中國地震井下地電阻率研究進展

葉 青，王 曉，杜學彬，解 滔，范 曄，周振貴，劉高川

1.中國地震臺網中心，北京 100045 2.中國地震局蘭州地震研究所，蘭州 730000 3. 安徽省地震局，合肥 230031

0 引言

地電阻率觀測方法是引入物探電阻率方法[1]，經過改良后用于地震預報實驗觀測。地電阻率觀測對象的物理含義明確，巖(土)石標本受壓至破裂過程中電阻率變化的物理機理清晰[2-5]，觀測技術成熟[6-10]，觀測系統長期穩定，觀測數據曲線能呈現清晰的異常變化形態[11-15]。在50多年的觀測中，記錄到了大地震前顯著且清晰的異常現象(如：1976年唐山MS7.8[16]、松潘—平武MS7.2[17]，1988年瀾滄—耿馬MS7.6[18]，1998年張北MS6.2[19]，2003年大姚MS6.2[20]、民樂—山丹MS6.1[21]，2008年汶川MS8.0[22]，2013年蘆山MS7.0[23]、岷縣漳縣MS6.6地震[24]等)，且觀測的異常形態與實驗室實驗[25]、野外原地實驗結果和理論模型[26]十分吻合。

自1966年邢臺MS7.2地震發生以來，由政府組織建設了大規模、長期連續監測的地電阻率觀測臺網。它是我國地震地球物理觀測的重要組成部分，在我國的地震中期、短期預測中發揮著重要的作用，多次記錄了中強地震前突出的地電阻率異常，且對其中的某些地震三要素實施了1年時間尺度的預測[27-32]。地電阻率作為一種較可靠的地震前兆觀測方法，已經被地震監測、預報廣泛使用[33-34]，但由于地表觀測裝置所需觀測場地面積太大[35-36]、測區內潛在干擾因素太多，難以保障高質量數據的持續性觀測，勘選[37]符合觀測規范的觀測場地也越來越困難，尤其是在地震多發且以山地為主要地貌特征的川滇地區，長極距觀測方式的組網布局更是無法實現。觀測場地選擇的困難已經成為制約地電阻率這一映震能力優異的觀測手段可持續發展的首要因素。目前，在中國主要活動斷裂帶和人口密集大中城市附近的地震活動區,共有80余個臺站擔負著常規的地震監測任務。但隨著經濟的發展，這些臺站中仍有一部分受到各種電磁環境的干擾。

為了減小或者消除來自地表的雜散電流干擾或者降雨、淺層水位造成的地表地電阻率變化引起的干擾，以獲得可能的深部地震或構造運動信息[38-39]，采用井下觀測的方式嘗試減輕這些干擾。相對于地表地電阻率觀測，井下地電阻率觀測仍然采用對稱四極或者不對稱方法，以水平或者井下垂直觀測等方式，通過將電極裝置埋設在地下一定深度來觀測地電阻率。

本文對井下地電阻率觀測的發展、井下觀測對地表雜散電流和金屬管線的抑制作用，以及季節性變化引起的年變化與布極關系等實驗研究結果進行了總結，并且對井下地電阻率的映震效能進行評估分析，為井下地電阻率觀測的建設和研究提供參考。

1 井下地電阻率觀測發展

我國用于地震觀測的井下地電阻率最早開始于20世紀80年代的實驗觀測，當時采用的儀器和地表觀測一樣，用DDC-2A型電子自動補償儀測量電位差，用安培表讀取供電電流，屬于人工觀測[40]。文獻[41-42]記載山東臨沂、莒縣進行的井下地電阻率觀測曾記錄到距臺站300 km范圍內的多次地震，并記錄到“趨勢下降-轉折回升”的異常變化現象，與報道的地表地電阻率異常特征相似。但莒縣、費縣等的觀測裝置采用單孔水井單裝置的垂直觀測；臨沂臺的裝置采用同一方向水平面上布設4口井的方法觀測地電阻率，其電極埋深僅30 m。這些僅是嘗試性的觀測，其觀測結果同時還與不同地區地下電性結構的差異有關，再加上當時的布極方式、裝置系數的計算等不成熟，致使當時的實驗研究不夠深入，給不出明確的發展建議；另一方面，當時的觀測環境干擾還不是很多。因此，至90年代末期山東、天津用于實驗的井下地電阻率均停止觀測。

隨著沿海地區經濟的發展，地震觀測環境干擾越來越嚴重。廣東新豐江河源又重新開展了深井觀測實驗，當時采用單向供電的C-ATS型觀測儀器[43]，觀測不穩定。隨著觀測技術的發展，河源臺[44]于2013年進行了改造，采用了數字化的雙向供電ZD8M型儀器，提高了觀測精度。河北大柏舍臺[45]2010年左右為了監測C-ATS儀器的穩定性和觀測裝置布極的設計方式，也開展了水平和垂直布極的模式進行實驗,一直持續到現在。這兩個臺站的建設為井下觀測提供了不少可以借鑒的關鍵技術。但兩個臺站所在的地區基本不屬于地震多發地帶，因此在中國“十五”觀測網絡項目建設時期，處于南北地震帶的甘肅[46-47]、陜西等地也開始開展井下地電阻率的實驗觀測。此時已經從模擬觀測到網絡化、數字化的智能儀器，裝置系統的設計也采用了比較成熟的地表觀測的布極方式[48]，一般是正交2個方向或者增加一個斜向進行。以甘肅天水臺(圖1)、平涼臺(圖2)為代表的裝置設計方式，還增加了多層觀測和中心井垂直觀測的綜合布極方式，其目的為對比觀測不同層位地下介質地電阻率的變化情況。這些臺站在2013年岷縣漳縣[49]、2013年四川蘆山[50]、2017年九寨溝[51-52]、2018年寧強等地震前都記錄到較好的地震前兆異常信息。因此，在2018年的國家小型基建項目中，為提高首都圈地區的地震監測能力，國家開展了“冬奧會保障晉冀蒙監測能力提升項目”[53]，提出了在地表地電阻率觀測站進行同場地深井短極距實驗觀測的模式，進行了8個井下地電阻率實驗觀測，截至目前包含“冬奧保障項目”已經建成并試運行了5個臺站(表1最后5個)，全國共有25個臺站進行井下觀測(表1)。

A1、A2、A3、B1、B2、B3.供電電極；M1、M2、M3、N1、N2、N3.測量電極。

A1、A2、B1、B2.供電電極； M1、M2、N1、N2.測量電極。

2 實驗研究成果

對井下地電阻率的實驗研究可以總結如下幾個方面：井下地電阻率對地表雜散電流和金屬管線的抑制；季節性變化引起的地電阻率年變化現象與裝置布極的關系；映震效能。

2.1 井下觀測對地表雜散電流和金屬管線的抑制作用

地表雜散電流類干擾包括觀測區內工農業用電漏電、軌道交通系統運行漏電干擾等[54]。有學者研究認為地表干擾電流的影響有明顯差異，取決于地電斷面類型、工作參數[55]、供電電極、測量電極的埋深和避開干擾源的距離等因素。研究認為[56]深埋電極可以抑制一部分地表雜散電流的干擾。地鐵運行時的漏電是一種典型的雜散電流干擾，以江蘇江寧臺為例。江寧臺原地表觀測南北向供電極距1 000 m，電極埋深3 m(2018年底停測)。目前井下實驗觀測有兩個南北向測道，南北向長供電極距1 000 m，電極埋深200 m，短供電極距200 m，電極埋深200 m。此臺站目前受南京市5條線路的城市地鐵運行干擾，距離測區最近1.5 km，地鐵每日最早5:00運行，最晚23:00停運。圖3a顯示了江寧臺南北向不同供電極距2021年3月6日至7日的井下地電阻率曲線。3月6日0:00—4:00地鐵停運時段相對5:00—23:00地鐵運行時段，長極距地電阻率變化率達3.800%，而短極距地電阻率變化率為0.006%，短極距地電阻率變化率遠小于長極距；這說明縮短供電極距，在同等電極埋深下，井下觀測可以減小干擾幅度。但地鐵運行時段長、短極距井下地電阻率均方差分別為0.91和0.33 Ω·m，依據技術規范[57]，仍是超差的。從動態曲線上看，短極距井下地電阻率地鐵運行時段變化動態仍大于停運時段。圖3b是江寧臺南北向2016年3月6日至7日地表地電阻率曲線，電阻率均值為129.5 Ω·m，而井下長極距電阻率兩日均值為99.5 Ω·m(圖3a)，井下背景值比地表背景值減小33%，地表觀測受淺層電阻率變化的影響較嚴重，而電極深埋抑制了淺層電阻率變化的影響。地鐵運行時段地表地電阻率的均方差超過1.50 Ω·m，長極距井下地電阻率的均方差為0.91 Ω·m，也可以看出，井下觀測比地表觀測精度提高40%。

表1 國家地震地電臺網井下地電阻率觀測一覽表

綜上分析，井下深埋電極在相同測區條件下可以大幅度抑制雜散電流的干擾，降低噪聲幅度，但距離地鐵站近的觀測站并不能完全抑制直流軌道交通這樣特殊的雜散電流干擾。隨著我國社會經濟的發展，各大城市地鐵、輕軌線路也逐漸增多，因此要更加有效地抑制此類固定的較大電流的干擾，采用交流井下地電阻率觀測也是當前亟待考慮的一個發展方向，既可以抑制干擾，也可以解決部分地區占地面積受限的問題。

金屬管網(線)是另外一種容易對地電阻率觀測造成干擾的靜態干擾源，它對觀測的干擾幅度受自身電阻率和橫截面積的影響，管線電阻率越低，干擾幅度越大，有效橫截面積越大，干擾幅度越大[56]。文獻[56]利用有限元模擬方法對內蒙古寶昌臺地電阻率受測區周邊地埋鋼纜線干擾的定量計算表明，不同表層土壤凍土階段的干擾幅度不盡相同，完全融解的土壤階段受干擾程度最大，并且與實際觀測值相符。筆者研究了幾種不同金屬管線的干擾形態和幅度，以江蘇南京臺為例。該臺站地表和井下地電阻率同場地觀測，2017年4月27日距離該測區30 m左右沿東西向建設多個高壓鐵塔，而地電阻率距南北向供電極坑10 m左右各建設了1個高壓鐵塔，每個鐵塔上經過一根避雷導線接地，接地線通過大地聯通導線，對電阻率測區形成了金屬導線的外部環境改變。圖4是南京臺地表和井下地電阻率2017年4月15日至5月6日的地電阻率小時值(地電阻率儀每小時采集1個數值)曲線。可以看到：南北向4月27日地表地電阻率臺階變化為2.46 Ω·m，井下地電阻率臺階變化為1.26 Ω·m，井下干擾幅度減少50%；東西向4月27日地表地電阻率臺階變化為1.01 Ω·m，井下地電阻率臺階變化為0.93 Ω·m，井下干擾幅度減少8%。南北向比東西向減少的幅度大約提高42%。這是因為東西向鐵塔在地電阻率東西向測線平行的外側，距離測區稍遠，鐵塔所形成導線的偶極場對地電阻率供電來說是對稱的，抵消了一部分干擾，并且井下電極的埋深只有50 m，并不是特別深，對于較長供電極距的設計方式來說，兩個地電阻率干擾幅度相當是可能的。而南北向附近僅有2個鐵塔，靠近供電極的一測，當地電阻率供電時并不能抵消偶極場產生的影響，而且形成的導線長度較短，因此干擾幅度相差較大。這與文獻[56]的結論相一致，干擾幅度與鐵塔的數量和避雷導線接地的范圍有關，并且與避雷導線和電阻率的測線方向也有關。此外研究還發現當金屬管線形成固定的干擾后，測區降雨時井下電阻率的干擾幅度會小于地表電阻率的干擾幅度，這也與所形成的避雷導線的長度及避雷導線的接地范圍有關。

a. 2021年3月6日--7日，井下；b. 2016年3月6日--7日，地表。ρ. 地電阻率。

a. 南北向；b. 東西向。

2.2 季節性變化引起的地電阻率年變化與布極的關系

地電阻率年變化是季節性降雨[58-60]、淺層水位變化等改變了淺層介質電阻率而引起的。文獻[61]認為，不同的地下介質結構除了影響地電阻率年變化形態外，根據不同的裝置系統布設，對地電阻率年變化幅度的影響也不盡相同。通過多年的實踐觀測，研究了幾種典型不同供電裝置井下地電阻率的年變化幅度與布極的關系，進一步印證了不同臺站位置和裝置布極呈現不同的地電阻率年變化形態和幅度。以表2所示的5個臺站為例。地表觀測供電極距均大于1 000 m，其年變化幅度都比井下的大，呈現的地電阻率年變化動態為“夏高冬低”或者“夏低冬高”。井下觀測供電極距大于等于電極埋深的天水臺、江寧臺(圖5)表現出“夏低冬高”的變化形態，且江寧南北向長極距地電阻率年變化幅度比南北向短極距地電阻率年變化幅度大0.6%；供電極距小于等于電極埋深的通州、延慶、新城子地電阻率年變化動態基本不明顯，地電阻率年變化幅度與天水、江寧臺變化相當。據不完全統計，供電極距(大于200 m)大于電極埋深的井下地電阻率年變化形態多為正常的“夏低冬高”形態，主要原因為隨著夏季降雨量的增加，表層介質含水率升高，地表介質電阻率降低，故引起視電阻率觀測值降低；而冬季降水量減少，表層介質電阻率上升[62-63]，視電阻率觀測值升高。而供電極距(小于200 m)小于等于電極埋深的臺站，大多年變動態不明顯，并且變化幅度很小(表2)。圖6為新城子臺多年日均值動態曲線，其形態比較平穩；而江寧臺(圖5)南北向、東西向均呈現明顯的峰谷年變化形態。由此可見，不同臺站的井下最大地電阻率年變化幅度差異顯著，且年變化形態也存在差別，這也說明了不同區域、不同臺站其地下電性結構及表層影響的不同等原因表現出了年變化的復雜性。

表2 井下與地表地電阻率年變化幅度對比一欄表

a. 南北向長極距；b. 南北向短極距；c. 東西向。

a. 南北向；b. 東西向。

2.3 映震效能

為分析井下地電阻率的映震效能，研究了目前全國25個井下地電阻率觀測站在震前的變化現象和映震效能。表3列出了具映震效能臺站的井下地電阻率變化情況。從表3中可以看出，運行時間較長的平涼、天水、昌吉觀測站，在幾次6級以上較大地震前不同方向出現大幅度突跳或抖動現象和先下降后上升的現象，震中距56～550 km范圍內不等，這種不同方向出現異常變化的現象與站點斷層構造[11]方向和地電阻率的各向異性[35]有關。蘭州觀測站布極方式為垂直觀測，在阿左旗5.8級地震前呈現地電阻率先下降后上升的變化特點。海安、河源在一些4級地震前的100 km震中距范圍內也記錄到先下降后上升的異常現象。這與文獻[49, 64-65]在一定范圍內記錄的震前變化現象吻合。以上出現異常的觀測站，均屬于供電極距大于電極埋深的布極方式。而供電極距小于等于電極埋深的震例為2020年7月12日唐山古冶地震前和2021年4月16日的灤州地震前，通州臺井下地電阻率出現先下降后上升的異常現象[66]，但異常變化幅度較小。2021年5月22日青海瑪多7.4級地震前，甘孜臺地電阻率也發生趨勢下降后上升的異常現象。分析甘孜臺井下地電阻率小時值曲線(圖7)可以看出，甘孜臺北東向、北西向動態曲線存在明顯的“夏低冬高”年變化現象。北東向自2018年1月至2020年8月趨勢下降，相對于該時段平均值下降相對變化率達2.8%，2020年9月以后趨勢上升；北西向自2018年1月至2019年9月趨勢下降，相對于該時段平均值下降相對變化率達1.1%，2019年10月以后趨勢上升。這種變化現象符合表3中大部分震前地電阻率的“先下降后上升”的異常特征。

表3 井下地電阻率映震效能一覽表

圖8為利用歸一化月速率方法處理的甘孜臺地電阻率月均值數據所得曲線。該方法經過去傾、去年變化后，把一段時間的電阻率數據分成若干個子序列，對子序列進行線性回歸后，求其曲線斜率和相關系數，最后構成整個序列的初始變化速率，再對初始變化速率進行方差趨于1、均值趨于0的處理，最終得到歸一化變化速率序列。一般根據經驗值，地電阻率歸一化變化速率異常閾值為±2.4[67-68]。自2018年以來，甘孜臺北東向歸一化速率在2019年底和2021年初存在超出閾值的現象，北西向歸一化速率在2020年底和2021年初出現超出閾值的現象，與文獻[69]所述地表電阻率的異常變化形態吻合。

a. 北東向；b. 北西向。

a、b. 北東向；c、d. 北西向。

此外，井下短極距地電阻率異常與地表地電阻率普遍認為大于1%的變化即為異常信息的認知有所區別[67, 70]。例如冬奧保障會試驗項目均采用測量極距小于電極埋深的裝置設計方式，在2020年7月12日的唐山5.1級地震中通州臺觀測到的異常變化幅度為千分之幾[66]。由于臺站地下電性結構的不均勻性，地電阻率對地下變形微裂隙變化的響應能力也不同。因此筆者認為，建臺前仔細勘查地下介質的巖性結構和電性結構，合理設計觀測裝置布極和井下施工作業技術細節[71-78]，都是獲得高質量井下地電阻率觀測結果需要研究和考慮的。

通過表3的分析發現，在25個井下地電阻率觀測中，排除地震少發區或者剛剛建成的觀測站，能映震的臺站占比約57%。在12次中強地震中，這些臺站中出現先下降后上升現象的有8次，占66.7%，出現高頻抖動或者突跳的有5次，占41.7%，說明井下地電阻率對中強地震具有一定的映震效能，大部分異常現象符合地電阻率的震前變化機理[29, 32]。

3 結論與展望

1)通過觀測裝置深埋的方式可以有效抑制由非構造因素引起的地表淺層介質電阻率變化對觀測的干擾，如雜散電流、金屬管線等。井下地電阻率雖然可以抑制一部分地鐵干擾，但干擾源距離觀測站較近時并不能完全抑制。

2)井下地電阻率觀測可以減小由于季節性變化引起的地電阻率年變化幅度，在一定的斷層附近具有較好的映震效能。從觀測結果來看，井下觀測可以有效提高觀測精度，地電阻率的變化也相對穩定，異常變化幅度也相應減小。

3)近年來隨著觀測技術和計算技術的進步，我國地震監測、預報從經驗預報向物理預報發展，井下地電阻率觀測系統的建立和應用將會受到越來越多的重視。但由于地下介質的復雜性，井下建設技術和數據分析面臨挑戰，在這種情況下，加強建設實踐、完善井下裝置施工技術和合理的裝置布極設計顯得十分重要。