地震地电场前兆观测方法创新及应用
——深井电极垂向地电场观测方法及应用

李桂清，何 跃，李红梅，贾 婧，张 帆，董 爽，刘 荣

(1.河南濮阳市地震台，河南 濮阳 457000;2.河南清丰县地震台，河南 清丰 457300)

0 引言

地电场是重要的地球物理场之一，是地电学科研究的重要对象。目前，在希腊、法国、日本等多个国家已经开展地电场观测工作，获得一系列与地震活动有关的地电场数据。我国地电场观测始于1966年邢台地震之后，先后经历大地电流场模拟观测、自然电场模拟观测和数字化地电场观测等阶段。目前，已建成100多个台站组成的数字化地电场观测网，基本覆盖我国主要活动构造带、地震重点监视区和经济比较发达地区。经过40多年的国内外观测实践，地电场观测方法已经基本成熟，在地球科学研究和地震监测预测活动中发挥着重要作用。

1 现行地电场观测方法[1-2]

地电场测量时，需要对至少两个不同方向的分量进行同时测量。通常情况下，选择东西方向和南北方向(正交方向)进行测量(见图1)。

地电场分量值的测量方法如图2所示。实际测量中，在地表分量值的测线方向埋设两个电极，形成一个测道，测量两个电极之间的电位差及其变化情况。

实际观测中，地电场观测装置(电极)的布设通常采用“十”字布设、“L”型布设或多“L”型布设的“多方向、多极距”方式(见第49页图3)。

图1 地电场观测原理示意图Fig.1 Principle of geoelectric field observation

图2 地电场分量值观测(测道)原理示意图Fig.2 Principle of the components value (measuring lines) of geoelectric field observation

为保证地电场测量数据的准确性和可靠性，及时检测和排除测量系统中可能出现的有关问题，我国现行的地电场观测中均采用“多方向、多极距”的电极布设方法。即在至少两个不同方向上进行测量，每个测向布设至少两种不同极距测道进行对比观测。利用这种观测方法得到的地电场观测数据资料，可以通过计算同一测向不同测道之间观测数据的相关系数和差值，对其内在质量和可靠性进行分析和评估。

图3 地电场观测电极“十”字及多“L”型布设方式图Fig.3 The layout of “十” form and “L” form of electrodes for geoelectric field observation

随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，对地表地电学前兆观测带来越来越大的影响，干扰引起的异常变化覆盖了地震异常变化，使地电学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[3-7]。为排除各类电磁环境对地电场观测的干扰影响，有些台站开展了井下电极地电场观测[8-9](见图4)，电极深度几十米到几百米，取得了较好的观测效果。按照现行观测方法的规定，开展井下电极地电场观测，需要打多口深井。深井钻探费用较高，限制了井下电极地电场观测方法的推广应用。

图4 井下电极水平方向地电场观测示意图Fig.4 Geoelectric field observation of downhole electrode in horizontal direction

2 深井电极垂向地电场观测原理及方法[10]

井下电极地电场观测取得较好的观测效果，但多口深井的钻探费用太高，难以推广应用。下面对在1口深井中按不同深度安装电极，开展垂向地电场观测的可行性进行研究。

目前观测中，在地表2 m以下埋设电极，测量S、O、E点的地电学参数，获取地震前兆异常变化，进行地震预测预报(见图5)。如果将测量电极在深井中以垂直方向按不同深度埋设布置，则形成深井电极垂向地电场观测方法。设震源为P点，在地震孕育发展过程中，S、O、E点的电学参数发生变化，则地下不同岩层的地电学参数也会发生异常变化，即a、b、c、a′、b′、c′点的地电学参数也会发生异常变化。采用深井钻探技术，开展深井电极垂向地电场观测，将电极埋于井下，测量a、b、c、a′、b′、c′点的地电学参数，可获得地电学前兆异常变化。深井电极垂向地电场观测方法是可行的。深井电极垂向地电场观测方法原理如图6所示。

依照现行地电场“多方向、多极距”观测方法，根据经费实际情况，可采用不同的深井电极垂向地电场观测方式(单口或多口(3口)深井)。深井电极用PVC管为支撑，在深井中进行安装。

图5 深井电极地震地电学前兆异常示意图Fig.5 Seismic geoelectric precursory anomaly of deep well electrode

图6 深井电极垂向地电场观测示意图Fig.6 Geoelectric field observation of deep well electrode in vertical direction

2.1 单井多极距垂向地电场观测

在一口深井中，按不同岩性、不同深度安装多个电极，可组成在不同深度多个测道的垂向地电场观测，如图7所示。单井垂向地电场观测占地少，便于观测场地的选择。

图7 单井多极距地电场垂向观测图Fig.7 Geoelectric field observation in single well with multi polar distance in vertical direction

2.2 多井垂向地电场立体观测

采用深井钻探技术，按L型排列方式，打3个钻孔，可在不同深度、不同地点按东西、南北方向设置电极和观测探头，形成立体全方位观测，取得更好的观测效果(见图8)。

图8 深井电极垂向地电场多井全方位立体观测图Fig.8 Omni-directional stereoscopic observation of geoelectric field in multi deep well in vertical direction

2.3 综合观测

无论是单井垂向地电场观测还是多井垂向地电场立体观测，在深井钻孔中，还可在安装电极时，放入地磁观测、电磁辐射观测探头，或地热观测探头等，形成不同观测项目的综合观测系统。也可在不同观测孔的不同深度放入其他项目的观测探头，开展对比观测，提供更全面的观测资料。开展深井综合观测可充分利用深井资源，做到一井多用，获取更丰富的观测资料。

3 深井钢管作电极开展地电场观测的方法

开展深井电极地电场前兆观测，打好深井是关键。深井钻孔费用高，一般台站没有专项资金，无法打出深井钻孔，使得开展深井电极地电场观测存在困难。在一些年长的台站有地下流体或深井摆测震等观测项目，台站有打好几百米的深井，且下放了钢管。这些钢管能否用作电极来开展地电场前兆观测呢？依据上述垂向地电场观测技术思路，利用深井钢管也可开展地电场前兆观测。李桂清利用深井钢管作电极开展了地震地电场前兆观测实验研究，取得了较好的观测效果[11]。

开展地电场观测时至少需要2个电极，当有1个深井钢管时，需安装1个辅助电极与钢管组成电极对。根据深井电极垂向地电场观测思路和已有的井下电极观测结果，深井钢管深度应大于50 m，辅助电极距井管5～10 m，埋深5～10 m。这样，组成的电极对水平距离在10 m以内，垂向距离大于40 m，垂直深度大于水平距离，形成深井电极垂向地电场观测系统。

当台站有2个深井钢管时，可直接将其作为电极开展地电场观测。若2个井管深度相当，则可视为水平方向的地电场观测；若2个井管的深度差别较大(大于50 m)，又相距较近时，可视为深井电极垂向地电场观测；当两井管相距较远时，可视为水平方向观测。无论是水平方向还是垂直方向，只要电极的深度较大，可取得好的观测效果，就达到了观测的目的和要求(见图9)。

图9 深井钢管电极地电场观测示意图Fig.9 Geoelectric field observation of deep well steel tube electrode

4 深井电极垂向地电场观测方法应用

依据深井电极垂向地电场观测技术思路，在清丰县地震台打深井约100 m，在80 m、30 m和10 m深处安装测量电极，分别观测10 m～30 m和30 m～80 m的地电场，观测仪器为数字毫伏直流电压表。2016年的观测结果与濮阳及邻区小地震活动有较好的对应关系，如图10所示。2017年1月19日在清丰台增加300 m深井钢管电极与10 m电极的地电场观测，观测曲线如图11所示。2017年8月，对观测仪器进行升级改造，数字电压表更换为无纸记录仪进行观测。

图10 清丰台深井电极垂向地电场观测资料异常与地震关系图Fig.10 Relation between anomaly of geoelectric field observation data of deep well electrode in vertical direction at Qingfeng Station and earthquake

在濮阳市地震台，利用两口深井钢管开展深井钢管电极垂向地电场观测实验。两口井分别深250 m和500 m，相距约10 m，东西向排列。2014年8月开始观测，地电场观测资料异常与周围地震活动具有很好的对应关系。根据地电场观测资料异常进行了多次地震预测，取得了很好的观测效果[11]。

5 结论

现行地电场观测及其观测装置系统是按照“多方向、多极距”的方法进行布设。一般测量电极分别以南北、东西、北西进行布局，每个测项都有一长一短两个测道。现有地电场观测的不足之处是对地震台站的观测场地要求比较高，所布电极越多则占用的场地就越大。另外，就是抗干扰能力比较弱，易受超高压输电系统、轨道交通系统、大型用电设备、类金属管道系统以及对地表电性结构产生改变的类金属管线干扰等。

图11 清丰台深井钢管电极垂向地电场观测资料异常与地震关系图Fig.11 Relation between anomaly of geoelectric field observation data of deep well steel tube electrode in vertical direction at Qingfeng Station and earthquake

深井电极垂向地电场观测方法是可行的，无论是单井还是多井观测，其观测场地面积大大缩小，便于选取，还能有效排除干扰影响，更好地获取地震前兆信息，解决目前地电场观测推广中存在的场地选取困难及干扰影响问题。

开展深井电极垂向地电场观测，可充分利用深井钻孔这个条件，安装其他项目观测装置，开展综合观测，取得更丰富的观测资料。

利用已有台站的深井钢管作为电极，开展地电场前兆观测，开辟了地震前兆观测的新途径，有较好的观测效果，可在年长的台站增设地电场观测项目而不需要太大的投资，值得推广。

参考文献：

[1] 中国地震局.DB/T 34-2009 地震地电观测方法 地电场观测[S].北京：中国标准出版社，2009.

[2] 中国地震局监测预报司.地震电磁学理论基础与观测技术[M].北京：地震出版社，2010：222-239，429-447.

[3] 郭建芳，周剑青，佟鑫，等.地电场观测中的干扰因素分析[J].华北地震科学，2011(4)：38-43.

[4] 林向东，徐平，鲁跃.地电场观测中几种常见干扰[J].华北地震科学，2007(3)：16-22.

[5] 王锋，李伟，卜玉菲，等.南京地震台地电场观测干扰分析[J].高原地震，2014(3):47-51.

[6] 史红军.地电场观测过程中的干扰因素分析[J].东北地震研究，2009,25(2):51-57.

[7] 李桂清,厉天琴，彭淑丽，等.濮阳台地电波观测的干扰因素分析[J].高原地震,2004，16(3):69-70.

[8] 杨兴悦，杨立明，康云生，等.天水地震台井下地电观测系统介绍及其分析[J].地震研究,2012,35(1):92-97.

[9] 许忠祥，安张辉，于华，等.海安台井下与地表地电观测对比实验研究[J].地球物理学进展，2014，24(4)：1588-1596.

[10] 李桂清，杜喜超，陈继阔，等.地震地电学前兆深井立体综合观测技术思路[J].四川地震，2015(4)：29-31.

[11] 李桂清，李红梅.地震地电场前兆观测方法创新及应用——深井钢管电极地电场前兆观测方法及地震预测预报实践[J].科技创新与应用，2017(28)：30-32.