葛计划 卢叶啸 曹志磊 孙 军 程 玲 于 磊 陶 媛 孙伯乐 陆 立 周自强
（1、安徽省地震局，安徽 合肥 230031 2、肥西县应急管理局，安徽 肥西 231200）
我国地电阻率观测始于20 世纪60 年代，1966 年邢台地震后，国家地震局在河北河涧建立了我国第一个监测地震的地电阻率观测台站，之后经过50 多年的不断发展，我国已有80 多个地电阻率观测台站[1]，研究认为地电阻率异常与地震之间具有清晰的物理学机制[2]。这一时期，观测主要在地表进行，国内外的一些理论研究[3-6]奠定了在地表进行地电观测的理论与实践的基础。随着经济的高速发展电气化铁路等大型电力设施的投入运行，它们对地表地电阻率观测产生了严重干扰。有关专家一直坚持不懈地寻求抑制干扰的方法和途径，其中深井观测方式被认为是一条抑制干扰的有效途径[7-13]。
紫蓬山深井地电阻率观测项目是安徽省第一个深井地电阻率观测项目，依托“十三五电磁”重点项目于2020 年4 月开工，目前已经完成场地项目电测深和8 口观测井钻探工作，并于2022 年1 月18 日开展试测。随着项目的推进，科学检测观测系统的可靠性，制定较为完善的装置检定和评价方案的是必须要完成的工作，目前各深井台站采取的建设方案和评价指标等还没有明确而统一的标准, 科学合理的确定地面装置的检定和评价仍有进一步研究的必要, 也可以为以后开展类似项目提供切实可行的操作办法。
1 台址概况
台站所在区域地处华北断块区南缘，郯庐断裂带西侧，地质上属于下扬子断块、秦岭大别断块和华北断块的交汇部位，位于肥西-韩摆渡断裂附近（见图1）。台基岩性以砂岩为主，为长江流域丘陵地带主要为山区陆相沉积岩，包含重要的三个侏罗纪地层：周公山组、圆筒山组、防虎山组。根据现场勘探，地表为第四系覆盖，部分地方基岩出露。
图1 紫蓬山深井地电阻率观测系统地理位置图
电阻率台站选址应包括以下五个方面[14]：a. 构造条件；b.岩性条件；c.电性条件；d.水文条件；e.地貌条件。合肥地震监测中心站位于合肥市西郊40 公里的肥西县紫蓬山森林公园，海拔188 米，处于暖温带向亚热带的过渡地带，年降雨量近1000 毫米，年平均气温约为15.7℃。拟建地电阻率观测场地地形平缓，无大沟壑和大型供电设施，第四系覆盖层20 米左右，其下是第三系粘土层，基地岩性为砂岩。
2 项目的建设概况
2.1 电测深开展情况
按照地电阻率台站勘选规范的要求，于2019 年10月21 日至26 日进行了电测深工作本次电测深测点布设在紫蓬山拟建井下电阻率场地外围，相应三个测线为1-1、1-2、1-3，共布设61 个测深点位（见图2）。
图2 紫蓬山场地电测深物探测点布置图
通过测区电测深结果分析，去除表层可能存在的人为改造回填混凝土建筑垃圾等因素，测区电测深曲线类型为A、H 型。在探测深度范围内总体可分为4～5 个电性层，具体分层及各层层底深度、厚度、电阻率值大小见表1。
表1 土壤电阻率分层成果表
2.2 地质勘察井建设情况
地质勘察井情况：在观测井施工之前，在施工场地钻取勘察井，地层岩性取样，绘制钻孔柱状图，用以复核电测深的结果是否真是可靠。由该井柱状图能看出20 米以上地层为第四系上更新统（Q3）粘土和亚粘土层，20米以下为白垩系上白垩统砂岩为主夹杂泥岩，地层较为简单：上层20 米覆盖以砂岩、细砂岩为主，整孔破碎较少，相对完整。
2.3 地电阻率观测井的钻探
新建井下地电阻率观测井8 个（见图3），设计钻孔深度分别为100、100、100、100、100、100、100、250 米，孔径300mm；水平井进行同深度两方向正交布设，垂直井进行同孔径垂直方向观测。
图3 8 口观测井位置和电极布设示意图
垂向观测井钻探完毕时，按照要求进行了视电阻率测井、自然伽玛测井和声速测井。结果显示：该井观测深度为 251.80m，水位为48.4 米。在75.30m ～85.00m、218.80m ～224.90m、232.50m～237.30m，视电阻率值低，而声速值低，自然伽马值高分析为泥岩，结合勘察井岩芯判断其余均为白垩系红色砂岩偶见白色石英条带。
2.4 地埋装置的制备
电极和导线的焊接：用橡皮锤在铅版一端锤出直径为10 公分的碗状小坑，滴入熔融的铅液，将电缆铜芯插入熔融的铅板，待铅板凝固后，静置24 小时检查铅板和铜芯的接触情况，随后用环氧树脂将焊接部位和铜线接头处均匀涂抹，形成焊斑处的环氧树脂保护层。
电极的制备与下井：因为电极为垂直悬空投放，为避免焊接点受力造成铜丝脱焊，采取适当困扎和吊装方式，确保焊点不受力，电缆与电极焊接后，在下井前后要测量地表两股芯线的电阻值，检测电极与电缆的连通性；
电极制作完全后，为确保焊接电和绝缘层之间无破损漏电发生，需要进行24 小时泡水测试，并测量绝缘层与铜线间的绝缘电阻。在测量井成井后应立即进行电极下井工作，应注意避免浅层钢制套管与电缆的接触。电极下井后紧接着进行电极接地电阻的测量，接地电阻满足小于300Ω，即可进行回填操作。
3 埋地装置基本参数的测定
紫蓬山深井地电阻率井垂向观测和深井水平观测均采用对称四极法。因井下电阻率观测装置都是一次性投入，因此入地前要对入地装置的每个环节进行测试，确保每个部件都能满足相应的要求，现对基本参数测定如下：
3.1 电缆指标的检验与测试
绝缘层和内阻的测量与基础指标：井下地电阻率观测要求测量导线、供电导线的线路电阻要小于10Ω/km[15]，紫蓬山台此次采用的测量导线为2 芯*4mm2的黄铜线（江苏华能电缆股份有限公司生产），导体直流电阻为4.61Ω/km，经测量各电缆的线阻如表2。
表2 各测量电极的线电阻
除此之外测量导线按照规范要求还应满足：芯线与铠（屏蔽层）间绝缘大于100MΩ；浸水时，铠与外皮的绝缘电阻大于50MΩ/100m；经实测线芯与铠（屏蔽层）间的绝缘电阻普遍大于5000 兆欧，浸水实验时铠与外皮的绝缘电阻大于50 MΩ/100m。
3.2 接地电阻的测量
电极是地电阻率观测系统中人工电流供给与人工电位差测量的传感器，电极是否可靠是地电阻率观测系统中的重要指标之一，通过测量电极的接地电阻大小可以评价电极的性能作为观测装置的重要指标，它取决于电极本身的特性、电极与接触介质的耦合状态[16]。根据《DB/T 18.1-2006 地震台站建设规范 地电观测台站第1 部分：地电阻率台站》(下文简称规范)(中国地震局，2006)，地电台站需要每个季度对观测系统进行全面检查，电极接地电阻测量是其中一项主要测试项目。常用的方法是采用接地电阻测试仪器，断开电极测试，进而判断电极与介质的耦合程度，深井电阻的不同在于观测系统深埋地下，带着长长的线阻，用经典测量方法理论上并不准确，文献[17]研究了目前较为常用的几中测量接地电阻的方法，表明原地表接地电阻测量方法与采用解方程测量接地电阻的结果相近，本文采用常规接地电阻测量方法减去线阻的方式对各电极的接地电阻进行估算。
目前关于供电和测量电极的规定沿用地表地电阻率标准:供电极不大于100Ω，测量极不大于30Ω。紫蓬山深井电极入井后各电极的接地电阻（见表3）与合格标准有不小的差距，这可能与电极处于高阻层有一定关系。接地电阻过大，测量时采用同样的电流，电压将过大，容易损伤仪器,目前调低稳流源输出的电流，降低供电电压的方式开展观测。
表3 各测量电极的接地电阻
3.3 装置系数的计算
紫蓬山深井地电阻率观测系统由3 个测道组成。两个水平测向共7 个电极，NS 和EW 两个测道公用A1/A2电极，采用对称四极法测量地电阻率，电极埋深地面以下100 米，供电极距90 米，测量极距23 米。垂直观测井供电极距160 米，测量极距40 米。按照对井下不同深度电极模型的推导分析[18]，紫蓬山台两个深井水平观测的测道可视为不完全空间，垂直电极按照不完全空间模型进行，装置系数见表4。
表4 各测道装置参数表
4 结论
本文按照规范要求，梳理了紫蓬山深井地电阻率台站建设工作。同时对井下地电阻率观测系统地埋装置的搭建全过程进行了记录，并对基本参数进行测定和计算，总结出了系统搭建过程中的存在问题和应注意的事项。
4.1 项目的建设严格按照台站建设规范的要求开展，本项目开工前未进行电磁骚扰测试。
4.2 梳理了测量导线的验收指标、电极制备、装置下井过程中应该注意的问题。
4.3 按照目前已有的接地电阻测试方法测定电极的接地电阻，针对接地电阻普遍超出规范要求的原因进行了分析，认为可能与电极埋设深度处于高阻层有关。
4.4 我国深井地电阻率观测虽然已经有多个台站建设，目前仍未有统一的规范或技术指导意见作为台站建设的依据和参考。已建成台站在观测系统的建设中流程、方法各异，特别是装置系统（极距、孔深、孔径、电极的制作、电极电缆的连接、密封和线缆的走线方式）制备方面方法各异，应该从技术层面指定较为完备的规范或流程，从而促进深井地电阻率手段的发展。
