0 引言

地电阻率观测是中国地震监测的主要测项之一，至今已积累大量观测数据和科学研究成果，在方法理论、观测技术、观测数据应用等方面取得很大发展，在国内外地震电磁学领域占有一定地位(方炜，2009)。40多年来使用自然电位资料预报地震的研究相对较少(杜学彬等，2006)。自然电位和电阻率是相伴的2个独立地电参数，但对后者研究较广泛和深入(严兴等，2015；张国苓等，2015)。自然电位作为地电台站的正式观测项目，与地电阻率同时观测。各地电台积累了大量自然电位资料，但开展的研究较少，与自然电位复杂多变及人工观测时间间隔和数据处理不当均有关(陈开坊，1992；汪忠德，2008)。近年来，地表地电阻率及自然电位观测受到地表环境影响，地表地电阻率观测可持续性发展受到威胁，井下地电阻率观测由此成为目前发展方向之一(聂永安等，2010)。井下地电阻率观测是将原本埋在地表的电极装置深埋在地下，在地下水平向开展对称四极以及垂直方向(同一井下电极埋深不同)地电阻率观测。这种观测方式不但能有效抑制地表干扰，而且能有效化解地震观测与当地经济和社会发展之间的矛盾(解滔等，2012)。

平凉崆峒地震台地电阻率观测环境遭到破坏，经专家多次论证，在原址采用井下地电阻率观测方案，可使其继续发挥作用。目前地电阻率井下观测和多极距观测方式正逐步推广应用，有必要对平凉崆峒地震台井下地电阻率观测资料进行认真分析，在众多测道中电阻率测值均变化平稳，但井下100 m NS测道自然电位于03时出现规律的畸变现象，为此通过实验方式展开相关研究。

1 发现问题

平凉崆峒地震台深井电阻率观测系统(赵斐等，2015)于2014年1月进入试运行。自观测以来，井下100 m深度NS、EW水平测道电阻率测值正常，长期变化平稳，其中：NS水平测道自然电位每天03时、04时有畸变现象(测值于03时升高、04—05时下降)，且长期呈较规律变化，见图 1(a)；EW水平测道自然电位长期变化平稳，见图 1(b)。NS水平测道自然电位畸变现象产生的机理是什么？分析该现象的具体成因，有利于地电观测资料应用及装置系统检验。

2 观测实验 2.1 观测系统

平凉崆峒井下多极距电阻率观测系统包括浅层水平观测(井下2 m深度)1道、井下40 m水平观测2道、井下60 m水平观测1道、井下80 m水平观测1道、井下100 m水平观测2道、垂直观测6道和验证测量系统1道，共计14个测道，研究对象主要是NS向各测道。崆峒地震台深井电阻率布极见图 2，通道号、供电极、测量极与对应装置系数见表 1。

2.2 故障排查

崆峒地震台深井地电阻率井下100 m NS测道自然电位03—05时出现畸变现象，为此就观测仪器及装置系统展开排查工作：① 观测仪器检测：对ZD8MI多极距地电仪进行准确度检查，检验合格。更换仪器测量模块，使用备用仪器进行对比观测，自然电位畸变现象依然存在；② 装置系统稳定性检查：检查各测道外负载、电极接地电阻、观测室接地电阻、避雷装置及室内线路开关、接头和辅助设备，检查结果合格。

经由以上排查措施，认为当前采用的地电观测系统稳定。考虑到井下100 m NS测道自然电位03—05时畸变现象为长期规律变化，进一步检测发现，在畸变现象发生前，进行多极距日均值观测的测道9、测道10测量结束时井下100 m NS测道对应的22号、23号电极转而成为2测道供电极，而2个电极本身为井下100 m NS测道整点值观测的测量极，由此推断，多极距观测系统03时对22号、23号电极供电可能是造成自然电位畸变的主要原因。

2.3 实验

为检验井下100 m NS测道自然电位03—05时畸变现象成因，为此进行2组实验。具体实验如下。

2.3.1

实验1：不同仪器对比观测。采用ZD9A-Ⅱ地电场仪与ZD8MI地电仪并行观测，对比分析自然电位和电位差数据。

(1) 实验方法。2016年7月13日至22日，每天同一时间对22号、23号电极供电1次，测量2电极间ZD8MI地电仪整点自然电位及ZD9A-Ⅱ地电场仪电场分钟值。电位差由电场仪测量原理换算，即：ΔV = E·L，式中ΔV为电位差，E为观测值(此处为电场分钟值)，L为2电极间距离。

(2) 实验结果。2种观测仪器的10天测试结果数据曲线形态相似，见图 3中(a)图和(b)图，可见2条曲线畸变时段基本吻合，但数据变化幅度不同，其中：ZD8MI地电仪测量数据畸变幅度为38.8 mV，ZD9A-Ⅱ地电场仪测量数据畸变幅度达63.6 mV。造成此差异的原因是2种仪器采样率不同，地电仪为整点采样，不能完整记录电极充放电对电位的影响，而地电场仪为分钟采样，样本数量加密，能完整记录电极充放电对电位的影响过程。为此选取2016年7月13日2种仪器实验数据作同轴曲线对比，见图 3(c)，可见地电仪测量数值均落在地电场仪测量数据曲线上，表明2种仪器测量结果均正确，对22号、23号电极供电确实对自然电位造成影响。

实验1验证了电极供电对自然电位的影响，但无法判断具体哪个电极供电造成干扰，也不能判断干扰幅度及过程，因此设计实验2加以验证。

2.3.2

实验2：不同电极供电对比。选择ZD9A-Ⅱ地电场仪作为实验仪器，对6测道4个电极(21号、22号、23号、24号电极)采用不同模式供电，对比两电极间电位差测量结果，判断造成干扰的电极，对不同试验结果进行曲线拟合，即可得出干扰过程及干扰幅度。

(1) 实验方法。对21号、22号、23号、24号电极单独供电1次，使用ZD9A-Ⅱ地电场仪测量22号、23号电极间的电位差，采集24小时实验数据，观察供电干扰变化过程；对22号、23号电极同时供电1次，采集24小时2电极间电位差数据。

(2) 实验结果。对21号、24号电极单独供电和同时供电，不同供电模式下测量结果均正常，可见干扰非两电极造成。

对22号、23号电极单独供电，测量结果见图 4中(a)图和(b)图，可见：22号电极自然电位出现瞬时阶跃突跳，峰值达118.8 mV，后呈指数形态加速回落，3小时后趋于平缓，13时基本恢复正常；23号电极自然电位出现反向瞬时阶跃突跳，峰值达-50.7 mV，后加速回升，比22号电极回升速率慢，4小时后趋于平缓，14时基本恢复正常。对22号、23号电极同时供电，测量结果与上述电极单独供电的变化形态不同，见图 4(c)，与日常观测结果相似，观测曲线呈上升—下降—回升形态，14时前后恢复正常。电极单独供电下干扰幅度不同，恢复速率也不同，主要由供电电流大小与供电时长不同造成。

为验证22号、23号电极同时供电结果由单电极供电叠加造成，将2电极单独供电时采集的信号进行叠加，与同时供电测量结果进行同轴分析，见图 4(d)，可见实测结果与理论合成结果基本一致，表明：平凉崆峒地震台井下100 m NS测道自然电位畸变是由22号、23号电极同时供电造成的，干扰极大值为54.5 mV，干扰极小值为-7.5 mV，干扰时段为03—14时。值得说明的是，采用任何供电模式对电极供电，均对电阻率测值无影响。

2.4 结果验证实验

由崆峒地震台深井电阻率观测布极示意图(图 2)可知，参与结果验证实验的2、3、22、23号电极构成一个环路，由环路电势差之和恒等于零的原理，可以验证以上实验结果的正确性。假设2号电极为电势零点，2→3、3→23、23→22、22→2分别代表通路1—4，顺时针测量环路中各路段电位差，计算整个环路电位差之和进行验证。选取1天内未受干扰的6个不同时段的小时均值代表各通路的电位差值，测量及计算结果见表 2，可以看出，不同时段内环路电位差之和基本为零，表明：电极序号无错乱，线序正确，装置系统运行稳定，实验符合理论设计要求。

3 测值校正

通过上述实验分析，平凉崆峒地震台井下100 m NS测道自然电位受电极交叉供电干扰的时段和干扰幅度已经明确，为了消除干扰恢复真实的自然电位，对实验数据进行校正，具体方法如下：将实验中ZD9A-Ⅱ地电场仪观测的10天数据，解分为干扰时段(03—14时)和正常时段(除干扰时段外)数值，对正常时段分钟值数据求加权平均值，得到自然电位正常背景值的小时值，引入1个实际变化量(即实测值与背景值之差)，并以1.5倍标准差作为判断标准；对干扰时段数据逐日逐时分别与背景值作差作为干扰变化量，逐点判断干扰变化量和实际变化量的差值，大于标准差的取实际变化量为干扰变化量。校正前后数据曲线见图 5，可见校正曲线中已无突跳点，达到预期效果。

由于实际观测用ZD8MI地电仪为整点采样，需要将干扰变化量换算为整点值，校正方法不变。考虑到数据量大及实用性，编写Matlab程序，校正2016年1—7月井下100 m NS测道自然电位小时值数据。由校正前后数据曲线[图 6(a)，图 6(b)]可见，校正后自然电位数据曲线变化形态清晰，无畸变、突跳等现象。为验证校正结果的正确性，与未受干扰的井下100 m EW测道自然电位数据[图 6(c)]做对比，二者曲线的变化形态相似，幅度接近。计算井下100 m NS、EW测道相对误差，得到NS测道为0.026(校正前为0.215)，EW测道为0.017，结果均符合ZD8MI地电仪测量误差范围，说明校正结果正确可信，能够真实反映平凉崆峒地震台井下100 m NS测道自然电位变。

4 结论

对于平凉崆峒地震台井下100 m NS测道自然电位于03时出现的规律畸变现象，经实验分析，可以得出以下结论。

(1) 通过不同仪器观测对比实验，验证平凉深井电阻率观测中自然电位畸变是由电极交叉供电所造成的。

(2) 通过不同电极供电对比观测实验，验证了对电阻率观测装置中测量极供电，会影响自然电位，但不影响电阻率测值；单极供电对自然电位的影响表现为阶跃突跳，然后以指数形态恢复，恢复时间约10小时，干扰峰值与供电电流、供电时间等有关；双极供电对自然电位的影响可由单极供电叠加合成。

(3) 利用实验数据对自然电位干扰量进行理论拟合计算，再对实际观测数据进行校正，效果较好。该数据校正方法可应用于消除其他类似干扰，供其他科研人员参考。