2018, Vol. 39
表1(Table 1)
2. 中国江苏 210008 南京市地震局;
3. 中国江苏 210014 江宁地震台
2. Nanjing Earthquake Agency, Jiangsu Province 210008, China;
3. Jiangning Seismic Station, Jiangsu Province 210014, China
随着地铁、高铁相继规划建设，江宁地电台（下文简称江宁台）地电阻率观测受到轨道交通等干扰，采用现有观测数据分析一些小的变化已经比较困难。除深埋电极、缩短观测极距外，尚无更好方法来减轻地铁干扰。2008年起，甘肃、陕西、河北、浙江等省的地电阻率观测台站实施地下34—150 m深的井下地电阻率试验观测（刘君等，2015；王兰炜等，2015）。河北大柏舍地电台、甘肃天水台、广东河源台、浙江长兴台、江苏海安台等井下观测数据质量表明，地电深井观测对布极区地表杂散电流类具有一定抗干扰能力，井下观测精度高于地表地电阻率（李晓鹏等，2011；杨兴悦等，2012；沈红会等，2014；张帆等，2014；刘君等，2015）。为满足当地经济发展和轨道交通建设，根据国家、省、市以及中国地震局专家意见，在原地电台附近新增深井（200 m）地电观测项目，试图减轻地铁直流电对地电阻率观测的影响。本文介绍了江宁台深井地电观测系统场地布设方式、安装技术要求和施工要点，并在实施过程中解决了深井观测中电缆绝缘性能大幅下降问题，将其近1年的观测资料进行初步处理和分析，探讨深井地电观测系统建设中存在的问题。
1 台址概况江宁深井地电阻率观测系统位于南京市江宁区禄口街道水荆墅村，原江宁地表地电测区附近，地形开阔平坦，周围无大中型工矿企业。深井地电测区位于南京—湖熟断裂南西盘和方山—小丹阳断裂西盘的楔形地块上，东距茅山断裂带30 km，西北距长江36 km，对监测南京—湖熟、方山—小丹阳等断裂的地震活动有较强的作用。根据《地震台站建设规范（地电台站第1部分）》（DB/T.18.1—2006）地电阻率台站的技术要求，对场地进行高密度电法、电测深等测试。高密度电法探测和电测深报告的NW—SE和NS测向结果表明，观测区域的电测深曲线具有K型特征，电性结构等效为3层，在深度230 m以上2个测项的分层厚度和各层电阻率分层参数一致，随着深度的增加电阻率逐步减小，见表 1。在深度200 m以上区域，地下电性结构是分层均匀的，而在深度250—500 m的区域，存在视电阻率值的显著横向变化，反映了探测区域在该深度范围内电性结构明显的非均匀性。
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表 1 江宁地电台场地电性层参数 Tab.1 The underground electrical structure of Jiangning Geoelectric Station |
深井观测不仅是观测方式的改变，还是地电方法新的探索和实验，其目标在于提高信噪比，缓解地电观测用地与经济建设的矛盾（杨兴悦等，2012）。理论上，井下观测系统既可以减小甚至消除地表环境变化对视电阻率观测结果的影响，又能提高视电阻率对基岩电阻率变化响应的灵敏度（聂永安等，2010）。根据河北大柏舍地电台、甘肃天水台、广东河源台、浙江长兴台等地实验结果，发现电极埋深后对减轻地表干扰效果较明显。本次深井观测方案通过采取缩短极距和电极深埋来减轻轨道交通和地表农作业的影响（钱家栋等，1985；沈红会等，2014），是国内首个深井地电观测项目（200 m），通过缩短观测极距以保证观测资料质量，将探头埋入200 m深井内，以减小地表地电阻率影响并扩大观测范围，保证观测数据仍能反映地下深层变化，同时兼顾设备能力及信噪比大小。
2.1 系统设计地电阻率观测采用ZD8BI型地电仪，使用铅筒电极，其中外径150 mm，长1 500 mm，壁厚6 mm，与甘肃天水、浙江长兴等台相比，电极长，厚度中等，直径略小。观测井深200 m，采用十字状布极方式，结合省、市以及中国地震局专家意见，取消EW测道（2 000 m）极距钻孔观测，将原保护方案的22个观测电极调整为9个电极，电极布设见图 1。设NS和EW测向，通道号、方向、供电极、测量极、装置系数等见表 2。
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图 1 江宁台深井地电测线及电极布设 Fig.1 Diagram of deep-well electrodes layout of Jiangning Geoelectric Station |
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表 2 供电极、测量极布设及装置系数 Tab.2 Arrangement of the transmitting electrode and the measuring electrode and the matchup between the array coefficient |
综合考虑电极大小、极化、稳定性等，确定井孔直径均为200 mm，井深200 m，采用冲击式与回转式钻进相结合的方式进行钻探。井孔钻探于2014年3月开工，依附于原有布极区，通过钻取试验井取得岩芯等地质资料，2014年5月完成9口深井的钻取工作，仅钻孔QZ1和QZ2的柱状图记录完整。钻探柱状记录表明，探测区域的岩性由浅至深分别为粉质粘土、全风化凝灰岩、强风化凝灰岩、中风化凝灰岩和微风化凝灰岩。在深度200 m以上区域，可以将探测区域分为：①浅表覆盖层，层厚18.5 m，岩性为粉质粘土和全风化的凝灰岩层；②强风化层，层底深度18.5—35 m，层厚16.5 m，岩性为中、强风化的凝灰岩；③弱风化层和微风化层，层底深度35—200 m，岩性为弱、微风化的凝灰岩。
2.3 电缆绝缘指标下降改进电缆绝缘指标对井下地电观测观测比较重要，原《地电观测技术规范》中该指标大于5 MΩ，仅适用于地面观测。与地面观测环境相比，因井下高温度、高压强及介质的围压、蠕变、小幅度岩层错动等环境因素，需要重视电缆选材和安装环节，据甘肃省地震局在武都、天水、平凉地电台的实践结果，井下地电观测系统中对地绝缘指标应大于100 MΩ。江宁台定制的观测电缆为vvrp4平方多股铜电缆，直径为12 mm，绝缘性能均大于200 MΩ，符合规范要求。实际施工发现，将电缆焊接铅质电极上，焊接点用环氧树脂密封放入钻井孔200 m深度后，绝缘性能大幅降低，最低只有5 MΩ左右。最初认为可能是由焊接点环氧树脂密封不严、导线绝缘材料和水下压力问题造成。经过多方会商并进行对比试验，确定原因为随着观测电缆在深井中深度的增加，普通绝缘材料的绝缘性能随着水压增加逐步下降。因此，将已加工电缆外层再加装一层高级绝缘材料，经检测符合规范要求。
2.4 电极安装观测区位于基本农田保护区，原地电地表观测电缆曾多次被雷击断，因此采用地埋式敷设电缆，以减小雷电危害和对农业生产的影响。铺设电缆沟槽开挖尺寸为深1.5 m、宽0.6 m，铺设时将供电极电缆、测量极电缆、供测共用电缆进行归并。每个井口预留5 m电缆，以防止电极沉降拉伤电缆。过河沟或越院墙时，电缆外露部分加装铁管保护。
电极在埋设前，需将电极正反面清理干净，在井口安装三角吊架和滑轮，绳索固定在电极上，通过滑轮将电极缓慢放入井孔。每隔3 m用尼龙扎扣将电缆捆梆固定在绳索上，由绳索承担电极和电缆重量，井孔口使用塑料编织袋防护，防止割破电缆。当电极下放至钻孔底部后，将绳索固定于钻孔井口中央，保持绳索拉力，倒入无腐植物新原土填埋至100 m深处上下，井孔上半段倒入石粉、石子封至井口，至此电极安装完成。
3 深井地电观测分析深井地电观测系统于2015年9月25日架设仪器架设完成，10月试运行观测，初始k值计算错误，观测数据不正确，2015年11月重新计算k值，开始正式观测。2015年11月11日至2016年11月11日观测期间，NS测道（1 000 m）极距因极距长，电阻率变化幅度大，数值在90—110 Ω·m范围变化，部分观测数据因方差较大导致系统计算溢出，为负值；NS测道（200 m）极距出现3次台阶，2016年6月4日核查发现，人工计算电阻率值和观测仪器给出的数值不同，是因为仪器的计算程序设置超出数据的变化范围，导致计算错误，更新计算程序后所测数据为实际视电阻率值，由于供电极距短，探测范围减小，与NS测道（1 000 m）极距相比电阻率值变化幅度变小，数值在161—163 Ω·m范围变化；EW测道（200 m）极距地电阻率值在129—132 Ω·m范围变化（图 2）。
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图 2 江宁台井下地电阻率整点值曲线 Fig.2 Hourly observational value curves of electrical resistivity in underground well at Jiangning Geoelectric Station |
经过一年正式观测，NS测道（200 m）极距和EW测道（200 m）极距观测数据连续率和完整率较好，NS测道（1 000 m）因仪器数据溢出，数据连续率仅89.49%，完整率68.72%（图 2）。计算2016年8—10月地电阻率整点值方差均值，NS测道（200 m）极距和EW测道（200 m）极距均方差平均值分别为0.43、0.51，数据质量明显好于NS测道（1 000 m）的4.56，见表 3，NS测道（1 000 m）极距因极距较长，仍受到宁高一期（S4）轻轨等地面干扰影响。对比原地表观测NS测道（1 000 m）极距的年变2.43%、EW测道（1 000 m）极距的年变0.928%，深井观测数据年变明显缩小年变幅度见表 3，其中NS测道（1 000 m）极距年变为1.48%，EW测道（200 m）极距年变为0.14%，NS测道（200 m）极距因部分数据溢出，暂时无法对比。
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表 3 深井地电阻率观测数据年变 Tab.3 The annual variation of geo-electrical resistivity observation data |
农业建设、轨道交通等干扰对地电阻率观测影响较明显，深埋电极、缩短观测极距是目前比较切实可行的方法。江宁台深井地电观测数据表明NS测道（200 m）极距和EW测道（200 m）极距受地面的干扰明显减少，NS测道（1 000 m）极距因供电极距长，仍受地铁干扰。对于观测数据年变，与中国地震局在甘肃实验的结果一致（杨兴悦等，2012；刘君等，2015；王兰炜等，2015），深井观测数据年变比原地电观测数据好，但由于深井观测系统极距和电极深浅不同，无法直接比较，仅作简单对比。
（1）深井地电阻率观测存在建设资金投入大、风险高等问题，全国正式观测的8个地电台，井孔深度、极距、电极参数、电缆连接、外线路建设均有差别，缺少相应的井下地电阻率建设规范（王兰炜等，2015）。各台应对的干扰因素有农业建设、城区扩大、高铁、地铁等，数据质量评价方法仍沿用地表观测标准，不利于井下地电观测的推广应用。
（2）江宁深井地电台定制的电缆绝缘性能大于200 MΩ，到达井下200 m后，绝缘性能降低，最低5 MΩ，说明普通绝缘材料的绝缘性能随着水压增加逐步下降。
（3）缩短极距和电极深埋可减轻轨道交通和地表农作业影响，但不足以消除直流轨道交通干扰。数据表明地铁停运后约1小时，地电阻率观测仍会受到影响，通常夜间1—4时的数据干扰较小，后期考虑将原日测值以该时段测值平均值代替。
（4）江宁台深井地电观测系统电极埋深达200 m，且距宁高一期（S4）机场站仅2.9 km，井下高湿度、高压强及地表强干扰等因素导致可借鉴案例较少，正式观测以来由于仪器稳定、参数设置、程序计算和数据溢出等原因，前期部分测向数据不理想，尚需完善和研究。
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