平凉崆峒台井下地电阻率观测数据分析研究

赵 斐，张远富，李旭升

(甘肃省地震局平凉中心地震台，甘肃 平凉 744000)

平凉崆峒台井下地电阻率观测数据分析研究

赵 斐，张远富，李旭升

(甘肃省地震局平凉中心地震台，甘肃 平凉 744000)

简要介绍甘肃平凉崆峒台井下地电阻率观测的地质构造背景、场地布设、观测方式等基本情况，通过对井下水平与垂直观测数据曲线的动态变化、观测精度等对比分析得出，井下地电阻率观测年变化与地表有较大的差别，井下观测大大削弱了年变幅度；垂直观测较水平观测数据变化平稳、年变幅度较低；井下观测系统能减少干扰，提高信噪比，缓解地电观测与经济建设的矛盾，可作为地电观测方式的新探索。

井下地电阻率；水平观测；垂直观测

0 引言

从1966年邢台地震后，我国开始开展地电阻率观测，至今已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很大发展，在国内外地震电磁学领域占有一定地位[1]。目前，我国地电阻率观测的地表定点台站多采用对称四极电阻率观测装置，两个供电电极和两个测量电极排列在一条直线上，并对称于中心点。台站通常布设2～3个方向的测线，即NS、EW及NE或NW[2]。供电电极和测量电极埋深一般在地下2 m左右，供电极距一般在1 000 m左右[3]。地表地电阻率观测在固定台站的地表进行，易受金属管线、管网、城市轨道交通、超高压输电线路、地表杂散电流等干扰，影响观测结果。近年来，占地面积大的地表地电阻率观测方式又遇到地表环境影响的问题。因此，井下地电阻率观测成为目前的发展方向之一[4]。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观测结果的影响，还能提高地电阻率对基岩电阻率变化响应的灵敏度。井下地电阻率观测是将原先埋在地表的电极装置深埋在地下一定深度，在地下水平向开展对称四极的地电阻率观测，以及垂直方向(同一井下电极埋深高度不同)的地电阻率观测。这种观测方式不但能有效抑制地表干扰对地电阻率观测的影响，且能有效化解地震观测环境保护与当地经济和社会发展之间的矛盾[5]。

平凉崆峒台地电阻率自1997年正式观测以来，资料连续可靠。近几年，随着观测环境遭到不同程度的破坏，资料受干扰情况明显，为避免受较大的干扰，经专家多次论证，决定在崆峒台原址采用井下地电阻率观测方案[6]。该项目同时设计地电阻率和地温梯度的综合观测。目前，地震井下观测方式还未得到广泛公认，因此，有必要对崆峒台井下地电阻率观测资料进行分析，为井下地电观测的开展提供借鉴。

1 测区地质构造背景和测区规划

崆峒台位于平凉市崆峒区崆峒乡政府所在地寨子街的西侧，距市区约11 km。地质构造上位于南北地震带北段南部、六盘山断陷带东麓大断裂的东侧，即陇西旋卷构造系向南收敛的区域。测区海拔1 357 m，年均湿度58%，年均气温16 ℃。

据1996年5月甘肃省地震局《平凉地电台新址论证技术报告》，地电台地下电性结构如表1所示。

表1 平凉崆峒地电台地下电性结构表Table 1 The electrical structure of Kongtong geoelectric station in Pingliang

崆峒台布极呈“」”形，南北向、东西向分布。南北向井孔间距150 m，东西向井孔间距80 m，共7口井。井孔位置及分布如第35页图1所示。

图1 井孔位置及分布图Fig.1 The position and distribution of observation hole

2 观测系统介绍

井下地电阻率观测与地表相同，均采用四极对称观测，将供电与测量电极全部放入深井中，按一定的极距布设电极[7]。崆峒井下多极距电阻率观测系统采用地表与井下多种观测方式，包括浅层水平观测(地下2 m深度)1道,地下40 m水平观测2道,地下60 m、80 m水平观测各1道,地下100 m水平观测2道、垂直观测6道和验证测量系统1道，共计14个测道。深层和浅层电极埋设深度分别为160 m和2 m。NS向供电极距450 m，测量极距150 m；EW向供电极距240 m，测量极距80 m。对1、2、3和4号井进行垂直观测，1、2、3号井的供电极深60 m、测量极深20 m；4号井供电极深分别为113 m、60 m，测量极深分别为37.7 m、20 m。电极布设情况如第36页图2所示。

3 地表观测与井下观测数据对比

3.1 地电阻率相对均方差

第36页表2为崆峒台地表与井下地电阻率同时段各测向年相对均方根误差对比，选取2014年1月1日至2015年12月31日的观测数据，在此时段，以台站为中心300 km范围内无5级以上地震发生。

从表2看出,井下水平NS、EW测道和垂直各测向年相对均方差均小于地表测道，说明井下观测精度高于地表观测；无论是地表观测，还是井下水平、垂直各测向，年相对均方差值都非常低，原因是崆峒台位于农田保护区内，地势平坦，测区周围地形开阔，环境稳定，干扰小。

图2 电极布极示意图Fig.2 The electric pole distribution

表2 地表与井下地电阻率观测年相对均方差对比表Table 2 The comparison of annual relative mean square deviation between surface and down-hole earth resistivity observation data

3.2 井下地电阻率水平观测变化分析

为比较井下与地表地电阻率观测的差异，选取2014—2015年两者同时段的观测曲线进行对比分析。

水平观测EW测道供电极距为240 m,测量极距为80 m；NS测道的分别为450 m、150 m。最浅电极离地表2 m，最深100 m。由第37页图3a及表3看出，地表观测EW测道较井下40 m、100 m而言，测值变化范围大(7.23～13.82 Ω·m)，井下观测范围小(0.17～0.30 Ω·m)；地表观测年变幅7.88%，井下观测为0.55%，说明井下观测数据较地表变化平稳，突跳点较少。3个测道变化形态基本一致，呈夏低东高的年变形态。从图3b及表3看出,4个井下水平观测NS测道变化形态基本一致，呈夏低东高的年变形态，测值变化范围小(0.35～0.50 Ω·m)，年变范围基本相当，说明井下观测测值变化平稳，年变幅小；地表观测易受各种因素的干扰，数据波动幅度大，年变幅度大。此外，水平测道EW、NS 2015年测值整体水平高于2014年，原因是2014年井下观测系统处于试运行阶段，观测装置未达到稳定状态。除地表测道外，水平观测NS测道年均变化幅度要高于EW测道，原因是NS测道供电、测量极距均大于EW测道。2015年1、2、10月地电阻率测值出现三处单点突跳，主要原因是冬季观测室气温较低，稳流电源工作性能降低所致(见图3)。

3.3 井下地电阻率垂直观测变化分析

崆峒台井下地电阻率垂直观测采用四极对称，将供电与测量电极全部放入同一井中，电极埋深不同且处于不同的地层。相关研究表明，地电阻率垂直观测由于电流能较远传输，并穿过不同的地层，因此测量范围更广，同样观测到的是全空间综合视电阻率，对地表的干扰有较好的抑制[8]。孔1—孔4垂直及孔4底部垂直观测供电极距为60 m,测量极距为20 m，孔4长极距垂直观测的供电极距为113 m,测量极距为37.7 m。由第38页图4及表4看出，6个垂直观测测值无明显年变形态，曲线整体呈逐年缓慢上升的态势。除孔3外，其他5个垂直观测变化形态基本一致，年变幅基本相当。孔3年变幅高于其他5个垂直测道近一倍左右，原因是2015年初连接孔3测量极的接头出现松动，造成干扰所致。由图4看出，孔4井的三种测量方式中，长极距垂直测道较其他两种的年变形态明显，原因在于其测量和供电极距均大于其他两种方式。

图3 崆峒台井下地电阻率水平观测日均值曲线Fig.3 Daily mean value of down-hole earth resistivity horizontal observation at Kongtong seismic station

表3 2014—2015年崆峒台井下地电阻率水平观测变化幅度Table 3 The down-hole earth resistivity horizontal observation data change range at Kongtong seismic station from 2014 to 2015

井下垂直与水平观测相比较，垂直观测的6个测道年平均变幅为0.46%，水平观测(地表观测除外)的为0.65%。说明井下垂直观测较水平观测数据变化平稳，年变形态不明显，年变幅低。

3.4 雷电及降雨对井下地电阻率观测的影响

崆峒台气象三要素仪器架设于2014年11月，选取2015—2016年的观测数据进行分析。平凉地处黄土高原，丘陵沟壑地形居多，全年降水较少，雷电集中在6—9月。崆峒台井下地电阻率外线路采用地埋方式，自观测以来未发生过雷电干扰事件，可有效屏蔽雷电对测值的影响。

图4 崆峒台井下地电阻率垂直观测日均值曲线Fig.4 Daily mean value of down-hole earth resistivity vertical observation at Kongtong seismic station

由图5看出，短时降雨对井下地电阻率测值未构成明显的影响，随着累计降雨的增加，测值呈缓慢下降态势。累计降雨是通过地下水位的变化引起地电阻率测值的改变。台站无地下水位辅助测项，不能作直观分析，与地表观测方式相比，井下观测有效避免了降雨时外线漏电、地表渗漏造成的测值突跳和阶跃变化。

图5 2015—2016年崆峒台井下100 m地电阻率水平观测及降雨量日均值曲线Fig.5 The down-hole 100m earth resistivity horizontal observation data at Kongtong seismic station and daily mean value of rainfall from 2015 to 2016

4 结论

(1) 崆峒台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、井下水平和垂直观测。前两种采用对称四极法，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。井下垂直观测是一种偶极观测方式，有助于数据变化的可靠性分析。

表4 2014—2015年崆峒台井下地电阻率垂直观测变化幅度Table 4 The down-hole earth resistivity vertical observation data change range at Kongtong seismic station from 2014 to 2015

(2) 井下和地表地电阻率两种观测装置各有特点。在观测精度上，井下观测要高于地表；在抗干扰方面，特别是对布极区地表杂散电流类的干扰抑制能力较强，地表观测日均值曲线突跳、阶跃频繁。在相同时段，同场地的井下观测数据波动幅度小，突跳点相对较少，数据较平稳。

(3) 崆峒台井下水平观测数据不及垂直观测平稳，水平观测年变形态明显、年变幅大于垂直观测。

(4) 崆峒台井下地电阻率观测暂未表现出明显的映震能力，这可能与数据采样率低有关。由于台站观测资料积累时间尚短，数据的分析应用还需要一个探索的过程，但此观测方式为地电阻率的装置改进提供了一种尝试和参考。

[1] 方炜.地电阻率各向异性度的动态演化与汶川地震孕育过程[J].地震地磁观测与研究，2009,30(6):21-26.

[2] 钱家栋.地震电磁学理论基础与观测技术(试用本)[M].北京：地震出版社，2010:284-286.

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[6] 赵 斐,张远富.平凉崆峒地电台深井地电阻率观测系统介绍及分析[J].高原地震,2015,27(2):41-47.

[7] 刘 君.地表与井下地电阻率观测数据分析[J].地震,2015，35(1)：112-122.

[8] 王玉伍,蔡书海.垂向全空间地电阻率观测的研究[J].华北地震科学,1989,32(1):91-97.

AnalysisofObservationDataofDown-holeEarthResistivityatKongtongSeismicStationinPingliang

ZHAOFei,ZHANGYuan-fu,LIXu-sheng

(PingliangCentralSeismologicalStationofGansuEarthquakeAgency,Pingliang,Gansu744000,China)

The geological structure background, site layout and observation mode of down-hole earth resistivity observation system of Kongtong seismic station are briefly introduced. Through the comparative analysis on the curve dynamic change and observation precision of down-hole horizontal and vertical data, it finds that the down-hole earth resistivity observation data's annual variation is different from that of surface, and the down-hole observation data greatly weakens the annual variation range. The vertical observation data is more smooth and its annual variation is smaller than that of horizontal observation data. The down-hole observation system can reduce the interference, improve the signal-to-noise ratio, and alleviate the contradiction between geoelectric observation and economic construction, so it may be a new way of geoelectric observation.

Down-hole earth resistivity; Horizontal observation; Vertical observation

1000-6265(2017)03-0034-06

2016-03-31

赵 斐(1982— ),男，甘肃省平凉人。2005年毕业于兰州交通大学，工程师。

P315.73

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