江油地震臺地電觀測場地勘選及觀測質(zhì)量評估

劉華姣，何思源，李雪浩，魏嘉熙，呂 茜，丁 勇

(1.四川省地震局成都地震監(jiān)測中心站,四川 成都 611730；2.成都理工大學，四川 成都 610059;3.四川省地震局江油地震臺，四川 江油 621700)

0 引言

江油市位于強震多發(fā)區(qū)，屬全國地震重點監(jiān)視防御區(qū)。近年來，隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展和城市建設(shè)規(guī)模的擴大，原位于江油市德勝村的江油地震臺(以下簡稱江油臺)觀測環(huán)境受到不同程度的破壞。2012年，該臺因受江油市修建S205線繞城公路的影響，決定搬遷至位于龍門山中北段的江油市八一鄉(xiāng)，新建地電阻率、地電場等觀測手段，項目的建設(shè)對加強四川地區(qū)地震前兆觀測具有重要作用。勘選觀測場地是地電項目建設(shè)的重要環(huán)節(jié)，地電觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量的好壞將直接影響地震預測的準確性。通過電測深、非工頻和工頻干擾3項測試，分析江油臺新建地電觀測項目所具備的條件，并對地電觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量進行評估，為更好地開展地電觀測夯實基礎(chǔ)，加強地電觀測數(shù)據(jù)在地震分析預報中的應(yīng)用。

1 臺址概況

江油臺位于龍門山中北段江油前山斷裂帶構(gòu)造附近，屬北東向構(gòu)造體系，構(gòu)造線走向為北東45°～50°。場地屬剝蝕構(gòu)造丘陵地貌，地形坡度在20°左右，丘頂較平緩，多呈渾圓狀、臺地狀。場地基巖由上侏羅統(tǒng)紫灰色砂巖、黃棕色巖屑石英砂巖、棕紅色粉砂巖與泥巖層等組成的互層，表現(xiàn)為傾向北西的單斜層。該區(qū)域地勢相對較高且平坦，無大型深溝和陡峭山丘，周邊為農(nóng)田，測區(qū)內(nèi)除一蝦魚塘抽水、蓄水干擾外(見圖1)，無工業(yè)生產(chǎn)、城市交通軌道等干擾，觀測環(huán)境較好。

圖1 地電場布極示意圖

2 電測深測試

根據(jù)地電觀測技術(shù)規(guī)范要求[1]，對江油八一地震臺地電阻率觀測場地地下介質(zhì)的電性結(jié)構(gòu)分布情況進行勘探。

2.1 測試方法

采用對稱四極裝置進行電測深測試，采取視電阻率十字測深剖面法，布設(shè)NS和EW向2條十字電測深測線，NS和EW測線上供電測深點上均布置實測15個極距，最大供電極距AB/2為750 m，最小供電極距AB/2為1.5 m，對應(yīng)的最大測量電極距MN/2為70 m，最小測量電極距MN/2為0.5 m。測量儀器使用WDFZ-5大功率機電測量系統(tǒng)，測量電極使用無水硫酸銅不極化電極，測量前對儀器穩(wěn)定性、精度、電極極差等各項性能指標進行測試檢查。在測量過程中出現(xiàn)的異常點、可疑點均改變電流，重復觀測。

2.2 電測深結(jié)果及分析

由NS向電測深視電阻率曲線可見(見圖2)，隨著極距(AB/2從1.5～750 m)的變化，視電阻率值由15～56( Ω·m)，且基本呈線性遞增，未出現(xiàn)明顯的高、低電阻率層位；由EW向電測深視電阻率曲線可見(見圖3)，除小極距(對應(yīng)近地表)處，該測深點位于(干)水田邊緣的斜坡上，視電阻率略有偏大，其余部分隨著極距的變化，視電阻率值由15～55(Ω·m)，也基本呈線性遞增變化，未出現(xiàn)明顯的高、低電阻率層位。

圖2 NS向電測深點視電阻率曲線圖

圖3 EW向電測深點視電阻率曲線圖

2.3 電測深資料反演及分析

為定量分析兩個測深點下的電性分布，在目前對單個測深點不利于進行直接反演的情況下，采用二維有限單元法模擬技術(shù)，分別對兩個測深點進行數(shù)值模擬計算，結(jié)果如圖4、圖5所示。

圖4 NS向供電測深點模擬結(jié)果

圖5 EW向供電測深點模擬結(jié)果

用式(1)統(tǒng)計模擬精度:

(1)

經(jīng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析得到南北向視電阻率的均方誤差為±0.93 (Ω·m)，東西向為±0.91 (Ω·m)。南北、東西兩條線視電阻率均方根誤差的絕對值均小于1 (Ω·m)，擬合精度較高，實現(xiàn)最佳擬合。從實測值與擬合模型電阻率值的符合度可看出，此次測量精度高；測深點下方的電性比較均勻，在極距控制(300 m左右)深度內(nèi)，無明顯高、低電阻率層。

根據(jù)模擬結(jié)果及現(xiàn)場的具體地質(zhì)情況，對2條電測深曲線做初步地質(zhì)分析。推斷NS向測線0～1.5 m處是淤泥土，1.5～7.5 m為泥頁巖，7.5～170 m為粉砂質(zhì)泥土，170 m以上為泥質(zhì)粉砂巖；EW向測線0～2.0 m處是泥土，2.0～7.5 m為泥頁巖，7.5～170 m為粉砂質(zhì)泥巖，170 m以上為泥質(zhì)粉砂巖。觀測區(qū)巖性為電性結(jié)構(gòu)基本相同的泥土、泥頁巖、粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖層，電阻率變化小，無明顯的高、低電阻率層。測深點附近地下介質(zhì)橫向電阻率較均勻，縱向電阻率變化小，該場地符合地電阻率、地電場觀測的電性結(jié)構(gòu)要求。

3 電磁干擾測試

根據(jù)DB/T 18.2-2006地震臺站建設(shè)規(guī)范(地電臺站)中電磁干擾源對地電場觀測環(huán)境影響的測試方法[2]，對江油臺地電待建場地進行工頻及非工頻干擾測試。測試設(shè)備由測量電極和主機兩部分構(gòu)成，主機置于農(nóng)家院房內(nèi)，外場地位于江油市八一鄉(xiāng)農(nóng)田內(nèi)，測量外線呈L型布設(shè)(見第29頁圖6)。其中，NS長極距150 m，EW長極距150 m，NW長極距212 m，NS短極距100 m，EW短極距100 m，NW短極距141 m，鋪設(shè)方式采用地面鋪設(shè)。

圖6 測量外線布極圖

3.1 非工頻干擾測試

地電場非工頻測試對象是大地自然電場及人為干擾電場，通過連續(xù)72 h的觀測查找有規(guī)律的干擾，計算干擾幅度，確定該場地是否符合大地電場的觀測條件。非工頻干擾測試設(shè)備采用北京陸洋科技開發(fā)公司生產(chǎn)的ZD9A-Ⅱ地電場儀，測量電極采用不極化電極。N、S電極的測量線與地電場儀ZD9A的CH1通道連接，E、W電極的測量線與CH2通道連接，連續(xù)觀測約72 h。正常信號平均值為E0，干擾數(shù)據(jù)為Ee= E0±3σn-1，干擾值為：

Ed=Ee-E0

通過對江油臺新觀測場地非工頻電磁干擾背景測試數(shù)據(jù)的分析，該場地的地電場日變化較清晰，無明顯高頻干擾，最大干擾信號Ed為309.51 mV/km，干擾值超過0.5 mV/km的允許值，但不符合“每天或每小時2個測向均定時出現(xiàn)”的規(guī)定，認為不是干擾，是偶然事件所致。因此，該場地符合規(guī)定的地電場、地電阻率臺站建設(shè)的電磁環(huán)境要求[3](見表1)。

表1 地電場非工頻干擾數(shù)據(jù)表

3.2 工頻干擾測試

工頻測試對象是人為干擾電場，通過連續(xù)72 h的觀測查找有規(guī)律的干擾，計算干擾幅度，確定該場地是否符合大地電場的觀測條件。工頻干擾測試設(shè)備采用美國泰克(Tektronix)TDS-1012C型示波器。將示波器通道CH1、CH2分別與測量極N、S連接，示波器置于CH1-CH2的工作方式(2通道相減)。測試結(jié)果表明，在觀測時段內(nèi)未發(fā)現(xiàn)工頻干擾信號，干擾信號峰值的平均強度Eind小于1 250 mV/km，最大工頻干擾幅度符合《地震臺站觀測環(huán)境技術(shù)要求》的規(guī)定。

4 觀測質(zhì)量評估

江油臺地電觀測分地電場和地電阻率2套觀測系統(tǒng)，均于2016年1月1日正式運行，至今已積累4年的連續(xù)觀測資料,長時間的連續(xù)觀測有助于客觀評估觀測質(zhì)量。

4.1 質(zhì)量評估方法

用于地電場觀測質(zhì)量評估的參數(shù)主要有連續(xù)率、完整率、相關(guān)系數(shù)和差值等，用于地電阻率觀測質(zhì)量評估的參數(shù)主要有連續(xù)率、完整率和精度等。

4.1.1 連續(xù)率和完整率

觀測資料的連續(xù)率和完整率是評價觀測資料質(zhì)量的主要參數(shù)之一，連續(xù)率和完整率越接近1，觀測質(zhì)量越高，其計算方法如下：

(1)

4.1.2 相關(guān)系數(shù)和差值

相關(guān)系數(shù)和差值可用于評價地電場觀測資料的質(zhì)量，在同一地區(qū)，自然電場部分基本穩(wěn)定，因此，同一測向長、短極距觀測的數(shù)據(jù)變化規(guī)律應(yīng)當接近。若變化趨勢一致，說明數(shù)據(jù)可信度較高；反之，需要考慮觀測系統(tǒng)工作是否正常，測區(qū)內(nèi)是否存在干擾等。相關(guān)系數(shù)越接近1，差值越小，同一測向長、短極距的觀測數(shù)據(jù)越一致，觀測數(shù)據(jù)越穩(wěn)定。

相關(guān)系數(shù)的計算方法如式(2)：

(2)

差值的計算方法如式(3)：

(3)

4.1.3 精度

電阻率觀測精度是所測電阻率準確程度的量度，由系統(tǒng)誤差和偶然誤差組成。系統(tǒng)誤差主要是測量儀器和某種人為因素引起的誤差，可通過定期的儀器標定來衡量，也可通過改進儀器性能等措施加以克服；偶然誤差是多種因素的綜合作用使觀測值產(chǎn)生某些變化，出現(xiàn)測量值在均值附近波動，其大小用均方根誤差來表示。相對均方根誤差Kσ由下式(4)計算而來：

(4)

精度值越小，電阻率準確程度越高，越能識別地電阻率異常。若可靠識別出不低于1%的地電阻率異常，則達到國家基本地電臺網(wǎng)觀測精度質(zhì)量標準。

4.2 地電場觀測質(zhì)量評估

對江油臺地電場數(shù)據(jù)的年平均連續(xù)率、完整率、相關(guān)系數(shù)和差值進行統(tǒng)計(見表2)。結(jié)果顯示，2016至2020年連續(xù)率均在99%以上，完整率均在97%以上。表明，連續(xù)率、完整率均較高；差值在0.4 (mV·km-1)以內(nèi)。總體來說，江油臺地電場觀測系統(tǒng)運行穩(wěn)定，觀測質(zhì)量較好。

表2 地電場連續(xù)率、完整率、相關(guān)系數(shù)及差值年均值統(tǒng)計表

地電場三測道相關(guān)系數(shù)關(guān)系為NS向高于EW向，EW向高于NW向，這與地下介質(zhì)及觀測場地環(huán)境有關(guān)。NS向2016至2019年相關(guān)系數(shù)在0.90～0.95之間，相關(guān)系數(shù)較高，變幅不大，較為穩(wěn)定;EW及NW向相關(guān)系數(shù)在2018年突降。由日相關(guān)系數(shù)曲線圖看出(見圖7)，EW、NW向于2018年1月27日起呈起伏下降，8月降至歷史最低。經(jīng)排查，EW測道A1至A2電極附近，在2018年1月27日有蝦魚塘圍欄的彩鋼板進場，28日正式施工。該蝦魚塘的施工及其投入使用后的蓄水放水，可能引起EW及NW向相關(guān)系數(shù)的降低。

圖7 地電場日相關(guān)系數(shù)曲線圖

4.3 地電阻率觀測質(zhì)量評估

對地電阻率數(shù)據(jù)的年平均連續(xù)率、完整率及觀測精度進行統(tǒng)計(見第31頁表3)。結(jié)果顯示，地電阻率NS、EW向連續(xù)率及完整率2016至2019年均在99%以上，觀測系統(tǒng)運行穩(wěn)定，觀測數(shù)據(jù)連續(xù)。2016至2019年兩測道觀測精度值均小于0.06%，精度高，達到國家基本地電臺網(wǎng)精度質(zhì)量標準[4]，能夠可靠識別不低于1%的地電阻率異常。

表3 地電阻率連續(xù)率、完整率、精度年均值統(tǒng)計表

4.4 觀測數(shù)據(jù)分析

江油臺地電場靜日(2016年6月3日)分鐘值日變化形態(tài)曲線如第31頁圖8所示，NS、EW、NW三測向數(shù)據(jù)均有明顯的日變形態(tài)——雙峰單谷。NS、EW測道極小值均出現(xiàn)在北京時間14時左右; NW測道日變形態(tài)極小值出現(xiàn)在北京時間12時左右。三個測向的日變形態(tài)稍有區(qū)別，但是整體的趨勢基本保持一致，各測向的日變幅不大，一般在0.5 mV/km左右。說明江油臺地電場無明顯月變、年變規(guī)律。

圖8 地電場日變化曲線

地電阻率小時值觀測數(shù)據(jù)變化較穩(wěn)定，變幅較小，NS測道觀測數(shù)據(jù)在57.7至58.6 (Ω·m)之間變化，EW測道觀測數(shù)據(jù)在55.6至57.0 (Ω·m)之間變化(除去環(huán)境干擾產(chǎn)生的突跳)。NS、EW 兩測道觀測數(shù)據(jù)均具有清晰的年變形態(tài)，呈夏低冬高的年變規(guī)律(見圖9)。地電阻率與該臺記錄的降雨量對比發(fā)現(xiàn)，NS、EW 測道觀測數(shù)據(jù)與降雨呈負相關(guān)，表明地電阻率導電與地下介質(zhì)孔隙中含水量有關(guān)。

圖9 地電阻率年變化曲線

5 結(jié)論與討論

通過以上研究，可得出如下結(jié)論：

(1) 按地電臺站建設(shè)規(guī)范規(guī)定方法，對江油臺地電阻率、地電場觀測場地進行十字電測深野外測試和分析。可得出，觀測場地的縱向電性變化小，橫向電性均勻，且電測深曲線反演解釋與定性解釋吻合。該臺新地電觀測場地符合地電阻率、地電場觀測臺站臺址電性條件的技術(shù)要求。

(2) 對地電阻率、地電場觀測場地進行工頻干擾和非工頻干擾2項測試。根據(jù)測試數(shù)據(jù)的分析和干擾數(shù)據(jù)統(tǒng)計，該場地的地電場日變化清晰，工頻干擾平均強度Eind的最大值小于1 250 mV/km，非工頻最大干擾信號Ed超過0.5 mV/km的允許值，不符合“每天或每小時2個測向均定時出現(xiàn)”的規(guī)定，認為是偶然事件所致,非干擾。該臺地電新觀測場地符合地電阻率、地電場觀測的工頻、非工頻干擾背景要求[3]。

(3) 對地電觀測質(zhì)量進行評估，地電場連續(xù)率、完整率較高，差值較小，相關(guān)系數(shù)因EW測向A1、A2電極附近蝦魚塘的施工和使用，在2018至2019年EW、NW測向相關(guān)系數(shù)降低；地電阻率觀測連續(xù)率、完整率高，精度高。地電場靜日變化呈雙峰單谷，地電阻率年變化呈夏低冬高形態(tài)。總體來說，江油地電觀測系統(tǒng)運行穩(wěn)定，各項指標均符合相關(guān)技術(shù)規(guī)范標準[4]，產(chǎn)出數(shù)據(jù)質(zhì)量可靠。

根據(jù)以上勘選結(jié)果分析可認定，該觀測場地適合建設(shè)地電觀測項目。觀測系統(tǒng)正式運行后，狀態(tài)穩(wěn)定，能反映觀測場地的客觀變化，觀測質(zhì)量較好。

感謝成都理工大學地球物理學院江玉樂教授完成并提供電測深資料和四川省地震局顏曉燁老師提供電磁干擾測試資料。