0 引 言

多年地震监测预报实践证明，在地电(地电阻率和地电场)观测台网内发生的一些中等强度以上地震前，地电台网部分台站观测到了相关的中期和短临异常(钱家栋等，1985;桂燮泰等，1989;钱复业等，1990;杜学彬，2010;范莹莹等，2010;安张辉等， 2011，2013)，并对台网内发生的一些中等强度地震实施了较为成功的中期预报(杜学彬和叶青，2004;叶青等，2005).我国地震地电阻率、地电场观测台站的电极埋深一般为地下1.5~3.5 m，地电阻率观测多数台站供电极距为1200 m左右、测量极距为供电极距的(1/5~1/3)，地电场观测的测量极距多为200~400 m.目前，这种地表大极距地电观测手段遭受到了严重的环境干扰，主要有：金属管线/网、城市轨道交通、超高压输电线路、地表杂散电流等干扰源.为了减小上述干扰源对地电观测的影响，除了严格按地电观测标准、规范(钱家栋等，2004；杜学彬等，2006)的要求建设台站、研制抗干扰观测仪器外，还应积极探索改进地电观测方式.

在地电观测干扰抑制方面，我国研究人员开展了大量有益工作(刘允秀等，1985;赵和云和钱家栋，1986;钱复业等，1987;金安忠等，1990;刘昌谋等，1994;赵家骝等，1996;李艳东等，2004;赵璧如等，2006;田山等，2006;田山等，2009)，特别值得关注的是，井下地电观测的相关实验研究，(杜学彬等，2008;聂永安和姚兰予，2009;聂永安等，2010；解滔等，2012)进行了井下电阻率观测实验、研究了井下电阻率观测的相关理论问题，也取得了一些相应的结果，所开展井下地电观测的供电极距在100~300 m之间.但根据地震监测预报实践经验，大极距的地电观测对地震前兆的反映更为显著.为此，我们在海安台实施了大供电极距(1200 m)的井下地电阻率、地电场观测与地表观测的对比、人工导入交流/直流电流、以及模拟金属管线干扰等实验，并取得了一些有意义的结果，对今后的井下地电阻率、地电场观测的发展趋势和台站建设有一定的参考意义.

1 台址与场地测试

1.1 台址概况

江苏省海安地震台位于海安县曲塘镇顾庄村16组农田中，中心点地理位置为北纬32°27′57.2″、东经120°21′13.5″.测区地势平坦、开阔，附近有一些村庄，地面高程为4.20 m左右.台址东12公里为栟茶河东西向断裂，西10公里为姜堰南北向断裂，地貌上属长江三角洲平原中的近代冲积平原，第四纪覆盖层厚度为1300 m左右，位于海安凹陷.

1.2 测区电测深工作

2007年10月12-14日，江苏省地震局监测中心对海安台新址地电阻率、地电场观测场地进行了野外电测深测试.电测深工作采用电阻率对称四极观测装置，布设了NS和EW两条十字电测深测线.从电测深曲线的定性分析结果看，两条电测深曲线大致属于KH型，总体上电阻率横向差异不大；纵向电阻率变化较明显，在极距AB/2小于30 m时电阻率较高，在极距AB/2大于30 m时电阻率较低，在极距AB/2大于300 m后电阻率又开始增大(图 1).两条电测深曲线的反演结果见表 1，可以看出，在地下浅层约30 m以内，两个正交测线方向下方的分层厚度、各层电阻率层参数差异不大，但在深度约30 m以下存在厚度约为170~270 m的低阻层，电阻率约为9~10 Ωm，在两个测线下方电性结构存在明显差异.

图 1

Fig. 1

图 1 海安台(顾庄)地电电测深曲线图 (纵轴、横轴为双对数坐标) Fig. 1 The curves of Geo-electric sounding at Haian station(Vertical axis，Horizontal axis is Double-logarithmic coordinates)

表 1(Table 1)

表 1 海安地电台新观测场地电性层参数 Table 1 The parameters of electrical laye at new observation of Haian station 南北(NS)测线 东西(EW)测线 层厚度(m) 层电阻率(Ωm) 层底埋深(m) 层厚度(m) 层电阻率(Ωm) 层底埋深(m) 3.7 29.1 3.7 3.2 27.3 3.2 0.4 22.8 4.2 1.5 77.4 4.7 29.1 31.1 33.3 23.4 19.8 28.2 166.9 9.9 200.3 267.1 9.1 296.3 20.6 42.2

表 1 海安地电台新观测场地电性层参数 Table 1 The parameters of electrical laye at new observation of Haian station

在实施井下地电观测工程前，按地电台站建设行业标准(杜学彬等，2006)要求，对场地观测环境(电磁干扰背景)进行了测试.测试仪器为ZD9A-II型地电场仪，测量电极使用固体不极化电极，测向为NS和EW向，“十”字交叉布极，测量极距均为400 m.测试时间为2007年11月20-28日，图 2是2007年11月27日的地电场曲线，两个测向都显示了地电场日变化正常形态，即周期约为12 h地电场变化波形(杜学彬等，2007;叶青等，2007).从两个测向的波形变化中还能看出，EW测向受到高频扰动比NS测向相对严重.

图 2

Fig. 2

图 2 海安台(顾庄)地电场地测试曲线图 Fig. 2 The curves of electric field test at Haian station(Guzhuang)

海安台拟建新台为地电阻率和地电场同场地观测，地电阻率采用对称四极观测装置，供电极距AB ＝1200 m，测量极距MN ＝400 m，共设两个测向(NS和EW测向).因为场地表层电阻率值较高，为了对比地表观测和地下观测的效果，必须将供电和测量电极深埋在地表高阻层以下，同时在地表增加了一组地表测量电极(M′ ₁、N′ ₁)，布极图如图 3所示.为了分析研究地表交、直流电流对地表、井下观测的影响，在图 3中a、b、c点是导入了干扰电流的位置.

图 3

Fig. 3

图 3 海安台(顾庄)地电布极图 Fig. 3 Sketch map of the electrode distribution at Haian station

为了具体确定电极的埋设深度，了解地下介质情况，便于埋设电极时的打井钻探施工，用双桥静力触探仪对地下进行了原位测试试验，由静力触探试验曲线得知，33.40 m以下为粘土层，也就是电测深揭示的低阻层，因此电极埋设深度定为34 m.

2.3 电极加工与埋设

地表测量电极M′ ₁、N′ ₁为平放铅板，厚度5 mm，面积尺寸800×1000 mm²，埋设深度为2 m.井下电极材料为直径36 cm、长120 cm的圆筒状铅电极，壁厚5 mm，共8个电极(即A₁、B₁、M₁、N₁、A₃、B₃、M₃、N₃极).所有电极的引线均采用2×2.5 mm²的铠装电缆，电缆端部和电极引线处焊接后用环氧树脂密封牢固，以防水进入而引起锈蚀和影响绝缘性能.地表电极埋设为人工开挖(埋深2 mm)，地下电极采用GXY-1型钻机打孔，孔径45 cm，孔深34 mm，打孔后即将圆筒柱状电极放入井底，并回填.

2.4 电极检查

各电极施工埋设后，于2009年3月9日用ZC29B-2接地电阻测试仪对各个电极的接地电阻进行了测量，由测试结 果可知，地表电极和井下电极的接地电阻阻值R_d符合文献规定的技术要求，且地表电极和井下电极R_d值无明显区别.

3 井下地电场观测

3.1 地电场观测仪器与电极的连接

在进行地电阻率观测之前，我们用ZD9A-Ⅱ型电场仪观测了井下电极和地表电极地电场，观测持续时间2009年3月11日-2009年8月18日.地电场观测仪器与电极的接线次序为：两个井下供电电极对分别作为NS、EW测道的长极距测道，即A₁与B₁和A₃与B₃组成两个井下长极距测道；两个井下测量电极对作为NS、EW测道的短极距测道，即M₁与N₁和M₃与N₃组成两个短极距测道；地表测量电极对M′ ₁与N′ ₁组成地表测道.

3.2 井下和地表电场观测

3.2.1 井下、地表地电场变化

图 4为海安台2009年4月1日-4月30日的地电场原始曲线.从图中可以看出：井下观测的地电场变化趋势稳定，日、月变化非常清晰，在东西向长、短极距测向叠加有高频成分，与场地测试结果一致；地表电极和井下电极观测的地电场测值差异很大；地表电极观测到的地电场受地表温度、雨水、地下水位等环境因素的影响较大，地电场变化长期向下漂移、不稳定.

图 4

Fig. 4

图 4 海安台地电场原始观测数据曲线图(2009.4.1-2009.4.30) (a)是井下NS长极距测道地电场变化； (b)是井下EW长极距测道地电场变化； (c)是井下NS短极距测道地电场变化； (d)是井下EW短极距测道地电场变化；(e)是地表测道观测的地电场变化. Fig. 4 The curves of original observation data about Geo-electric field at Haian station(2009.4.1-2009.4.30) (a)The changes of long down-hole NS direction about the Geo-electric field;(b)The changes of long down-hole EW direction about the Geo-electric field;(c)The changes of short down-hole NS direction about the Geo-electric field;(d)The changes of short down-hole EW direction about the Geo-electric field;(e)The changes of surface about the Geo-electric field.

图 5为海安台2009年4月1日-4月30日，井下南北和东西测向长、短极距地电场日相关系数曲线.长、短极距相关系数的高低是判定地电场观测质量高低的重要指标之一，从图 5可以看出，在4月份相关系数非常高，并且很稳定，从侧面印证了井下地电场观测的稳定性.

图 5

Fig. 5

图 5 海安台(顾庄)地电场原始观测数据相关系数曲线图(2009.4.1-2009.4.30) Fig. 5 The correlation coefficient curves of the original electric field at Haian Station (Guzhuang)(2009.4.1-2009.4.30)

4.1 自然干扰情况

在用双踪示波仪观察各测道的波形时，发现自然干扰的频率成分非常丰富，用数字万用表(交流毫伏档)测量了各个测向长、短极距电极之间的电位差变化幅值(表 2).由表 2可看出，地表电极M′ ₁N′ ₁和井下电极M₁N₁的外界交变干扰值无明显区别(目前还不清楚交变干扰的具体位置).测试了同一位置地表、井下电极对组成的垂直向测量电极M₁ M′ ₁和N₁ N′ ₁之间的干扰电位差，垂向电极对的干扰幅度比地表、井下水平电极对的干扰幅度小.

表 2(Table 2)

表 2 各电极对间的自然交变干扰值 Table 2 The values of natural alternating disturbance between the electrodes 电极 干扰值(mV) A1B1 1.5 A3B3 55 M′1N′1 56 M1N1 57 N3M3 8 M1M′1 0.1 N1N′1 0.1

表 2 各电极对间的自然交变干扰值 Table 2 The values of natural alternating disturbance between the electrodes

在2009年6月27日，地电场观测仪器正常观测期间(增加了一道垂向电极对M₁-M′ ₁测道)，在测量电极周围人为导入了交、直流电流，模拟地表干扰.具体方法是在图 3中a、b、c点打入铜电极，用绝缘导线将铜电极连接到室内专用供电设备.然后，分别从a、b两点(间距约200 m)和a、c两点(间距约600 m)导入不同强度的直流电和交流电，同时记录导入的开始时间和结束时间(地电场观测仪器显示的时间)，每次导入的时间都在5分钟以上，干扰试验结束后逐点分析计算对应导入时间的地电场观测数据变化，通过计算得到地表、井下电极对和垂向电极对间的干扰幅度，干扰幅度结果见表 3.

表 3(Table 3)

表 3 交流/直流干扰幅度(mV/Km) Table 3 The interference range about the AC-DC 接点 通电电流 A1-B1 A3-B3 M1′-N1′ M1-N1 M3-N3 M1-M1′ a(+)-b(-) 直0.3 A 0.80 -0.08 -4.51 -2.25 -0.44 -2.27 a(+)-b(-) 直0.6 A 1.89 -0.29 -10.01 -4.92 -1.12 -5.06 a(-)-b(+) 直0.3 A -0.98 0.06 4.59 2.26 0.48 2.35 a(-)-b(+) 直0.6 A -2.02 0.06 9.70 4.80 0.94 4.92 a(+)-c(-) 直0.3 A 2.17 0.04 17.61 14.63 0.18 0.29 a(+)-c(-) 直0.6 A 4.4 0.02 34.28 28.49 0.3 0.54 a(-)-c(+) 直0.3 A -2.5 -0.06 -18.04 -14.84 -0.25 -0.29 a(-)-c(+) 直0.6 A -4.77 -0.11 -37.43 -31.11 -0.46 -0.61 a-b 交1.01 A 0.05 0.05 0.10 0.10 0.05 0.02 a-c 交0.5 A 0.05 0.02 0.10 0.04 0.05 0.00

表 3 交流/直流干扰幅度(mV/Km) Table 3 The interference range about the AC-DC

由表 3可以看出：

(1)由于干扰点位置a、b和c点是沿NS测道分布，导入干扰电流时沿该方向的干扰电势梯度大，结果沿该方向的井下和地表测量的干扰电位差ΔV_ε大于沿EW方向井下电极测量的ΔV_ε，符合电偶极场的分布.

(2)导入50 Hz交流电时，井下、地表观测的ΔV_ε幅度远小于导入直流电的干扰ΔV_ε，说明电偶极式的工频交变电场衰减快，对地电观测的影响微乎其微，主要干扰影响是直流电.

(3)在a~b点间导入直流干扰电流(干扰电流供电极距小、深度浅)，井下观测的ΔV_ε幅度小，即井下电极M₁-N₁间ΔV_ε明显小于地表电极M′ ₁-N′ ₁间的ΔV_ε.但在a~c点间导入直流干扰电流(干扰电流极距大、深度大)，井下观测的ΔV_ε幅度略小于地表电极的ΔV_ε.

(4)垂向电极对M₁-M′ ₁在a~b点间导入直流干扰电流时，ΔV_ε幅度与井下电极M1-N1间ΔV_ε接近，在a~c点间导入直流干扰电流，ΔV_ε幅度远小于井下电极M1-N1和地表电极M′ ₁-N′ ₁间的ΔV_ε.导入50Hz交流电时，ΔV_ε幅度均小于水平向的井下和地表电极对的ΔV_ε幅度，垂向电极对的抗干扰能力强.

由此可见，在海安台这样的电性结构条件下，井下地电场观测装置可以降低地表直流电流源的干扰，并且垂向电极对抗干扰能力更强.

4.3 地表金属管线干扰试验

我们于2009年7月18日在测量电极N₁(N′ ₁)附近的地表进行了模拟地面金属管线的干扰试验.试验方法采用10 mm²铜线和铜电极把沿测线方向的两点连接起来，铜电极打入地下，连接距离约100 m(图 3中a~b的中点和b点两点)，记录连接前、后的地电场变化.结果发现，地表测量电极M′ ₁-N′ ₁间的电场干扰幅度为1.32 mV/km，井下测量电极M₁-N₁间的电场干扰幅度为0.03 mV/Km.显然，对于测量电极附近的地面金属管线干扰，井下测量电极的干扰幅度远小于地表测量电极的干扰幅度.

5 地表、井下地电阻率观测

海安台地电阻率观测(布极图见图 3)从2010年1月1日开始试观测，截止目前，观测数据正常，2010年底该观测项目通过了江苏省地震局组织的专家组的验收.从2011年1月1日开始正式观测，从三年多的观测数据看，地电阻率观 测(视电阻率和均方根误差)井下电极和地表电极无明显的差别，但自然电位的观测结果井下电极和地表电极的差异较大.

5.1 视电阻率观测

图 6是海安台2011年8月观测的视电阻率小时值曲线图，选择该月份的数据主要是因为该月2日、9-11日、17日合计5天存在雷雨天气，以便于观察雷电干扰对观测数据的影响情况.由图 6可以看出9-11日数据受雷电影响产生跳动比较大，其余时段数据均基本平稳，井下电极和地表电极的观测数据无明显差别，雷电影响分析见5.4.

图 6

Fig. 6

图 6 海安台(顾庄)地电视电阻率观测数据小时值曲线图(2011.8.1-2011.8.31) Fig. 6 The curves of hour value about the apparent resistivity at Haian station (Guzhuang)(2011.8.1-2011.8.31)

视电阻率观测精度反映了所测量的视电阻率准确程度，它由系统误差和偶然误差两部分组成，系统误差见文献(杜学彬，2010).图 7是2011年8月份海安台视电阻率小时值的均方根误差曲线图.由图可以看出，除9-11日数据受雷电影响产生跳动外，井下电极和地表电极也无明显差别，该月均方根误差的月均值井下电极和地表电极均为0.01.

图 7

Fig. 7

图 7 海安台(顾庄)地电视电阻率均方根误差小时值曲线图(2011.8.1-2011.8.31) Fig. 7 The curves of hour value about root mean square error-hour of apparent resistivity at Haian station(Guzhuang)(2011.8.1-2011.8.31)

5.3 自然电位观测

图 8是2011年8月份海安台地电自然电位小时值曲线图.可以看出其观测结果与前面所述的地电场观测形态基本一致，由于地电场观测是分钟值，地电阻率观测是小时值，因此外界的高频干扰(包括雷电干扰)成分在地电自然电位观测值数据中不能充分反映出来，但自然电位观测结果也验证了前面地电场观测3.2.1中相关结论.总的来说，井下电极观测的稳定性明显优于地表电极，井下电极能稳定的观测到地电场变化，其观测效果可与固体不极化电极媲美，可以预见井下铅电极观测的长期稳定性将优于固体不极化电极的使用寿命(目前固体极不化电极的使用寿命为两三年左右).

图 8

Fig. 8

图 8 海安台(顾庄)地电自然电位 小时值曲线图(2011.8.1-2011.8.31) Fig. 8 The curves of hour value about Ground-potential at Haian station(Guzhuang)(2011.8.1-2011.8.31)

雷电干扰是一种偶然的强电磁干扰，由图 6~7中可以看出，9日、10日的视电阻率和均方根误差干扰较大.现将9日和10日的具体干扰数据列表于表 4.从计算得到的均方根误差可以看出，井下(NS测向)电极受雷电干扰的程度要小于地表(NS′测向)，但东西向的井下电极观测到的雷电干扰比北南向地表和井下大，这种现象除了同雷电在台站下方的感应电磁场有关外，可能还与东西测向本身所受的电磁干扰有关.从对雷电干扰的抑制实验来看，在测向相同的情况下，井下测量比地表测量更为优越.

表 4(Table 4)

表 4 雷电干扰幅度 Table 4 The interference ranges of lightning 测向 视电阻率(Ωm) 均方根误差 9日 10日 9日 10日 井下(NS) 0.02 -0.06~0.05 0.05 0.10 地表(NS′) -0.13 -0.09~0.04 0.20 0.11 井下(EW) 0.24 -0.10~0.18 0.43 0.22

表 4 雷电干扰幅度 Table 4 The interference ranges of lightning

在海安台进行了井下、地表地电场观测的对比实验，对地表游散电流干扰、人工导入直流/交流电干扰影响和模拟金属管线的影响进行了分析研究；进行了井下、地表地电阻率观测的对比实验，对地电阻率观测精度、自然电位、以及雷电干扰等情况进行了对比分析，所得到的初步结论有以下几点：

(1)井下铅电极地电场、地电阻率观测的长期稳定性比地表铅电极的表现要好很多，在地电场观测时，地表铅电极的不稳定性导致地电场观测值出现长期漂移现象.

(2)对于海安台这样的低阻型电性结构，开展井下地电观测能在一定程度上抑制电极附近地表直流干扰电流的影响，井下观测的干扰影响幅度明显小于地表观测的影响；但无论是地表还是井下观测，地表直流干扰电流对地电观测的影响幅度远大于交流干扰电流的影响幅度，此外，井下观测对干扰的抑制能力还与干扰源位置、距离等有关系.

(3)对于海安台这样的低阻型电性结构，井下地电观测能抑制电极附近一定范围内的地表金属管线类影响.

(4)对于海安地电观测台站下方低阻型电性结构，在正常观测状态下，无论在地表还是井下观测，视电阻率观测和视电阻率观测精度没有明显差别，但自然电位的观测井下电极明显优于地表电极，而且井下测量对雷电干扰也具有一定的抑制作用.

文中所得到的结论仅限于海安台这样的电性结构，不同的电性的结构可能出现不同的表现形式，但文中的实验结果，给我们未来的工作提供一些经验和参考.

致 谢 对审稿专家和编辑的有益建议以及辛勤劳动表示衷心感谢.