[0001] 本发明涉及地震监测技术领域，更具体的说是涉及一种地震地电场观测装置设计方法及系统。

[0002] 目前，地电场台网是以地震前兆监测和地震预报为目的建立起来的，地电场观测在地震、火山等灾害事件监测和地质勘探中的得到了国内外的广泛应用。地电场在地震、火山等灾害事件前存在一定区域内的异常，对这类灾害事件的监测预报有着重要的实际意义。而地震电磁前兆现象往往叠加在正常的地球电磁环境背景中难以分辨，所以认识合理的观测装置布极方式是区分地震地电场干扰信号和前兆异常的前提。

[0003] 目前在网运行的大部分的地电场观测装置布极方式是：在地面水平布NS、EW两个正交方向和一个斜交方向，每方向布长、短极距两个测道(“三角形”布极方式)；少量在水平布NS、EW两个正交方向，每方向布长、中、短极距三个测道(“L形”布极方式)。这两种布极方式的优点长短极距布设可以在同一个地电场观测装置中进行观测数据的相互印证。但是目前的布极方式仅仅是在一个象限内布极测得南北、东西向水平分量地电场，不能在四象限内全方位描述矢量地电场变化信息。

[0004] 地电场的观测原理是在指定方向上，按照一定的电极极距，埋设2个电极A、B组成一个观测装置，测量该装置下两个电极A、B之间的电位差V，除以极距获得地电场。一般情况下在某个象限按照三角形方式，在三个方向进行长短极距布极。这种方式虽然可以长短极距观测结果对比，但实际上地电场观测包含包含自然电场成分和大地电场成分，其中的自然电场是不均匀的，大地电场具有广域性，在短期内是均匀的，具有电场矢量特性。根据电磁场理论可以得出，某一点电位是相对于某个参考点测得的，在目前这种观测原理下，每个方向是独立的，各个测道之间没有统一的参考点，因此用它来表征地电场的矢量信息并不准确。

[0005] 另外一方面目前地电场观测台网大部分观测使用Pb‑Pbcl2固体不极化电极埋设在地下3米左右，固体不极化电极极化电位小，是地电场观测电极的最佳选择，但其长期稳定性具有一定的局限性。再加上较长的电极引线和观测外线路相连，在雷雨季节会加大观测装置系统不稳定的可能性。虽然在目前的装置布极情况下，每个测道都共用一个电极，可以判断出现问题的电极或者线路的方向，但不能精确判断哪个电极故障或线路出现问题，也不能准确判断干扰源具体方位。

[0006] 因此，如何设计能够获得全方位描述地电场观测信息的观测装置是本领域技术人员亟需解决的问题。

[0038] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

[0039] 本发明实施例公开了一种地震地电场观测装置设计方法，如图1所示，包括：

[0040] 设置地电场观测装置布极方式，选取中心点，依据两个电极之间的极距，确定端点位置；

[0041] 根据所有端点的位置和极距，确定地电场观测装置电极的埋设方式；

[0042] 观测每条测线两个电极之间的自然电位差，依据自然电位差描述自然电场的变化；

[0043] 基于自然电位差和每日零点时刻的电位值得到两点之间的自然电位差变化值；

[0044] 根据自然电位差变化值除以同轴线端点电极之间的极距，得到大地电场的表达式。

[0045] 在一个具体的实施例中，设置地电场观测装置布极方式具体为：

[0046] 采用米字形布设8个方向进行布设(如图2)，以O为中心点，在8个方向以等极距进行设计。将中心点O作为电位参考点VO，8个端点相对于中心点进行观测得VOA11、VOA21。由电磁场理论可知，电场本身具有方向性，当两点间距离无限小时，它是由电位的梯度求得，8个方向求得的电位差，可以完全测出整个测区的电位分布，用以描述四个象限内全方位的自然电场变化情况，这样比由三角形求得的某个方向的平均电场强度的方法更有意义。

[0047] 在一个具体的实施例中，确定地电场观测装置电极的埋设方式具体包括：

[0048] 如图2所示，在中心点和端点共9个端点分别埋设3个电极，电极坑设为边长1米的正方形或者直径为1米的圆形，3个电极分别布设在1米范围内的3个角。测量线采用三芯铠装电缆，8个端点分别与中心点3个电极进行连接。8个方向每个方向都有三个平行的测道，从测量原理上看，三个方向的测项结果应一致，可以方便的判断观测数据的准确性及电极的稳定性，还可以更加快捷、准确的判断场地外部干扰源的方位。

[0049] 地震地电场观测矢量表达方式

[0050] 以图2东西向为例，描述自然电场和大地电场的表达方式：

[0051] 在一定时间域内，上述除中心点外的8个端点相对于中心点O所测得的自然电位差分布情况即可描述自然电场的变化，也可以用时间轴做Z轴，在全空间内描述全方位自然电场的变化动态。以东西向VA11、VA21为例，用8个端点的自然电位差减去每日0点时刻的值VO得ΔVA11O、ΔVA21O，每个最后求得ΔVA12＝ΔVA11O‑ΔVA21O的结果为自然电位差的变化部分，再除以东西向极距即为大地电场ΔE的表达方式。这种表达方式克服了自然电场和大地电场无法分离的情况，为提取地电场异常提供另一种思路。

[0052] 下面引入一个实施例进行具体的说明。

[0053] 采用360度全方位进行布极设置，克服了只在一个象限布极的缺陷，在中心点设置参考电极，不但可以全方位描述地电场的矢量信息，还可以比较方便的准分离自然电场和大地电场成分；4个象限同时布设电极，但观测场地出现干扰情况时还可以准确判断干扰源的方位和位置；每个端点布设3个电极，还可以方便判断电极是否出现故障，及时排除干扰，获得准确的观测数据。

[0054] 实施方案：以甘肃GT观测场地为例，实施该观测装置的设计方法。

[0055] 1.场地选择

[0056] GT观测场地为荒滩林地，地势平坦，符合观测场地要求。因此在高台大庄地电观测站以南的场地内选取50m*50m范围内地形平坦、施工便利的地区用以实现该新型地电场观测装置系统的建设。

[0057] 结合测区地形和建设要求，采用“米”字形布极方式。设计地电场观测长极距100m，短极距50m。外线路采用“全地埋”方式。

[0058] 通过卫星地图选定的极坑点位的经纬度，现场手持GPS复核后极坑经纬度统计于表1中。实际布极图如图3所示。

[0059] 表1电极坑点位坐标

[0060]极坑 纬度(北) 经度(东)
O 99.84147012° 39.32213309°
N 99.84146476° 39.32258750°
S 99.84147012° 39.32168697°
E 99.84204143° 39.32213309°
W 99.84088272° 39.32212894°
NE 99.84188050° 39.32245263°
NW 99.84104902° 39.32244848°
SE 99.84188586° 39.32181354°
SW 99.84106779° 39.32180109°

[0061] 考虑到手持GPS误差范围和布极距离较短，在实际施工中极坑O选定以后其他极坑将主要使用罗盘打方向测距，GPS辅助定位的方式确定其他极坑位置。

[0062] 2.外线路施工

[0063] (一)电缆布设

[0064] 外线路电缆选用适合地埋的三芯绝缘电缆线。

[0065] 布线和埋线沟开挖方式按照图4施工，使用电缆线长度为1043m，埋线沟长度384m，开挖三条埋线沟汇集至NE极坑附近位置，在NE极坑位置开挖总埋线沟到观测室，所有线路汇集至后NE极坑附近再由总埋线沟引入观测室。布线图见图4，线缆使用长度见表2。

[0066] 施工过程中按照理论设计，开挖埋线沟，采用人工放线，在放线过程中记录电缆线头尾长度计算得知实际布线长度。

[0067] 表2新型地电场外线路使用长度表

[0068]

[0069]

[0070] (二)电缆标记和埋设

[0071] 为防止外线路埋设后出现线头混乱，需提前在线缆接线端做好标记。使用3道标记，粘贴在接线端并用透明胶带裹缠。具体标记方法见表3。具体每根3芯电缆线连接不同埋深的电极情况，按照实际电缆到货后线芯外皮颜色统一制定，例如：红、蓝、绿三色线芯，红色线芯电极埋深3米、蓝色线芯电极埋深2米、绿色线芯电极埋深1米，此类方式定义具体电极编号。

[0072] 表3外线路标记情况表

[0073]电极坑 电缆长度(m) 内容1 内容2 内容3
N 66 N 北 N北
S 166 S 南 S南
E 60 E 东 E东
W 171 W 西 W西
NE 59 NE 北东 NE北东
NW 133 NW 北西 NW北西
SE 127 SE 南东 SE南东
SW 155 SW 南西 SW南西
O 106 O 中心 O中心

[0074] 由于外线路采用地埋方式，结合测区当地冻土深度达40cm‑50cm，设计开挖埋线槽深80cm，宽40cm。电缆线放置在埋线槽坑底后原土回填压实线路后使用机械回填土方，以减小机械回填时对线缆的损伤。埋线槽设计施工示意图如图5所示，之后进行埋线槽开挖。

[0075] (三)不极化电极接线及埋设

[0076] 不极化电极引线和延长线连接方法按照LGB‑3型固体不极化电极所提供的接线方法，具体施工步骤如下：接头处做锡焊，并采用2层防水胶布2层绝缘胶布以及2层防水胶布从内到外逐层加长，紧密缠绕进行处理，外加pvc套管填注结构胶保护接头在回填中不会破损。

[0077] 每个电极坑设计埋设3个电极，考虑到测区土壤存在砾石，为保证不极化电极与土壤接触良好，施工中要回填40cm厚的细质原土完全覆盖不极化电极与土壤的接触面后回填土方压实，设计电极坑深度250cm,电极埋设时在极坑北侧中间位置放置与电缆红色线芯焊接的电极，极坑南东位置放置与电缆绿色线芯焊接的电极，极坑南西位置放置与电缆蓝色线芯焊接的电极,全部不极化电极均不倚靠电极坑壁，埋设过程中先人工回填过筛后的细质原土至完全掩埋不极化电极，之后使用机械回填。电极埋设施工示意图如图6所示，之后进行人工回填。

[0078] (四)极坑开挖

[0079] 极坑均在设计点位处开挖边长200cm*200cm*2500cm的方形坑埋设电极。所有极坑开挖均为正南北方向，方便布设电极时参考。电极坑施工示意图如图7所示，并进行电极坑开挖。

[0080] 六、外线路引入观测室的施工

[0081] 施工过程中下挖埋线槽至观测室墙边，所有地埋电缆线加装套管后引如观测室，固定妥当后引入观测室。

[0082] 七、室内线路

[0083] 外线路引入观测室后将线路整理后与接线器相链，按相关技术要求与观测仪器连接。仪器供电采用UPS供电，防雷接地接入共用接地网内。

[0084] 八、仪器连接

[0085] 线路通入观测室后按照线路标识的顺序与仪器连接，即可连续观测获取数据，进行分析。

[0086] 基于连续观测获取的数据，如图8所示，在全空间内描述全方位自然电场的变化动态。

[0087] 一种地震地电场观测装置设计系统，包括：

[0088] 布极方式确定模块，设置地电场观测装置布极方式，选取中心点，依据两个电极之间的极距，确定端点位置；

[0089] 埋设方式确定模块，根据所有端点的位置和极距，确定地电场观测装置电极的埋设方式；

[0090] 自然电场描述模块，观测每条测线两个电极之间的自然电位差，依据自然电位差描述自然电场的变化；

[0091] 自然电位差变化值计算模块，基于自然电位差和每日零点时刻的电位值得到两点之间的自然电位差变化值；

[0092] 大地电场表达模块，根据自然电位差变化值除以同轴线端点电极之间的极距，得到大地电场的表达式。

[0093] 本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

[0094] 对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。