CN206523564U - 一种地电阻率垂直观测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种地电阻率垂直观测装置，所述装置设置有大于三个地电单台站构成的多台站观测网络；所述地电单台站之间的间距为60km‑80km；地电单台站包括：单孔中七个电极和由七个电极组成的三个测道。本实用新型通过所述的“单孔垂直观测装置典型技术参数”来约束井下装置的构建，从而达到抑制各种干扰、提高观测效能的目的；通过“限定台站与台站之间的间距和台站数量”来保障前兆信息的有效衔接，从而达到提高地电前兆效能的目的。

Description

一种地电阻率垂直观测装置

技术领域

本实用新型属于地震地电-前兆信息观测领域，尤其涉及一种地电阻率垂直观测装置。

背景技术

地电阻率观测是我国乃至世界的地震前兆重要观测手段，至目前，全国已有近百个地电阻率观测台站，这些台站几乎全部采用地面埋设电极、架空外线路的传统地面水平观测方式。自1967年河北河间第1个台站运行算起，地面观测已经走过了50年的历程，为地震科研积累了丰富的观测资料，也在预测预报实践中积累了很多有意义的震例。

但是，随着我国社会经济的发展，特别是近年以来随着电气化铁路等大型电力设施的运行，对地电观测产生了强烈的电磁干扰，在强干扰地区，干扰导致走时曲线变幅过大，观测质量每况愈下，甚至一些台站的观测资料不再合格，在全国，这是一个带有倾向性的问题。干扰已经成为地电阻率方法最棘手的问题。

一直以来，探索各种途径来抑制干扰的脚步也从来没停止过，其中，井下观测就是一条有效的途径，简单地说，井下观测就是把电极通过钻孔途径埋入地下几十米---几百米深处的观测方式。除理论性研究外，付诸尝试性实验观测的不乏其人，最早的台站是山东的临沂台(1979年6月)；1992年广东河源台开展了井下观测，并坚持观测到现在。近年以来，一些省局再次试验井下观测，例如中国地震局地震预测研究所与河北省地震局合作，在大柏舍地电台的井下观测，还有江苏的海安台、陕西的合阳台等等。

从中看到了井下观测能够抑制电磁干扰的一线曙光，也看到了井下观测装置构建中的难点和存在的一些现实问题。例如井下装置的长期稳定性问题、井下装置的使用寿命问题、井下装置本身是否完好的测试功能和界定问题、井下观测方式的观测效能、前兆效能等等。

甘肃省地震局针对上述问题，通过多年以来的探索、实验、改进、特别是通过实际工程检验，在观测实践中验证观测效能，做了大量的实践工作，在很大程度上比较妥善地解决了上述问题，并得到实际工程的检验，把地电井下观测从探索实验层面推向实用，从而形成了甘肃省地震局特有的“地电井下观测技术”。本实用新型“垂直观测、多台站组网”是甘肃省地震局“地电井观测技术”的一个分支。

甘肃省地震局“地电井下观测技术”形成的背景可分为以下几个层面:

一、完成主要单项实验的时间层面

1996年完成：(1)环境(湿度)与装置稳定性关系的实验；之前，多年在实际观测中历次体验环境温度与装置稳定性的关系；(2)电极材质、封装结构与装置长期稳定性关系的实验。(3)2004年完成地埋、井下专用电缆材质、结构与绝缘指标、功能测试需求方面的实验探索，通过模拟井下高压强环境认定专用电缆的材质、结构、各项技术指标认定和实用性测试功能，并相继在各项工程中应用，至目前数量达160千米(见表1)；(4)相继完成电缆耐候性实验、材质与耐酸、碱性实验等；(5)2010年完成井下电极、电缆安装工艺与效能最终验证。15年的历程不仅仅得到合理的选材和安装工艺，重要的是得到合理的安装理念。

表1电缆用量统计表

二、投资与工程完成层面

经过多年的技术准备后，甘肃省地震局先后投资500万元巨资，自2010年起，先后完成天水、武都、平凉、兰州观象台地电井下观测技术改造工程；另外，借助甘肃局技术协助浙江省地震局完成长兴地电井下观测台、新疆昌吉地电井下观测台井下装置的构建。在这些台站的装置构建中专门设立了一些实验分量，其中就有“垂直观测分量”，这就是甘肃局垂直观测的实验、观测效能验证务实过程，也是垂直观测实践的由来，从实验到实际工程效能验证先后历经20年。

三、观测效能层面

地电的传统地面观测方式受电气化铁路、大型电力设施产生的严重电磁干扰、季节性年变弊端、雷电、降雨、灌溉、蔬菜大棚等金属管线、地面土建等天然干扰和人文活动造成干扰的原因，一些台站产出的观测资料常态变幅较大(年变幅10-50％)、分辨率较低。在强干扰区，甚至一些台站的观测资料不再合格，更谈不上观测效能(观测效能的内涵后面有专门陈述)。而甘肃省地震局“地电垂直观测技术”就是针对抑制干扰需求的一种新型地电观测技术，是干扰地区观测效能层面的实例，年度常态变幅＜1％，回归介质电阻率“稳定”的本质。

四、装置构建层面

传统地面观测在观测装置的构建方面有三个局限，第一，观测装置需要数十平方公里平坦开阔的地盘来建台站，受地盘条件限制，很多区域(如汶川这样的重点区)、人口密集的核心城市急需防震减灾的地区因地盘条件限制、地面建筑物限制而不能建台站；第二，构建一个传统地面台站需要数百根电杆、几千米线路，需要人员常年值守，建站和运行的成本过高，限制了建站的密度和数量，迫使现有台站间距数百、数千公里，前兆信息不衔接甚至观测不到；第三，随着社会经济的发展、地价的升值，传统地面观测用地与经济建设的矛盾日益突出，传统地面观测方式不再适应当今环境。而“地电垂直观测技术”就是针对上述三点局限提出来的，为适应当今环境、为满现实足需求而诞生的新型实用观测技术。垂直装置构建、运行(无人值守)成本低廉。

五、垂直观测实验、验证层面

传统地面观测已经走过整整50年的历程，甘肃省地震局在研究、探索、实验和验证井下水平观测效能方面的工作也已经走过了间接20年的历程，1996年安海静等人在环境与装置稳定性、电极结构与稳定性关系实验的基础上，又经过2005年对井下观测专用电缆模拟井下高压强环境的一系列实验、测试，完成其材质、结构与绝缘指标的认定工作，这些工作的结果不仅服务于井下水平观测同样也适用于垂直观测，2010—2016年连续7年时间里以台站建设、改造工程为契机，完成21个垂直测道(天水1、武都2、平凉6、新疆昌吉4、观象台8)的实模式实验、改进、观测效能验证验证实例，2016年9月刚刚建成兰州观象台“垂直实验观测示范工程”就是一个专门的垂直观测效能验证实例。垂直实验和效能验证涉及5个台站的21个观测测道，甘肃局在地电垂直观测实验工作方面的规模在国内首屈一指。

六、垂直观测探索研究层面

甘肃省地震局基于行业一些理论研究成果，认定井下观测具有的前兆意义，并在“地电井下观测技术”方面投入大量人力财力资助各项实验，特别是在工程实践中的探索研究；得到中国地震局地震科技星火计划两项攻关项目资助(XH11025)、(XH12047)，促进了实用化的井下观测技术研究、台站运行技术的研究，特别是杜绝了没有工程实践支撑的空心化研究、甚至是碍于井下观测装置构建、不利于井下装置长期稳定性运行的某些负面结论。

七、观测方法层面

无论是传统地面观测、新型的井下水平观测还是本新型所述的垂直观测其理论观测方法都是完全一致的，不存在理论观测方法的任何改变，只是观测方式的改变而已。

八、技术指标认同层面

借助甘肃省地震局地电井下观测技术建成的井下观测装置，其长期稳定性、产出观测资料的质量指标得到全国同行业学者、专家和工程技术人员的一致认同。

九、甘肃省地震局地电井下观测技术特有的技术指标和测试功能

甘肃省地震局的“地电井下观测技术”有自己更加严格、高于《地电观测规范》的技术指标和解决实际问题的途径，主要有:

1.井下装置的长期稳定性，具体指标为井下装置使用寿命20年(由于目前暂未得到20年的验证，故称为目标使用寿命)；

相对比，传统地面观测装置架空线路，风吹日晒线路绝缘性能下降，每5--7年(有地方的2年)须更换外线路和电极，井下观测把使用寿命提高三倍以上。

2.干扰地区，井下目标观测分量年度常态变幅0.3--0.8％；而同一观测场地、同一极距参数、同一观测时段的地面观测结果年度常态变幅7-33％(例如天水)，相对比，分辨能力提高一个量级。

3.补充和完善了井下装置自身的测试、界定功能，这些功能可协助完成与前兆信息紧密相关的一些界定事项，当观测资料中出现异常时，可借助这些功能完成的具体事项界定，消除疑问，这些疑问是:

(1)是外线路绝缘还是场源信息(绝缘测试功能)；

(2)是外线路通断还是场源信息(通断测试功能)；

(3)是井下电极与外线路接触不良还是场源信息(接触测试功能)；

(4)是井下装置使用寿命到期还是外场源(借助上述测试，可界定装置的使用寿命)；

(5)是电极接地电阻问题还是外场源(接地电阻测试功能)；

(6)是仪器自身问题还是外场源(跟踪验证功能)。跟踪验证装置自2011年起甘肃省地震局在天水、平凉等工程中已经成熟应用(甘肃局特有的)。

十、地电井下观测已知和未知风险层面

井下观测有很大的优势，但也有更多的风险，这是井下观测方式特有的风险，主要是装置构建方面的风险，构建工艺不良则装置的长期稳定性和技术指标大打折扣，严重影响观测效能，严格地说巨额投资打为水漂。除此之外，地下介质看不见摸不着，钻孔有打在金属矿床上的风险，例如武都汉王台就是如此，地下是磁铁矿，前兆意义的视电阻率变小，再小也小不过金属矿床(0.04Ωm)！幸好汉王台当初构建了垂直观测分量，避开了深部的磁铁矿床，弥补了该台站的目标观测分量。

井下观测或许还存在目前尚未遇到过的其它未知风险。

发明内容

本实用新型是为改善在干扰环境下，现有地电地面观测方式易受各种干扰、台站产出观测资料常态变幅过大、制约观测效能问题；改善地面观测方式占地面积大、受地盘限制而不能在震情需求区域建台站观测、台站建设和运维成本过高，这些因素导致台站间距过大、台站之间异常信息不能衔接而制约前兆效能而提出的一种地电垂直观测装置。

本实用新型为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：一种地电垂直观测装置，所述地电垂直观测装置设置有大于三个地电单台站构成的多台站组网；所述地电单台站之间的间距为60km-80km。

进一步，所述地电单台站包括：七个电极和由七个电极组成的三个测道。

进一步，所述地电单台站电极一至电极四构成测道一；其中：电极一为A1、电极四为B1、电极二为M1、电极三为N1；

电极四至电极七构成测道二；其中：电极四为A2、电极七为B2、电极五为M2、电极六为N2；

电极一至电极七构成测道三；其中：电极一为A3、电极七为B3、电极三为M3、电极五为N3。

进一步，电极一与地面距离≥40m，相邻电极间距≥15m；每个测道中间隔一个电极的两个电极构成MN极距，每个测道中首尾两个电极构成AB极距，MN/AB极距比值为1/5～1/3。

进一步，所述设置大于三个单台组成观测网。

本实用新型具有的优点和积极效果是：在干扰环境下，现有地电地面观测方式易受各种干扰、台站产出观测资料常态变幅过大、质量指标过低，制约观测效能；而本实用新型所述的垂直观测技术能够抑制干扰，提高观测效能；

现有地面观测方式占地面积大、受地盘限制而不能在震情需求区域建台站观测，并且建设和运行维护成本过高，这些因素导致台站间距过大、台站之间异常信息不能衔接而制约前兆效能；而本实用新型每个台站只有一个钻孔，因此不受地盘限制、成本低，易实现台站间距合理和台站之间异常信息衔接，便于易识别异常，从而体现垂直观测台站的前兆效能。

本实用新型通过所述的“单孔垂直观测装置典型技术参数”来约束井下装置的构建，从而达到抑制各种干扰、提高观测效能的目的；通过“限定台站与台站之间的间距和台站数量”来保障前兆信息的有效衔接，从而达到了提高地电前兆效能的目的。

传统的地面观测装置1个测道AB极距1.5km长，每个台站3个测道需要占用的地盘、电杆、外线路十分庞大。传统的地面观测装置占地面积大、台站的建设成本、运行成本、维护成本高，但是，由于地面干扰强、季节性年变大，产出的观测资料质量偏低，在干扰较大的台站目标观测物理量---原始视电阻率(ρs)曲线年度常态变幅高达几十％，已经失去了分辨前兆异常变幅(约7％)的前提，而同一台站，用本实用新型所述的垂直观测方式，年度常态变幅0.8％左右，分辨率指标至少提高了两个量级。

本实用新型的观测技术、观测装置具有规范的实用意义。

附图说明

图1是本实用新型实施例提供的一个地电单台站井下垂直观测装置的结构示意图。

图2是本实用新型实施例提供的多个台站平面分布图和台站之间间距参数示意图。

图中：1、地电多台站组网；2、地电单台站；3、测道一；4、测道二；5、测道三。

具体实施方式

为能进一步了解本实用新型的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下。

下面结合图对本实用新型的结构作详细的描述。

如图1和图2所示，本实用新型实施例提供的地电垂直观测装置，所述地电垂直观测装置设置有大于三个地电单台站2构成的地电多台站组网1；所述地电单台站之间的间距为60km-80km。

进一步，所述地电单台站2包括：七个电极和由七个电极组成的三个测道。

进一步，所述地电单台站2电极一至电极四构成测道一3；其中：电极一为A1、电极四为B1、电极二为M1、电极三为N1；

电极四至电极七构成测道二4；其中：电极四为A2、电极七为B2、电极五为M2、电极六为N2；

电极一至电极七构成测道三5；其中：电极一为A3、电极七为B3、电极三为M3、电极五为N3。

电极一与地面距离≥40m，相邻电极间距≥15m；每个测道中间隔一个电极的两个电极构成MN极距，每个测道中首尾两个电极构成AB极距，MN/AB极距比值为1/5～1/3。

下面结合具体实施例对本实用新型的结构作进一步的描述(第一部分)。

一、单台站构建典型参数

为了保障观测效能，本实用新型对单个台站井下观测装置的构建做以下3点约束:

1.电极1与地面距离≥40m，电极间距须≥15m；MN/AB极距须在1/5-1/3范围；可选择在井口附近做一个分量的地面对比，来见证同一观测场地井下抑制干扰的效能，对比观测分量极距参数须与井下相同。

2.井下观测装置宜建在地势相对较低处，不可建在半山腰或山顶上；宜远离水库、河流，防止地面积水渗入钻孔(钻孔虽然是全回填状态，但仍有渗入可能)。

3.观测室建在井口或者附近，使线路尽可能短，便于保护和降低成本，线路必须是全地埋方式布设，地埋深度须大于冻土层厚度，利于长期保护。

二、观测效能的含义和内容

观测效能是针对单台站而言的，也是与传统地面观测比较而言的，其含义有以下3点:

1.能够抑制地电观测中最棘手的电磁干扰，年度时段原始视电阻率(ρs)走时曲线的常态变幅＜1％(含极小幅度季节性年变和观测系统噪声在内)；而同一观测场地、同一极距参数、同一观测时段的地面观测＞10％。

2.井下ρs走时曲线构成平缓、连续，无大幅度阶跃性突跳，装置运行稳定；相反，地面观测中由于干扰原因阶跃性突跳在所难免。

3.室外地下、井下装置免维护，井下装置目标使用寿命20年；相反，传统地面观测中由于架空线路风吹日晒易老化，外线路绝缘2年出现下降，5-7年必须更换外线路和电极。

就上述3个方面而言，在强干扰地区，井下观测与地面观测相比，前者的观测效能十分突出。

三、多台站组网

多个台站(点)组网有“间距”和“数量”两个要素，一是指多个台站之间的合理间距参数，其特征在于60km-80km；二是指观测网中的台站数量，其特征是≥3个(附图2中是12个，并且由12个台站包围了假设的重点区)，这是为了保证临近台站前兆信息的衔接，提高前兆效能而限定的，实际使用中依据需求灵活调整台站数量。

四、前兆效能的含义和内容

前兆效能是针对整体观网络而言的，主体含义有以下4点：

1.建立若干个有效观测台站(点)，且台站间距合理，保障潜在震源区邻近的一些台站所观测到的前兆信息有较好的衔接，互为映证。不再是传统地面观测中数百km、甚至数千km间距，遇到异常难以识别、无从界定的状况。

2.根据莱特定律，异常变幅≥3倍常态变幅时认定为异常，而本新型给出的装置可识别＞2倍常态变幅异常，并且多个台站互相映证，这就是N个台站组成观测网、体现前兆效能的优势所在；

3.井下观测中连续性、多站点映证的“异常变幅”具有前兆意义，而不再是传统地面观测中的似有似无(不能认定是季节性年变还是异常)，无所是从的“多种因素、多种可能”状况。

4.“震中距”是与前兆效能密切相关的要素，本实用新型限定台站间距，就是为了台站获得潜在震源的有效震中距，本新型一般不宜包含震中距＞2倍限定值即160km以外的前兆信息。

观测效能与前兆效能二者之间的关系是：前兆效能是根本、是最终目的，而观测效能是前提、是基本条件。

下面结合具体实施例对本实用新型的结构作进一步描述(第二部分)。

一、年度常态变幅

视电阻率走时曲线的年度变幅必然涵盖了季节性年变弊端，季节性年变对观测来说是一种固有干扰，人们希望常态幅度越小越好；这里所述的“常态变幅”(相对原始曲线低点的变化幅度)可直衡量观测资料的质量，好在保持了原始数据及原始曲线，无需做数据处理，简便易行。甘肃局的井下观测技术在探索实验时期垂直观测常态变幅较大(6-8％，例如天水)，变幅指标很不理想，之后经过很长时间的研究改进，改进后又付诸实际工程做效能验证，验证表明：垂直分量可取得年度常态变幅0.4-0.8％高指标，达到了理想水平(例如平凉)，比我国《地电观测规范》≤3％的指标高出一个量级。

事实上，前兆意义的异常变幅也很有限，例如汶川8.0级地震前，郫县电阻率异常幅度7.2％，而震中距仅36km；唐山地震前京津唐地区14个台站反映出前兆信息的仅有靠近震源的9个台站，而且异常变幅多在5％左右。可见，干扰地区常态变幅大于7.2％时，失去了分辨前兆异常信息的前提。

二、限定台站间距60km-80km

灾害性地震发生是个低概率事件，得到可靠前兆信息的概率就更低了，原因何在？传统观测站点间距大就是一个不利因素，一般几百公里甚至几千公里大间距，而一些观测震例表明，有效观测距离并不大，例如2008年汶川地震前，郫县电阻率下降7.2％，而震中距仅36km；唐山7.8级地震前京津唐地区14个台站反映出前兆信息的9个台站震中距多在一百km内；2013年甘肃定西岷漳6.6级地震前156km处的天水地电观井下观测系统的两套仪器观测到的异常变幅仅0.4％(该分量常态变幅0.2％)，现实表明有效震中距一般不超过100km。本实用新型限定站点间距为60-80km已经是需求与现实两个因素的最大折中；至于站点数量则取决于对监测面积的需求。单个台站大体监测面积1万平方公里(即πr²＝3.14*60²＝1.1万平方公里)，至于N个台站分布形状无需限定，或沿活动断裂分布或依监测区域分布。

本实用新型监测对象以5级以上破坏性地震为主。

三、垂直观测分量装置系数的计算

地震地电观测的目的是获取观测区地下介质视电阻率(ρs，Ωm)随时间的变化，所以，观测方式必然是时间域的连续观测，从连续观测结果中解析出可能的孕震前兆信息，前兆信息在观测资料中多为系统性(不是个别测值)下降或上升变化，变化量以相对变化幅度的百分数来度量。其观测原理是一种成熟的地球物理勘探方法——“直流电阻率法”原理，已经成熟应用数十年，本实用新型仍严格遵循电阻率法的观测原理。但与传统地面观测相比，埋深较大、AB极距较小的垂直观测更接近于“全空间”观测，例如图1中的测道2，装置系数理为传统地面观测方式系数的2倍，即K值乘以2为宜。但是，对于测道3而言K值乘2就不尽合理了，可参照王兰炜等人给出的计算公式。

为了更加准确表述观测方式、观测结果的获取，特别是计算两种装置系数(K值)的计算，下面分别列举计算过程：

1.传统地面观测

传统的地电地面观测一般由2-3个测道组成，这里仅举例1个测道(其它两个测道雷同)。供电电极(A、B)极距为1500m，测量电极(M、N)极距为500m，典型温纳装置；稳流供电电流为I(A)，电流经A、B电极流经大地构成回路，在回路中的测量电极M、N两端获取人工电位差V(v)，则得到目标观测物理量ρs(Ωm)。

ρs(Ωm)＝K*V(v)/I(A)

式中的K为装置系数，其值取决于极距参数，在本例极距参数确定的前提下，K＝2π*500＝3142。

2.垂直观测

本实用新型实例中，一个台站由3个垂直测道组成，以第二测道为例(图1)，电极4为A2、电极7为B2、电极5为M2、电极6为N2；

ρs(Ωm)＝K*V(v)/I(A)

式中的K为装置系数，其值取决于电极间距参数，在本例中确定的电极间距为20m，也是典型的温纳装置，在参数在确定的前提下，由于垂直观测中电流近“全空间”状态分布，或视为全空间，故K＝2*2π*20＝251。

四、井下观测的风险和遇到的风险实例

与地面观测相比井下观测有着特殊的风险，例如已经遇到武都地电井下观测台，155米深度介质电阻率超低(0.04)的状况，事后才查明深部介质系“磁铁矿”，磁铁矿的电阻率值超低(10^-4-10^-2)，介质视电阻率值已经超出观测仪器量程(1.00-299.99)的下限，不能精确观测是一个方面，另一个方面是超低阻介质没有前兆意义，这就是已经遇到的风险实例。

那么，武都井下观测是不是就此废弃呢？当然不是！恰恰是特殊情况下的最大成功，成功就成功在当初设立了两个钻孔的垂直观测，即孔6、孔7中设立两个垂直分量，用垂直分量作为武都地电井下观测的目标分量，几年以来产出的垂直观测资料常态变幅1.6-2.8％，达到了地电《观测技术规范》中≤3％的指标，也达到了井下观测抑制干扰的目标。

为了表述井下观测的风险，这里把武都汉王地电台自方案论证到产出观测资料的全过程记述如下:

甘肃武都汉王地电井下观测台站位于市区城郊，距当地一所变电站较近，为了减轻干设计的钻孔较深(155m)，外场地建设完成接入仪器观测时出乎意料的事件发生了，其它测道均正常，而3个井下水平测道视电阻率值低得出奇，仅为0.04Ωm，这是地面观测50年以来从未有过的事件，经过赵家骝教授人工测试验证确认井下装置完好，并认定井下介质视电阻率0.04的现实，0.04超出了仪器量程下限，无论任何原因，即便是变化0.01，变幅则达25％，显然，井下水平分量不能作为目标观测分量。汉王是个特例，这种风险不影响井下观测方式的开展和技术改造，给人们一个风险的实例。

汉王方案在孔6、孔7中安装了两个“垂直测道”专用电极，垂直测道的测值分别为24、30Ωm左右，完全满足仪器量程，观测结果也比较理想。这一点可以用下面两点来见证：

1.同一台站的比较：垂直ρs年度曲线常态变幅指标1.7-3.1％，表2是观测三年以来各测道的常态变幅。可见，远好于地面12.04％变幅指标。

表2汉王各分量年变幅一览表

注：表1中2014年孔6变幅为20.12％的原因，系两套仪器观测时间冲突所致。

2.汉王垂直于与其它无干扰地面观测台站常态变幅指标的对比：例如基本无干扰的嘉峪关地电台2015年两条曲线的相对变幅分布为2.16％、2.41％，与汉王垂直持平。

由上述两个方面的比较来看，在强干扰城郊汉王台站垂直观测达到了“抑制电磁干扰、产出合格观测资料”的目标。

汉王井下介质是“磁铁矿”，磁铁矿的电阻率为10^-6-10^-2，含铁量,37％-55％，密度4.9-5.3，弱磁性，物理性状为黑色固体，这是仪器安装产出观测资料后才专门查证的。之前包括多次论证、测深曲线解释等，均没有任何迹象提示存在超低电阻率介质。可见，不为人知的金属矿床是地电井下观测的风险之一。

五、甘肃省地震局地电井观测技术的背景

甘肃省地震局探索研究地电井下观测技术的时间较长，经过充分的技术准备之后于2010年立项“地电观测技术改造”，投入巨资先后完成和协助完成省内外多个地电井下观测项目，至目前完成井下观测分量72个，相当于20个传统地面观测台站分量之和。在这过程中最重要的不是完成台站观测装置改造、取得优质的观测资料，而重要的是探索、实验、解决装置构建中的种种现实问题，期间面对运行需求结合地电井下观测技术研究，完成与之紧密相关的中国地震局地震科技星火计划两项公关课题，从而夯实了甘肃省地震局特有的“地电井下观测技术”。

2004年“十五”数字网络工程建设中，实验完成井下、地埋专用电缆的材质、结构与功能需求、与绝缘指标关系的一些实验，确认其指标，之后若干年相继开展了电缆的耐候性实验等工作。绝缘指标认定后的电缆广泛应用于2005年及其以后的各种地电建设项目，连续运行10年之后(2014年12月)复核验证了该电缆绝缘指标，结果表明绝缘仍达300MΩ，远高于《地电观测规范》≥10MΩ的指标要求，电缆质地柔软、光泽如初，其物理性状完好。据此推测本实用新型所建成的井下观测装置使用寿命可达20年(目标使用寿命)，这已经比传统地面观测实际寿命5-7年提高了3倍。这也是探索与实践紧密结合的结果。

观测资料的常态变幅是检验本实用新型(技术)观测效能的试金石，本实用新型2013年已在甘肃局平凉地电井下观测工程中专门构建了6个分量的垂直观测，经过3年多的观测见证了电磁干扰的效能，年度常态变幅0.2％-0.8％，与井下水平观测持平；相反，同场地、同时段、同极距参数的地面观测由于各种干扰的原因，常态变幅超过10％，二者相比，垂直观测常态变幅指标比地面提高两个量级，0.2-0.8％这是传统地面观测史上从未有过的指标。

事实上，井下观测已走过30年的历程，一直处于实验探索阶段，主要原因是井下装置构建不过关、使用寿命和长期稳定性受到限制，而甘肃省地震局专攻构建技术，补充和完善了多项装置本身技术指标的测试功能，提高了长期运行稳定性。使井下观测从探索实验层面走向现实应用。

“前兆效能”是基于“观测效能”的更高层次，是根本、是目标，本实用新型所述的“垂直观测、多站点组网”技术就是针对前兆效能的而提出的，它是甘肃省地震局“地电井下观测技术”的一个分枝，是甘肃省地震局在地电观测技术方面的创新。

专家担忧井下电极相对位置稳定的问题，这个问题早在2010年实验中妥善地解决，连续多年的走时曲线平滑、井下装置运行稳定、观测资料就是最好的见证。

垂直观测装置运行的可靠性、稳定性是垂直观测的根本问题，从认识到实验，从实验到安装工艺，从产出资料到长期稳定环环相扣，走时曲线就是有力的证据。这也是本实用新型申报的基石之一。

本实用新型甘肃省地震局投入大量人力财力投入实验、验证，从最初实验到后来的工程验证，经过间接20年的历程，可以说在观测效能方面有着扎实的实验根基和充分的实模式验证，从而认定观测效能。

平凉三年的常态变幅只有0.56％、0.52％、0.61％，这属于地下介质固有的微小变化(当然，含小幅度季节性年变和装置固有噪声在内)，证明电极位置很稳定。相反，也有一例事实证明，当电极位置有0.8m左右变化时，ρs曲线产生约1％的台阶，这一事实是天水垂直分量在地面新增一块电极，也是一次很好的实模式实验证。

六、地电井下观测的社会效益、经济效益分析

地电单孔垂直观测、多台站组网观测技术是建立在“地面观测”方式基础上的全新观测方式，故分析“两个效益”必采用对比的办法来表述，为了表述简洁特约定把二者简称为“地面、垂直”，按内容分10个方面：

1、观测资料质量高--常态变幅小

以2008年汶川8.0级地震为例，郫县台站ρs异常变幅7.2％，震中距36km，这就意味着当ρs常态变幅大于7.2％时，观测资料将失去分辨异常信息的前提。在强电磁干扰地区，干扰对地面观测造成的常态变幅往往大于几十甚至几百％，失去观测意义。而干扰性游离电流没有垂直流动机制，故在垂直方向上理当没有干扰电位差(或者很小)，也就从根本上克服了电磁干扰。实际台站中是这样：以平凉为例，地面＞10％，垂直0.4-0.8％。

井下产出观测资料质量高，是甘肃省地震局“地电井下观测技术”最根本的社会效益。

2、季节性年变幅小

地电观测的目的是获取潜在地震前兆信息，需要的并不是季节性因素引起的不规则性年变，因此，年变是一种干扰、是一种与地面观测方式相伴生的弊端，即便是在没有电磁干扰的优秀台站，3％左右的年变弊端仍然存在；而井下温度、湿度环境稳定，季节性变幅自然很小0.4-0.8％(可以忽略不计)，分辨能力得到大幅提高。

3、避免外线路引雷电

地面观测架空外线路长达2-4km，常常由于外线路引雷造成设备损坏，需投入大量财力解决雷电问题，事实上雷电问题并不能从根本上解决，这也是电阻率台站需要人员值守的原因之一，而垂直观测不存在外露线路，从根本上消除雷击隐患，可以实现无人值守运行，安全性得到大幅提高，成本得到大幅降低。

4、天然因素、人文因素方面的干扰

地面观测中电极埋在地面2m，降雨、降雪等天然因素以及灌溉、耕地、蔬菜大棚、金属管线等人文因素造成干扰在所难免，已经发表1万多篇论文中作了分析，但干扰的形成机制存在干扰依旧存在，论文并没有解决观测中的实际问题；而垂直观测电极在地面以下数十、数百米深处，且钻孔回填，不存在上述干扰形成的机制，垂直观测产出的观测资料质量与地面相比得到大幅提高(两个量级)。

5、“风扰”的弊端

地面观测中数千米长的架空外线路，由于刮风吹动电线摆动切割地磁场产生感生电流，感生电流对观测造成随机性干扰，一些论文中称这种干扰为“风扰”；而垂直观测外线路在钻孔中，且钻孔回填密实，不存在“风扰”形成机制。

以上5个方面是社会效益的简单分析，下面简要分析经济效益。

6、台站的构建成本

传统的地面观测台站需要数千米电缆、数百根电杆等，原材料费高，架设施工人工费、地面损坏赔偿费也高，3项合计不低于50万/台站，值守人员生活用房等费用不低于50万，合计100万；而垂直观测无需人员值守、无需电杆、无需高额赔偿，钻孔费是主体成本，总土建成30万，建台成本不足地面1/3。

7、20年运行成本

据有关规定，传统地面观测台站需3人值守，人员工资加之其他费用，每年运行费至少20万元，而垂直观测自初始设计为无人值守方式运行，每年运行费用不足0.5万元；地面观测中架空线路因风吹日晒易老化，绝缘指标下降5-7年必须更换线路和电极，工料成本50万以上,7年使用寿命，而井下装置使用寿命20年。如果按20年周期估算成本，地面＞600万元，垂直不足20万元。

8、观测与经济建设用地的矛盾

地面观测占地面积大，当今随着土地用途变更、地价不断升值，观测用地与经济建设的矛盾越来越突出，越来越尖锐，观测环境保护的难度越来越大。而垂直观测就一口钻孔，并且钻孔回填后照样可以恢复原有的耕种或其他用途，矛盾得到缓解或者消除。

9、受地盘限制问题

传统地面观测需要数十平方公里的平坦、开阔地地盘来布设观测设施，占地规模大(每4个电极为一个测道，跨度≥1000m，每个台站2-3个测道)，在人密集的大城市或者迫切需要防震减灾的汶川山沟恰恰不能建站观测，不能发挥地电的前兆效能；而垂直观测无论在房前屋后、地角路边均可实施观测，几乎不受地盘限制，社会效益、经济效益双丰收。

10、发挥地电应有的前兆效能

地电井下观测的初衷是抑制日益严重的电磁干扰。然而，甘肃省地震局在抑制干扰的艰难征途中付出了更多的艰辛，目的在于“使地电从干扰的深渊中走出来，向着前兆效能的领域走进去”，“走出来、走进去”是单孔垂直观测、多站点组网(即本新型)的目标所在。

六、甘肃局地电井下观测技术的应用现状

自2010年以来借助甘肃局“地电井下观测技术”建成的观测分量见表3，这里表3仅用做分量数统计(即表3左侧分量序号)，包括实验在内已完成57个观分量，分量数相当于20个传统地面观测台站。

表3井下观测分量统计表

从表2可以看出3点：

1.甘肃局技术“建成的分量数总和”以及这些分量所在的台站；

2.甘肃局技术完成的实验、观测效能验证工作方面的工作量；

3.投入正式观测的目标分量数。

传统地面观测一般每个台站只有2-3个分量，而本表中的分量数已经达到57个，相当于20个传统地面观测台站的分量合计数。

七、垂直分量装置系数的计算

地电观测50年以来一直采用地面观测，K值一直以“半空间”计算，这是合理的；对于全空间的K值计算则地面K值乘以2。而井下观测中往往遇到情况是：既不是半空间又不足全空间的状态，特别是垂直观测分量，合理的K值计算还有待理论研究结果给出相应合理的计算公式。

好在K值不影响相对变幅这个前兆目标，与物探不同，前兆需求的相对变化幅度，从变化幅度中解析前兆信息，无论求取什么K值，视电阻率走时曲线的相对变幅不变，即观测资料不失去前兆意义，所以，K值并不影响对前兆信息的分析，当然有科学、合理K值计算公式更好，问题是当前还没有。

八、垂直观测展望

本实用新型旨在提高地电学科的两个效能(观测效能、前兆效能)，使地电观测从干扰的深渊中走出来，向着前兆效能的领域走进去，适应当今观测环境，为高效率低成本运行尝试新的途径，真正发挥地电应有的前兆效能，真正发挥现有高精度观测仪器装备的效能(笔者个人认为现有地面装置并没有发挥好现有仪器的效能，特别是干扰地区产出的观测资料指标太低)。

展望：基于“单孔垂直观测、多站(点)组网”技术，在重点区建立低成本高效能震害防御系统，在人口众多的核心城市及周边建立有效的震害防御系统，通过长期坚持观测捕捉地震前兆信息，为社会稳定、为减少生命财产损失做出贡献，识别震兆、减轻震害，使唐山、汶川悲剧不再重演。

以上所述仅是对本实用新型的较佳实施例而已，并非对本实用新型作任何形式上的限制，凡是依据本实用新型的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均属于本实用新型技术方案的范围内。

Claims (1)

1.一种地电阻率垂直观测装置，其特征在于，所述地电阻率垂直观测装置设置有大于三个地电单台站构成的多台站组成观测网络；所述地电单台站之间的间距为60km-80km；

所述地电单台站包括：七个电极和由七个电极组成的三个测道；

所述地电单台站电极一至电极四构成测道一；电极四至电极七构成测道二；电极一至电极七构成测道三；

电极一与地面距离≥40m，相邻电极间距≥15m；每个测道中间的两个电极构成MN极距，测道中首尾两个电极构成AB极距，MN/AB极距比值为1/5～1/3。