新建定西台地电阻率观测效能评估①

陈彦平, 闫万生, 马克博

(1.甘肃省地震局陇南地震监测中心站,甘肃 陇南 746000; 2. 甘肃省地震局兰州地震监测中心站，甘肃 兰州 730000)

中国开展地电阻率观测至今，在科学研究及地震预测中取得了实效[1-3]；就地震前兆观测手段而言，其优势明显，物理意义清楚，物理量明确[4]；尤其是观测数据无须作复杂的数学处理，仅通过直观的形态变化就可识别异常[5-8]。定西地电台建于1979年，属于国家基本台，其地电阻率观测资料连续可靠。2013年定西市政府规划建设，定西地电台搬迁至新建(离旧观测场地10 km)观测网点。新建的观测场地，勘选及建设，严格按照“地电台站建设规范”要求进行；台址条件符合地电观测的技术要求；观测系统建设符合地电阻率建设规范[9]；观测符合规定的观测方法[10]，保障产出的数据真实可靠。2014年3月建成安装及调试；2015年1月正式投入运行。 为了评估地电阻率观测系统的可靠性，电磁学科“台管组”制定了《地电阻率台站观测效能评估方案》①，按照“评估方案”的标准及思路，本文中对新建定西地电阻率测量系统进行全面的观测效能评估，以期为地震监测及科研提供参考。

1 新建定西地电阻率台基本情况

1.1 台址介绍

新建定西地电观测点位于定西市城西南12 km处的中川堡村，海拔2.0 km；该区域属于过渡性质的陇中盆地，发育了中等规模的多条走滑或逆断裂带，包括会宁—义岗断裂带和兴隆山断裂带，定西地电台地处两断裂带的延伸部位。观测区位于苦水沟洪积扇和西河子之间的Ⅱ级阶地上，黄土覆盖层厚，其下岩性为砂和沙砾石(图1)。

图1 定西地电台地理位置和测区地质构造及断裂分布图Fig.1 Geographical location, geological structure and fault distribution of the survey area of Dingxidi geoelectricity station

1.2 观测环境

观测场地属于农田，地形开阔，干扰源少，交通方便，呈南北走向的川道之中;适合地电阻率观测，台站观测室及观测环境(图2a)，地下介质电阻率呈低—高—低型(显示台基岩性),地电台电测深曲线为“K”型(图2b)；新建定西地电阻率观测网点，属于无人值守手段[11]。

新建定西地电阻率观测场地选建测试，未发现影响电磁环境的干扰源(选建测试结果：工频干扰测试、非工频干扰测试均合格)。测区及附近无大型用电设备及输电变压等设施，无变电所和工矿企业, 布极区无影响观测的金属管线,所以符合《地震台站观测环境技术要求》[12]和《地震台站观测技术规范》[9]要求。

图2 定西地电台观测环境及电测深曲线图(a) 定西地电台观测环境 (b) 定西地电台测深曲线图 Fig.2 Observation environment and sounding curve of Dingxi geoelectricity station

1.3 背景噪声

依据《地震及前兆数字观测技术规范(电场观测)》中的要求，场地观测的信噪比可用公式，

(1)

式中，VMN供为测量极上测得的由供电产生的人电位差；VMN扰为测量极上测得的背景扰动电压幅值(VMN扰≤0.01 mV)。根据公式分别计算出定西地电阻率NS、EW两个测向的VMN供值，其计算结果表1。计算结果远高于“规范”规定的信噪比不小于40 dB(电磁观测《地震及前兆数字观测技术规范》要求)。

表1 2015年1月至2020年7月定西台地电阻率观测信噪比统计表

图3 定西地电台观测布极及参数Fig.3 Distribution and parameters of Dingxi geoelectricity station observation

2 新建定西地电阻率台观测系统评价

2.1 装置系统

新建定西地电阻率观测，布极采用对称四极法，观测共设2个测道(NS和EW)，正“十”字布设;两道供电极距为A1B1=A3B3=1.5 km,测量极距为M1N1=M3N3=0.4 km，两道布极同等，计算装置系数一样(K=4.103 km);使用的电极为铅板(供电和测量的电极材质、大小统一，80 cm*100 cm)，埋深4 m(以减小地表干扰因素)，见图3；电极平铺，保证与地面充分接触，黄土回填；观测外线路采用铜芯、多层屏蔽的高绝缘电缆，整根无接头；采用木杆架空，杆顶横担、钢绞线用绝缘子方式固定线路。装置系统符合《地震台站建设规范 地电台站》[9]的要求。

2.2 测量系统

地电阻率观测是随时间变化的(动态)观测，为了达到观测实效，变化的(动态)观测系统要求满足4条：(1) 准确度高，以识别微弱的变化量；(2) 长期稳定性好，以保证真实地反映地下介质电性随时间的变化；(3) 抗干扰能力强，以提高实地观测的信噪比；(4)自动化程度高,减少人为因素的误差。

定西地电台2015年1月1日正式观测运行至今，使用仪器为中国地震局地壳应力所生产的ZD8M地电阻率仪(“十一五”背景场仪器)，该仪器满足观测系统要求的条件。仪器采样率为时值，每天整点测量，得到24个整点值；电压测量的准确度为：±(0.2%读数+0.005%满度值)，满足测量系统对地电阻率观测仪器的要求，且符合《地震台站观测技术规范》。

2.3 常规检查

按照《地震及前兆数字观测技术规范(电磁观测)》[13]的要求，将使用检查的标准仪器为0.01级的直流电位差计和0.005级的饱和标准电池，每年按时对标准仪器送计量部门进行年检。从历年的检查结果看，观测系统稳定，各类检查、标定结果均符合规范要求。每季度定期对外线路绝缘性能进行检查，并定期检查外负载。每半年定期检查各电极的接地电阻。每月定期巡视检查观测场地环境，保证了观测系统正常运行(表2)。

表2 新建定西台地电阻率装置系统电极接地电阻及测量线(钢绞线)绝缘电阻检测表

3 新建定西台地电阻率数据产出评价

新建定西台地电阻率观测，采用ZD8M地电仪观测系统(配套WL6B型稳流电源)，每天24小时整点观测，产出小时值和日均值，观测系统运行至今，观测数据连续、可靠(表3)。新建定西台地电阻率观测，采用精度高、稳定性强的ZD8M地电仪观测系统(配套WL6B型稳流电源)，整点观测，每天产出小时值和日均值；观测系统架设运行至今，系统稳定，产出数据有效率平均达98%以上(表3，统计时段是2015年1月至2020年10月)。

利用衡量观测系统内在质量(观测精度f)的公式，

(2)

其中，

(3)

(4)

式中，σn-1日均值为1天的ρs时均值的均方根误差；σn-1月均值为1月的ρs日均值的均方根误差；σn日均值为1天的ρs的整点值的σn-1的平均值；σn月均值为1个月σn日均值的平均值。σn-1和σn的值是评判地电阻率观测内在质量的关键。根据公式(2)，计算该台观测精度f值(表4)。

表4 新建定西地电阻率台观测精度(f)统计表

从表4看出，新建定西地电阻率台观测精度较高(f≈1)；为了更直观的检验观测值系统是否稳定、观测环境是否受干扰，绘制2015年1月至2020年7月定西地电观测电阻率日均方差σn-1图(图4)；根据规范要求，均方差代表本次测量的精度，此值应小于(0.1%测值+0.02 Ω·m)。从图4看出，定西地电观测NS、EW两道电阻率均方差σn-1均小于规定的0.120 Ω·m，而均方差σn-1值的大小是评判电阻率观测内在质量优劣的关键[14]。

4 新建定西台地电阻率观测数据映震效能

定西台地电观测NS向和EW向电阻率观测数据(视电阻率)，未作任何修饰和处理，只是用MapSIS作图工具从本区域库里调取数据，选取“ρs电阻率”的日均值作图，得到清晰的年变形态和异常变化形态如图5。从图5看出，该台地电阻率观测年变呈冬低夏高有规律的余弦变化；“破年变”异常时段，皆有地震发生。

从表5看出，年变幅度均小于≤3%，符合规范要求，说明观测资料真实可靠。

甘肃省属于地震多、灾害重的省份；东部地震活动受南北地震带控制，西部地震活动受祁连山—河西走廊地震带控制；而定西台地处南北地震带北段、祁连山—河西走廊地震带东段，多条断裂带交汇、转折复杂的区域；该区域发生有记载的大震多起(734年天水7.0级、1125年兰州7.0级、1352年会宁7.0级、1718年通渭7.5级)；最近发生的一次强震是2013年7月22定西市岷县、漳县交界的MS6.6地震；此次地震造成了重大的人员伤亡和财产损失[15]。

对照图5，分析统计2015年1月至2020年7月发生在南北地震带中、北段F1、F2两断裂带附近，Δ<350 km、MS>3.0的地震(表6)。有异常变幅均超过年变化幅度的3倍；有异常变化幅度占30%、无干扰源但有明显突跳占51%、异常不明显19%；定西地区属于半干旱地区，年均降雨量250～500 mm，因此降雨对于观测资料影响不明显。

图4 定西地电台2015年1月至2020年7月地电阻率均方差日均值曲线(a) NS向 (b) EW向Fig.4 Daily mean values of geoelectricity resistivity mean square error from January 2015 to July 2020 in Dingxi geoelectricity station

图5 2015年1月至2020年7月定西地电台地电阻率日均值曲线(a) NS向 (b) EW向Fig.5 Daily mean curve of geoelectricity from January 2015 to July 2020 in Dingxi geoelectricity station

表5 定西地电观测2015年1月至2020年7月年度变化幅度统计表

表6 定西台地电阻率异常变化对应地震统计表

以上只是统计新建观测场地对应的Δ<350 km、MS>3.0地震震例；这些震例说明，定西台地电观测记录了地下介质的电性结构的变化过程，是一定区域地下介质的电阻率发生变化的真实反映，它是研究地震短临预报的重要信息。震前异常反应的实例只是新建观测场地下的列举；定西台地电观测在地震前的异常变化是客观存在的，是地震孕育过程中地下介质变化在地电观测中的反映，记录了地下介质电性结构发生变化的过程，这是研究地震短临预报的重要信息及依据。

5 结 语

通过对定西地电台新场地的观测系统、台址条件、数据产出等方面的分析与评价，验证了测量系统(装置系统、测量系统)符合地电阻率台站的技术要求。同时，按照《地震及前兆数字观测技术规范(电场观测)》的要求，按时进行常规检查、测试和校准，结果观测系统运行正常。从观测场地、背景场环境、数据产出分析等方面看，定西地电台新场地的观测数据精度符合异常识别的指标要求。定西地电台新场地观测产出的数据连续、可靠，有清晰地年变、有较强的映震能力，表明观测数据内在质量较高；随着时间的推移，该观测资料对本区及邻近地区的地震监测、预报和地震科学研究将发挥更加重要的作用。