新城子井下地电阻率观测影响系数分析

黄明威，张 琪，李梦莹，杨牧萍

（辽宁省地震局，辽宁 沈阳 110034）

0 引言

地震观测视电阻率方法始于物探方法，1966年河北邢台Ms7.2地震后用于地震预测分析，并且多次记录到中强地震前（如1976年唐山Ms7.8和2008年汶川Ms8.0地震等）明显的视电阻率异常[1-2]。地电阻率观测对观测资料的质量要求一直较高，近年来随着城市化的进展，电阻率观测的干扰影响也越来越大（如地铁、工厂等），相当一部分地电阻率观测台站观测环境遭到严重破坏，台站数量从120个减少至80余个，辽宁省共有地电阻率台站4个，台站数量本就不足，台安台地电阻率观测又受环境干扰，在影响较大导致无法正常研究分析后停测。前人的研究表明，地表观测可以通过加长供电极距减少地表环境干扰的影响（温度、降雨等），供电极距越大，越能有效降低表层介质影响、抑制地表杂散电流，显著减少观测数据年变化幅度[3]。但受到观测场地环境、经济条件等影响，供电极距延长到可以忽略地表干扰的影响的程度是难以实现的。为有效抑制地表干扰，80年代以来我国通过将电极埋入地层一定深度的深井电阻率观测方法来进行研究[4]。实验结果表明，井下地电阻率观测能够有效地抑制季节性降雨等产生的年变以及地表的干扰，同时能够缓解地震观测环境保护和地方经济发展。井下观测相关理论研究已取得较多成果，聂永安[5-6]通过求得水平层状均匀介质中点电流源位于任意深度时的电位解析表达式，研究了3层结构在地表和井下四级对称电阻率观测结果与电极埋深、供电极距之间的关系；解滔等[7-8]采用该电位解析表达式分析了井下四级对称电阻率观测时一维、三维影响系数随深度和极距的变化，并对井下地电阻率观测中地表电流的干扰影响进行了计算；毛先进等[9-10]采用边界积分方程法计算了下伏高阻、下伏低阻影响系数随电极埋深和供电极距的变化，并计算了不同电极埋设时井下观测的探测深度变化；王兰炜等[11]提出了井下地电阻率观测不同装置情况下装置系数的计算方法；沈红会等[12]研究了在抑制地铁等表层干扰、提高信噪比时极距和电极埋深的合理方案。

新城子地震站的地电阻率观测始于建台之初的1976年，期间为地震预报及地震研究提供了大量的观测数据资料，但近几年来，随着沈北新区城市化进程的不断加快，新城子地震台周边新建了许多工厂和居民区，尤其是2013年6月，沈阳飞机制造公司空气动力研究所在沈北新区地震台南200米处圈地兴建厂房以来，新城子地震台的地电阻率观测环境受到严重的干扰和破坏。为解决这一问题，新城子地震站井下地电阻率工作在2016年正式开展，通过几年的数据观测，深井电阻率对比地表电阻率观测取得了非常好的观测效果，是进一步完善新城子地震站地电阻率前兆观测技术、抑制和减小干扰和环境因素影响的有效措施。本文依据给出的电位表达式及程序[3，5-6]，以新城子地震站3层电性结构为例，计算了新城子3层水平层状均匀介质中随观测极距与电极埋深变化的各层介质影响系数，以此来探讨新城子地震站电极埋深与布极距离的合理性、深井观测对比地表观测对地表及浅层所产生干扰的抑制能力，其分析结果可以为今后类似电性结构中实施井下地电阻率观测时提供参考。

1 新城子地震站简介

新城子地震站始建于1975年8月,位于沈阳市新城子区新城子乡颇家屯村村北约一千米处，距新城子区城区中心约两千米（图1）。所处位置在冲击平原地貌与黄土堆积地貌的结合部，主要断裂有王纲堡—新城子断裂、永乐—清水台断裂、蒲河断裂。王纲堡—新城子断裂，南起王纲堡，经张士屯、北李官、丁香屯、大转湾桥沿北北东方向从本区通过，是依兰—伊通断裂沈阳段的组成部分，处于隐伏状态，是第四纪活动断裂，活动时代主要在早中更新世，晚更新世以来没有活动；永乐—清水台断裂，南起永乐，经杨士开发区、于洪区政府东、铁西清真寺、小韩屯、八家子往北延伸，也是依兰—伊通断裂沈阳段的组成部分，处于隐伏状态，是第四纪活动断裂，活动时代主要在早中更新世，晚更新世以来没有活动。该断裂与王纲堡—新城子断裂平行，南侧相距1.5～3.0km，北侧相距6～8km。太吉屯—蒲河断裂主要倾向北西，倾角较陡，主要表现为若干条大致平行的分支断裂带，全长约35km，断裂性质表现为正倾滑兼右行走滑性质。断裂北东盘上升，南西盘下降，但垂直错位量很小。断层没有错切上覆的上更新统地层，断层活动时代为中更新世早、中期。新城子地表观测仪器采用ZD8B仪器，井下观测仪器选用的是中国地震局地壳应力研究所研制的ZD8M型地电阻率仪，地表观测采用十字状布极方式，井下观测采用L型布极方式（图2），均为四级对称观测，装置系数等如表1所示。

图1 新城子地区地质构造图Fig.1 Geological structure map of Xinchengzi area

表1 供电极、测量极布设情况和装置系数对应表

图2新城子地震观测站地电阻率地表（a）/井下（b）观测布极Fig.2 Distribution of surface/underground resistivity monitoring arrays at Xinchengzi Seismic Station

2 地电阻率影响系数理论

新城子地震站井下与地表地电阻率观测均采用四级对称观测装置，根据视电阻率影响系数的计算方法，由于台站观测到的地电阻率变化为测区不同区域介质地电阻率变化的加权和，因此，结合台站实际的电性结构，可以依据不同电极埋深和供电极距情况下的影响系数分布来综合评估新城子地震站井下观测对浅层干扰的抑制能力和对深部岩层介质电阻率变化的相应能力。如果将电阻率测区划分任意的n块区域，每块区域介质电阻率为ρi，i=1，2，…，n。在测区电性结构、布极位置及观测装置确定时，视电阻率ρa是各分区介质电阻率的函数[13]。

通常各分区介质电阻率在一定时间内的相对变化非常小，即Δρi/ρi<<1，因此将式（1）作Taylor级数展开，二阶及高阶项远远小于一阶项，忽略不计。视电阻率相对变化可以简单地表示为各分区介质电阻率相对变化的加权和，即

测区介质按任意大小划分，用数值计算方法讨论各区域介质对视电阻率观测的三维影像系数。本文主要讨论各层介质整体对观测的影响，因此按照N层水平层状结构将测区划分为水平层状的N块区域，采用解析表达式和二级装置的奥尼尔滤波器（O′Neill36）计算对称四极装置的视电阻率和相应的影响系数[14-16]。

3 新城子地震站井下地电阻率观测影响系数分析

3.1 地表/井下观测年变化分析

新城子地震站深井电阻率2016年12月开始投入使用，地表观测于2018年停测，选取新城子地电阻率NS向、EW向地表观测2010—2018年资料和井下观测NS向、EW向2016—2019年资料（图3-4），其中地表观测NS向在2015年因沈飞建设防空实验室受到严重干扰，计算去掉受干扰期间数据；新城子地表观测电阻率季节性变化显著，夏季降雨量增加，表层介质含水率升高，地表介质电阻率降低，引起视电阻率观测值降低；冬季降水量减少，表层介质电阻率上升，视电阻率观测值升高，表现出“夏低冬高”的正常年变形态。新城子深井电阻率观测数据变化稳定，没有明显的年变形态，受降雨量等地表干扰影响较小。

图3 新城子地表北南向（a）、东西向（b）电阻率观测整点值曲线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

图4 新城子深井北南向（a）、东西向（b）电阻率观测整点值曲线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

对新城子观测站地表和井下地电阻率年变幅度进行计算统计，如表2、图5所示，可以对比看出地表NS，EW年变化幅度较大，井下NS和EW观测的年变化幅度较地表观测显著减小，其中17、18年地表、深井同时进行观测，年变幅度差距达到10倍左右。说明电极埋深至150m后，有效降低了表层介质影响，较好地抑制了地表杂散电流，显著减少了观测数据年变化幅度，但由于新城子地表、深井电阻率供电极距不同，可以通过各层介质影响系数来进一步分析电极埋深与供电极距对地电阻率观测的影响。

表2新城子地电阻率观测数据年变幅度统计

图5新城子地表/深井电阻率年变幅度对比Fig.5 Comparison of annual variation of surface/deep well resistivity in Xinchengzi Seismic Station

3.2新城子台影响系数分析

通过对新城子台的高密度电法探测和电测深报告通过IX1D软件进行反演（图6），得到该电测深曲线在水平层状均匀模型下反演的电性结构如表3-4所示，电性结构等效为3层，为A型电性结构，以此计算分析各层介质影响系数随电极埋深和观测极距的变化，两测向的三层厚度接近，第二层厚度远大于第一层，各层电阻率接近，EW与NS两个测向反演的模型相近，因此下文以EW方向为例进行分析。

表3新城子台NS向电测深曲线反演电性结构

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

表4新城子台EW向电测深曲线反演电性结构

图7为新城子EW向表层地电阻率各层介质影响系数随观测极距的变化曲线，当地表观测电极埋深为0，极距为1000m时，第3层介质影响系数较大且与第2层相近，说明此时视电阻率的变化主要反映中间层及深层介质电阻率的变化，中间层介质深度在5～128.7m之间，因此新城子地表观测的布极方式可以较好地反应大于128.7m深层介质电阻率变化，并对小于5m的浅层介质的干扰有一定抑制能力，但2、3层介质影响系数接近难以区分发生影响地电阻率变化的位置。同时通过图7可以看出，地表观测浅层B1的影响系数随极距的增加而减小，极距越大就越能抑制地表干扰和突出目标层介质电阻率变化，但若极距过大则会导致场地勘选困难、测区场地面积过大以致受到场地内的干扰几率变大。

图7新城子EW向地表观测各层介质影响系数随观测极距的变化Fig.7 Variations of sensitivity coefficients of various layers of medium observed on the surface of Xinchengzi EW direction with observation pole distance

图8新城子EW向深井观测各层介质影响系数随观测极距的变化Fig.8 Variations of sensitivity coefficients of various layers of medium observed in the deep-well of Xinchengzi EW direction with observation pole distance

图8为新城子EW向深井观测各层介质影响系数随观测极距的变化曲线，深井观测（AB=150m、h=150m）第3层介质影响系数较大，说明此时地电阻率的变化主要反映深度大于128.7m的深层B3层介质电阻率的变化，同时第2层介质影响系数大于第1层介质影响系数。与地表观测对比，深井电阻率第3层影响系数大于地表电阻率第3层影响系数，第2层与第3层影响系数差距变大，第1层的影响系数更小（表5），深井电阻率对地表干扰的压制能力更强，对深层电阻率的变化反映更好。同时从图中可以看出，在电极埋深固定的情况下，随着极距的增加，第1层影响系数增加，第3层的影响系数减小，井下观测的作用逐渐减弱并接近于地表观测，可以看出，新城子的深井供电极距并非越大越好。通常情况下资料受干扰小且变化平稳时更容易识别异常，深井观测在电极埋深固定时，极距较小的时候几乎可以忽略表层介质对观测的影响，但小极距观测只能体现装置所在层位附近小体积范围内介质电阻率的变化，不能有效反映对孕震应力传递更有效的深层岩层的信息，不利于孕震信息的提取，因此不能过度的追求小极距。根据全国地电阻率观测台站多年的观测数据，浅层介质影响系数绝对值不大于0.5%左右的情况下观测数据较为平稳，季节性年变化幅度较小，因此在电极埋深范围内使供电极距AB足够大，浅层影响系数足够小，深层影响系数足够大即可。新城子地震观测站地表观测第1层的影响系数为0.93%高于观测标准的0.5%，而井下观测第1层影响系数仅为0.14%，新城子地震观测站井下观测布极设计较为合理。

表5新城子地震观测站影响系数统计

图9为新城子EW向深井各层介质影响系数随观测极距及电极埋深的变化曲线，如图9（a）所示当1层影响系数在AB/2<100，电极埋深H在0～50m时第1层介质影响系数较大，表层发生的干扰对整体观测的影响较大。当AB/2<300，电极埋深H在0～120m时第2层介质影响系数较大占主导地位，达到0.5以上，如图9(b)所示。当电极埋深H大于120m时，第3层影响系数较大，且在一定范围内随极距AB的增加而减小。总体来说，电极埋深越深，第1层影响系数越小，第3层影响系数越大。但电极埋深越深，工程投入就越大，观测系统稳定性越差，所以不能一味的追求电极埋设的深度。新城子观测站井下地电阻率电极埋深为150m，极距AB为150m，第三层影响系数最大，第一层影响系数最小，如果孕震作用引起的是第2、3层介质电阻率的变化，则说明新城子台井下短极距观测的映震能力要优于地表观测。因此新城子的深井电阻率设计较为合理，能够降低表层介质影响，较好地抑制了地表杂散电流，显著减少了观测数据年变化幅度，更好的反映深层的变化。

图9新城子EW向各层介质影响系数随观测极距及深度的变化（a）第1层；（b）第2层；（c）第3层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 结论与讨论

通过对新城子地震观测站电测深曲线反演的电性结构，结合影响系数理论用水平层状介质模型对比分析地表和井下年变幅度变化机理，研究了如何依据影响系数随电极埋深和观测极距的变化来探讨合适的井下电极埋深和极距布置，对新城子观测站井下观测装置进行评价，结果表明：

（1）新城子观测站NS/EW地表观测表现出“夏低冬高”的正常年变形态，而井下观测没有明显的年变形态，年变化幅度仅为地表电阻率的1/10左右，说明电极埋深至150m后，能够有效降低表层介质影响，较好地抑制了地表杂散电流，显著减少了观测数据年变化幅度。

（2）通过影响系数理论分析，对于新城子地表观测，极距越大浅层介质的影响系数越小，但布极距离的增加会导致场地勘选困难、测区面积过大以致受到场地内的干扰几率变大。而对于深井观测，极距越大观测效果反而越差，因此井下观测采用小极距观测，而在极距一定的情况下，电极埋深H越深，工程投入就越大，观测系统稳定性越差，所以需在保证观测质量的前提下，对电极埋深进行合理布置。

（3）通过影响系数理论分析，新城子地震观测站地表观测第1层的影响系数为0.93%高于观测标准的0.5%，而井下观测第1层影响系数仅为0.14%，同时第3层影响系数低于井下观测，新城子地震观测站井下地电阻率观测布极方式合理，观测效果较好，可以为今后类似的A型电性结构的台站布极提供依据与参考。