地震地电场前兆观测方法创新与应用

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　　摘  要：为了更好的获取地震前兆异常信息，依据深井电极垂向地电场观测方法技术思路，开发了深井钢管作电极开展垂向地电场观测的方法。该方法充分利用现有地震台站已有条件，将深井钢管作电极开展地电场观测，开辟了地震前兆观测新途径，效果良好。在河南省范县豫01井地震台利用豫01井井管作电极，开展了深井钢管电极垂向地电场观测实验。豫01井垂向地电场观测资料异常变化与观测井周围100km范围内地震活动具有较好的对应关系。
　　关键词：地震前兆;垂向地电场;深井钢管电极;新方法应用;地电场异常与地震活动
　　中图分类号：P319.3        文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2020）23-0039-04
　　Abstract： In order to more effectively obtain earthquake precursor abnormal information， according to the technical idea of vertical geoelectric field observation method with deep well electrode， the method of using deep well steel tube as electrode to carry out vertical geoelectric field observation is developed. This method makes full use of the existing conditions of the old station， and uses the deep well steel tube as the electrode to carry out the geoelectric field observation， which opens up a new way of earthquake precursor observation with good effect. The vertical geoelectric field observation experiment with steel tube electrodes in deep well was carried out at well Yu 01 seismic station in Fanxian County， Henan Province. There is a good correspondence between the anomaly of vertical geoelectric field observation data of steel tube electrode and earthquake in Well "Yu 01" in Fan County， Henan Province.
　　Keywords： earthquake precursor; vertical geoelectric field; steel tube electrode in deep well; new method application; earthquake activity
　　引言
　　隨着社会经济的快速发展， 高压线路的架设，大功率用电设备的安装使用，地铁、高铁的运行，对现行的地表地电学前兆观测带来越来越大的影响，干扰影响引起的异常变化覆盖了地震异常变化，使地电学前兆观测方法在地震监测和预报应用中受到了极大的限制，地表的地震前兆观测失去意义[1-5]。为了排除各类电磁环境对地电场前兆观测的干扰影响，有些台站开展了井下电极地电场观测[6-7]，电极深度几十米到几百米，取得了较好的观测效果。
　　依据深井电极垂向地电场观测方法技术思路[8]，提出了利用已有台站深井钢管作电极开展垂向地电场观测的方法。该方法充分利用了原有台站的现有条件，开辟了地电场观测新途径。河南省濮阳市地震台、清丰县地震台实验观测结果表明，深井钢管电极垂向地电场（自然电位）观测方法具有较好的震兆效果[9-10]。
　　在河南省范县豫01井地震台利用豫01井井管作电极，开展了深井钢管电极垂向地电场观测实验。豫01井垂向地电场观测资料异常变化与观测井周围地震活动具有较好的对应关系。
　　1 深井钢管电极垂向地电场观测的基本条件
　　深井钢管电极垂向地电场（自然电位）观测方法原理如图1所示。O为深井井管，井管O作测量电极。A为开展深井钢管电极垂向地电场（自然电位）观测需要安装的辅助电极，可埋设专用电极或埋设钢管，深度5-10m。电极A距井管O可在10-200m左右范围。实验结果显示，10-200m的距离内，电极A在不同位置时的测量结果是一致的（地震地电学前兆深井立体综合观测技术研究，李桂清，2018）。
　　开展深井钢管电极垂向地电场观测工作，地震台应有大于300m的钢管深井，越深越好。现有地震台应充分利用已有条件，使用现有的深井钢管在地震台开展地电场观测工作。当地震台有2个深浅不同的井管时，可直接用2个井管作电极开展地电场观测工作。
　　2 豫01井地电场观测项目建设基本情况
　　河南范县豫01井位于河南省东北部濮阳市范县颜村铺乡榆林头村以东约500m处（北纬35.8760°，东径115.5474°），地面高程50m。该井1979年底建点并投入地震地下水位动态观测，是已经纳入全国地下水动态观测井网的地下流体手段一类地震前兆观测井。豫01井深2267.03m，套管下入深度为1032.30m，直接坐落于古生代奥陶纪灰岩地层上。采用水泥固井，观测水层段为1030-1977m。 　　目前，该井地震观测手段有测震、强震、水位、水温、气象三要素、地电场等观测项目。
　　图2是豫01井场地平面示意图。豫01井周围是农田，场地内建观测室、办公室、值班室3间，观测井在中间观测室内。豫01井井筒钢管深度1032.30m，作测量电极（井管O）。在观测室西边（井口西10m处）打钻孔深10m，埋设了不锈钢筒电极1支（电极a，直径6cm长1m的不锈钢筒）作辅助电极。并且在井南170m处10m深度埋设不锈钢筒电极1支（电极b）做对比观测电极。电极与电极及井管（电极O）形成电极对，组成Vao、Vbo、Vab 3个测道，开展地电场观测。Vao、Vbo是电极与井管组成的测道，可视为垂向地电场观测，Vab为南北向水平方向地电场观测。2018年6月22日安装数据采集器开始地电场观测工作。
　　3 豫01井地电场观测资料异常与地震的关系
　　3.1 豫01井地电场观测资料动态特征
　　豫01井地电场观测使用EM9104C数据采集器，采样率设置为秒采样。
　　图3是豫01井地电场观测曲线。由图可知，垂向观测曲线（Vao、Vbo测项）具有明显的日变规律。受干扰影响，出现有规律的低值突跳。低值突跳时间约1分钟，之后稳定约15分钟，依此循环。对此干扰进行了调查，未发现干扰原因。2018年12月13日，河南省地震局在豫01井地震臺安装动力环境监控系统。动力环境监控系统安装后，干扰基本消失，仅存在个别单点突跳，如图4。由此可知，原来的干扰可能是电源供电系统引起的。
　　水平方向日变曲线为直线型，未出现受干扰影响状况（图3 Vab测项曲线）。对于垂向地电场观测来说，电极距井管的距离对观测结果影响不大。相距10m和相距170m，两者观测结果是相同的、一致的。即Vao、Vbo的观测结果基本一样，变化形态一致，图3、图4。
　　图5 Vab曲线中，南北水平方向出现台阶型升高，可能与安装动力环境监控系统时线路调整有关。2019年4月6日整理了电源线路，水平向又恢复到原来观测数值。
　　 3.2 豫01井地电场观测资料异常与地震的关系
　　 2018年6月22日开展地电场观测以来，01井周围150km范围内发生3.0级以上地震6次，最大地震是2019年4月21日河北临漳4.1级地震。2018年10月至2019年2月间发生3.0-3.6级地震5次。2019年，01井周围20km范围内发生2.0级左右地震多次。
　　由图5 Vao曲线可知，2019年2月26日开始，垂向地电场（Vao、Vbo测道）观测数据由正常的27mv开始快速下降变化，3月14日下降到-32mv后转平，3月23日又开始上升，4月2日达到-0.2mv。4月5日又开始下降变化，4月13日最低为-102mv，4月14日再次上升;并且，4月14日前后还出现较大波动。在上升恢复过程中，4月21日发生了河北临漳ML4.1级地震，震中距豫01井约100 km。几次3级地震过程中未出现异常变化。
　　水平方向（Vab测道）未看出明显异常变化，见图5 Vab曲线。
　　通过上述分析，范县豫01井地电场南北水平方向、水位、水温未出现异常变化。而01井垂向地电场观测资料出现的异常变化与2019年4月21日河北临漳ML4.1级地震具有较好的对应关系。
　　2019年，范县豫01井周围20km范围内出现几次2.0级左右的小震活动，这些小震前，垂向地电场也有一定程度的异常显示，如图6所示。
　　4 干扰因素分析
　　由图6可知，2019年5月下旬后，地电场观测曲线出现了几次台阶型变化，这些变化是由观测室电源线路调整、太阳能安装及机柜安装、电源更换等造成的。这种干扰影响对水平方向的观测影响较小，而对垂向观测影响较大，每次线路调整、仪器安装都出现了台阶变化。在线路布设调整、仪器安装时，要注意消除这种干扰影响。
　　5 结论
　　（1）利用地震台深井钢管作电极开展垂向地电场地震前兆观测，充分利用了地震台站现有条件，增加了新的观测项目而不增加新的大的投资。深井电极垂向地电场观测方法是地震前兆观测的新方法，实现了观测方法的创新应用，开辟了地电场地震前兆观测新途径。在有条件的台站中易于推广应用。（2）电极距离可在10m左右，大大缩小了观测场地范围，便于地震台观测场地的选择和地电场观测项目建设。两电极距离近，处于同一场地环境中，有效排除了地表电磁干扰影响。（3）测量电极深度大（越深越好），易于获取地下地震地电场信息，具有较好的地震前兆观测效果，有效提高地震短临预报水平。（4）观测室内在线路布设调整、仪器安装时，要注意消除对地电场观测的干扰影响。
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