平涼臺井下地電阻率觀測影響系數分析

趙斐 葉青 解滔 范曄 張遠富

1）平涼中心地震臺，甘肅省平涼市崆峒區廣成路39號 744000

2）中國地震臺網中心，北京 100045

0 引言

1966年河北邢臺地震后，國家引入物探地電阻率法進行地震預測實驗觀測，此后由政府組織建設了大規模、長期連續觀測的臺網。目前在中國大陸人口密集、大中城市附近的地震活動區帶共有70多個臺站用于常規監測，每臺布設2～3個測道，采用地表電阻率對稱四極觀測裝置（杜學彬等，2006）。至今已積累大量的觀測數據和科學研究成果，在方法理論、觀測技術、觀測數據應用等方面取得較大進展（錢復業等，1982；錢家棟等，1985、1998；杜學彬，2010；王蘭煒等，2011）。

近年來，地表地電阻率觀測受到地表環境影響，其可持續性發展受到威脅，井下地電阻率觀測由此成為目前發展方向之一。井下地電阻率觀測是將原本埋在地表的電極裝置深埋在地下，在地下水平向開展對稱四極以及在垂直向（同一井下電極埋深不同）進行地電阻率觀測。這種觀測方式不但能有效抑制地表干擾，而且能有效化解地震觀測與當地經濟和社會發展之間的矛盾。山東、河北等地多年前就開始了地電井下觀測，供電、測量電極均置于井底（王幫本等，1981；孟慶武等，1991；孫承德等，1996、1998），但是，在這些早期建設的 10多個井下地電阻率觀測臺站中僅廣東河源臺至今仍在持續觀測，其余臺站全部停測。近年來，隨著臺站所在地經濟建設的高速發展，地表大極距、多方位的地電阻率觀測遇到的觀測環境惡化的問題日趨嚴重，因此建設井下觀測裝置被重新重視起來。2008年以來，在全國地電臺網技術管理部門和地電學科專家的推動下，我國開始陸續發展井下地電阻率臺站。2010年以來先后建設了江蘇海安臺、河北大柏舍臺、陜西合陽臺、甘肅天水臺和平涼臺等10多個井下地電阻率臺站，繼續進行實驗觀測，并開展了井下觀測技術、方法理論方面的研究（聶永安等，2010；解滔等，2012、2016；毛先進等，2014；楊興悅，2012）。除了規避地表人為的觀測環境干擾，井下地電觀測還能較好地降低因淺層潛水升降和介質含水率季節性增減所引起的視電阻率年變化以及獲得地表以下較深部介質的電性變化的信息。

在上述井下地電阻率觀測臺站中，甘肅平涼臺建設了井下多層水平觀測裝置，供電極距大，并具有完整的臺址“十子”電測深資料。本文以平涼臺4層電性結構為例，依據解滔等（2016）提供的程序，計算了平涼臺4層水平層狀均勻介質中隨觀測極距和電極埋深變化時的各層介質的影響系數，通過各層介質影響系數的大小評估了平涼臺井下觀測對地表及淺層干擾的抑制能力，分析結果也可為在類似臺址電性結構中實施井下地電阻率觀測時選擇電極埋深和供電極距提供參考。

1 平涼臺井下地電阻率觀測簡介

平涼臺位于南北地震帶北段的六盤山斷陷帶東麓大斷裂的東側，即隴西旋卷構造系向南收斂的區域，地處平涼市西郊崆峒鄉轄區內，距市區約11km，位于崆峒鄉政府所在地寨子街的西側。平涼臺地表地電阻率觀測項目始測于1975年12月，自1997年遷建后，觀測資料連續可靠，但近幾年隨著當地社會經濟的發展，觀測環境遭到了破壞，觀測資料受干擾明顯，以廣成山莊施工及運營干擾為主要干擾因素。2012年4月中旬，測區內修建了平定高速公路，其平涼西出口橫穿整個測區，觀測場地遭受環境干擾影響更加嚴重，地表觀測系統已無法正常運行，因此對地表觀測裝置進行了改建。經專家多次論證，嘗試采用了井下地電阻率觀測方案（趙斐等，2015）。其井下電阻率觀測裝置于2014年1月正式運行，目前使用ZD8MI多極距地電儀。觀測裝置布設NS、EW兩個觀測方向，每個裝置采用對稱四極觀測裝置，井下水平正交布設（圖1）。觀測裝置包括地表觀測裝置、井下40m水平觀測裝置、井下60m水平觀測裝置、井下80m水平觀測裝置、井下100m水平觀測裝置、垂直觀測裝置6個測道和驗證測量系統1個測道等，共計14個測道。其中，NS裝置供電極距AB＝450m，測量極距MN＝150m；EW裝置供電極距AB＝240m，測量極距MN＝80m。本文僅對水平觀測裝置介質影響系數進行分析。

2 地電阻率影響系數理論

根據地電阻率觀測影響系數的計算方法，觀測到的地電阻率變化可以表述成測區不同區域介質電阻率變化的加權和（錢家棟等，1985），因此，可依據不同的觀測極距和不同電極埋深時各區域介質對視電阻率的影響系數來評估井下觀測對地表干擾的抑制能力和對深部巖層電阻率變化的響應能力。如果將地電阻率測區劃分為任意的n個區域，每一個區域介質電阻率為ρi（i＝1，2，…，n）。在測區電性結構與觀測裝置確定時，地電阻率ρa是各分區介質電阻率的函數，ρi與ρa之間的關系為

圖1 平涼臺井下地電阻率觀測布極

多數情況下，各分區介質電阻率在一定時間內的相對變化非常小，Δρi／ρi遠小于1，因此，將式（1）作Taylor級數展開，二階及高階項遠遠小于一階項，可忽略不計。地電阻率相對變化可以簡單地表示為各分區介質電阻率相對變化的加權和，即

式中，Bi稱之為影響系數，其表達式為

同時，影響系數Bi滿足如下關系，即

測區介質可以按任意大小劃分，用數值計算方法討論各區域介質對地電阻率觀測的三維影響系數。這里主要討論各層介質整體對觀測的影響，因而按照n層水平層狀結構將測區劃分為水平層狀的n塊區域，采用解析表達式和二級裝置濾波器算法計算對稱四極裝置的視電阻率和相應的影響系數。

3 平涼臺井下地電阻率觀測影響系數分析

3.1 觀測資料

平涼臺井下水平觀測NS測道2014～2016年日均值資料如圖2所示。隨著春季降雨量開始增加，地表介質含水率增加，井下地電阻率觀測值下降；進入秋冬季節后降雨量減小，地表介質電阻率上升，井下地電阻率觀測值上升，表現出明顯的“夏高冬低”的年變形態。年變幅度統計如表1所示，年變幅度依次為：井下40m＞井下60m＞井下80m＞井下100m。由此可見，電極埋深越深，年變幅度變化越小。但整體而言，4個測道年變幅度均變化較小。另一方面，圖2還顯示出4個不同深度的測道地電阻率變化形態較吻合，且同步。

圖2 平涼臺井下水平觀測NS測道地電阻率觀測曲線

3.2 影響系數分析

平涼臺電測深曲線如圖3（a）所示，大致可視為KH型，反演的電性結構如表2所示。依據該電測深曲線在水平層狀均勻模型下反演的電性結構如圖3（a）所示，第2層為厚度25m的高阻層，底層介質電阻率值也較高。各層介質影響系數隨深度變化曲線如圖 3（b）所示，當H＝0時，第 2、3層介質影響系數較大，說明此時視電阻率的變化主要反映中間兩層介質電阻率的變化，第1層介質影響系數為負數（圖3（b）中虛線部分）。由地表至第 1、2層分界面（H＝34m）過程中，第1層介質影響系數迅速減小，H在第2層介質增加時，第1層介質影響系數則增加；當電極埋深H＝100m時，第1、2層介質影響系數較小，約為0.01，此時，視電阻率觀測值主要體現第3層介質電阻率的變化，其次是第4層。當電極埋深繼續增加時，第1、2、3層介質影響系數迅速減少，趨近于零，第4層影響系數趨近于1，占據主導地位。

表1 平涼臺井下水平觀測NS測道地電阻率年變幅度統計

圖3 平涼臺影響系數分析

圖3（c）是地表H＝0時各層介質影響系數隨觀測極距的變化，當AB／2較小時，第1層介質影響系數最大，說明此時視電阻率的變化主要反映了表層介質電阻率的變化，當極距AB／2超過120m后，第1層介質影響系數出現負值（圖3（c）中虛線部分）。隨著 AB／2逐漸增大，第2、3層影響系數先增加，后減小，第4層影響系數則是逐漸增加。

表2 平涼臺電測深曲線反演的電性結構

圖3（d）是埋深H＝100m時各層介質影響系數隨觀測極距的變化，電極位于第3層。當AB／2較小時，視電阻率主要反映第3層介質電阻率的變化，隨著觀測極距的增加，第3層介質影響系數逐漸減小，第4層介質影響系數增加，第1層與第2層則是先增加后減小。

平涼臺井下地電阻率觀測（AB＝450m，MN＝150m）各層影響系數統計表如表 3所示，B1、B2、B3、B4分別代表水平層狀影響系數的第1～4層。整體而言，平涼臺井下觀測的年變化幅度均較小，地表觀測時第1層介質影響系數絕對值要大于井下觀測時的影響系數，使得地表觀測的年變幅度要大于井下觀測的年變幅度。井下觀測第1、2層影響系數小于地表觀測的影響系數，說明井下觀測對淺層介質電阻率的變化干擾具有抑制作用。平涼臺井下觀測第3、4層介質影響系數均大于地表觀測，說明如果孕震作用引起第3、4層介質電阻率的變化，那么平涼臺現有的井下觀測映震能力要優于地表觀測。總之，平涼臺井下觀測受淺層干擾影響較小，便于資料分析和異常認定，井下觀測效果要好于之前的地表觀測。

表3 平涼臺影響系數統計（AB＝450m，MN＝150m）

4 對平涼臺井下觀測裝置設計的討論

井下觀測的目的在于抑制地表干擾和突出由孕震引起的深部巖層介質電阻率變化。本文采用水平層狀介質模型討論了平涼臺各層介質的影響系數，分析結果表明：在不同電性結構中實施井下觀測，發現各層介質影響系數隨電極埋深和極距的不同表現出復雜的變化。觀測極距固定時，影響系數并非都隨著電極埋深的增加而呈現出單調的變化：在某些深度范圍內對地表干擾具有放大作用，但只要觀測深度足夠深，就可以抑制地表干擾，突出深部信息。這與解滔等（2012）所得出的結論一致。電極埋深固定時，影響系數隨觀測極距的變化也比較復雜；小極距觀測時，電極所在層位的電阻率值變化較大，即電極所在層位的影響系數最大；隨著極距的增加，地下介質深部信息的反映能力隨之增加。

圖4是采用圖3（a）所示電性結構計算的平涼臺各層介質影響系數隨觀測極距AB和電極埋深H的變化。當極距AB／2＝150m，埋深H為0～50m時，第1層介質影響系數變化梯度較大；當極距AB／2＞150m，埋深H＞50m時，影響系數變化平穩且數值很小。第2層介質在小極距淺層觀測時，影響系數為0.4左右，其他情況影響系數都較小，在0.1～0.2之間。在圖4所示的觀測極距范圍內，當電極埋深為170m時，第3層介質影響系數占主導地位，數值在0.6～0.9之間；當電極埋深＞170m后，第4層影響系數逐漸增加并占據主導地位。

目前，平涼臺井下觀測系統中，第3層介質電阻率的變化對觀測整體的影響最大。一般認為孕震應力主要引起深部介質電阻率發生變化，觀測裝置應兼顧反映深部介質的變化。因此，在觀測極距AB一定的情況下，電極埋得越深越好。考慮到目前的井下觀測技術，平涼臺觀測裝置兼顧第3層和第4層介質電阻率的變化且適當的加大極距較為適宜。從圖4中可以看出，觀測極距AB／2取200～250m，電極埋深H取170～200m時，就可滿足要求。

圖4 平涼臺各層介質影響系數隨觀測極距及深度的變化

5 結論

本文通過平涼臺電測深曲線反演的電性結構，分析了在4層水平層狀介質模型下，該臺井下觀測各層的介質影響系數，并討論了如何利用影響系數隨電極埋深和觀測極距的變化而變化來選擇合適的觀測極距和電極埋深。結果發現，隨著觀測深度的增加，各層影響系數并非單調變化，在相同的觀測極距下，電極埋深在一定深度范圍內時對地表介質季節性干擾具有放大作用；但當電極埋深足夠深后，能夠有效抑制地表淺層干擾，突出深部介質電阻率的變化信息。對于其他將要進行井下地電阻率改造的臺站，需要根據自己臺站實際的電性結構計算不同電極埋深及供電極距下的介質影響系數，在保證有效抑制地表干擾和獲取深部信息的基礎上，找到最佳觀測極距及電極埋深。