平涼臺地表與井下地電阻率觀測數據分析研究

田 野，牛延平，趙 斐，周衛東

(1.甘肅省地震局，甘肅 蘭州 730000； 2.甘肅省地震局平涼中心地震臺，甘肅 平涼 744000)

地電阻率觀測被認為是一種重要的地震預報觀測方法，我國于20世紀中后期開展地電阻率觀測，并進行了一系列與地震前兆有關的地電阻率異常研究，至今已歷時50多年(聶永安等，2010)。多年的觀測結果表明，在強震發生前，震源附近地區所記錄到的視電阻率數值會有一定的變化(張國民等，2001；肖武軍等，2009)，這些與地震活動有關的地電阻率數據為中短期地震預測提供了一定的判斷依據和前兆信息。常規地電阻率觀測易受外界干擾。一方面，由于觀測在地表進行，容易受氣溫、降雨、凍融等自然環境變化的影響，也會被灌溉、電磁場、金屬管線等人為因素所干擾，從而使視電阻率觀測值表現出與地震活動無關的變化(解滔等，2012)。另一方面，常規地電阻率觀測系統采用大極距的供電方式，所需的布極區較大，與當地經濟發展和城市擴張產生沖突，導致越來越多的觀測場地遭到破壞(田山等，2009)。用井下地電阻率觀測代替傳統的觀測方式可以盡可能地避開各種外部環境的不良影響，從而有效降低各類干擾。井下地電阻率觀測也采用對稱四極法(錢家棟，2010)，電極都被放置到地下幾十米或更深處的深井中，按一定的極距布設(劉君等，2015)。其優勢在于：電極遠離地表，受地面環境及干擾源的影響減弱，視電阻率響應的靈敏性提高；極距的減小降低了觀測系統受到的遠場干擾影響，信噪比增加，觀測精度提高(王蘭煒等，2015)；井下觀測系統對場地的限制條件較少，使更多的臺站都能滿足觀測條件去開展地電阻率觀測，提高觀測點的密度。

1 平涼井下地電阻率觀測系統概況

平涼地震臺井下地電阻率觀測系統共設有7個井孔，同時進行著地電阻率淺層地表和不同深度的井下觀測(包含水平觀測和垂直觀測)，自2013年運行至今。水平觀測的電極布設由淺至深分別為：地表、40 m、60 m、80 m和100 m，南北向供電極距為450 m、測量極距為150 m；東西向供電極距為240 m，測量極距為80 m。垂直觀測在1、2、3、4號井中進行，其中1、2、3 號井的供電極距60 m，測量極距20 m；4號井設有三個垂直測道：第一、二個測道的供電極距均為60 m，測量極距20 m；第三個測道的供電極距120 m，測量極距40 m。電極為自研發的筒狀鉛板電極，外線路鋪設是地埋方式(楊興悅等，2012；康云生等，2013)。觀測系統井孔和電極的布局如圖1所示，其中測向、測道與電極的對應關系見表1。

2 平涼井下地電阻率地表與井下觀測數據對比

2.1 觀測數據質量評價

選用平涼臺2014年1月至2017年1月間的井下地電阻率觀測數據，將地表與井下各測道的相對均方根誤差的平均值進行對比，結果見表2和表3。

圖1 平涼井下地電阻率井孔布局示意

表1 測向、測道以及電極序號對應

表2 平涼臺地電阻率水平測向年平均方差(年相對均方根誤差)統計

表3 平涼臺地電阻率垂直測向年平均方差(年相對均方根誤差)統計

表2為地表與井下各水平測向的年平均方差?？梢钥闯龈鳒y道每年的相對均方根誤差都不大。井下NS、EW測道的相對均方差明顯小于地表測道，這說明井下觀測的精度要高于地表，且地表觀測的干擾較大。每個測道的相對均方差在三年間的變化很小，表現較平穩。井下觀測表現出一定的優勢，和平涼臺觀測系統建設過程的細節有關：一是使用圓筒狀電極，既便于井下電極的埋設，又保證了電極與介質的充分接觸；二是電極與電纜的接頭嚴格密閉，防止接頭遭水浸；三是采用“避開干擾時段觀測法”，選取一天中干擾相對較少時段進行測量。表3為井下垂直測向的年平均方差。除2014年度垂直向3測道以外，其余各年幾個垂直測道的年相對均方差都很小。分析發現，觀測數據顯示該測道在2014年2月20日至3月4日之間測值突然升高，隨后又恢復常態，導致垂向3的年平均方差偏高，原因不明。從數據質量來看，地電阻率井下觀測比地表觀測好，前提是在井下觀測系統建設時注意細節處理，如井孔質量、電極的接觸面積、接頭的防水處理等。

2.2 水平測量觀測數據相對變化

將地表與井下在同時段的視電阻率變化情況進行對比，可更直觀地看出地電阻率的地表與井下觀測之間的差異。平涼地電阻率井下觀測系統于2017年9月由于主機故障，臨時停測。因此本文選取2014年1月至2017年8月的觀測數據，以視電阻率的年變幅度R作為分析該臺的年變情況的依據。數據相對變化R是指各個觀測數據減去初值后與初值的比值，該值反映了觀測數據相對于初始觀測值的相對變化量。其計算公式如下：

(1)

式(1)中：xi表示觀測值;x0表示初值。表4按年度列出了各測道的年最大相對變化幅度Rmax，即年變幅度。容易看出，地表觀測的年變幅度超出了地電阻率規范中要求的3%(中國地震局，2001)，且遠大于井下觀測的變幅；而井下各測道的年變幅度均小于3%，說明井下觀測優于地表觀測。地表與井下測道的年變幅度均呈現逐年增漲的趨勢，其中地表的增幅最大，說明地表觀測受溫度、濕度、磁場等變化的影響最大。每個測道的EW向較之NS向的年變漲幅稍大，這可能與EW測向的極距比NS測向的極距小有關。

表4 水平測向的觀測數據的最大相對變化幅度統計

繪制各測道的相對變化量R的曲線，如圖2所示。曲線圖表明：①地表EW測道的相對變化整體呈明顯的上升趨勢，相對變幅達到近30%。視電阻率出現的這種大幅度的變化，不太可能是地下介質電性結構變化的表現，而應該考慮觀測場地、環境或者觀測裝置等因素(王蘭煒等，2011)。②EW與NS測道的年變化形態相似，地表與井下各測道都一致地呈現冬低夏高的基本變化趨勢。③井下各測道的年變幅度均小于技術規范要求的3%，可見井下觀測比地表觀測有著明顯的抗干擾的優勢。圖2(a)顯示地表觀測波有明顯的規律性的年變形態，而由圖2(b)-(g)可以看出，井下測道相對地表觀測，其數據變化較平穩，各測道都一致地呈現冬低夏高的基本變化形態(張磊等，2015)。以上因素表明該臺井下地電阻率觀測可以大大減小觀測場地受降雨、氣候、季節等環境因素的影響。

圖2 平涼井下地電阻率水平向觀測數據相對變化

表5 井下垂直測道的觀測數據的最大相對變化幅度統計

2.3 井下垂直測量數據分析

平涼井下地電阻率垂直測道的觀測數據年變幅度

均未超過3%，見表5，這表明垂直觀測的效果不錯。其中“井孔4垂向下”的年變幅度最小，這一測道的測量、供電電極埋深都在地下100 m以下，說明電極的埋深對觀測結果有一定的影響。對比水平測道的年變幅度(見表4)，至少可以說明在觀測裝置穩定的情況下，垂直觀測受到地表環境的干擾更小。然而，受井深限制，垂直測量的極距往往較小，而極距的減小會導致勘探體變小，從而增大了地下介質的不均勻性影響。

垂直測道的電極埋深是40～160 m(見圖1、表1)。圖3是井下各垂直測道的相對變化曲線。相同深度垂直測量的年變幅度很小且變化趨勢相似(圖3(a)-(d))。圖 3(e)則呈現出比其他測道更平穩的形態，結合表5中的結果，它的年變幅度的確很小，而該測道電極埋深大于100 m，這又一次說明深埋電極可有效避免地表環境變化的影響，而且電極埋設深度可能決定其抗干擾能力。圖3(f)的年變形態也更平穩，這可能是因為它的測量極距較大。由此可見，在井下地電阻率垂向觀測中，電極埋深和極距仍然是影響觀測數據的重要因素。

圖3 平涼井下地電阻率垂直向觀測數據相對變化

3 結論

隨著各地城市化建設的推進，地電阻率觀測場地遭到越來越多的破壞。觀測環境的日趨惡化對觀測造成嚴重干擾，導致觀測數據的分析、地下介質異常變化的識別都變得更困難。平涼臺近年來的井下地電阻率觀測結果表明，井下觀測能夠有效減少和抑制地表干擾，加上其觀測場地較小等特點，成為目前較為理想的一種地電阻率觀測方法。結合平涼臺井下地電阻率觀測數據質量、年變等信息，初步得出以下結論：(1)地電阻率井下觀測的抗干擾能力高于地表觀測。井下測道的日均值曲線平穩，突跳點少，變化幅度也很小，來自地表的干擾對觀測結果基本沒有影響；地表觀測則表現出數據變化幅度大、突跳明顯、階躍頻繁等特征。(2)地電阻率井下觀測的年變優于地表觀測。地表觀測隨季節受到溫度、降雨等因素影響，其年變幅度較大；井下觀測的年變幅度則很小，受季節影響不大。(3)井下垂直觀測穩定。井下垂直觀測隨著電極埋設深度增加以及觀測極距加長，其年變幅度越來越小，日均值曲線更平穩，數據突跳、階躍很少。垂直觀測的最大優勢是觀測場地小，容易提高觀測密度。(4)性能穩定的觀測裝置是地電阻率觀測的基本保障。平涼地電阻率井下觀測裝置獨有的電極技術，使勘探體盡可能大且在井下環境中仍然能保持良好的性能。(5)“避開干擾時段測量”的觀測方式有一定優勢。這種分時段的觀測方式，能夠避開干擾的高峰期，對數據質量有一定的提高。(6)井下地電阻率觀測的弱點是極距小。極距的減小對觀測有一定的不良影響，例如介質的不均勻性影響變大。這一問題的解決還需在理論和技術上進行更深入的研究。