(biāo)準(zhǔn)。另外，新沂臺(tái)為了減小電磁同場地觀測對FHD（每分鐘采集一組F、H、D觀測值）的影響，供電電流僅為1.10A，如果用2.00A的電流，信噪比還會(huì)有所提高。

5 新沂臺(tái)觀測數(shù)據(jù)的效能評價(jià)

根據(jù)李飛等（2008）的研究，新沂臺(tái)老場地過去對于周邊地區(qū)中強(qiáng)地震的發(fā)生有著較好的映震能力。但由于新沂臺(tái)新場地目前僅僅運(yùn)行了1年多時(shí)間，所獲取的數(shù)據(jù)時(shí)間長度還較短，另外周邊地區(qū)（300km范圍內(nèi)）在此期間還沒有發(fā)生過S>4.0級地震，因此，新場地對地震的映震能力目前還難以給出明確的評價(jià)。但通過2013年新老場地、周邊地區(qū)的馬陵山地震臺(tái)地電阻率日值觀測對比分析可知（見圖5），新沂臺(tái)新場地地電阻率NS測向5月27日至7月4日存在似臺(tái)階的明顯高值變化，短短2天，新沂臺(tái)新場地地電阻率上升約0.7%左右，馬陵山上升0.4%。此后1個(gè)月左右，新沂臺(tái)新老場地一直維持在高值波動(dòng)，而馬陵山臺(tái)持續(xù)上升，變化幅度0.4Ω·m，變化量約0.8%，此變化量與新沂臺(tái)新場地的變化量大體相當(dāng)。在此期間兩臺(tái)都組織人員對觀測系統(tǒng)、線路、觀測環(huán)境等進(jìn)行了認(rèn)真檢查，結(jié)果未發(fā)現(xiàn)任何干擾，由此判斷新場地的觀測是真實(shí)可靠的。同時(shí)由于兩臺(tái)站的觀測都出現(xiàn)了上述變化，所以可以認(rèn)定此變化為區(qū)域應(yīng)力場發(fā)生調(diào)整造成的。

6 結(jié)論

（1）通過對新沂臺(tái)地電阻率新場地的觀測系統(tǒng)、臺(tái)址條件、數(shù)據(jù)產(chǎn)出等方面的分析與評價(jià)，驗(yàn)證了觀測裝置系統(tǒng)、測量系統(tǒng)符合地電阻率臺(tái)站的技術(shù)要求。同時(shí)，按照《地震及前兆數(shù)字觀測技術(shù)規(guī)范（電場觀測）》（中國地震局科技監(jiān)測司，2001）的要求，進(jìn)行了嚴(yán)格的常規(guī)檢查、測試和校準(zhǔn)，表明臺(tái)站觀測系統(tǒng)運(yùn)行正常。另外，從觀測場地結(jié)構(gòu)、背景場環(huán)境、數(shù)據(jù)產(chǎn)出等方面看，新沂臺(tái)地電阻率新場地的觀測數(shù)據(jù)精度符合異常識別的指標(biāo)要求。

（2）對新場地的分析結(jié)果表明，新沂臺(tái)地電阻率新場地基本沒有受到蔬菜大棚及其他因素干擾，同時(shí)觀測數(shù)據(jù)精度較老場地有所提高。雖然新場地投入觀測時(shí)間不長，但通過對比分析可發(fā)現(xiàn)，新場地在2013年的試運(yùn)行中還是能夠記錄到十分清晰的區(qū)域應(yīng)力場調(diào)整，隨著時(shí)間的推移，其觀測數(shù)據(jù)對本區(qū)及鄰近地區(qū)的地震監(jiān)測、預(yù)報(bào)和地震科學(xué)研究將發(fā)揮更加重要的作用。

杜學(xué)彬，趙家騮，譚大誠等，2006．地震臺(tái)站觀測技術(shù)規(guī)范地電臺(tái)站第1部分：地電阻率觀測（DB/T 18.1 2006）．北京：地震出版社，1—13．

杜學(xué)彬，錢家棟，陳軍營等，2007．地電阻率臺(tái)址條件研究．地震，27（3）：19—27．

李飛，楊馮威，2008．新沂地震臺(tái)地電阻率變化與江蘇鄰近地區(qū)的中強(qiáng)震關(guān)系的研究．地震地磁觀測與研究，29（6）：106—109．

張秀霞，李飛，楊馮威等，2009．蔬菜大棚對新沂地震臺(tái)地電阻率的影響．地震地磁觀測與研究，30（增刊）：32—36.

中國地震局科技監(jiān)測司，2001．地震及前兆數(shù)字觀測技術(shù)規(guī)范（電場觀測）．北京：地震出版社，21，26，34—37.

Assessment on Observation Efficiency in Xinyi New Geoelectric Resistivity Station

Li Fei, Qin Lei and Yang Fengwei

(Xinyi Seismic Station, Xinyi 221400, China)

The observation efficiency of the new geoelectric resistivity in Xinyi Seismic Station has been evaluated comprehensively according to The Guideline of Observation Efficiency Assessment of the Geoelectric Stations by China Earthquake Administration (CEA). Because Xinyinewgeoelectric resistivitystation was movedawayfromvegetable greenhouse, the impact ofgreenhouse was reduced effectively. We conclude out that the site foundation, electric magnetic environment and observation system of Xinyi Seismic Station meet the technical standards. Earth resistivityanomalyobservation accuracymeetsthe requirementsidentifiedindicatorsin this station. The data of the geo-resistivity in Xinyi Station play an important role in seismic monitoring, earthquake prediction and scientific research of the mid or large scaled earthquakes in local and neighboring regions.

Xinyi; Earth resistivity; Observation; Efficiency

中國地震局監(jiān)測、預(yù)報(bào)、科研三結(jié)合課題（140014）

2015-04-09

李飛，男，生于1970年。高級工程師。主要從事監(jiān)測預(yù)報(bào)工作。E-mail：1075624821@qq.com