2018, Vol. 39
, 2. 中国内蒙古自治区 026000 锡林浩特地震台;
3. 中国呼和浩特 010010 内蒙古自治区地震局监测预报中心
2. Xilinhot Seismic Station, Inner Mongolia Autonomous Region 026000, China;
3. Monitoring And Forecasting Center, Earthquake Agency of Inner Mongolia Autonomous Region, Hohhot 010010, China
运用地电学方法，可以研究地震孕育过程中地球介质电性变化与未来地震发生的时间、地点、强度之间的关系。地电阻率观测系统可以观测地下介质电性结构随时间的变化（国家地震局科技监测司，1990）。由于地下介质的电性随时间变化缓慢且变化幅度较小，要求地电阻率观测系统有足够的分辨力和长时间范围内足够的测量精确度。有关观测系统的技术问题是地电观测技术的主体，对地电日常观测工作的科学管理是观测技术发挥效益的重要保障（国家地震局科技监测司，1995）。
我国地电台网的大规模建设始于20世纪60年代，目前地电台站总数达86个，是国际上有组织的长期坚持大规模、规范化地震地电观测的国家。地电阻率台网在1976年唐山MS 7.8地震、1976年松潘—平武MS 7.2地震、汶川MS 8.0地震等国内多次7级以上地震前记录到中期异常和显著的短临异常，对某些地震还进行了中期预报（国家地震局科技监测司，1990）。
呼和浩特台集宁地电观测站于2014年在内蒙古自治区地震局“中国地震背景场探测项目”实施期间建设，布设NS、EW测道进行地电阻率观测。在分析2015年1月—2017年7月地电阻率观测数据曲线时发现，2测道数值差异明显，为此采用电测深曲线进行对比分析，认为问题出在观测装置的NS测道，由此对电阻率观测系统进行检查并确认故障所在进而排除。本文即介绍地电观测系统故障检查及处理方法，以期为其他地电观测站进行地电数据分析提供参考。
1 集宁地电观测系统集宁地电观测站观测场地位于乌兰察布市集宁区白海子镇圣家营村，地处晋冀蒙三省交界处，距110国道2 500 m，县道（双向两车道油路）20 m，交通便利。该场地位于岱海北缘断裂和岱海南缘断裂之间，浅层为沙土、粘土、深层为变质岩与火成岩，地形地貌为平地，坡度较缓，一般不超过2°。观测室位于地下4 m，面积20 m2，距布极中心20 m，通信采用CDMA接入内蒙古自治区地震局前兆台网中心，观测室供电从1 000 m外的村庄引入。
我国地电阻率台站大多采用四极对称装置、直流供电电源观测系统（中国地震局，2002）。集宁地电阻率观测采用对称四极装置系统，配备ZD8M地电仪，布设NS、EW测道，2测向极距相等，供电极距800 m，测量极距200 m，地质构造及地电布极见图 1。电极材料为5 mm厚的铅板，供电极极板面积为1 000 mm×1 000 mm，测量极极板面积为600 mm×600 mm，装置系数K = 2.355；外线路选用三芯铠装电缆，采用地埋方式敷设。
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图 1 呼和浩特台集宁地电地质构造及地电阻率布极 Fig.1 Jining geoelectric structure and electrode resistivity observation at Hohhot Seismic Station |
2014年8月集宁地电观测系统正式观测，至2017年8月连续观测2年，地电阻率观测数据能较好地反映地下介质电性结构随时间的变化趋势。
2 发现问题2017年4月1日—5月31日集宁地电观测数据进行常规分析发现，NS、EW测道数值差异明显，其中NS向电阻率值约4.5 Ω·m，EW向电阻率值约13.5 Ω·m，见图 2。
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图 2 2017年4月1日至5月31日集宁地电观测数据 Fig.2 Observation data from Jining geoelectricity from April 1 to May 31, 2017 |
电测深曲线可以解释地下介质的电性结构参数和各层的真电阻率及厚度（钱家栋等，2004），为此，采用电测深曲线对集宁地电电阻率数据进行对比分析，结果见图 3，可见2测道浅层电阻率值均在10 Ω·m左右，测值基本一致。与晋冀蒙三省临近地电台站的台址条件和观测数据进行对比，表明集宁地电观测装置系统NS测道存在问题，需要按照仪器系统、避雷器、外线路（线路连接、漏电影响、绝缘电阻等）的顺序逐步检查地电观测系统。
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图 3 集宁地电电测深曲线 Fig.3 The electric sounding curve of Jining geoelectricity |
基于地电观测系统检查思路，断开观测室内测线与仪器之间的连线，检测地电阻率观测仪ZD8M工作状态是否正常。具体操作如下：重新标定电阻率仪，标定结果合格；检测WL6B稳流电源稳定性和纹波因素，结果合格。通过以上检查，判定地电仪器系统工作正常，排除仪器故障。
3.2 地电避雷器检查断开观测室避雷箱测线与避雷器之间的连线开关，将仪器与外线路进行连接，启动ZD8M地电阻率仪，地电阻率测值无变化。由此判断，避雷器工作状态正常。
3.3 集宁地电外线路检查因集宁地电外线路采用地埋方法敷设，全面开展外线路检查工作比较困难，通过分析地电观测数据变化形态，采取分段检查方法查找问题。
3.3.1 连接线检查测量观测室内外各电极连接线间的自然电位，查看是否线路存在问题。
（1）室内线路。根据规范要求对仪器接线进行检查，测量观测室内A、B、M、N电极8条线路之间的电压值，一一对应各电极间自然电位，测量结果见表 1。在ZD8M地电仪工作正常状态下，测量NS道时，电极A1、B1应有正常供电电压，而A1与其他电极之间无高压，测量电极M1、N1之间电压最大。
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表 1 A、B、M、N电极间自然电位 Tab.1 Self-potential between electrodes of A, B, M and N |
由表 1可见，A1、B1为北、南向供电电极，供电电压为106.1 mV时，A1B2、A1N1和A2B1、A2M1、A2N1两两电极之间电压均大于90 mV，M1、N1等测量极之间电压值较小，约4.3—7.0 mV，与理论不符，测试结果证实集宁地电装置线路存在问题，NS、EW测道均可能存在接线问题。
（2）室外线路。分别断开观测室外任意一个电极（4个供电极和4个测量极）与外线路连线，采用万用表200 mV档，测量与7个未断开电极的自然电位，测试发现，南供电极A1与其他电极之间的自然电位测值为10—15 mV，西供电极A3与其他电极之间的自然电位测值为20—23 mV，但北供电极B1、东供电极B3与4个测量极的任意组合自然电位值为零。测试结果表明，西、南供电极（电极A1、A3）与线路断开与否，与其他电极始终保持导通状态，即西、南供电线存在漏电可能。
3.3.2 外线路绝缘电阻检查断开观测室外供电极与供电线的连接，断开断线器，关闭观测室外线路引线与避雷器的连接，使用接地电阻测试仪检查外线路对地绝缘电阻，结果见表 2，可知西、南供电线对地绝缘电阻小于5 MΩ，不符合规范要求。
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表 2 外线路绝缘电阻测值 Tab.2 Insulation resistance measurement of external circuit |
2017年6月10日对供电线进行漏电检查，检查结果见表 3。计算结果显示，漏电电流及电位差影响系数均不符合规范要求。
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表 3 外线路漏电检查 Tab.3 Leakage inspection of external circuit |
漏电检查工作结束后，将外线路、仪器设备等恢复观测状态。由观测记录（图 4）发现，NS向电阻率观测值由5.01 Ω·m上升到12.12 Ω·m，EW分量记录无明显变化。采用上述方法进行检查时，观测系统未做任何改变，观测数据出现上升变化，可能由接线柱或线头与避雷箱接触所致。
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图 4 2017年6月10日集宁地电观测数据 Fig.4 Observation data of Jining geoelectric on June 10, 2017 |
由于观测数据变化原因不明确，西、南供电线对地绝缘电阻以及供电回路漏电影响电系数不合格等原因，为明确观测系统故障所在，继续进行外线路和电极的检查测试工作，重点检查西、南供电线。
（1）西供电线检测。检查室内及检查井中线路连接状态，具体操作如下：①室内检测：断开外线路，分开电缆的红、黄、绿3个线芯，两两相接，使用万用表测试线芯的线电阻，3根线芯线电阻均为0，导电性能良好，线路导通，使用绝缘电阻测试仪检测每根线芯的绝缘电阻，发现西供电线对地绝缘电阻为0，线路对地处于导通状态；②检查井检测：集宁地电电极布设中每个检查井均有2根电极引线和1根外线，将电极引线同时断开，再次测试绝缘电阻，发现西供电线对地绝缘电阻为无穷大。对3根线测试发现，西供电线与其中一根电极引线连接，导致供电线与地导通，重新连接线路后，西供电线绝缘电阻为无穷大。
（2）南供电线检测。按照西供电线检测方法，分别测试红、黄、绿3根线芯的线电阻和绝缘电阻，结果发现：①线电阻：3根线芯均为0；②绝缘电阻：绿色线芯为0，红色线芯为10 MΩ，黄色线芯为40 MΩ。由此判定绿色线芯与地导通，使用绝缘性能较好的黄色线芯连接观测装置，弃用红、绿线芯。
4.1.2 外线路漏电影响、绝缘电阻和电极接地电阻检查对外线路供电回路进行漏电检测，并检测外线路绝缘电阻及电极接地电阻，检查结果见表 4、表 5。计算供电回路漏电影响系数，发现结果合格，外线路不存在漏电问题。由表 5可知，外线路绝缘电阻合格，除西供电极超出规范要求1 Ω以外，其他电极接地电阻均合格。由检测结果可知，外线路、电极接地均不存在问题。
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表 4 外线路漏电检查 Tab.4 Leakage inspection of external circuit |
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表 5 外线路绝缘电阻测值 Tab.5 Insulation resistance measurement of external circuit |
（1）故障定位。首先，测试电缆的绝缘性能。为了确认集宁地电观测系统故障原因，按照规范要求对外线路连接导线逐一检测，具体操作步骤如下：①将南供电线所用黄色线芯在配线盘处断开，与南供电极连接，分别测线芯、线芯与外线铠、黄色线皮与铠的绝缘电阻；②对绿色、红色线芯采用步骤①所示方法进行测试。测试结果见表 6，测试结果证明绿色线芯与外线铠导通，红色线芯绝缘性较差。
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表 6 线皮及线芯对地绝缘电阻 Tab.6 Insulation resistance of wire sheath and core to ground |
其次，分线芯作为供电线进行观测。将南供电线与配线盘连接，外线铠与配线盘处于相互导通状态下，使用绿色线芯和红色线芯进行观测，电阻率测值由12.11 Ω·m下降至5.94 Ω·m，测值错误。单独连接黄色线芯进行观测时，电阻率测值为12.16 Ω·m，恢复至正常范围。当南供电线同时使用3根线芯，且在外线铠与配线盘不导通时进行观测，电阻率值为12.20 Ω·m，测值正常。
（2）故障排除。由测试结果得知，造成NS向电阻率测值下降的原因是：南供电线绿色线芯的线皮在某处破损，与外线铠导通，由于外线硬度较高，在与配线盘连接时，裸露的外线铠与配线盘导通造成漏电干扰，导致观测值出现明显误差。可通过以下操作解决电缆线芯破损造成的漏电影响：①将外线路引线与配线盘连接处进行绝缘处理；②将绝缘较差的绿色线芯和红色线芯弃用，只使用绝缘性能较好的黄色线芯作为供电线进行测量。
通过分析集宁地电2015年1月1日—2017年7月31日观测数据，结合地电观测技术理论和其他台站数据资料，对比集宁地电电测深数据，可知集宁地电阻率NS、EW向测值应为十几欧姆米。观测系统故障排除后，2测向电阻率值与电测深数据及理论值吻合，从而判定集宁地电观测数据恢复正常。
5 结束语集宁地电观测数据出现异常后，对地电阻率测点观测环境、测量及装置系统等进行一系列检查、测试，发现NS测道导线线芯与导线铠导通，导线铠与避雷箱箱体接触导致线路漏电，造成数值出现误差。对观测系统进行优化改造后，集宁地电阻率观测数据恢复正常。
在对集宁地电外线路检查过程中认识到，地电观测系统施工的每个环节均需仔细检查测试，尤其是目前使用较普遍的多芯电缆，务必测试其铠、线皮的绝缘电阻及线芯的线电阻和绝缘电阻，以便及时发现问题，避免对观测数据造成影响。
在地电专家的悉心指导下，依据地电观测技术规范以及地电观测技术的方法理论，采取分步骤检查，检查测试工作由室内向室外进行，由常规检测到专项检测，顺利排除集宁地电观测系统存在的问题。地电观测系统问题解决方法及故障处理过程中积累的经验，对其他地电台站出现的类似现象具有启示和借鉴作用。
中国地震局预测研究所赵家骝、王兰炜及中国地震台网中心叶青等在论文撰写及研究测试过程中提供帮助，在此表示感谢。
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