新城子井下地電阻率觀測影響系數分析

黃明威，張 琪，李夢瑩，楊牧萍

（遼寧省地震局，遼寧 沈陽 110034）

0 引言

地震觀測視電阻率方法始于物探方法，1966年河北邢臺Ms7.2地震后用于地震預測分析，并且多次記錄到中強地震前（如1976年唐山Ms7.8和2008年汶川Ms8.0地震等）明顯的視電阻率異常[1-2]。地電阻率觀測對觀測資料的質量要求一直較高，近年來隨著城市化的進展，電阻率觀測的干擾影響也越來越大（如地鐵、工廠等），相當一部分地電阻率觀測臺站觀測環境遭到嚴重破壞，臺站數量從120個減少至80余個，遼寧省共有地電阻率臺站4個，臺站數量本就不足，臺安臺地電阻率觀測又受環境干擾，在影響較大導致無法正常研究分析后停測。前人的研究表明，地表觀測可以通過加長供電極距減少地表環境干擾的影響（溫度、降雨等），供電極距越大，越能有效降低表層介質影響、抑制地表雜散電流，顯著減少觀測數據年變化幅度[3]。但受到觀測場地環境、經濟條件等影響，供電極距延長到可以忽略地表干擾的影響的程度是難以實現的。為有效抑制地表干擾，80年代以來我國通過將電極埋入地層一定深度的深井電阻率觀測方法來進行研究[4]。實驗結果表明，井下地電阻率觀測能夠有效地抑制季節性降雨等產生的年變以及地表的干擾，同時能夠緩解地震觀測環境保護和地方經濟發展。井下觀測相關理論研究已取得較多成果，聶永安[5-6]通過求得水平層狀均勻介質中點電流源位于任意深度時的電位解析表達式，研究了3層結構在地表和井下四級對稱電阻率觀測結果與電極埋深、供電極距之間的關系；解滔等[7-8]采用該電位解析表達式分析了井下四級對稱電阻率觀測時一維、三維影響系數隨深度和極距的變化，并對井下地電阻率觀測中地表電流的干擾影響進行了計算；毛先進等[9-10]采用邊界積分方程法計算了下伏高阻、下伏低阻影響系數隨電極埋深和供電極距的變化，并計算了不同電極埋設時井下觀測的探測深度變化；王蘭煒等[11]提出了井下地電阻率觀測不同裝置情況下裝置系數的計算方法；沈紅會等[12]研究了在抑制地鐵等表層干擾、提高信噪比時極距和電極埋深的合理方案。

新城子地震站的地電阻率觀測始于建臺之初的1976年，期間為地震預報及地震研究提供了大量的觀測數據資料，但近幾年來，隨著沈北新區城市化進程的不斷加快，新城子地震臺周邊新建了許多工廠和居民區，尤其是2013年6月，沈陽飛機制造公司空氣動力研究所在沈北新區地震臺南200米處圈地興建廠房以來，新城子地震臺的地電阻率觀測環境受到嚴重的干擾和破壞。為解決這一問題，新城子地震站井下地電阻率工作在2016年正式開展，通過幾年的數據觀測，深井電阻率對比地表電阻率觀測取得了非常好的觀測效果，是進一步完善新城子地震站地電阻率前兆觀測技術、抑制和減小干擾和環境因素影響的有效措施。本文依據給出的電位表達式及程序[3，5-6]，以新城子地震站3層電性結構為例，計算了新城子3層水平層狀均勻介質中隨觀測極距與電極埋深變化的各層介質影響系數，以此來探討新城子地震站電極埋深與布極距離的合理性、深井觀測對比地表觀測對地表及淺層所產生干擾的抑制能力，其分析結果可以為今后類似電性結構中實施井下地電阻率觀測時提供參考。

1 新城子地震站簡介

新城子地震站始建于1975年8月,位于沈陽市新城子區新城子鄉頗家屯村村北約一千米處，距新城子區城區中心約兩千米（圖1）。所處位置在沖擊平原地貌與黃土堆積地貌的結合部，主要斷裂有王綱堡—新城子斷裂、永樂—清水臺斷裂、蒲河斷裂。王綱堡—新城子斷裂，南起王綱堡，經張士屯、北李官、丁香屯、大轉灣橋沿北北東方向從本區通過，是依蘭—伊通斷裂沈陽段的組成部分，處于隱伏狀態，是第四紀活動斷裂，活動時代主要在早中更新世，晚更新世以來沒有活動；永樂—清水臺斷裂，南起永樂，經楊士開發區、于洪區政府東、鐵西清真寺、小韓屯、八家子往北延伸，也是依蘭—伊通斷裂沈陽段的組成部分，處于隱伏狀態，是第四紀活動斷裂，活動時代主要在早中更新世，晚更新世以來沒有活動。該斷裂與王綱堡—新城子斷裂平行，南側相距1.5～3.0km，北側相距6～8km。太吉屯—蒲河斷裂主要傾向北西，傾角較陡，主要表現為若干條大致平行的分支斷裂帶，全長約35km，斷裂性質表現為正傾滑兼右行走滑性質。斷裂北東盤上升，南西盤下降，但垂直錯位量很小。斷層沒有錯切上覆的上更新統地層，斷層活動時代為中更新世早、中期。新城子地表觀測儀器采用ZD8B儀器，井下觀測儀器選用的是中國地震局地殼應力研究所研制的ZD8M型地電阻率儀，地表觀測采用十字狀布極方式，井下觀測采用L型布極方式（圖2），均為四級對稱觀測，裝置系數等如表1所示。

圖1 新城子地區地質構造圖Fig.1 Geological structure map of Xinchengzi area

表1 供電極、測量極布設情況和裝置系數對應表

圖2新城子地震觀測站地電阻率地表（a）/井下（b）觀測布極Fig.2 Distribution of surface/underground resistivity monitoring arrays at Xinchengzi Seismic Station

2 地電阻率影響系數理論

新城子地震站井下與地表地電阻率觀測均采用四級對稱觀測裝置，根據視電阻率影響系數的計算方法，由于臺站觀測到的地電阻率變化為測區不同區域介質地電阻率變化的加權和，因此，結合臺站實際的電性結構，可以依據不同電極埋深和供電極距情況下的影響系數分布來綜合評估新城子地震站井下觀測對淺層干擾的抑制能力和對深部巖層介質電阻率變化的相應能力。如果將電阻率測區劃分任意的n塊區域，每塊區域介質電阻率為ρi，i=1，2，…，n。在測區電性結構、布極位置及觀測裝置確定時，視電阻率ρa是各分區介質電阻率的函數[13]。

通常各分區介質電阻率在一定時間內的相對變化非常小，即Δρi/ρi<<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，忽略不計。視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

測區介質按任意大小劃分，用數值計算方法討論各區域介質對視電阻率觀測的三維影像系數。本文主要討論各層介質整體對觀測的影響，因此按照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的奧尼爾濾波器（O′Neill36）計算對稱四極裝置的視電阻率和相應的影響系數[14-16]。

3 新城子地震站井下地電阻率觀測影響系數分析

3.1 地表/井下觀測年變化分析

新城子地震站深井電阻率2016年12月開始投入使用，地表觀測于2018年停測，選取新城子地電阻率NS向、EW向地表觀測2010—2018年資料和井下觀測NS向、EW向2016—2019年資料（圖3-4），其中地表觀測NS向在2015年因沈飛建設防空實驗室受到嚴重干擾，計算去掉受干擾期間數據；新城子地表觀測電阻率季節性變化顯著，夏季降雨量增加，表層介質含水率升高，地表介質電阻率降低，引起視電阻率觀測值降低；冬季降水量減少，表層介質電阻率上升，視電阻率觀測值升高，表現出“夏低冬高”的正常年變形態。新城子深井電阻率觀測數據變化穩定，沒有明顯的年變形態，受降雨量等地表干擾影響較小。

圖3 新城子地表北南向（a）、東西向（b）電阻率觀測整點值曲線Fig.3 The whole point value curve of resistivity observation in NS direction （a） and EW direction （b） of the surface of Xinchengzi Seismic Station

圖4 新城子深井北南向（a）、東西向（b）電阻率觀測整點值曲線Fig.4 The whole point value curve of resistivity observation in NS direction （a） and EW direction （b） of the deepwell of Xinchengzi Seismic Station

對新城子觀測站地表和井下地電阻率年變幅度進行計算統計，如表2、圖5所示，可以對比看出地表NS，EW年變化幅度較大，井下NS和EW觀測的年變化幅度較地表觀測顯著減小，其中17、18年地表、深井同時進行觀測，年變幅度差距達到10倍左右。說明電極埋深至150m后，有效降低了表層介質影響，較好地抑制了地表雜散電流，顯著減少了觀測數據年變化幅度，但由于新城子地表、深井電阻率供電極距不同，可以通過各層介質影響系數來進一步分析電極埋深與供電極距對地電阻率觀測的影響。

表2新城子地電阻率觀測數據年變幅度統計

圖5新城子地表/深井電阻率年變幅度對比Fig.5 Comparison of annual variation of surface/deep well resistivity in Xinchengzi Seismic Station

3.2新城子臺影響系數分析

通過對新城子臺的高密度電法探測和電測深報告通過IX1D軟件進行反演（圖6），得到該電測深曲線在水平層狀均勻模型下反演的電性結構如表3-4所示，電性結構等效為3層，為A型電性結構，以此計算分析各層介質影響系數隨電極埋深和觀測極距的變化，兩測向的三層厚度接近，第二層厚度遠大于第一層，各層電阻率接近，EW與NS兩個測向反演的模型相近，因此下文以EW方向為例進行分析。

表3新城子臺NS向電測深曲線反演電性結構

圖6新城子EW向反演模型建立Fig.6 Establishment of Xinchengzi EW direction inversion model

表4新城子臺EW向電測深曲線反演電性結構

圖7為新城子EW向表層地電阻率各層介質影響系數隨觀測極距的變化曲線，當地表觀測電極埋深為0，極距為1000m時，第3層介質影響系數較大且與第2層相近，說明此時視電阻率的變化主要反映中間層及深層介質電阻率的變化，中間層介質深度在5～128.7m之間，因此新城子地表觀測的布極方式可以較好地反應大于128.7m深層介質電阻率變化，并對小于5m的淺層介質的干擾有一定抑制能力，但2、3層介質影響系數接近難以區分發生影響地電阻率變化的位置。同時通過圖7可以看出，地表觀測淺層B1的影響系數隨極距的增加而減小，極距越大就越能抑制地表干擾和突出目標層介質電阻率變化，但若極距過大則會導致場地勘選困難、測區場地面積過大以致受到場地內的干擾幾率變大。

圖7新城子EW向地表觀測各層介質影響系數隨觀測極距的變化Fig.7 Variations of sensitivity coefficients of various layers of medium observed on the surface of Xinchengzi EW direction with observation pole distance

圖8新城子EW向深井觀測各層介質影響系數隨觀測極距的變化Fig.8 Variations of sensitivity coefficients of various layers of medium observed in the deep-well of Xinchengzi EW direction with observation pole distance

圖8為新城子EW向深井觀測各層介質影響系數隨觀測極距的變化曲線，深井觀測（AB=150m、h=150m）第3層介質影響系數較大，說明此時地電阻率的變化主要反映深度大于128.7m的深層B3層介質電阻率的變化，同時第2層介質影響系數大于第1層介質影響系數。與地表觀測對比，深井電阻率第3層影響系數大于地表電阻率第3層影響系數，第2層與第3層影響系數差距變大，第1層的影響系數更小（表5），深井電阻率對地表干擾的壓制能力更強，對深層電阻率的變化反映更好。同時從圖中可以看出，在電極埋深固定的情況下，隨著極距的增加，第1層影響系數增加，第3層的影響系數減小，井下觀測的作用逐漸減弱并接近于地表觀測，可以看出，新城子的深井供電極距并非越大越好。通常情況下資料受干擾小且變化平穩時更容易識別異常，深井觀測在電極埋深固定時，極距較小的時候幾乎可以忽略表層介質對觀測的影響，但小極距觀測只能體現裝置所在層位附近小體積范圍內介質電阻率的變化，不能有效反映對孕震應力傳遞更有效的深層巖層的信息，不利于孕震信息的提取，因此不能過度的追求小極距。根據全國地電阻率觀測臺站多年的觀測數據，淺層介質影響系數絕對值不大于0.5%左右的情況下觀測數據較為平穩，季節性年變化幅度較小，因此在電極埋深范圍內使供電極距AB足夠大，淺層影響系數足夠小，深層影響系數足夠大即可。新城子地震觀測站地表觀測第1層的影響系數為0.93%高于觀測標準的0.5%，而井下觀測第1層影響系數僅為0.14%，新城子地震觀測站井下觀測布極設計較為合理。

表5新城子地震觀測站影響系數統計

圖9為新城子EW向深井各層介質影響系數隨觀測極距及電極埋深的變化曲線，如圖9（a）所示當1層影響系數在AB/2<100，電極埋深H在0～50m時第1層介質影響系數較大，表層發生的干擾對整體觀測的影響較大。當AB/2<300，電極埋深H在0～120m時第2層介質影響系數較大占主導地位，達到0.5以上，如圖9(b)所示。當電極埋深H大于120m時，第3層影響系數較大，且在一定范圍內隨極距AB的增加而減小。總體來說，電極埋深越深，第1層影響系數越小，第3層影響系數越大。但電極埋深越深，工程投入就越大，觀測系統穩定性越差，所以不能一味的追求電極埋設的深度。新城子觀測站井下地電阻率電極埋深為150m，極距AB為150m，第三層影響系數最大，第一層影響系數最小，如果孕震作用引起的是第2、3層介質電阻率的變化，則說明新城子臺井下短極距觀測的映震能力要優于地表觀測。因此新城子的深井電阻率設計較為合理，能夠降低表層介質影響，較好地抑制了地表雜散電流，顯著減少了觀測數據年變化幅度，更好的反映深層的變化。

圖9新城子EW向各層介質影響系數隨觀測極距及深度的變化（a）第1層；（b）第2層；（c）第3層Fig.9 The change of the sensitivity coefficient of the medium in EW direction of Xinchengzi with the observation pole distance and depth （a） level 1；（b） level 2；（c）level 3

4 結論與討論

通過對新城子地震觀測站電測深曲線反演的電性結構，結合影響系數理論用水平層狀介質模型對比分析地表和井下年變幅度變化機理，研究了如何依據影響系數隨電極埋深和觀測極距的變化來探討合適的井下電極埋深和極距布置，對新城子觀測站井下觀測裝置進行評價，結果表明：

（1）新城子觀測站NS/EW地表觀測表現出“夏低冬高”的正常年變形態，而井下觀測沒有明顯的年變形態，年變化幅度僅為地表電阻率的1/10左右，說明電極埋深至150m后，能夠有效降低表層介質影響，較好地抑制了地表雜散電流，顯著減少了觀測數據年變化幅度。

（2）通過影響系數理論分析，對于新城子地表觀測，極距越大淺層介質的影響系數越小，但布極距離的增加會導致場地勘選困難、測區面積過大以致受到場地內的干擾幾率變大。而對于深井觀測，極距越大觀測效果反而越差，因此井下觀測采用小極距觀測，而在極距一定的情況下，電極埋深H越深，工程投入就越大，觀測系統穩定性越差，所以需在保證觀測質量的前提下，對電極埋深進行合理布置。

（3）通過影響系數理論分析，新城子地震觀測站地表觀測第1層的影響系數為0.93%高于觀測標準的0.5%，而井下觀測第1層影響系數僅為0.14%，同時第3層影響系數低于井下觀測，新城子地震觀測站井下地電阻率觀測布極方式合理，觀測效果較好，可以為今后類似的A型電性結構的臺站布極提供依據與參考。