淺談興濟地震臺地電場電極更換的經(jīng)驗

李瑞卿，郭學增，張 蕾，信世民，張國苓

(1.河北省地震局興濟地震臺，河北 滄州 061721；2.河北省地震局，河北 石家莊 050021)

0 引言

地電場是重要的地球物理場之一，它不僅能夠反映空間電磁場的變化，還能反映與之有關的地殼和地表的電性結構及其變化，對地電場各種特性及其中包含的有用信息開展觀測和研究，已經(jīng)在地震監(jiān)測領域得到廣泛應用[1]。我國數(shù)字化地震地電場觀測起始于20世紀90年代，經(jīng)過“九五”項目、“首都圈示范工程”“十五”項目及“背景場”項目的建設，逐步形成覆蓋全國范圍的自動化和網(wǎng)絡化的地電場觀測臺網(wǎng)[2]。

在地電場觀測中，電極是地電場觀測系統(tǒng)中的關鍵部件，電極將大地的電信號通過導線傳導至儀器。但在實際工作中，當每個電極與土壤介質接觸時，由于電極與土壤的物質差異，在兩種不同導電介質間出現(xiàn)一個相對平衡的接觸電位，也就是極化電位。極化電位不是準確的地電場信號，需要通過一些技術來減少極化電位[1-6]。目前，國內(nèi)地電場臺站觀測普遍采用不極化電極，逐漸替代以前極化電位差較大的鉛電極，不極化電極有效減少了電極的極化電位[2-8]。國內(nèi)主流的不極化電極為陸陽泉老師研制的LGB型固體不極化電極。

興濟地震臺(以下簡稱興濟臺)地電場電極從建臺到現(xiàn)在使用過鉛電極，以及目前正在使用的陸陽泉老師研制的LGB型固體不極化電極。從使用情況來看，鉛電極穩(wěn)定性差，觀測資料長短極距數(shù)據(jù)幾乎不同步變化；不極化電極相對穩(wěn)定，觀測數(shù)據(jù)質量好，但電極老化故障易造成觀測資料變差，及時判斷電極故障并更換電極，可以保障觀測資料的質量。目前，國內(nèi)對地電場觀測干擾的研究大多數(shù)為觀測儀器、線路及觀測環(huán)境的干擾[9-13]，少數(shù)研究電極故障的干擾[14-15]，對電極故障的判斷方法進行總結較少。另外，在電極的更換中，較好的更換方法，可以減少干擾，延長電極使用壽命[3,8,16]。

1 臺站布極圖簡介

興濟臺始建于1982年，其前身是青縣電法站，因觀測環(huán)境干擾搬遷至興濟。該臺位于河北省滄州市以北約15 km，興濟鎮(zhèn)東3 km處。興濟臺地電場觀測項目于2001年6月1日正式投入，臺站處于滄東斷裂附近，滄縣隆起的東翼斜坡上(見第45頁圖1a)。采用較為特殊的布極方式，平行于滄東斷裂帶走向的N30°E布極和垂直滄東斷裂帶走向的N60°W布極，布極方式為L型。共分N30°E_L(300 m)、N60°W_L(300 m)、N75°E_L(424 m)、N30°E_S(150 m)、N60°W_S(150 m)、N75°E_S(212 m)六道測線(見第45頁圖1b)。

2 電極故障的判斷

興濟臺地電場使用LGB型固體不極化電極，自建臺以來多次因故障更換過，對電極故障的判斷積累了一定的實踐經(jīng)驗。電極故障多為單個電極故障，當發(fā)生故障時，共用該故障電極的兩個測道有同步干擾。首先，表現(xiàn)在相關測道觀測數(shù)據(jù)的相關系數(shù)變小，差值變大，而且存在同步性。以興濟臺2018年9月24日更換電極為例。更換電極前，N75°E向長短測道相關系數(shù)及N60°W向長短測道相關系數(shù)有較大同步波動，

圖1 興濟地震臺構造地質和測區(qū)布極Fig.1 Structural geology of Xingji seismic station and distribution of measuring area

相關系數(shù)最低下降至0.649；無干擾的N30°E向長短測道的相關系數(shù)變化平穩(wěn)，數(shù)值穩(wěn)定在0.995以上(見圖2a)；N75°E向長短測道差值及N60°W向長短測道差值出現(xiàn)同步性的增大，差值最大變化量為7.71 mV/km(見圖2b)。另外，通過數(shù)據(jù)圖像長短測道的數(shù)據(jù)對比可以直觀看出數(shù)據(jù)同步性變化。興濟臺地電場觀測數(shù)據(jù)正常日變化幅度約為5.00 mV/km。2018年9月1日至9日N75°E_L與N60°W_L同步出現(xiàn)趨勢性變化。N75°E_L相對于N75°E_S出現(xiàn)趨勢性下降變化，最大變化幅度約為15.99 mV/km；N60°W_L相對于N60°W_S出現(xiàn)趨勢性上升變化，最大變化幅度約為20.62 mV/km，屬異常變化；N30°E向的長短兩個測道均正常，其最大變化幅度約為5.12 mV/km屬于正常變化(見圖2c)，由此可以判斷故障電極為N75°E_L及N60°W_L共用電極A1故障。表明電極故障時，其數(shù)據(jù)圖像特征為同步出現(xiàn)臺階、突跳、長趨勢性變化，對雷雨、澆地等干擾的抗干擾能力變差等特點。

3 電極的更換

以前，國內(nèi)大部分電極坑的挖掘使用人工開鑿或者挖掘機挖取，電極埋設工藝比較粗糙，其缺點主要表現(xiàn)為：耗費較大的人力物力，需要多人以及機器進行作業(yè)；會造成農(nóng)田的破壞，除了支付農(nóng)田用地費用，還需要支付農(nóng)田作物的賠償費用，如果想減少農(nóng)作物的賠付費用，必須在無農(nóng)作物的時節(jié)施工，易導致更換電極不及時；大面積的挖掘土地，會對電極位置的原位土層造成較大破壞。例如，電極埋設處為膠泥，而回填時則摻雜上層松散的沙土；挖掘機挖取的方法對原環(huán)境的破壞不僅表現(xiàn)在原位土層不一致，還表現(xiàn)為回填后的土壤無法壓實，降雨或農(nóng)田灌溉時造成地面下陷，在觀測過程中會因地電場觀測環(huán)境變化而出現(xiàn)較為明顯的干擾；在埋設電極時，由于電極坑面積大，容易掉入雜質，表層的野草等埋入地下變質腐爛會產(chǎn)生離子而影響觀測，如果掉入金屬物質則在其腐蝕過程中產(chǎn)生陽離子，雖是良導體，但也屬于異常物質，在地電場觀測中屬于干擾源。

圖2 更換電極前地電場觀測日相關系數(shù)、日差值和數(shù)據(jù)曲線圖Fig.2 Daily correlation coefficient, daily difference and data curve of geoelectric field observation before electrode replacement

目前，興濟臺應用洛陽鏟挖取電極坑，并在部分臺站進行推廣。其優(yōu)點表現(xiàn)在：相對于以前挖掘機取土埋設，洛陽鏟僅在耕地上產(chǎn)生直徑20～30 cm大小的孔洞，幾乎不會破壞耕地，相對于挖掘機挖取1 m甚至5 m的電極坑也減少對原觀測環(huán)境的破壞；洛陽鏟操作方便，最快用1 h就可以挖取一個電極坑，減少人力物力，節(jié)約成本及時間；洛陽鏟挖取土量少，可以對原位土進行保存，回填原位土減少觀測環(huán)境的改變；其孔洞小，可以有效減少異物落入，減少后期觀測的干擾;由于孔徑小，埋設后降雨不會造成地面下陷，在后續(xù)觀測中不會因降雨灌溉等原因影響觀測數(shù)據(jù)。

興濟臺的電極更換過程可分為電極坑的挖取、電極埋入及埋入后的其他工作三部分，以下將對這三部分工作進行介紹。

3.1 電極坑的挖取

由于興濟臺處于華北平原，第四系覆蓋物也多為土層，故更換電極采用洛陽鏟取土的方式進行。洛陽鏟口徑約15 cm，可控制洞口的大小，達到剛好放入電極。電極坑的挖取需注意以下3點：第一，取出的電極坑土可做回填土用，原位土回填可以減少對原土層結構及土質的破壞；第二，電極坑的挖取盡量挖深到潛水層水面以下60 cm，保障電極可以完全浸入水面，保持電極周圍的濕潤，減少電極內(nèi)部電解質變干造成的老化故障及地下水水位變化造成的環(huán)境影響。興濟臺選在旱季挖取，保障了電極一年四季均在地下水中。若電極與地下水部分接觸，可能會因季節(jié)的變化，地下水水位改變，對電極造成影響[16]；第三，電極坑中盡量保證不要掉入異物，尤其是金屬類物品，避免金屬類物品在土壤中產(chǎn)生極化電位[4,6]。

3.2 電極埋入

興濟臺目前使用的是LGB不極化電極。以LGB不極化電極為例，其外部由PVC管包裹，整體高56 cm，直徑20 cm，重約15 kg。由于地電場電極僅有一根電極引線與電極連接，放入電極時需要用其他較為牢固的線進行牽引放入，切勿直接拉拽電極引線。放入電極后，應用木棍等按壓電極，使電極下方的土質被壓實。放入電極后倒入食鹽水，增加不極化電極的使用性能。電極坑回填土應為原土層的土。

3.3 電極埋入后的其他工作

電極埋入后應對電極引線進行保護，盡量不要外露。興濟臺地電場觀測曾因電極引線外露，被農(nóng)民割草時割斷及野火燃燒燒斷。可設置地震臺設備標識，或者用PVC套管保護。由于新電極埋設后電極及土層不穩(wěn)定，需要提前一周預埋電極，期間數(shù)據(jù)觀測暫用故障電極完成，待一周電極趨于穩(wěn)定后將預埋電極替換故障電極，更換電極后，相應的電極故障干擾消除。

4 更換前后數(shù)據(jù)對比

興濟臺2018年9月N60°W_L極距處電極A1故障，15日在N60°W_L極距處進行預埋，并在24日更換該電極。更換電極前相關系數(shù)下降到0.9(見圖2a)，更換后恢復到0.995以上(見圖3a)；更換前差值出現(xiàn)波動，最高達到2.8(見圖2b)，更換后差值變化平穩(wěn)，數(shù)值保持在0.5以下(見圖3b)；在觀測數(shù)據(jù)曲線方面，更換電極前出現(xiàn)趨勢性變化，最大變化幅度為20.62 mV/km(見圖2c)，更換后趨勢性變化異常消除，除地電擾動、地電暴等干擾外，正常日變幅度在5.00 mV/km左右(見圖3c)。

圖3 更換電極后地電場觀測日相關系數(shù)、日差值和數(shù)據(jù)曲線圖Fig.3 Daily correlation coefficient, daily difference and data curve of geoelectric field observation after electrode replacement

5 結語

興濟臺地電場觀測數(shù)據(jù)資料質量在全國排名較前，電極的及時更換保障了興濟臺地電場數(shù)據(jù)的觀測質量，較優(yōu)的更換方法增加了電極的使用性能。現(xiàn)對興濟臺電極故障的判斷及更換經(jīng)驗總結如下：

(1) 電極故障判斷的方法為電極故障后，共用該電極的兩個測道有同步干擾，主要表現(xiàn)在，與故障電極有關的測項計算出的相關系數(shù)減小，差值增大；數(shù)據(jù)曲線同步出現(xiàn)突跳、臺階、趨勢性及抗干擾能力下降等現(xiàn)象，通過與同向正常測道的數(shù)據(jù)對比可明顯看出。

(2) 更換電極選用的埋設方法為使用洛陽鏟或鉆機挖取電極坑，減少對原土層的破壞；埋設電極在潛水層水面以下，減少電極受使用環(huán)境變化的影響，增加電極使用性能；電極坑原位土保留，待電極放入后回填，減少對原土層環(huán)境的破壞；電極放入后壓實，增加電極穩(wěn)定性；埋設電極整個過程中盡量保證無異物掉入，尤其是金屬類物品；保護好電極引線，確保后期不容易被破壞；預埋后一周，待電極穩(wěn)定后再接入觀測。