地基施工对天水深井地电阻率观测的干扰

张丽琼 高曙德 窦喜英

1）中国甘肃730000 兰州地球物理国家野外科学观测研究站

2）中国兰州730000 甘肃省地震局

0 引言

自1966 年邢台7.2 级地震以来，地电阻率观测在中国地震监测预报领域的应用已有50 多年，积累了大量理论和实践成果，但随着城市化和地区经济的快速发展，轨道交通（地铁）、蔬菜大棚、地埋钢缆等设施建设，使得测区地表电性结构发生改变，对地电阻率观测数据质量造成严重影响，增大了监测预报的辨识难度（钱复业等，1982；钱家栋等，1985；杜学彬等，2008，2010；卫定军等，2009）。20 世纪80 年代，为了有效抑制测区地表浅层干扰，提出深井观测，并逐步开展降低观测系统干扰的研究工作。已有研究结果表明，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现象（王帮本等，1981；苏鸾声，1982；张磊等，2015；梁浩东等，2017）。

高曙德等（2015）在天水地电台深井地电阻率观测实践中发现，在深4 m 地层敷设电极，观测到明显的正弓年变形态，而在深100 m 地层敷设电极，年变形态基本消除，表明深井观测可有效抑制地表电磁环境干扰，也基本消除了降雨、灌溉、金属管线等地表特定因素对地电观测数据的干扰。2018 年7 月底，天水井下地电阻率观测系统NW 向出现高频扰动现象，文中对此进行一系列排查工作，发现观测仪器、线路及电极、气象三要素均正常，而在该台附近大楼施工中，地基开挖使用了大量钢架，结合该台电测深曲线及岩性资料，利用有限元方法进行定量分析，为天水深井地电阻率观测资料变化提供判定依据。

1 天水井下地电阻率观测装置

天水地电台（下文简称天水台）为国家基本台，始建于1970 年，位于甘肃省天水市麦积区马跑泉镇崖湾村，观测区域为崖湾村和白石村之间的永川河Ⅰ级、Ⅱ级河谷阶地。该台地下介质表层为第四系覆盖层，厚度约20—30 m；第二层为第三系粘土层，厚度约450—500 m；基底为古生界变质岩。台站地处祁吕贺兰山字型前弧内缘褶带与陇西华家岭—天水旋迴褶带复合部位，地势西北高、东南低。自2008 年6 月以来，台站观测受到的干扰日益严重。2011 年深井地电阻率观测项目建设工作启动，拟建设9 口深井，井深100 m；1 月，深井钻孔施工和仪器架设完成；10 月12 日，井下地电阻率观测正式开始。

天水台地电阻率观测系统采用对称四极装置，电极呈近似等腰直角三角形水平向敷设，大致呈NS（沿编号7、8 方向）、EW（沿编号8、9 方向）、NW（沿编号7、9 方向）向分布，其中NS、EW 向供电极距为300 m，测量极距为100 m，NW 向供电极距为390 m，测量极距为130 m（王兰炜等，2014）。该台布极示意见图1，其中编号1—9 电极为地表电极，埋深4 m；编号11—19 电极为井下电极，埋深为100 m。电测深曲线为QH 型（图2）。

图1 天水台井下地电阻率观测系统布极示意Fig.1 Schematic diagram of electrodes layout of underground resistivity observation system of Tianshui station

图2 天水台电测深曲线Fig.2 Apparent resistivity sounding curve of Tianshui station

2 干扰出现及异常判定

2.1 干扰出现

2018 年7 月底，天水电阻率NW 向出现高频扰动现象。9 月10 日，天水台电阻率异常现场核实显示，仪器、仪器标定、接地电阻等均正常。对测区环境调研发现，位于测区西北约80 m（17 号电极距离最近）的天水林业职业技术学院综合大楼建设施工，总建筑面积49 836.77 m2，地上11 层，地下1 层，建筑高度47.25 m。该工程地基深约10 m，于2018 年5 月底开挖，共1 200 根桩基，场地大量钢铁设备堆积。截至2018 年9 月，楼层已建造至第3 层，施工状态较为稳定（图3）。

图3 大楼施工现场调研Fig.3 Building construction site survey

2.2 异常初判

据以往震例，对于台站周边发生的多次中强地震，天水深井地电阻率均记录到较为突出的前兆异常，如：2013 年芦山MS7.0、岷县—漳县MS6.6 和2017 年九寨沟MS7.0 地震，3 个测向的整点值数据同步出现震前高频扰动现象，且变幅均大于0.03 Ω·m（杜学彬等，2013；陈雪梅等，2013；曾文浩等，2015）；2016 年门源MS6.4 地震EW、NW 测向日均值同步出现高值异常。2006—2018 年南北地震带预测效能评估显示，天水台地电阻率R值为0.96，R0=0.84，R值评分效果较好。

大楼施工仅对天水台井下地电阻率观测系统NW 测向造成影响，表现为NW 向出现短期高频扰动，与该测向自然电位差进行对比分析，结果见图4，可见：电阻率曲线7 月下旬开始出现高频扰动，时间持续至8 月底，而自然电位差曲线7 月10 日开始转折上升，7月底下降恢复，转折变化时间较地电阻率稍有提前，与电阻率变化不同步，表明自然电位差与地电阻率变化在时间上并不对应（图4）。

图4 NW 测道地电阻率与自然电位差观测数据对比Fig.4 Comparison of resistivity and self-potential difference observation data

尹相好等（2010）认为，自然电位差和地电阻率同时发生异常变化时，异常的可信度较高，且异常出现时间与地震发生具有较好的对应关系。钱家栋（1993）从物理成因上解释，在地震发生前，由于应力的积累，地下介质会发生变化，裂隙的膨胀和发展以及地下流体的共同作用可能会造成自然电位差和地电阻率同时发生变化。据此认为，天水台井下地电阻率观测系统NW 向高频扰动与构造活动的关联性较低，需进一步定量分析地基施工及大量钢架使用对电阻率观测造成的影响。因此，结合该台电测深曲线及岩性资料，利用有限元方法，模拟钢筋混凝土框架对地电阻率观测的影响。

3 地基施工的定量分析

施工大楼位于测区NW 向，距天水台17 号电极约80 m。理论上，施工对深井地电阻率观测数据的影响较小，但该区域介质电性结构受施工的影响不容忽视。根据地电阻率三维影响系数分布理论（钱家栋等，1985；赵和云等，1987；Park et al，1991），地基开挖区域充满空气，空气是高阻体，电阻可近似视为无穷大，使电阻率测值上升，而铺设的地基由钢架混凝土构成，在NW 向的17 号、19 号电极间形成一个高阻体，与原有土层介质相比，该区域电阻率升高。以上2 个因素均对NW 向地电阻率升高产生一定影响，需进一步对地基施工影响进行定量分析。

3.1 稳恒电流场有限元方法

采用直流电对称四极装置定点观测场地地电阻率变化，向A、B电极供电，测量M、N电极电势差，根据Maxwell 方程组和电荷守恒定律，将此过程视为稳恒电流场，电势分布满足Possion 方程（Lowry et al，1989），公式如下

式中，V是由电流源I产生的电位，σ是介质电导率，δ(x,y,z)是Dirac delta 函数。

有限介质空间的全部边界为Γ，一部分边界没有电流流出，满足Neumann 边界条件记为Γs，其余边界记为Γv，满足Dirichlet 边界条件。因此式（1）满足边界条件Γ=Γv+Γs，其中n为边界指向区域外的法线方向，。应用虚功原理可得到稳恒电流场Possion 方程的有限元弱解形式为

式中，Ω为计算区域，φ为任意的虚位移函数，在满足Dirichlet 边界条件的边界上，虚位移函数φ=0。由于模型在水平和垂直方向上的尺度不可能是无限的，对于一个固定尺寸的模型，当供电极距AB大于一定的值后，对无穷远边界施加Dirichlet 边界条件时，计算得到的地电阻率值将小于实际值，而对无穷远边界施加Neumann 边界条件时，计算得到的地电阻率值将大于实际值。因此，模型经单元离散化、施加电流源和边界条件后可对单元节点上的电位进行有限元数值求解，得出电位分布，获得测量电极间的电势差，进而依据对称四极装置系数计算地电阻率（Dey et al，1979；Li et al，2005；解滔等，2014）。

3.2 地基施工对NW 向地电阻率观测的影响

天水台地电阻率测区地下介质电性结构比较均匀，当地井孔岩性柱状图（图5）资料显示，地下介质覆盖层第1 层为黄土，下面3 层基本为不同形状砂泥岩、灰岩及泥岩互层等。解滔等（2013）分析认为，地表局部区域的电性结构变化仅对测线附近地电阻率观测产生显著影响。因此，为深入分析施工对天水深井地电阻率观测的影响，利用水平层状介质理论，结合实际电测深曲线及不同观测极距下地电阻率值，与电测深原始观测值对比，可知两者数据基本一致，因此该电测深曲线计算值满足天水台深井地电阻率物理建模的计算要求。

图5 天水台钻孔剖面及NW 向电测深计算值Fig.5 Stratigraphic column for the Tianshui station and observed resistivity sounding data of NW direction

在地基施工中，钢架可视为电阻率较低的金属导线，铁介质电阻率为9.78×10-8Ω·m，工型钢轨的横截面积约0.002—0.3 m2，即使金属导线电阻率较低，在地电阻率测线附近小范围内仍会产生定量干扰。由于施工方位固定，金属导线对地电阻率观测的影响与其电阻率和横截面积有关，一般横截面积＞1×10-3m2时干扰幅度趋于稳定，文中钢轨横截面积取为0.01 m（2何世根等，2000）选用solid5 三维8 节点电磁场耦合实体单位，自由度为电压。考虑地基中钢架互相交差搭建，因此所有计算基于同一模型和网格剖面，建模时选取简单的4 条钢架为基础，钢架与大地设置为接触模式，赋予每条钢架不同的电阻率，将其在土层和金属之间转换，钢架简化为4 条导线L1、L2、L3、L4，计算导线串联时对地电阻率观测的影响。

解滔等（2016）认为，当模型厚度H＞2AB，模型水平边界尺寸D＞6AB时，可以满足模型计算要求。实际极距AB=0.39 km、MN=0.13 km。当模型最底层厚度H4=0.8 km 时，地电阻率值随模型水平边界D变化，基本上在D＞2.4 km 时不随D值增大而变化[图6(a)]，因此本研究中模型取D=3 km；在水平尺寸为3×3 km2、H4＞0.8 km 时，地电阻率值不随H值增大而变化[图6(b)]，因此本文模型第4 层厚度H4取为0.9 km，则三维有限元模型大小为3×3×0.9 km³。

图6 地电阻率变化(a)随水平边界尺寸D 的变化；(b)随底层厚度H4 的变化Fig.6 The variation of geoelectric resistivity

计算结果表明，4 条单独导线若不连通，则对地电阻率的影响可忽略不计；当4 条导线串联时，计算模拟值为7.550 2 Ω·m。2018 年6 月底NW 向深井地电阻率实际测值为7.49 Ω·m（均值），计算模拟值则比实际测值上升0.063 8 Ω·m，而7—9 月NW 向地电阻率实际观测值为7.54 Ω·m（均值），相较于6 月底实测值上升0.05 Ω·m，此后，随着综合楼施工趋于稳定，地电阻率观测数据逐渐恢复稳定状态。

因此，将地基钢架结构简化为4 条相互串联的金属导线，虽与实际复杂情况存在差异，但地电阻率NW 向数据模拟结果与实际观测值较为一致，且高频扰动异常与地基施工时间具有一致性，认为地电阻率高频扰动为该综合楼施工中地基开挖影响所致，且从干扰持续时间看，仅在施工初期受到干扰。

4 结论及讨论

在天水林业职业技术学院综合楼施工期间，天水台NW 向地电阻率高频扰动与地基开挖具有时间同步性。大楼地基含大量钢架混凝土结构，开挖区域可近似视为电阻无穷大，在NW 向的17 号、19 号电极间形成一个高阻体，电阻率高于各层地电阻率值，因此观测值出现高频扰动现象。将钢架混凝土结构简化为相互串联的金属导线，利用三维有限元模型进行模拟计算，结果显示，计算模拟值与实际测值接近。因此确定，金属结构框架会使天水台NW 向地电阻率上升。具体影响比数值模拟情况复杂。

人类的生产、生活及城市化建设的推进，对地电阻率观测的影响日益严重。干扰产生的不确定信息与震前的孕震信息相混合，增加了地电阻率异常分析难度。据以往资料，因干扰的存在，地表（浅层）地电阻率观测数据一直受到影响（解滔等，2013；张国苓等，2017）。甘肃省地震局自2011 年起在甘东南地区（天水、武都、平凉）建成3 个井下地电阻率观测点。数据显示，深井地电阻率观测可以较好地抑制浅层潜水位升降、含水率季节性增减等对观测产生的影响。由本次地基施工对深井地电阻率观测的干扰分析可知，干扰影响时间较短，且在施工进入稳定阶段后结束。

深井地电阻率观测在不断建设和推广，目前井下地电阻率数据质量评价依然参考地面观测规范。今后需积累深井地电阻率观测实例，探讨不同干扰源对井下地电阻率的影响，包括影响数值、时间及后期恢复程度等，总结井下资料的变化形态和幅度，发现异常变化的新指标和新评价方法，以期为震前地球物理异常研究提供可靠依据。