天水井下地电阻率资料应用研究1

杨兴悦王 燕张立红张俏丽叶媛媛

1）兰州地球物理国家野外科学观测研究站，兰州 730000

2）甘肃省地震局，兰州 730000

3）甘肃省地震局天水中心地震台，天水 741020

4）甘肃省地震局嘉峪关中心地震台，嘉峪关 735100

5）甘肃省地震局陇南中心地震台，陇南 746000

天水井下地电阻率资料应用研究1

杨兴悦1,2)王 燕1,3)张立红1,3)张俏丽1,4)叶媛媛1,5)

1）兰州地球物理国家野外科学观测研究站，兰州 730000

2）甘肃省地震局，兰州 730000

3）甘肃省地震局天水中心地震台，天水 741020

4）甘肃省地震局嘉峪关中心地震台，嘉峪关 735100

5）甘肃省地震局陇南中心地震台，陇南 746000

本文简要介绍了天水井下地电阻率观测系统场地布设及观测方式，对井下多种方式观测资料进行了对比研究，并结合芦山MS7.0、岷县MS6.6级地震进行了分析。结果表明：深层水平地电阻率在2次地震发生前，均出现了明显的短临异常，其他观测方式短临异常不是特别显著；同时对降水、雷电以及观测系统故障干扰影响深层地电阻率观测做了分析与讨论。与传统地电阻率观测相比，采用井下观测系统能减少干扰、提高信噪比，能缓解地电观测与经济建设的矛盾，是地电观测方式的新探索。

地电阻率 井下观测 芦山地震 岷县地震 异常

杨兴悦，王燕，张立红，张俏丽，叶媛媛，2015.天水井下地电阻率资料应用研究.震灾防御技术，10（1）：173—183. doi：10.11899/zzfy20150118

引言

我国地震地电阻率观测经过近50年的发展，积累了大量的观测数据和科学研究成果，在方法理论、观测技术、观测数据应用等方面取得了长足的进步，为地震前兆现象探索、地震前兆机理研究、地震预测预报方法研究以及地球科学研究积累了丰富的观测资料（杨兴悦等，2013b）。随着城市的发展，对于地震前兆监测抵御环境干扰能力、保障观测系统正常运行、提高为地震预测服务能力等方面提出了新的、更高的要求（杨兴悦等，2012）。如何建立一种既依法保护地震监测环境，又服务于当地经济发展大局的长效机制，使地震监测环境的保护与经济发展相衔接、相协调，是摆在我们面前的一个重要课题（王锋吉等，2013）。

地电阻率（又称“视电阻率”）是表征观测点位地下某一特定探测范围内介质综合导电能力的物理量。聂永安等（2010）通过深埋电极的地电阻率分析认为，地下观测装置不仅可以减小甚至消除地表环境变化对地电阻率观测结果的影响，而且还能提高地电阻率对基岩电阻率变化响应的灵敏度。因此，开展地下观测是直流地电阻率法的一个发展方向（聂永安等，2010；田山等，2009）。随着地方经济的快速发展，地震观测环境逐渐遭到破坏，观测数据中干扰信息日益增多，尤其对于传统地电观测而言，观测系统占地面积大，台站观测环境保护的任务越来越重。2009年天水地电台测区被甘泉物流园征用，随着物流园建设规模的不断扩大，天水台地电观测干扰也日益严重。在这种背景下，为使地电台观测避免大的干扰，继续发挥天水地电观测的重要作用，经专家们多次论证认为，在原测区尝试井下地电阻率观测方案可行，并于2011年3月建成天水井下地电综合观测示范工程。为有效利用资源，实现效能最大化，该观测系统包括了地电阻率、大地电场和地温梯度观测。

近几年中国大陆南北地震带及邻区强震频发，2008年以来先后发生了汶川MS8.0、玉树MS7.0、芦山MS7.0和岷县MS6.6级地震，这几次强烈地震给我国造成了重大的人员伤亡和经济损失，给人们的生活带来了巨大的灾难。目前位于南北地震带的甘清川地区的地震形势依然不明朗（杨兴悦等，2013a），同时地震井下观测方式还未得到广泛公认，因此有必要对天水井下地电阻率观测资料进行认真的分析，总结经验，加强交流，以期研究结果能为井下地电观测提供借鉴，为地震预测研究提供参考。

1 测区地质构造背景和外场地规划

天水地电阻率电极布设区域位于天水甘泉物流园，地处崖湾村与白石村之间的永川河Ⅰ、Ⅱ级河谷阶地上，上覆第四系层厚20—30m，其下是第三系粘土层厚约450—500m，基底为古生界变质岩，布设区域海拔1153m，年平均湿度约63%，年平均温度18℃（张新基等，2005）。

布极分布呈等腰三角形（顶角81°），大致呈北南、东西、北西向分布。北南、东西向井孔间距100m，北西向井孔间距130m，共有9口井。由于场地限制，北南、东西向井孔并非四点一线，但偏差在极距的5%以内，符合《地电台站观测技术规范》（国家地震局，1986）要求，电缆线采用全地埋方式蛇形弯曲布设。井孔位置分布如图1所示。

图1 天水地电井下综合观测系统分布示意图Fig.1 Distribution of comprehensive observation system and set-up of deep well at Tianshui station

2 装置系统介绍

2.1 装置系统布设

天水地电阻率观测系统采用地表与井下多种观测方式互换进行观测，电极埋深在每口井中100m和6m处，分别进行3个测道地表对称四极观测、3个测道井下对称四极观测，以及地表与井下电极互换共12个测道观测。对图1中8号井进行1测道垂直观测，另接1测道标准负载对观测系统进行验证，共计20个测道观测。北南、东西向供电极距为300m，测量极距为100m；北西向供电极距为390m，测量极距为130m。供电极内径为16cm的空心铅筒，筒高1m，铅板厚0.8cm，测量极内径为16cm的空心铅筒，筒高1m，铅板厚0.3cm。

2.2 观测方式

多极距地电阻率观测在国内外开展较早，从20世纪70年代开始发展到今天，理论比较成熟，在机理方面也有优势（毛先进等，2008）。天水井下地电阻率观测采用ZD8MI多极距电阻率仪，它与供电电源配合可自动、定时测量20个测道的地电阻率和自然电位差。多极距地电阻率的观测方法，不仅在一定程度上可以消除目前的单一极距地电阻率观测易受浅层环境干扰的问题，而且还可以减小或消除年变化现象对地电阻率观测的影响（王兰炜等，2011）。通常在电磁干扰相对严重的场地，每日03、04时可以减少人为活动产生的电磁干扰和影响；同时，这时来自空间的电磁扰动影响也相对较低（徐文耀，1992）。因此在这一时段进行各测道地电阻率观测，每天观测1次作为日值。另外，用ZD8A地电仪（日常观测）和ZD8MI多极距电阻率仪（实验观测）进行井下100m深的对称四极并行观测，观测方式为每小时观测一次。

3 地电阻率观测资料映震能力探讨

天水井下地电阻率观测系统于2011年3月开始运行，系统运行正常，观测数据良好，观测结果符合地电观测要求。在观测期间曾发生了2013年4月20日芦山MS7.0级地震和甘肃岷县MS6.6级地震，在这两次地震发生前，天水井下地电阻率均出现了不同程度的异常。笔者结合这两次地震分别对常规观测和实验观测进行了对比分析。其中，常规观测是指用ZD8A地电仪进行电极埋深为100m的水平观测，观测值为整点值；实验观测是指用ZD8MI多极距地电仪进行日观测，每日03—04点观测一次，分别进行深层（电极埋深为100m）、浅层（电极埋深为6m）、深层与浅层电极互换、垂直观测，以及与常规观测进行的并行观测。

3.1 常规观测

地电阻率的变化对介质应变状态有灵敏响应，而且地电阻率的观测数据无须作复杂的数学处理，仅通过直观的形态变化就可发现异常（赵和云，1994）。例1：2013年4月20日四川芦山MS7.0级地震震中距离天水地电台540km，地震前11天即4月9日天水井下地电阻率北南测道、东西测道和北西测道测值出现准同步异常，异常形态表现为上下波动，震前2天波动更为明显；北南测道正常观测值为4.98±0.01Ω·m，震前变幅为±0.03Ω·m，震前1天最大变幅达-0.06Ω·m；东西测道正常观测值为7.05±0.01Ω·m，震前变幅为±0.03Ω·m，震前1天最大变幅达-0.04Ω·m；北西测道正常观测值为7.5±0.1Ω·m，震前变幅为± 0.03Ω·m，震前3小时最大变幅达+0.29Ω·m；这种上下波动异常持续至5月4日才完全结束（见图2）。例2：2013年7月22日甘肃岷县MS6.6级地震震中距天水地电台155km，地震前约40天天水井下地电阻率出现异常；东西测道6月11日开始出现异常、北南测道6月12日开始出现异常，异常形态和芦山地震前的形态相似，表现为明显的波动变化，但幅度没有芦山地震前大；东西测道异常时段波动变化幅度为±0.03Ω·m；北南测道异常时段波动变化幅度为±0.02Ω·m；北西测道地电阻率异常不是十分明显（见图2）。

图2 2013年天水地电阻率整点值曲线Fig.2 Curves of geo-resistivity at Tianshui station in 2013

Brace（1975）通过实验表明，在低应力下不饱和岩层的电阻率随压应力的增加而下降，而饱和岩层的电阻率上升。肖武军等（2009）研究了9次7级以上大震发生前地电阻率观测资料异常特征后认为，地电阻率异常形态以负异常为主，在极值附近或转折恢复过程中发生地震。而天水井下地电阻率异常表现出的既不是上升，也不是下降异常，而是波动异常。

3.2 实验观测

本文选取2012—2013年观测资料作为研究对象，通过对不同测道、不同观测方式的观测资料进行对比研究，分析各观测方式的优劣。东西、北南、北西向各测道可按不同观测方式分别进行浅层观测、深层观测、上供下测、下供上测、上AB供下AB测、下AB供上AB测以及垂直观测，共18测道；另进行垂直观测以及系统验证观测；共计20测道，如图3所示。其中，浅层观测是指图1中各井电极埋深为6m的水平观测；深层观测是指电极埋深为100m的水平观测；上供下测是指浅层两端电极供电，深层中间两极测量；下供上测是指深层两端电极供电，浅层中间两极测量；上AB供下AB测是指浅层两端电极供电，深层两端电极测量；下AB供上AB测是指深层两端电极供电，浅层两端电极测量；垂直观测是指图1中8号井供电极埋深分别为100m、4m，测量极埋深分别为68m、36m进行观测；验证观测是指由2个20Ω和1个0.01Ω电阻组成标准负载对观测系统进行验证。

通过对所有测道数据进行对比分析，可以看出浅层观测地电阻率变化幅度大，且表现出明显的年变化形态（图3中的a1—c1）；深层观测地电阻率变化幅度较小，无年动态变化（图3中的a2—c2）；上供下测地电阻率变化幅度小，曲线形态和浅层观测正好相反（图3中的a3—c3）；下供上测变化幅度较小，年动态变化不明显（图3中的a4—c4）；上AB供下AB测变化幅度较大，无年动态变化（图3中的a5—c5）；下AB供上AB测变化幅度较小，变化形态和上供下测相似（图3中的a6—c6）；垂直观测变化幅度也较小，变化形态与浅层观测相反（图3d）；验证系统地电阻率变化幅度在±0.02Ω·m内（图3e），说明观测系统正常。从图中还可看出，芦山MS7.0级和岷县MS6.6级两次地震前，实验观测多数资料异常不显著。各测道观测资料变化幅度和变化率可以反映出观测资料的稳定性，2013年天水井下地电阻率变化幅度和变化率如表1所示。

表1 2013年天水多极距地电阻率观测变化幅度Table 1 The change of multi-separation array geo-electrical resistivity observation at Tianshui station in 2013

续表

4 地电阻率观测资料干扰分析

我国地电阻率观测主要以地面观测（指电极埋深在2m左右）为主，电缆线主要采用架空方式，这种观测容易受到雷电、降雨、气温、高压直流电、外线路漏电，或测区附近用电设备漏电、农田灌溉、车辆及轻轨、建设施工、大风干扰等影响（聂永安等，2010；刘允秀等，1999；杜学彬等，2008；王燚坤等，2011）。通过近3年的观测，笔者发现天水井下地电阻率观测受气温、大风等影响较小，但在观测过程中也发现了降雨、雷电和观测系统故障对观测资料的影响，这些发现对井下地电阻率观测有非常重要的意义。

4.1 降雨影响

已有的研究表明，降雨是影响地面地电阻率观测的主要因素之一，但井下地电阻率观测影响因素的研究成果目前还比较少。自天水井下地电观测系统正式运行以来，已经观测到2013年由于降雨导致地电阻率日值明显下降（图4）。例如：2013年4月20日四川芦山MS7.0级地震发生前，地电阻率日值出现了明显的异常，该段时间天水地电测区几乎没有降雨，也没有其他干扰，仪器工作正常，因此认为该异常为比较可信的前兆异常。6月19和20日测区几公里外降雨量分别为38.2mm和114.8mm（图4d），随着雨水的渗入，地电阻率日值从19日开始持续下降，北南测道下降较快，呈现出台阶状变化。7月8日降雨量为86.5mm，7月22日降雨量为85.0mm，从图中可以看出降雨量与地电阻率变化对应关系非常好。但是后几次地电阻率虽呈台阶下降，但降幅明显比第一次小，笔者推测这可能是以下两种原因造成的：一是使用的降雨量为距地电测区9km外模拟水氡组所测的降雨量，该降雨量可能与地电测区的略有偏差；二是2013年夏季降雨频繁，且雨量明显高于往年，这可能导致地下湿度接近饱和状态，所以地电阻率变化幅度较小。随着9月底雨季的结束，地电阻率测值缓慢恢复，呈上升趋势。由此可以看出，暴雨对井下地电阻率观测影响明显，其主要特征是：观测数据变化与降水时间比较同步，形态多为下降-缓慢上升，数据变化幅度与降雨量大小有一定的关系，短时间内降雨量多，则地电阻率下降幅度大，同时不同测向地电阻率测值也有区别。

图4 2013年天水井下地电阻率及降水日值曲线Fig.4 Daily variation of rainfall and geo-resistivity at Tianshui station in 2013

从图4中可以看出，2013年8—9月地电阻率有2次呈台阶状变化（图中方框所示），而此段时间有降雨，但降雨量不是很多，原因可能是前面所述即测区降雨量与9km外降雨量有所偏差，但从地电阻率曲线变化形态来看与前几次降雨影响极为相似，因此笔者推测此段时间地电阻率变化是降水影响的可能性非常大。

4.2 雷电影响

雷电发生时，带有电荷的雷云与地面的突起物接近时，它们之间就会产生激烈的放电，从而改变区域电场的分布。当雷电离得很近，电压很高，在放电的瞬间会引起地电观测数据的大幅度改变，雷击严重时还会烧毁仪器（王燚坤等，2011）。例如：2013年9月12日17时左右天水地电测区附近雷雨交加，17时天水井下地电阻率东西测道测值突升，北西测道测值突降（图5），而北南测道测值无变化。地电阻率观测顺序分别为北南、东西、北西测道，因此笔者推断在北南测道观测结束后，东西测道、北西测道在雷雨过程中完成了观测并记录到了雷电的影响，其中，东西、北西测道变化幅度分别为3.84%和-0.53%。从观测结果可以看出，雷电对测量结果影响非常明显。

4.3 观测系统影响

天水井下地电观测系统运行以来一直较为稳定，但在2014年3月中下旬观测过程中给仪器供电时，主用稳流源报警，改为备用稳流源配合观测，4月1日重新整理线路，又改为主用稳流源观测。从图6（a）—图6（c）观测曲线来看，此段时间测值变化幅度较平时大（图中方框所示），其形态与芦山、岷县地震前相似，改回主用稳流源后测值变化恢复了常态。另外，天水井下地电观测系统与多极距仪器地电阻率并行观测，从图6（d）—图6（f）多极距仪器观测曲线来看，此段时间3个测道地电阻率变化非常稳定，因此笔者认为此段时间3个测道井下地电阻率测值明显的波动变化是由于观测系统不稳定引起的。

图5 2013年9月天水井下地电阻率整点值曲线Fig.5 Curves of geo-resistivity at Tianshui station in September, 2013

图6 天水井下地电阻率整点值曲线Fig.6 Curves of geo-resistivity at Tianshui station

5 结论和讨论

（1）天水井下地电综合观测系统被命名为示范工程，笔者认为主要有以下三个方面的示范作用：一是环境干扰方面的示范，地电井下观测是一个新兴的项目，是地震观测环境受到严重破坏时保证正常观测的创新性尝试，是解决地震观测与经济建设之间矛盾的有效途径；二是映震能力方面的示范，近3年的观测表明，井下地电阻率观测不仅干扰小，而且能较好地反映地震孕育信息，在芦山MS7.0、岷县MS6.6级地震发生前，其表现出了明显的短临异常，异常形态表现为波动变化；三是科学研究方面的示范，井下地电观测成本高，为了对资源更有效的利用，天水台进行了地电阻率、地电场和地温梯度观测。同时，该观测系统运行正常，所产出数据的内在质量符合观测规范要求，具有较高的科学研究价值。

（2）天水井下地电阻率采用多种观测方式，同场地进行地面水平观测、井下水平观测、地面与井下电极互换观测。前两种采用对称四极观测方法，在电磁环境较复杂的观测场地，是地电阻率观测较为常用的方法。地表与井下电极互换观测是一种偶极观测方式，有助于数据变化的可靠性分析。

（3）实验观测中的地面水平观测、井下电极互换（或偶极互换）观测测值比较稳定，但多数资料在芦山和岷县2次强震发生前，没有异常或异常没有井下水平常规观测资料显著。从常规观测的整点值、日值以及实验观测的日值曲线可以明显地看出，实验观测的日值在芦山和岷县2次地震发生前基本无异常出现，这可能与数据采样率太低有关。对于实验观测资料进行相关研究，资料积累时间尚短，其观测数据的分析应用还需要一个探索的过程，这一观测方式为地震地电阻率的装置建设提供了一种有益的尝试和参考。

（4）本文探讨了井下地电阻率前兆异常特征及干扰因素，天水井下综合观测系统属于一个新兴的项目，目前还处于探索阶段，因此发现地电阻率干扰因素与前兆异常同样重要。诸如弄清降水对地电阻率的影响及其变化形态，确认观测系统故障对地电阻率的影响及其程度等。正确认识异常变化属于前兆异常还是环境干扰或观测系统干扰，对观测资料的应用研究是非常重要的。尤其是在井下观测系统目前还处于摸索阶段，这对于观测资料变化的正确识别是至关重要的。

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Ananlysis of Geoelctrical Resistivity Data from Underground Well at Tianshui Station

Yang Xingyue1,2), Wang Yan1,3), Zhang Lihong1,3), Zhang Qiaoli1,4)and Ye Yuanyuan1,5)

1) State Geophysics Observatory in Lanzhou，Lanzhou 730000，China
2) Earthquake Administration of Gansu Province，Lanzhou 730000，China
3) Central Seismic Station of Tianshui，Earthquake Administration of Gansu Province，Tianshui 741020，China
4) Central Seismic Station of Jiayuguan，Earthquake Administration of Gansu Province，Jiayuguan 735100，China
5) Central Seismic Station of Longnan，Earthquake Administration of Gansu Province，Longnan 746000，China

This paper we briefly introduce the station-layout and the observing methods of the underground observational system at Tianshui seismic station at first. Then we conduct comparative study on the multiple geo-electric observational data from underground well. Our results of deep layer geo-resistivity data show obviously short-impending precursor information before Lushan MS7.0 and Minxian MS6.6 earthquake，whereas other observation systems did not show particularly remarkable short impending anomalies. Finally, we discuss the influence of seasonal rainfall，lightning and observational system on the deep geo-resistivity observation. Compared with the traditional geo-resistivity observation, we find that the underground observational system can effectively reduce the interference, increase the signal to noise ratio, and ease the contradiction between geo-electrical observation and economical construction.

Geoelctrical resistivity；Underground observation；Lushan earthquake；Minxian earthquake；Anomaly

甘肃省地震局地震科技发展基金（2014Y02）与中国地震局“三结合”课题（142801）联合资助

2014-06-28

杨兴悦，男，生于1981年。工程师。主要从事地震监测质量管理与资料应用研究工作。E-mail：yxy-wy@163.com