地震地電阻率交流觀測(cè)方法及觀測(cè)實(shí)驗(yàn)

地震地電阻率交流觀測(cè)方法及觀測(cè)實(shí)驗(yàn)王蘭煒;張宇;張興國(guó)湖哲;王子影;馬小溪【摘要】介紹地震地電阻率交流觀測(cè)的原理及方法、觀測(cè)系統(tǒng)的要求及主要技術(shù)指標(biāo)，并在受地鐵干擾嚴(yán)重的江寧臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)觀測(cè).初步觀測(cè)結(jié)果表明，該系統(tǒng)觀測(cè)結(jié)果與直流觀測(cè)結(jié)果相當(dāng)，能滿足臺(tái)站實(shí)際觀測(cè)需求，同時(shí)達(dá)到抗干擾目的.證明采用交流供電方法進(jìn)行地電阻率觀測(cè)，能夠在較強(qiáng)干擾背景下獲取較高的信噪比，很好地抑制城市地鐵、輕軌以及其他因素弓I起的電磁干擾.【期刊名稱】《大地測(cè)量與地球動(dòng)力學(xué)》【年(卷)，期】2019(039)007【總頁(yè)數(shù)】5頁(yè)(P738-742)【關(guān)鍵詞】地電阻率;交流觀測(cè);地鐵電磁干擾;臺(tái)站實(shí)驗(yàn)【作者】王蘭煒;張宇;張興國(guó)湖哲;王子影;馬小溪【作者單位】中國(guó)地震局地殼應(yīng)力研究所，北京市安寧莊路1號(hào),100085;北京市地震觀測(cè)工程技術(shù)研究中心，北京市安寧莊路1號(hào),100085;中國(guó)地震局地殼應(yīng)力研究所,北京市安寧莊路1號(hào),100085;北京市地震觀測(cè)工程技術(shù)研究中心，北京市安寧莊路1號(hào),100085;中國(guó)地震局地殼應(yīng)力研究所，北京市安寧莊路1號(hào),100085;北京市地震觀測(cè)工程技術(shù)研究中心，北京市安寧莊路1號(hào),100085;中國(guó)地震局地殼應(yīng)力研究所，北京市安寧莊路1號(hào),100085;北京市地震觀測(cè)工程技術(shù)研究中心，北京市安寧莊路1號(hào),100085;中國(guó)地震局地殼應(yīng)力研究所，北京市安寧莊路1號(hào),100085;北京市地震觀測(cè)工程技術(shù)研究中心，北京市安寧莊路1號(hào),100085潔林省地震局，長(zhǎng)春市凈月大街5788號(hào),130117【正文語種】中文【中圖分類】P315;P318;P319國(guó)內(nèi)很多地電阻率觀測(cè)臺(tái)站的場(chǎng)地都存在一定程度的電磁干擾，城市中的地鐵和輕軌等軌道交通嚴(yán)重影響周邊地電阻率臺(tái)站的正常觀測(cè)，許多地電阻率觀測(cè)臺(tái)站不得不進(jìn)行搬遷和重建［1-2］。在采取多種方法（如井下觀測(cè)、交流觀測(cè)等）后發(fā)現(xiàn)，地電阻率的交流觀測(cè)能夠有效地解決干擾問題。交流觀測(cè)的原理與直流觀測(cè)相同，但其采用特定頻率的信號(hào)進(jìn)行觀測(cè)，抑制了觀測(cè)頻點(diǎn)信號(hào)以外的電磁干擾，在具有較強(qiáng)干擾背景的測(cè)區(qū)能得到較高的信噪比，極大提升了觀測(cè)數(shù)據(jù)的精度［3-4］。中國(guó)地震局地殼應(yīng)力研究所的研究團(tuán)隊(duì)自2014年開始研制適用于地震監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)應(yīng)用的地電阻率交流觀測(cè)系統(tǒng)，是迄今為止首套專門為地震監(jiān)測(cè)預(yù)測(cè)而研制的交流觀測(cè)系統(tǒng)。本文詳細(xì)介紹了地電阻率交流觀測(cè)方法的原理、技術(shù)性能要求及新型ZD8AC地電阻率觀測(cè)儀的主要技術(shù)指標(biāo)，給出該觀測(cè)方法在江蘇江寧地震臺(tái)的實(shí)驗(yàn)情況說明。1地電阻率交流觀測(cè)方法1.1理論基礎(chǔ)對(duì)于地電阻率交流觀測(cè)來說，利用不同頻率的交流電代替直流電作為人工場(chǎng)源，首先要確定交流電場(chǎng)與直流電場(chǎng)的相似性條件。直流電場(chǎng)和交流電場(chǎng)之間的根本差別在于，直流電場(chǎng)起作用的是傳導(dǎo)電流Ic，而交流電場(chǎng)起作用的除傳導(dǎo)電流Ic夕卜，還有位移電流Id。若用電流密度來表示，總電流密度為：jt（總）=jc（傳導(dǎo)）+jd（位移）(1)當(dāng)jc(傳導(dǎo))>>jd(位移)時(shí)，位移電流大小與電場(chǎng)強(qiáng)度隨時(shí)間的變化率(dE/dt)成正比，且只與介電常數(shù)￡有關(guān)，與介質(zhì)的電阻率無關(guān)，可認(rèn)為交流電場(chǎng)與直流電場(chǎng)相似［4］。設(shè)傳導(dǎo)電流密度和位移電流密度的比值為m,計(jì)算公式為：(2)式中，￡r為相對(duì)介電常數(shù)［5］,f為交流信號(hào)頻率，p為介質(zhì)電阻率。當(dāng)m>>1時(shí)，介質(zhì)中傳導(dǎo)電流起主導(dǎo)作用，位移電流的影響較小，介質(zhì)可認(rèn)為是一個(gè)導(dǎo)體；當(dāng)m<<1時(shí)，介質(zhì)中位移電流起主導(dǎo)作用，傳導(dǎo)電流的影響較?。?］。通常地下介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)范圍為5~50，根據(jù)公式(2)，當(dāng)￡r=5和￡r=50時(shí)，m的計(jì)算結(jié)果見表1、表2。自然界中巖石電阻率一般小于105Qm,故當(dāng)交流信號(hào)源的工作頻率f<103Hz時(shí)，m>10,傳導(dǎo)電流遠(yuǎn)大于位移電流，可不考慮位移電流的影響，交流電場(chǎng)與直流電場(chǎng)具有相似的特性［3-4］。此時(shí)交流電場(chǎng)被認(rèn)為近似遵循歐姆定律［4］,可采用與直流電法相同的理論進(jìn)行測(cè)量和計(jì)算地電阻率。表1￡r=5時(shí)m隨介質(zhì)電阻率p與頻率f的變化Tab.1Thechangeofmvaluevariationwithmediumresistivityandfrequencywhen￡r=5p/Qmf/Hz10-111010210310410511010A109A108A107A106A105A104A10109A108A107A106A105A104A103A102108A107A106A105A104A103A102A103107A106A105A104A103A102A10A104106A105A104A103A102A10AA105105A104A103A102A10AA10-1A106104A103A102A10AA10-1A10-2A107103A102A10AA10-1A10-2A10-3A注：表中字母A指代數(shù)值3.6。表2同。表2￡r=50時(shí)m隨介質(zhì)電阻率p和頻率f的變化Tab.2Thechangeofmvaluevariationwithmediumresistivityandfrequencywhena=50p/Qmf/Hz10-11101021031041051109A108A107A106A105A104A103A10108A107A106A105A104A103A102A102107A106A105A104A103A102A10A103106A105A104A103A102A10AA104105A104A103A102A10AA10-1A105104A103A102A10AA10-1A10-2A106103A102A10AA10-1A10-2A10-3107102A10AA10-1A10-2A10-3A10-4A1.2觀測(cè)原理圖1為地電阻率交流觀測(cè)原理示意圖。地電阻率交流法采用交流穩(wěn)流電源向地下發(fā)送單一頻率的信號(hào)，接收經(jīng)大地傳輸后的響應(yīng)信號(hào)。具體的工作過程是：低頻穩(wěn)流電源通過供電電極A、B向大地供入低頻電流I，測(cè)量系統(tǒng)分別測(cè)量供電電流I和測(cè)量極M、N之間的同頻率響應(yīng)信號(hào)AV（人工供電電位差），地電阻率p公式為：⑶其中，K為裝置系數(shù)。對(duì)于對(duì)稱四極裝置，裝置系數(shù)計(jì)算方法為［6］:⑷式中，AM、BM、AN、BN為相應(yīng)電極間的距離。當(dāng)A、B、M、N4個(gè)電極位置固定后，K為一常數(shù)。圖1地電阻率交流觀測(cè)原理示意圖Fig.1SchematicdiagramofACgeoelectricalresistivityobservation從以上觀測(cè)原理可以看出，整個(gè)交流觀測(cè)系統(tǒng)測(cè)量的準(zhǔn)確性就轉(zhuǎn)化為如何準(zhǔn)確檢測(cè)固定頻率的信號(hào)幅度。根據(jù)馬小溪等［7］對(duì)幾種信號(hào)幅度檢測(cè)方法的對(duì)比研究認(rèn)為，頻譜分析法更簡(jiǎn)單且易于實(shí)現(xiàn)，檢測(cè)精度符合觀測(cè)的要求。2地電阻率交流觀測(cè)系統(tǒng)技術(shù)要求無論是采用交流觀測(cè)還是直流觀測(cè)，地電阻率觀測(cè)的目的是監(jiān)測(cè)地下介質(zhì)的電阻率變化。震源及附近區(qū)域溫度、濕度、壓力等條件的改變導(dǎo)致地下介質(zhì)微結(jié)構(gòu)變化，電阻率隨之發(fā)生變化。地表電阻率觀測(cè)記錄到這種變化，通過比較不同時(shí)間地電阻率的差異，識(shí)別異常變化與地震孕育的關(guān)系［6］。長(zhǎng)期連續(xù)記錄的地電阻率測(cè)量?jī)x器應(yīng)具有觀測(cè)精度高、穩(wěn)定性好、抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)。1）觀測(cè)精度高。杜學(xué)彬等［8］通過研究震中附近地電阻率中短期異常與震級(jí)的關(guān)系，得出MS4.0地震異常幅度為1.29%的結(jié)論。震中區(qū)200km范圍內(nèi)地電阻率臺(tái)站的觀測(cè)系統(tǒng)必須能準(zhǔn)確識(shí)別1%的地電阻率變化，記錄到的數(shù)據(jù)才有地震預(yù)測(cè)意義。2）穩(wěn)定性好。我國(guó)7級(jí)以上地震震例中地電阻率異?？沙掷m(xù)數(shù)年，如與震后進(jìn)行對(duì)比研究，還需要更長(zhǎng)時(shí)間的觀測(cè)結(jié)果。對(duì)于地電阻率觀測(cè)方法而言，不僅要求觀測(cè)系統(tǒng)有足夠高的準(zhǔn)確度，還要有較好的穩(wěn)定性。3）抗干擾能力強(qiáng)。地電阻率觀測(cè)點(diǎn)附近存在電磁干擾，觀測(cè)系統(tǒng)的抗干擾性成為長(zhǎng)期定點(diǎn)觀測(cè)的重中之重。觀測(cè)系統(tǒng)必須提高抗干擾能力，才能有效提高觀測(cè)精度。4）自動(dòng)化程度高。將觀測(cè)系統(tǒng)由人工觀測(cè)改為自動(dòng)化觀測(cè)，減少人工觀測(cè)的勞動(dòng)強(qiáng)度，避免人為讀數(shù)造成的誤差。按照現(xiàn)有行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《地震地電觀測(cè)方法地電阻率觀測(cè)第1部分：?jiǎn)螛O足巨觀測(cè)》（DB/T33.1-2009）要求，地震預(yù)測(cè)研究中，地電阻率觀測(cè)的總體目標(biāo)是可靠地確定地電阻率1%的變化，轉(zhuǎn)換成地電阻率觀測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的具體要求為：①分辨力不大于0.01Qm;②最大允許誤差不超過0.3%觀測(cè)值+0.02Qm;③2次觀測(cè)時(shí)間間隔不大于1h。3地電阻率觀測(cè)系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)ZD8AC地電阻率交流觀測(cè)系統(tǒng)經(jīng)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試，技術(shù)指標(biāo)見表3和表4,技術(shù)性能與現(xiàn)廣泛應(yīng)用于臺(tái)網(wǎng)的地電阻率直流觀測(cè)系統(tǒng)相當(dāng)，能夠滿足地電阻率觀測(cè)的要求。表3地電阻率觀測(cè)儀實(shí)測(cè)技術(shù)指標(biāo)Tab.3MeasuredtechnicalspecificationsofACgeo-electricalresistivityobservationinstrument序號(hào)測(cè)試項(xiàng)目交流觀測(cè)儀實(shí)測(cè)1通頻帶DC-10Hz2采樣率100Hz3電壓分辨力10pV4地電阻率測(cè)量誤差±(0.2%測(cè)值+0.01)Qm5動(dòng)態(tài)范圍100dB6串模抑制比80dB7共模抑制比140dB表4低頻穩(wěn)流電源主要技術(shù)指標(biāo)Tab.4MeasuredtechnicalspecificationsofACstabilizedcurrentsupply序號(hào)測(cè)試項(xiàng)目穩(wěn)流電源實(shí)測(cè)1頻率范圍0.1~10Hz可調(diào)2電流0.1~5A可調(diào)3電流穩(wěn)定度1%FS(15min)4輸出功率1000W5頻率穩(wěn)定度1%FS(15min)4臺(tái)站對(duì)比觀測(cè)實(shí)驗(yàn)4.1實(shí)驗(yàn)臺(tái)站選擇江蘇省江寧地震臺(tái)位于南京市江寧區(qū)，地電阻率觀測(cè)分為南北、東西2個(gè)方向，布極示意圖見圖2,測(cè)道包括南北方向(N19°E)長(zhǎng)、短極距和東西方向(N71°W)3個(gè)測(cè)道。南北方向長(zhǎng)極距供電極距為1000m,測(cè)量極距為300m;短極距供電極距為100m，測(cè)量極距為16m；東西方向供電極距為1000m,測(cè)量極距為300m。圖2江寧地震臺(tái)地電阻率布極示意圖Fig.2SchematicdiagramofgeoelectricalresistivityconfigurationinJiangningseismologicalstation江寧臺(tái)觀測(cè)環(huán)境從2011年南京地鐵一號(hào)線南延線運(yùn)行開始受到影響，地電阻率觀測(cè)精度下降。特別是2014-07-01距離西供電極僅有3km的南京到祿口機(jī)場(chǎng)線路正式運(yùn)營(yíng)，觀測(cè)數(shù)據(jù)受影響嚴(yán)重，東西測(cè)向尤為明顯。圖3為江寧臺(tái)2006-01-01~2014-09-09電阻率和測(cè)量方差數(shù)據(jù)曲線。由圖3可以看出，2006~2010年間觀測(cè)數(shù)據(jù)穩(wěn)定，年變化周期明顯；2010年中期受地鐵運(yùn)行影響，數(shù)據(jù)測(cè)量均方差增大，約為1Qm,相對(duì)均方差為1%左右；2014年測(cè)量均方差增大到8Qm以上，相對(duì)均方差達(dá)8%以上，遠(yuǎn)超行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求的0.3%。圖32006-01~2014-09直流地電阻率觀測(cè)曲線Fig.3CurvesofDCgeoresistivityobservationfromJanuary2006toSeptember20144.2觀測(cè)結(jié)果分析地電阻率交流觀測(cè)系統(tǒng)研制完成后，為驗(yàn)證ZD8AC地電阻率儀對(duì)地鐵的抗干擾能力，自2015年起在江寧臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)觀測(cè)。經(jīng)過2a多的完善和實(shí)用化研究，交流觀測(cè)系統(tǒng)2017年后基本穩(wěn)定。為對(duì)比不同信號(hào)頻率下的觀測(cè)結(jié)果，交流供電頻率選為0.1Hz、1Hz和5Hz。表5為2017-04~2017-07不同信號(hào)頻率下交流觀測(cè)與直流觀測(cè)的結(jié)果對(duì)比。從表5可以看出，在干擾時(shí)段采用交流觀測(cè)可以提高觀測(cè)數(shù)據(jù)的精度，信號(hào)頻率越高，測(cè)量方差越小，觀測(cè)精度越高。采用0.1Hz交流信號(hào)進(jìn)行觀測(cè)時(shí)，測(cè)量方差與采用直流觀測(cè)時(shí)相比明顯減小，但0.1Hz距離地鐵干擾信號(hào)頻段（幾十秒~300Hz）較近，不能完全消除干擾影響。這就要求在采用交流方法進(jìn)行地電阻率觀測(cè)時(shí)需要合理選擇供電信號(hào)頻率。從地電阻率測(cè)值來說，0.1Hz交流觀測(cè)結(jié)果與直流觀測(cè)結(jié)果最為接近。隨著信號(hào)頻率的增大，交流觀測(cè)與直流觀測(cè)結(jié)果之間的差值增大，1Hz時(shí)相差1Qm左右,5Hz時(shí)相差2Qm左右。這種差異是由交流供電中供電線與測(cè)量線的線間耦合造成，頻率越低造成的影響越小。圖4為2016-09~2017-09采用1Hz交流觀測(cè)和直流觀測(cè)的數(shù)據(jù)及測(cè)量方差曲線對(duì)比。圖4中紅色曲線為1Hz交流觀測(cè)結(jié)果，黑色曲線為原有直流觀測(cè)結(jié)果。其中，2017-01~2017-02交流觀測(cè)系統(tǒng)因采集板故障造成觀測(cè)數(shù)據(jù)不連續(xù)。表5不同頻率下地電阻率交流觀測(cè)結(jié)果與直流觀測(cè)結(jié)果對(duì)比Tab.5Comparisonofgeo-resistivitybyDCobservationandACobservationsinatdifferentfrequency觀測(cè)方法及頻率NSEW電阻率/Qm均方差/Qm電阻率/Qm均方差/Qm直流（非干擾時(shí)段）約126.55約0.06約100.95約0.20直流（干擾時(shí)段）125.00~127.00約4.00100.50~103.10約10.00交流0.1Hz供電（干擾時(shí)段）125.80~126.50約1.0099.00~100.50約5.00交流1Hz（干擾時(shí)段）125.00~125.50約0.20約99.55約0.30交流5Hz（干擾時(shí)段）約124.00約0.10約99.90約0.15圖42016-09~2017-09采用1Hz交流與直流觀測(cè)結(jié)果對(duì)比Fig.4Comparisonofgeo-resistivitybyDCobservationwiththatby1HzACobservationsfromSeptemberof2016toSeptember2017由圖4可知，與直流觀測(cè)結(jié)果相比，交流觀測(cè)的電阻率數(shù)據(jù)波動(dòng)明顯減小，結(jié)果更穩(wěn)定，測(cè)量方差也更小，交流觀測(cè)方法可有效降低地鐵干擾對(duì)數(shù)據(jù)的影響。江寧臺(tái)原有地電阻率直流觀測(cè)無地鐵干擾時(shí)南北方向測(cè)值為126Qm左右，測(cè)量方差小于0.1Qm;東西方向測(cè)值為101Qm左右，測(cè)量方差為0.2Qm左右。在地鐵運(yùn)行時(shí)段南北方向測(cè)值大部分為125~128Qm,測(cè)量方差變大，大部分為5~8Qm,少部分可達(dá)10Qm;東西方向測(cè)值為99~103Qm,測(cè)量方差大部分為10Qm,甚至每天有2~4個(gè)點(diǎn)會(huì)因干擾過大導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果溢出。在干擾時(shí)段采用1Hz交流觀測(cè)方法，南北方向測(cè)值穩(wěn)定在125.0~125.5Qm,方差小于0.2Qm,東西方向測(cè)值穩(wěn)定在100~101Qm,測(cè)量方差小于0.5Qm。與直流觀測(cè)結(jié)果相比，觀測(cè)數(shù)據(jù)波動(dòng)明顯減小，測(cè)量精度基本達(dá)到規(guī)范要求。從江寧臺(tái)的觀測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以得出：1）采用低頻地電阻率交流觀測(cè)，在同一裝置下測(cè)值與直流觀測(cè)結(jié)果相同；2）采用交流方法進(jìn)行地電阻率觀測(cè)，可以有效降低城市地鐵、軌道交通等干擾對(duì)地電阻率觀測(cè)造成的影響；3）對(duì)于特定的場(chǎng)地，選取的供電信號(hào)頻率要避開主要電磁干擾信號(hào)頻率才能有效降低干擾、提高觀測(cè)數(shù)據(jù)精度。5結(jié)語針對(duì)目前存在的地電阻率臺(tái)站的干擾問題，交流觀測(cè)方法是一種能有效降低地鐵干擾影響的新方法。江寧臺(tái)交流觀測(cè)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明：采用0.1~10Hz交流信號(hào)進(jìn)行地電阻率觀測(cè)，交流方法和直流方法觀測(cè)原理相同。在同樣的觀測(cè)條件下，由于交流觀測(cè)方法采用選頻發(fā)射和選頻接收等技術(shù)，可以有效抑制干擾，提高觀測(cè)數(shù)據(jù)的信噪比，從而提高觀測(cè)精度。在同一裝置下采用0.1~10Hz的低頻地電阻率交流觀測(cè)，測(cè)值與直流方法測(cè)量結(jié)果基本相同，信號(hào)頻率的選取要有效避開場(chǎng)地主要電磁干擾信號(hào)頻率。采用0.1~10Hz之間頻率信號(hào)進(jìn)行觀測(cè)時(shí)，交流電場(chǎng)與直流電場(chǎng)具有相似的特性，但并不完全相同，這就導(dǎo)致交流觀測(cè)結(jié)果與直流觀測(cè)結(jié)果存在差別。對(duì)于地震監(jiān)測(cè)來說更關(guān)心其隨時(shí)間的相對(duì)變化，因此這個(gè)差別并不影響觀測(cè)效果。地電阻率交流觀測(cè)方法作為直流地電阻率觀測(cè)方法的替代，可以有效抑制地鐵等各種雜散電流的影響，為地電阻率觀測(cè)技術(shù)發(fā)展提供一種新的途徑，避免因經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人為干擾增加造成地電阻率臺(tái)站被迫搬遷和重建。參考文獻(xiàn)【相關(guān)文獻(xiàn)】張世中，石航，王蘭煒,等地電臺(tái)站受城市軌道交通干擾的測(cè)試分析與抗干擾措施研究[J].地震學(xué)報(bào),2013,35(1):117-124(ZhangShizhong,ShiHang,WangLanwei,etal.TestA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