CN104793250A - 一种断裂电场探测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种断裂电场探测方法，通过断裂电场探测系统对断裂电场进行探测，断裂电场探测系统包括地电仪、中心电极、第一配套探测电极和第二配套探测电极，中心电极、第一配套探测电极、第二配套探测电极的输出端与地电仪的输入端连接；中心电极安装在断裂破碎带内，第一配套探测电极安装在断裂上盘或断裂下盘的地表浅部，第二配套探测电极安装在断裂破碎带的地表浅部。本发明提供的断裂电场探测方法，可以实时获取断裂深部岩石的压电效应而产生的断裂电场变化数据，而通过监测断裂电场的变化，可获取到深部压电点或固着点应力积聚的信息，为灾害的防治预警奠定前置技术基础。
Description
技术领域
本发明涉及电场探测领域，更具体地，涉及一种断裂电场探测方法。
背景技术
断裂电场是指分布于断裂破碎带中及其附近的电场，这一电场布满整个断裂破碎带，电场强度从断裂破碎带深部向浅部减弱，在地表则自破碎带向两侧衰减。断裂电场属于地电场的一种，现阶段对地电场进行探测主要通过自然电场探测方法，该方法最早是由英国人R·M·福克斯于1830年开创，用于探明矿脉的延伸，此后此方法被广泛用于地震预报、地质找矿和水文及工程检测。目前对地电场的主流观察手段有多种，其原理与电极的布设方式各不相同，现简述如下：
自然电场法是目前主流的自然电场探测技术，传统自然电场法又称土地电法，在上世纪60-70年代是我国群策群防的手段之一，该方法以浅表地电流为探测对象。土地电法的原理是通过探测测道上两电极间电位差的实时变化情况反演自然电场。土地电法的电极布设技术主要是通过在指定方向上按照一定距离布设一对电极，电极主要采用在浅表土层挖坑布极的方式，每一对电极则为一条测道，土地电法通过在一定区域范围内布设多条测道，以观察土层中自然电场的变化情况。
自上世纪90年代后，对自然电场法的测道布置进行了改良，从“L形布极”、“双L形布极”到“十字型布极”，再到“全方位无缝布极探测”。所谓“全方位无缝布极探测”布极方法是围绕中心观察点向周边360°的范围内布设指向不少于8个方向的电极。此外，对电极埋设上也从纵向单电极埋设，发展至纵向多电极埋设。
自然电场的探测方法国际上最为有名的是VAN法。该法是一种针对地震预测的自然电场探测方法，属于改良的土地电探测技术，由希腊三位科学家于上世纪80年代创建。VAN法电极技术与自然电场法相似，以一对电极为一测道，在区域上布设5-6条测道，这些测道布设于主要断层或地质界面以及局部不均匀性很强的地区周边，其中东西与南北两个方向上各布置两条不同极距且相互平行的短偶测道，并至少布设1条长偶测道。它的原理是通过测道中两电极间的电位差来探测大地电流场的瞬时变化。该项技术是基于固体电子论，认为在临震时刻岩石的压电效应会释放出强大的瞬时电场，瞬间电场通过低频或超低频脉冲电信号反映。基于这一原理，通过上述数条长短不一的测道对区域内的自然电场进行探测，从而提取地震电信号（SES），以达到震前预报的目的。
最近十多年来，日本学者对VAN法进行了改良，测道布置不再遵循东西与南北两个方向布置，区域上短偶测道的布置更接近于扇形排列，利用5条短偶测道（约数十米长）及3条长偶测道（约数公里长），以测量地电流变化（ACTs）。从上可见，目前所有的地电场探测方法，探测目标是大地电场（自然电场）而非断裂电场。而本发明提供的方法，探测的目标是断裂电场，即由于断裂两盘岩石在压力作用下产生压电效应而在断裂面上形成的电场。
发明内容
本发明提供了一种断裂电场探测方法，该方法可以实时探测断裂电场的变化情况。
为实现以上发明目的，采用的技术方案是：
一种断裂电场探测方法，通过断裂电场探测系统对断裂电场进行探测，所述断裂电场探测系统包括地电仪、至少一个中心电极、至少一个第一配套探测电极和至少一个第二配套探测电极，中心电极、第一配套探测电极、第二配套探测电极的输出端与地电仪的输入端连接；其中中心电极安装在断裂破碎带内，第一配套探测电极安装在断裂上盘或断裂下盘的地表浅部，第二配套探测电极安装在断裂破碎带的地表浅部；
通过断裂电场探测系统的中心电极、第一配套探测电极、第二配套探测电极获取断裂上盘或下盘与断裂破碎带之间的电流强度和电位差数据，并将这些数据传送至地电仪，从而实现对断裂电场的探测。
上述方案中，由于断裂深部压电点产生的电流沿断裂破碎带向上传导，到达地表后会以浅层水为介质，在沉积层中向两盘传导并迅速衰减，因此通过中心电极和配套探测电极，可以实时获取断裂上盘或下盘与断裂破碎带之间的电流强度和电位差数据，通过电流强度和电位差数据，可以获知断裂深部压电点的应力变化情况。
优选地，所述中心电极通过探测钻孔安装在断裂破碎带内；同时为了防止第四系层和风化基岩层的塌陷和浅层水变化对探测钻孔的影响，探测钻孔在第四系层、风化基岩层的对应孔段安装有用于防塌和隔水的套管。
优选地，所述套管宜包括钢制层和PVC层，钢制层包覆在PVC层的外周；外层为钢制层，可以防止孔壁上第四系层和风化基岩层的塌陷，而内层为PVC层，则防止长时间使用后钢制层氧化对探测钻孔造成影响。
优选地，为了防止中心电极出现“干烧”现象，所述断裂电场探测系统还包括有水位仪和水位电极，水位电极的输出端与水位仪的输入端连接，水位电极安装在探测钻孔内的潜水面以下。
优选地，断裂上盘或断裂下盘地表浅部至少安装有一个第一配套探测电极。
优选地，中心电极的安装深度大于100m。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明提供的断裂电场探测方法，可以实时获取断裂深部岩石的压电效应而产生的断裂电场变化数据，而通过监测断裂电场的变化，可获取到深部压电点或固着点应力积聚的信息，为灾害的防治预警奠定前置技术基础。
附图说明
图1为断裂电场的示意图。
图2为断裂电场的平面图。
图3为断裂电场探测电极的布设平面示意图。
图4为探测电极的布设位置三维透视图。
图5为金沙洲站的建设方案剖面图。
图6为金沙洲站测道AB及测道AC的数据对比图。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
以下结合附图和实施例对本发明做进一步的阐述。
实施例1
如图1、2所示，断裂电场是一个压电电场，所谓压电电场，是指压电矿物呈有序排列的岩石（主要为花岗岩类岩石）在受力情况下形成的一种电场。岩石压电效应与受力关系服从居里第一定律：q=d.F，其中q为电荷；d为岩石压电模量；F为压应力。断裂电场的持续增强意味着断裂深部出现压电点，亦即应力积聚点（日本学者称之为“固着区”，而国内则称之为孕震区）。由于断裂电场的强弱与压电点的应力大小有关，因此可用本发明提供断裂电场探测方法，探测断裂电场变化，并通过断裂电场变化，结合居里第一定律，了解断裂深部压电点的应力积聚情况，从而达到对包括地震在内的断裂地质灾害进行预警的目的。
使用本项发明的技术原理，建成了广州市基底断裂活动监测系统中的金沙洲监测站。如图3、4、5所示，金沙洲监测站的建设方案如下：位于断裂带内深部的探测电极A为中心电极，用于接收深部断裂电场的电信号，探测钻孔深度为203m,探测钻孔穿过第四系层和风化基岩层的孔段使用双层套管进行防塌防护和隔水，双层套管包括钢制层和PVC层，钢制层包覆在PVC层的外周；外层钢制层用于防止孔壁塌陷，内层PVC层用于隔水和防止长时间使用后钢制层氧化对探测数据造成影响。中心探测电极放置深度为200m；第一配套探测电极B置于断裂下盘的第四纪沉积物中（埋深2m），与中心电极A之间组成跨断裂破碎带的测道AB；第二配套探测电极C置于破碎带上方的第四纪沉积物中(埋深2m)，与中心电极A之间组成沿断裂破碎带走向的测道AC。
同时，为了防止中心电极出现“干烧”现象，所述探测方法还包括有水位仪和水位电极，水位电极的输出端与水位仪的输入端连接，水位电极安装在探测钻孔内的潜水面以下。
上述电极安装完成后用电缆与探测仪器（地电仪及水位仪）连接，调试后即可进行断裂电场监测。金沙洲站以5秒为采集时间间隔对每条测道的数据进行采集。该站运行至今已满两年，运行情况良好。图6为AB、AC两条测道在2012年12月的监测曲线，两者有一定位差，这是B、C两个配套探测电极处于断裂电场地表影响范围的不同部位所致；两条曲线同步变化，证实这种变化是中心探测电极A获得的来自断裂深部的电讯号的变化。
本发明提供的断裂电场探测方法，可以实时获取断裂深部岩石的压电效应而产生的断裂电场变化数据，而通过监测断裂电场的变化，可获取到深部压电点或固着点应力积聚的信息，为灾害的防治预警奠定前置技术基础。
本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种断裂电场探测方法，其特征在于：通过断裂电场探测系统对断裂电场进行探测，所述断裂电场探测系统包括地电仪、至少一个中心电极、至少一个第一配套探测电极和至少一个第二配套探测电极，中心电极、第一配套探测电极、第二配套探测电极的输出端与地电仪的输入端连接；其中中心电极安装在断裂破碎带内，第一配套探测电极安装在断裂上盘或断裂下盘的地表浅部，第二配套探测电极安装在断裂破碎带的地表浅部；
通过断裂电场探测系统的中心电极、第一配套探测电极、第二配套探测电极获取断裂上盘或下盘与断裂破碎带之间的电流强度和电位差数据，并将这些数据传送至地电仪，从而实现对断裂电场的探测。
2.根据权利要求1所述的断裂电场探测方法，其特征在于：所述中心电极通过探测钻孔安装在断裂破碎带内；探测钻孔在第四系层、风化基岩层的对应孔段安装有用于防塌和隔水的套管。
3.根据权利要求2所述的断裂电场探测方法，其特征在于：所述套管包括钢制层和PVC层，钢制层包覆在PVC层的外周。
4.根据权利要求3所述的断裂电场探测方法，其特征在于：所述断裂电场探测系统还包括有水位仪和水位电极，水位电极的输出端与水位仪的输入端连接，水位电极安装在探测钻孔内的潜水面以下。
5.根据权利要求1~4任一项所述的断裂电场探测方法，其特征在于：断裂上盘和断裂下盘的地表浅部均安装有第一配套探测电极。
6.根据权利要求1~4任一项所述的断裂电场探测方法，其特征在于：中心电极的安装深度大于100m。
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