大柏舍深井地电阻率观测布极方式分析

宁亚灵，许家姝 ，解 滔 ，张国苓，卢 军

1.山西省地震局,太原 030021 2.太原大陆裂谷动力学国家野外科学观测研究站，太原 030021 3.吉林大学地球探测科学与技术学院，长春 130026 4.中国地震台网中心,北京 100045 5.河北省地震局,石家庄 050021

0 引言

我国自1966年邢台M7.2(M为震级)地震后开始了连续的定点地电阻率观测，台站通常布设2～3个测道，布极方式普遍采用对称四极装置，地表观测电极埋设深度通常为1.5～2.0 m，观测极距AB为500～2 400 m，地下探测深度为数百米或更深不等[1-2]。在近50年的连续监测中，在多次大地震前记录到了显著的中短期地电阻率异常[3-9]，且对发生在台网内一些地震的三要素实施了1年时间尺度的中短期预测[10-11]，说明地电阻率是地震监测预报有效的方法之一。

随着地区经济的发展，蔬菜大棚、水管、钢缆等金属管线以及测区挖土蓄水、仓库和道路等基础设施建设改变了测区地表的电性结构，使地电阻率观测数据质量严重下降，给地震监测预报数据分析带来巨大困难[12-14]。为了有效地抑制来自测区地表浅层的干扰，我国地电工作者提出了深井观测的方式，自20世纪80年代开始相继进行了一些深井实验观测，并逐步开展了深井地电阻率观测的相关理论研究，目前已有多个台站在进行连续观测[15-23]。已有的研究结果显示，深井观测能有效抑制地电阻率观测中因地下水位变动、地表温度变化和季节性降雨引起的年变化现象和地表局部电性结构变化引起的干扰。深井观测在抑制地表浅层干扰的同时，更需要捕捉由孕震过程应力作用引起的测区深部介质变化信息。在电极埋深一定时，地电阻率观测的探测范围很大程度上取决于观测极距。观测极距越小，观测值受地表的干扰越小，但所反映的深部信息也越少；由于测区地下介质的非均匀性，在区域应力作用下会呈现非均匀性变化，极距较小时容易遗漏相关信息。因此，深井观测仍然需要采用较大的观测极距，以反映更大三维空间范围的介质变化信息。但随着观测极距的加大，观测值所反映的空间范围扩大，地表干扰对观测的影响也相应地增加，深井观测的作用也逐渐减弱。地电阻率影响系数理论可以定量地给出测区各区域介质电阻率变化对地电阻率观测值变化的影响程度[24]，因此，通过计算在不同观测极距和不同电极埋深时各区域介质对地电阻率的影响系数，可以评估深井观测对地表干扰的抑制能力和对深部介质电阻率变化的响应能力[23]。

大柏舍深井地电阻率水平测道电极埋深100 m，观测极距仅为60 m，能够很好地抑制地表灌溉和季节性降雨等因素产生的干扰[25]，但能否较好地捕捉深部介质信息还需要进一步的分析。本文依据地电阻率影响系数理论，对大柏舍深井地电阻率观测资料抑制地表干扰的原因和捕捉深部介质变化信息的能力进行分析，为今后深井地电阻率建设中电极埋深和观测极距的选择提供一定的参考。

1 台站简介

大柏舍地震台位于河北省隆尧县以南约5 km处，处于宁晋凸起和巨鹿凹陷交界的隆尧断裂和新河断裂的交叉部位(图1)，台站周围断裂较为发育，且多数近期仍处于活动阶段。台站所在区域为地震多发的邢台老震区，是一个地震前兆监测的敏感点。大柏舍台地电阻率观测系统于1967 年建成并投入运行，是我国最早开展地震分析预报工作的地电阻率台站，观测数据具有较好的映震效能[26]。地电阻率测区主要为农业用地，地势平坦，地形无明显高差，地下水埋深约50 m。地表地电阻率观测仪器目前为ZD8B型数字地电仪，采用对称四极测量装置(图2a)，布设EW、NS向两条测道，供电极距均为AB=1 500 m，测量极距均为MN=500 m，电极埋深为2.5～3.0 m。地表观测数据质量较高，夏季降雨增加、温度升高，表层介质电阻率降低时观测值处于年变峰值，冬季则处于年变低值，呈现“夏高冬低”型年变形态。大柏舍台于2010年1月1日增加深井地电阻率观测，观测仪器最初为深孔电极地电仪ATS-SR，2013年6月更换为ZD8B地电仪。深井观测布设一条EW向水平测道和一条垂直向测道，各测道电极沿直线分布(图2b)，供电极距为A1B1=A2B2=60 m，测量极距为M1N1=M2N2=20 m。水平测道所有电极埋深均为100 m，垂直测道4个电极埋深分别为40、60、80和100 m，垂直测道供电电极B2和水平测道供电电极A1共用一个电极。

图1 大柏舍地区地质构造图Fig.1 Geological structure map of the area in Dabaishe

a. 地表观测布极图；b. 深井观测布极图。图2 大柏舍台地表与深井地电阻率观测电极布设示意图Fig.2 Sketch map of the lay about the earth’s surface and deep-well apparent resistivity in Dabasishe seismic station

2 观测资料分析

大柏舍深井地电阻率水平测道观测值年变化形态不明显(图3a)，垂直测道则具有夏低冬高型年变形态，年变幅度为0.6 Ω·m(图3b)。大柏舍台位于河北平原地区，该区域农业灌溉用水量较大，地下水开采比较严重，地下水位埋深较大(图3c)。对隆尧地区地下水位的调查显示，地下水位受农业开采及降雨的影响有较为明显的冬高夏低的年变化特征[27]。每年6月大量开采地下水用于冬小麦生长阶段的灌溉，地下水得不到及时的补给而出现水位下降，期间垂直测道地电阻率观测值呈现下降变化；7月雨季开始，地下水开采量也相应减少，同时受太行山山前侧向径流的补给作用，地下水位开始回升，垂直测道地电阻率则呈现上升变化；次年1—2月，由于停止农业灌溉地下水开采，地下水于2月底达到年内最高水位，期间垂直测道地电阻率出现上升变化。垂直测道地电阻率的年变化与水位变动有很好的对应关系：地下水位埋深较小时，地电阻率观测值较高；地下水位埋深较大时，地电阻率观测值则较低；在年变形态清晰的年份中，水位出现快速大幅度变动时，垂直测道地电阻率也出现相应的快速变化。大柏舍附近的地下水位资料表明，台站所在区域地下水位属于埋深较深的类型，受季节性降雨和抽水影响，近几年地下水位埋深在50 m左右，并且逐年下降。垂直测道地电阻率A2、M2电极分别位于地下40和60 m，地下水位埋深在这两个电极之间波动，且距离电极较近，水位的波动对垂直测道地电阻率观测造成较大影响。

ρa.地电阻率观测值；Hw.地下水位深度。图3 深井地电阻率观测资料和地下水位资料Fig.3 Data of the deep-well apparent resistivity observation and groundwater table

3 探测灵敏度理论

如果将测区地下三维空间按任意大小划分为N块三维子区域，每一块子区域内视为均匀介质，电阻率为ρi，i=1，2，…，N，在观测装置、观测极距和布极位置确定时，地电阻率观测值ρa是各子区域介质电阻率的函数[28-29]：

(1)

通常情况下，各子区域介质电阻率变化缓慢，在一定时间段内电阻率相对变化量非常小，即Δρi/ρi<<1。因此，将式(1)作Taylor级数展开，略去二阶项和高阶项，地电阻率观测值的相对变化可以表示为各子区域介质电阻率相对变化的加权和形式：

(2)

式中，Bi被称之为地电阻率影响系数：

(3)

同时，所有子区域影响系数Bi满足如下关系[30]：

(4)

从影响系数的定义式(2)中可知，在影响系数绝对值较大的区域，介质电阻率发生变化时将对地电阻率观测值产生较大的影响，反之则影响很小。

4 布极方式分析

大柏舍地震台地电阻率测区覆盖层较厚，基岩埋深约700 m，地下介质导电性良好，电测深曲线显示地层可视为QH型电性结构(图4a)。依据电测深曲线采用水平层状介质模型反演的电性结构示于图4a：第一层介质为黄土层，厚度约5 m，电阻率约75 Ω·m；第二层介质为砾石和细砂互层，厚度约100 m，电阻率为25 Ω·m；第三层介质厚度约580 m，为亚砂土和亚黏土互层，电阻率较低，为12 Ω·m；其下为电阻率较高的基岩。

依据图4a所示的水平层状电性结构，计算水平测道在供电极距AB=60 m、测量极距MN=20 m时各层介质影响系数随深度的变化，示于图4b。用ρaw表示深井地电阻率观测值，在电极埋深100 m时ρaw相对变化值则可以表示为如下形式：

(5)

井下观测的目的在于抑制地表干扰和突出由孕震引起的深部岩层介质电阻率变化。观测装置埋深固定时，小极距对电极所在层位电阻率变化反映较大，随着极距增加，对深部信息的反映能力增加。观测极距足够大后，各层影响系数与地表观测时趋于相近，井下观测的作用越来越小，失去意义。由于大柏舍深井地电阻率观测电极埋深较深，观测极距较小，基本能避免表层干扰并突出目标层介质电阻率变化。深井地电阻率水平测道主要体现了第二层和第三层介质的电阻率信息；第一层的影响系数为0.000 1，地表浅层介质对地电阻率观测的影响可以忽略，因此水平测道地电阻率没有观测到明显的年变化；第四层的影响系数也非常小，因此水平测道地电阻率对深部基岩电阻率变化的响应能力也是微乎其微的。地表观测影响系数随观测极距变化示于图4c，在极距AB=1 500 m时表层介质影响系数为负(由于是对数坐标，负数不能取对数，所以用绝对值，负值部分用虚线表示)，表层介质电阻率的升高和降低将引起地电阻率观测值的下降和上升变化。春季降雨量开始增加、地表介质含水率增加、电阻率降低后地表视电阻率观测值上升；进入秋季后降雨量减小，地表介质电阻率上升，地表视电阻率观测值下降，因此大柏舍台地表观测出现“夏高冬低”型反常年变形态。电极埋深固定为H=100 m时，影响系数随观测极距的变化示于图4d，可以看出：观测极距较小时，视电阻率主要反映第二层介质电阻率变化；随着观测极距的增加，第二层介质影响系数减小、第三层介质影响系数增加，第一、四层基本为负。各层影响系数与地表观测时逐渐趋于一致，说明对于固定的电极埋深，观测极距超过一定范围之后将失去深井观测的作用。

图4 大柏舍台电性结构与影响系数Fig.4 Electrical structure and influence coefficient in Dabasishe seismic station

依据图4a所示电性结构，计算水平测道观测时各层介质影响系数随观测极距和装置埋深的分布如图5所示。在极距AB/2=150 m时，埋深100 m以上第一层介质影响系数变化梯度较大，100 m以下影响系数很小但变化较为平缓(图5a)。第二层介质在小极距浅层观测时影响系数较大，别的情况都很小(图5b)。电极埋深在100 m以上，第三层介质影响系数占主导地位(图5c)。极距AB/2在300 m以上、电极埋深在150 m以上才能探测到第四层介质的变化(图5d)。分析图5可知，小极距观测主要反映装置所在区域介质信息，在装置埋深较浅时，主要反映浅层介质信息。大柏舍台第三层介质厚度较大且电阻率很低，地电阻率观测值主要反映该层介质信息，只有在观测极距较大且装置埋深也较大时，深井观测才能对底层介质信息有所反映。浅层介质电阻率易受地下水位变动、含水饱和度季节性增减和温度变化的影响，深井观测应尽可能少地反映这部分干扰信息。通常认为，深层介质较之浅层松散沉积层更能有效地传递应力，孕震或构造应力主要引起深层介质电阻率的变化，因而大柏舍台深井观测应以第三层和底层介质为主要观测对象。从图5中可以看出，水平测道供电极距AB/2取250～350 m、装置埋深H>150 m能满足需求。考虑到地下潜水位在50 m左右变化，垂直测道的顶端电极埋深应在地下水位以下一段距离为宜，以减少地下潜水位变动对地电阻率观测的影响。

图5 大柏舍台各层介质影响系数随观测极距和埋深的变化Fig.5 Changes of the influence coefficient with the each layer about the observation distance and depth in Dabaishe seismic station

5 讨论与结论

1)深井观测通过地层屏蔽效应和增加观测装置与地表干扰源的距离来实现对地表浅层干扰的抑制，因此，只要观测装置埋设足够深，总是可以有效地抑制由非构造因素引起的地表浅层介质电阻率变化对观测产生的干扰。另一方面，深井观测也减小了观测装置与下伏地层之间的距离，有利于获取深部介质变化信息。

2)根据目前深井观测工程投入和对观测系统稳定性的要求，观测装置埋深能到达250 m左右；对于多数台站而言，在这一深度采用适当的极距已经可以有效地对基岩电阻率变化进行观测。

3)大柏舍台现有的深井观测水平测道虽能有效地抑制来自地表的干扰信息，但是由于观测极距较小，对深部信息的反映能力不够。垂直测道年变动态明显，第一个电极埋深为40 m，位于水位动态变化层位，受地下水位变动影响较大，掩埋了深部地层信息。由于垂直测道顶端供电电极靠近地表，因而垂直测道不能较好地抑制来自地表的干扰，建议取消垂直测道深井观测。为尽可能记录到与孕震有关的信息，大柏舍台深井地电阻率应适当增加观测极距和装置埋深，水平测道极距AB/2取250～350 m、埋深H>150 m能满足需求；在条件允许时，可进一步增加装置埋深以更好地获取深部信息。考虑到地电阻率变化与主应力方向有关，建议增加NS向水平测道深井观测。

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