新豐江深井地電阻率鉆孔施工干擾判定

劉吉平嚴 興陳智群劉東輝

1）中國合肥230026中國科學技術大學

2）中國廣州510070廣東省地震局

3）中國廣東517021新豐江中心地震臺

新豐江深井地電阻率鉆孔施工干擾判定

劉吉平1），2）嚴 興2）陳智群3）劉東輝3）

1）中國合肥230026中國科學技術大學

2）中國廣州510070廣東省地震局

3）中國廣東517021新豐江中心地震臺

2015年5月15日河源市東源縣3.2 級地震前，新豐江和平地電臺地電阻率測值出現(xiàn)大幅度下降變化，對自然環(huán)境、觀測系統(tǒng)，特別是場地環(huán)境進行分析，認為該地電阻率變化由測區(qū)內(nèi)鉆孔施工干擾所致，非地震前兆異常。

數(shù)據(jù)跟蹤分析；地電阻率；鉆孔施工；干擾；地震前兆臺網(wǎng)

0 引言

為落實《中國地震局關于加強地震監(jiān)測預報工作的意見》（中震測發(fā)〔2010〕94 號），推進地震前兆臺網(wǎng)日常工作重心從觀測向觀測、應用并重轉(zhuǎn)變，提高地震前兆臺網(wǎng)整體運行質(zhì)量與服務效能，廣東省地震局前兆臺網(wǎng)于2014年6月開始正式開展地震前兆日常數(shù)據(jù)跟蹤分析工作，背景場改造項目儀器在試運行后納入數(shù)據(jù)跟蹤分析。新豐江和平地電臺地電阻率觀測始于1992年，多次記錄到河源地區(qū)中強地震前異常變化。

2015年5月15日5時32分，河源市東源縣錫場鎮(zhèn)發(fā)生MS3.2地震，距震中約33 km的河源和平臺地電阻率測項兩個測道在地震前兩天出現(xiàn)大幅度下降變化，該臺附近的兩個水氡測點觀測值出現(xiàn)較大幅度上升。廣東省地震局及時對兩次異常做深入調(diào)查，判定地電阻率異常為測區(qū)鉆孔施工導致的場地環(huán)境影響。

1 新豐江地電觀測背景

1.1 測區(qū)概況

廣東省地震局新豐江和平地電臺位于廣東省河源市源城區(qū)和平村，新豐江水庫大壩以東約6 km（圖1），河源盆地北東側(cè)，河源斷裂以東約4 km及楊村—下屯之間；該區(qū)主要為紅巖臺地和狹小的河流沖積地貌，相對高差不大（約20—40 m），東北高、西南低；測區(qū)主要有西南角的東江、黃竹坑和石下水系，自東北流向西南注入東江，測區(qū)地下水受地貌控制，場地內(nèi)地下水較為貧乏，地下水主要含水層為砂質(zhì)土孔隙水和基層巖裂隙水，富水程度較弱。和平地電臺距1962年河源6.1級地震震中約6 km，1992年開始觀測，設地電阻率和地電場2個測項，經(jīng)多次改造，儀器裝置和周圍環(huán)境均有較大變化。

1.2觀測裝置

和平地電臺運行的地電阻率裝置由背景場項目建設，配備ZD8M新型地電阻率觀測儀，2013年12月底試運行，裝置系統(tǒng)布設2個測道，分別為：①近EW向A1M1N1B1，4個電極均埋深90 m，測線長90 m；②M1電極垂向位置的A1′M1′N1′B1′，測線長90 m，4個電極分別埋深60 m、90 m、120 m、150 m。M1和M1′實為同一電極，兩個測道公用（圖2）。

圖1　異常變化前兆測點和地震震中空間分布Fig.1 The location map of epicenter and precursory anomalies

2 數(shù)據(jù)異常

和平地電臺1992年開展地電阻率觀測以來，臺站50 km范圍內(nèi)發(fā)生6次4級以上地震，震前C-ATS深井地電阻率（現(xiàn)因改造停止）具有較明顯的疑似異常變化；從2013年底ZD8M儀器運行以來，河源市東源縣發(fā)生2014年4月25日MS3.9、7月11日MS4.2及2015年5月15日MS3.2地震，MS3.9地震發(fā)生時，ZD8M儀運行尚不穩(wěn)定（至2014年年中運行穩(wěn)定），未發(fā)現(xiàn)明顯異常信息；2014年6月納入廣東省地震臺網(wǎng)前兆數(shù)據(jù)跟蹤分析。

2015年5月15日河源市東源縣MS3.2地震發(fā)生前，和平地電臺地電阻率兩個測道震前2—3天出現(xiàn)大幅度下降變化（圖3）。近EW向測道地電阻率值自5月12日9時起逐步下降約0.267Ω·m，降幅0.65%；垂直向測道5月13日18時起逐步下降約1.3 Ω·m，降幅2.6%。2015年4月初地電阻率測值曾出現(xiàn)1次較大幅度下降變化，當時定性為C孔施工影響，而此次地電阻率測值下降，周邊有較顯著地震發(fā)生，且附近水氡測點出現(xiàn)明顯高值異常變化，不能排除此次下降變化為地震前兆異常，有必要現(xiàn)場核實下降變化的真實原因。

圖3　新豐江和平臺2015年5月15日MS3.2地震前地電阻率變化Fig.3 The change of the earth resistivity before MS3.2 earthquake at Heping Seismic Station on May 15，2015

3 現(xiàn)場核實

2015年5月13日—17日和平地電臺地電阻率測值下降變化，伴隨3次事件：①臺站測區(qū)內(nèi)鉆孔施工；②附近的黃子洞及莊田水氡觀測點測值出現(xiàn)突跳或異常升高；③離臺站約30 km的東源縣錫場鎮(zhèn)發(fā)生MS3.2地震。為確定此次地電阻率變化是否為地震前兆異常，廣東省地震預報研究中心派出工作組進行現(xiàn)場核實。

3.1 工作方案

臺站現(xiàn)場根據(jù)初步判定工作，調(diào)查方案如下：①查看儀器工作狀況是否正常；②收集測區(qū)降雨量和水位變化資料；③查看施工場地各鉆孔施工資料，量取各鉆孔和目前測道距離，收集鉆探巖芯資料，確定鉆孔施工進度的時間節(jié)點。

3.2 分析

（1）經(jīng)檢測，發(fā)現(xiàn)測量裝置外線路大部分埋設地下，電極掩埋在觀測井中，觀測儀器工作狀態(tài)良好，觀測系統(tǒng)運轉(zhuǎn)正常。

（2）檢查新豐江地區(qū)降雨量和水位數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)2015年4月以來，降雨量呈增大趨勢，與往年相比也在正常范圍內(nèi)，水位從5月開始呈現(xiàn)上升趨勢（圖4），與往年變化形態(tài)一致。地電阻率測值經(jīng)大幅度下降變化后迅速恢復，與水位變化不同步，認為此次變化與降雨和水位變化無關。

圖4　新豐江地區(qū)降雨量及水位變化曲線Fig.4 The curves of daily mean value of rainfall and the minute value of water level in Xinfengjiang area

（3）據(jù)鉆孔施工資料，測區(qū)內(nèi)需鉆5個孔，施工進行順序依次為C、N2、B2、M2、A2，鉆孔相對位置見圖2（a），截至5月16日，只有A2孔未完工。調(diào)查收集鉆孔施工進度詳細資料，以便對比分析電阻率測值變化時間和空間的相關性。繪制鉆孔深度隨時間變化曲線，用圓點表示當日鉆頭到達深度，點上長條表示當日工作量，即新增加深度，點上無長條表示當日停工或進行止水作業(yè)，最后一個無長條的點表示前一日已經(jīng)終孔。

4 鉆孔施工干擾

鉆孔C位于和平地電臺院內(nèi)（圖2），與近EW向測道地表距離為14 m，于3月24日開孔，4月2日鉆孔進深84 m，4月3日進深100 m，4月15日終孔，孔深263.7 m；N2鉆孔位于地電臺站南向約30 m處（圖2），于4月16日開孔，4月25日終孔，孔深152 m；B2鉆孔位于地電臺站南向約60 m處（圖2），于4月26日開孔，5月5日終孔，孔深154 m；M2鉆孔位于地電臺站南向圍墻腳外側(cè)（圖2），于5月6日開孔，鉆孔施工進展記錄為：5月12日—14日鉆頭到達深度分別為78 m、103 m、128 m，5月15日終孔，孔深152 m。鉆孔C、N2、B2、M2施工進展與兩個測道地電阻率整點值曲線見圖5。

綜合分析鉆孔數(shù)據(jù)與電阻率測值變化，由圖5可見，測值變化與鉆孔施工進度存在以下相關性。

圖5　鉆孔施工進展及地電阻率整點值曲線（a）C鉆孔對比；（b）N2鉆孔對比；（c）B2鉆孔對比；（d）M2鉆孔對比Fig.5 Comparison chart of well drilling construction progress and hour-value curve of resistivity

（1）從鉆孔施工進度分析：水平向的EW測道在鉆頭深度約80 m受到影響，地電阻率測值出現(xiàn)下降，鉆頭深度90—130 m時下降速度較快，130 m后低值平穩(wěn)變化；垂直向測道在鉆頭深度100 m左右開始受到影響，100—150 m區(qū)間下降速度較快，超過150 m則在低值平穩(wěn)變化（本調(diào)查中只有C鉆孔超過該深度）。由此可見，水平向首先受到影響，垂直向受影響滯后，但影響幅度較大。

（2）從鉆孔位置空間角度分析：C、M2、N2、B2與測線距離依次增大，對電阻率測值影響幅度依次減小，其中N2、B2對電阻率水平向幾乎無影響。可見，影響幅度與鉆孔至測線的距離可能為劇烈衰減關系。

5 結(jié)論

根據(jù)各鉆孔施工進度和地電阻率測值變化的相關性分析，發(fā)現(xiàn)測值開始下降時間和鉆頭達到深度具有較好的相關性，測值從低值恢復到正常值與終孔后起鉆時間有精確到小時的相關性?？梢酝茢?，2015年5月13日—17日地電阻率觀測異常應為場地環(huán)境影響，排除地震前兆異?？赡?。

根據(jù)鉆孔施工要求，每個孔要用水泥和膨潤土止水，之后24小時水位變化不超過1 cm，故孔中幾乎無滲入的地下水，因而導致地電阻率測值受到影響的根本原因是鉆頭。鉆頭作為一個良導體，相當于一個低阻異常體，電流匯聚于導體，必然導致測量電極范圍內(nèi)的電流密度減小，由此導致地電阻率測值減小，對于垂直向測道，電流密度更多穿入地下，和水平向相比，深入地下的鉆頭更容易吸收垂直測量電流，從而導致垂直向受鉆孔影響大；而從時間和空間角度分析，鉆頭距測量電極越近，影響幅度越大，反之則減小。可在當前定性分析基礎上，開展數(shù)值模擬定量分析，根據(jù)實地測量及資料收集結(jié)果，建立測區(qū)電性結(jié)構(gòu)及鉆探鉆頭作為低阻異常體的三維有限元模型，研究鉆孔位置和鉆探深度對互相垂直測道測值的影響。

6 結(jié)束語

地電阻率觀測環(huán)境容易受到高壓輸電線路、軌道交通、大型變電站、大型建筑施工等的影響，為了減少或消除這種影響，把電極埋入深井是地電阻率觀測的發(fā)展方向，但處于城郊的地電臺站，隨著城市化進展，建筑工程中的鉆探施工難免產(chǎn)生影響，應通過數(shù)值模擬方法，研究確立臺站可能受到影響的鉆探范圍及鉆孔深度，以保護深井地電臺站觀測環(huán)境。

廣東省地震局.廣東省地震監(jiān)測志［M］.北京：地震出版社，2005：70-78.

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Abstract

The greatly decline change of earth resistivity was observed at Xinfengjiang Geoelectric Station before Dongyuan MS3.2 earthquake occurred on May 15，2015.By analyzing the observation system，natural and field environment during the resistivity anomaly，it is considered that the earth resistivity variations are not some earthquake precursor abnormalities，but resulting from the well drilling in measuring area.

The determination of interference of drilling on deep geoelectric resistivity in Xinfengjiang

Liu Jiping1，2），Yan Xing2），Chen Zhiqun3）and LiuDonghui3）
1） University of Science and Technology of China，Hefei 230026，China
2） Earthquake Administration of Guangdong Province，Guangzhou 510070，China
3） Xinfengjiang Seismic Center Station，Guangdong Province 517021，China

data tracking and analysis，earth resistivity，drilling，interference，precursor networks

10.3969/j.issn.1003-3246.2016.03.022

劉吉平（1981—），男，碩士，主要從事電磁學科和GPS前兆數(shù)據(jù)分析處理工作。E-mail：jipingliu@163.com