中国地震井下地电阻率研究进展

2022-06-22杜学彬周振贵刘高川

吉林大学学报（地球科学版） 2022年3期

叶青，王晓，杜学彬，解滔，范晔，周振贵，刘高川

1.中国地震台网中心，北京 100045 2.中国地震局兰州地震研究所，兰州 730000 3. 安徽省地震局，合肥 230031

0 引言

地电阻率观测方法是引入物探电阻率方法[1]，经过改良后用于地震预报实验观测。地电阻率观测对象的物理含义明确，岩(土)石标本受压至破裂过程中电阻率变化的物理机理清晰[2-5]，观测技术成熟[6-10]，观测系统长期稳定，观测数据曲线能呈现清晰的异常变化形态[11-15]。在50多年的观测中，记录到了大地震前显著且清晰的异常现象(如：1976年唐山MS7.8[16]、松潘—平武MS7.2[17]，1988年澜沧—耿马MS7.6[18]，1998年张北MS6.2[19]，2003年大姚MS6.2[20]、民乐—山丹MS6.1[21]，2008年汶川MS8.0[22]，2013年芦山MS7.0[23]、岷县漳县MS6.6地震[24]等)，且观测的异常形态与实验室实验[25]、野外原地实验结果和理论模型[26]十分吻合。

自1966年邢台MS7.2地震发生以来，由政府组织建设了大规模、长期连续监测的地电阻率观测台网。它是我国地震地球物理观测的重要组成部分，在我国的地震中期、短期预测中发挥着重要的作用，多次记录了中强地震前突出的地电阻率异常，且对其中的某些地震三要素实施了1年时间尺度的预测[27-32]。地电阻率作为一种较可靠的地震前兆观测方法，已经被地震监测、预报广泛使用[33-34]，但由于地表观测装置所需观测场地面积太大[35-36]、测区内潜在干扰因素太多，难以保障高质量数据的持续性观测，勘选[37]符合观测规范的观测场地也越来越困难，尤其是在地震多发且以山地为主要地貌特征的川滇地区，长极距观测方式的组网布局更是无法实现。观测场地选择的困难已经成为制约地电阻率这一映震能力优异的观测手段可持续发展的首要因素。目前，在中国主要活动断裂带和人口密集大中城市附近的地震活动区,共有80余个台站担负着常规的地震监测任务。但随着经济的发展，这些台站中仍有一部分受到各种电磁环境的干扰。

为了减小或者消除来自地表的杂散电流干扰或者降雨、浅层水位造成的地表地电阻率变化引起的干扰，以获得可能的深部地震或构造运动信息[38-39]，采用井下观测的方式尝试减轻这些干扰。相对于地表地电阻率观测，井下地电阻率观测仍然采用对称四极或者不对称方法，以水平或者井下垂直观测等方式，通过将电极装置埋设在地下一定深度来观测地电阻率。

本文对井下地电阻率观测的发展、井下观测对地表杂散电流和金属管线的抑制作用，以及季节性变化引起的年变化与布极关系等实验研究结果进行了总结，并且对井下地电阻率的映震效能进行评估分析，为井下地电阻率观测的建设和研究提供参考。

1 井下地电阻率观测发展

我国用于地震观测的井下地电阻率最早开始于20世纪80年代的实验观测，当时采用的仪器和地表观测一样，用DDC-2A型电子自动补偿仪测量电位差，用安培表读取供电电流，属于人工观测[40]。文献[41-42]记载山东临沂、莒县进行的井下地电阻率观测曾记录到距台站300 km范围内的多次地震，并记录到“趋势下降-转折回升”的异常变化现象，与报道的地表地电阻率异常特征相似。但莒县、费县等的观测装置采用单孔水井单装置的垂直观测；临沂台的装置采用同一方向水平面上布设4口井的方法观测地电阻率，其电极埋深仅30 m。这些仅是尝试性的观测，其观测结果同时还与不同地区地下电性结构的差异有关，再加上当时的布极方式、装置系数的计算等不成熟，致使当时的实验研究不够深入，给不出明确的发展建议；另一方面，当时的观测环境干扰还不是很多。因此，至90年代末期山东、天津用于实验的井下地电阻率均停止观测。

随着沿海地区经济的发展，地震观测环境干扰越来越严重。广东新丰江河源又重新开展了深井观测实验，当时采用单向供电的C-ATS型观测仪器[43]，观测不稳定。随着观测技术的发展，河源台[44]于2013年进行了改造，采用了数字化的双向供电ZD8M型仪器，提高了观测精度。河北大柏舍台[45]2010年左右为了监测C-ATS仪器的稳定性和观测装置布极的设计方式，也开展了水平和垂直布极的模式进行实验,一直持续到现在。这两个台站的建设为井下观测提供了不少可以借鉴的关键技术。但两个台站所在的地区基本不属于地震多发地带，因此在中国“十五”观测网络项目建设时期，处于南北地震带的甘肃[46-47]、陕西等地也开始开展井下地电阻率的实验观测。此时已经从模拟观测到网络化、数字化的智能仪器，装置系统的设计也采用了比较成熟的地表观测的布极方式[48]，一般是正交2个方向或者增加一个斜向进行。以甘肃天水台(图1)、平凉台(图2)为代表的装置设计方式，还增加了多层观测和中心井垂直观测的综合布极方式，其目的为对比观测不同层位地下介质地电阻率的变化情况。这些台站在2013年岷县漳县[49]、2013年四川芦山[50]、2017年九寨沟[51-52]、2018年宁强等地震前都记录到较好的地震前兆异常信息。因此，在2018年的国家小型基建项目中，为提高首都圈地区的地震监测能力，国家开展了“冬奥会保障晋冀蒙监测能力提升项目”[53]，提出了在地表地电阻率观测站进行同场地深井短极距实验观测的模式，进行了8个井下地电阻率实验观测，截至目前包含“冬奥保障项目”已经建成并试运行了5个台站(表1最后5个)，全国共有25个台站进行井下观测(表1)。

A1、A2、A3、B1、B2、B3.供电电极；M1、M2、M3、N1、N2、N3.测量电极。

A1、A2、B1、B2.供电电极； M1、M2、N1、N2.测量电极。

2 实验研究成果

对井下地电阻率的实验研究可以总结如下几个方面：井下地电阻率对地表杂散电流和金属管线的抑制；季节性变化引起的地电阻率年变化现象与装置布极的关系；映震效能。

2.1 井下观测对地表杂散电流和金属管线的抑制作用

地表杂散电流类干扰包括观测区内工农业用电漏电、轨道交通系统运行漏电干扰等[54]。有学者研究认为地表干扰电流的影响有明显差异，取决于地电断面类型、工作参数[55]、供电电极、测量电极的埋深和避开干扰源的距离等因素。研究认为[56]深埋电极可以抑制一部分地表杂散电流的干扰。地铁运行时的漏电是一种典型的杂散电流干扰，以江苏江宁台为例。江宁台原地表观测南北向供电极距1 000 m，电极埋深3 m(2018年底停测)。目前井下实验观测有两个南北向测道，南北向长供电极距1 000 m，电极埋深200 m，短供电极距200 m，电极埋深200 m。此台站目前受南京市5条线路的城市地铁运行干扰，距离测区最近1.5 km，地铁每日最早5:00运行，最晚23:00停运。图3a显示了江宁台南北向不同供电极距2021年3月6日至7日的井下地电阻率曲线。3月6日0:00—4:00地铁停运时段相对5:00—23:00地铁运行时段，长极距地电阻率变化率达3.800%，而短极距地电阻率变化率为0.006%，短极距地电阻率变化率远小于长极距；这说明缩短供电极距，在同等电极埋深下，井下观测可以减小干扰幅度。但地铁运行时段长、短极距井下地电阻率均方差分别为0.91和0.33 Ω·m，依据技术规范[57]，仍是超差的。从动态曲线上看，短极距井下地电阻率地铁运行时段变化动态仍大于停运时段。图3b是江宁台南北向2016年3月6日至7日地表地电阻率曲线，电阻率均值为129.5 Ω·m，而井下长极距电阻率两日均值为99.5 Ω·m(图3a)，井下背景值比地表背景值减小33%，地表观测受浅层电阻率变化的影响较严重，而电极深埋抑制了浅层电阻率变化的影响。地铁运行时段地表地电阻率的均方差超过1.50 Ω·m，长极距井下地电阻率的均方差为0.91 Ω·m，也可以看出，井下观测比地表观测精度提高40%。

表1 国家地震地电台网井下地电阻率观测一览表

综上分析，井下深埋电极在相同测区条件下可以大幅度抑制杂散电流的干扰，降低噪声幅度，但距离地铁站近的观测站并不能完全抑制直流轨道交通这样特殊的杂散电流干扰。随着我国社会经济的发展，各大城市地铁、轻轨线路也逐渐增多，因此要更加有效地抑制此类固定的较大电流的干扰，采用交流井下地电阻率观测也是当前亟待考虑的一个发展方向，既可以抑制干扰，也可以解决部分地区占地面积受限的问题。

金属管网(线)是另外一种容易对地电阻率观测造成干扰的静态干扰源，它对观测的干扰幅度受自身电阻率和横截面积的影响，管线电阻率越低，干扰幅度越大，有效横截面积越大，干扰幅度越大[56]。文献[56]利用有限元模拟方法对内蒙古宝昌台地电阻率受测区周边地埋钢缆线干扰的定量计算表明，不同表层土壤冻土阶段的干扰幅度不尽相同，完全融解的土壤阶段受干扰程度最大，并且与实际观测值相符。笔者研究了几种不同金属管线的干扰形态和幅度，以江苏南京台为例。该台站地表和井下地电阻率同场地观测，2017年4月27日距离该测区30 m左右沿东西向建设多个高压铁塔，而地电阻率距南北向供电极坑10 m左右各建设了1个高压铁塔，每个铁塔上经过一根避雷导线接地，接地线通过大地联通导线，对电阻率测区形成了金属导线的外部环境改变。图4是南京台地表和井下地电阻率2017年4月15日至5月6日的地电阻率小时值(地电阻率仪每小时采集1个数值)曲线。可以看到：南北向4月27日地表地电阻率台阶变化为2.46 Ω·m，井下地电阻率台阶变化为1.26 Ω·m，井下干扰幅度减少50%；东西向4月27日地表地电阻率台阶变化为1.01 Ω·m，井下地电阻率台阶变化为0.93 Ω·m，井下干扰幅度减少8%。南北向比东西向减少的幅度大约提高42%。这是因为东西向铁塔在地电阻率东西向测线平行的外侧，距离测区稍远，铁塔所形成导线的偶极场对地电阻率供电来说是对称的，抵消了一部分干扰，并且井下电极的埋深只有50 m，并不是特别深，对于较长供电极距的设计方式来说，两个地电阻率干扰幅度相当是可能的。而南北向附近仅有2个铁塔，靠近供电极的一测，当地电阻率供电时并不能抵消偶极场产生的影响，而且形成的导线长度较短，因此干扰幅度相差较大。这与文献[56]的结论相一致，干扰幅度与铁塔的数量和避雷导线接地的范围有关，并且与避雷导线和电阻率的测线方向也有关。此外研究还发现当金属管线形成固定的干扰后，测区降雨时井下电阻率的干扰幅度会小于地表电阻率的干扰幅度，这也与所形成的避雷导线的长度及避雷导线的接地范围有关。

a. 2021年3月6日--7日，井下；b. 2016年3月6日--7日，地表。ρ. 地电阻率。

a. 南北向；b. 东西向。

2.2 季节性变化引起的地电阻率年变化与布极的关系

地电阻率年变化是季节性降雨[58-60]、浅层水位变化等改变了浅层介质电阻率而引起的。文献[61]认为，不同的地下介质结构除了影响地电阻率年变化形态外，根据不同的装置系统布设，对地电阻率年变化幅度的影响也不尽相同。通过多年的实践观测，研究了几种典型不同供电装置井下地电阻率的年变化幅度与布极的关系，进一步印证了不同台站位置和装置布极呈现不同的地电阻率年变化形态和幅度。以表2所示的5个台站为例。地表观测供电极距均大于1 000 m，其年变化幅度都比井下的大，呈现的地电阻率年变化动态为“夏高冬低”或者“夏低冬高”。井下观测供电极距大于等于电极埋深的天水台、江宁台(图5)表现出“夏低冬高”的变化形态，且江宁南北向长极距地电阻率年变化幅度比南北向短极距地电阻率年变化幅度大0.6%；供电极距小于等于电极埋深的通州、延庆、新城子地电阻率年变化动态基本不明显，地电阻率年变化幅度与天水、江宁台变化相当。据不完全统计，供电极距(大于200 m)大于电极埋深的井下地电阻率年变化形态多为正常的“夏低冬高”形态，主要原因为随着夏季降雨量的增加，表层介质含水率升高，地表介质电阻率降低，故引起视电阻率观测值降低；而冬季降水量减少，表层介质电阻率上升[62-63]，视电阻率观测值升高。而供电极距(小于200 m)小于等于电极埋深的台站，大多年变动态不明显，并且变化幅度很小(表2)。图6为新城子台多年日均值动态曲线，其形态比较平稳；而江宁台(图5)南北向、东西向均呈现明显的峰谷年变化形态。由此可见，不同台站的井下最大地电阻率年变化幅度差异显著，且年变化形态也存在差别，这也说明了不同区域、不同台站其地下电性结构及表层影响的不同等原因表现出了年变化的复杂性。

表2 井下与地表地电阻率年变化幅度对比一栏表

a. 南北向长极距；b. 南北向短极距；c. 东西向。

a. 南北向；b. 东西向。

2.3 映震效能

为分析井下地电阻率的映震效能，研究了目前全国25个井下地电阻率观测站在震前的变化现象和映震效能。表3列出了具映震效能台站的井下地电阻率变化情况。从表3中可以看出，运行时间较长的平凉、天水、昌吉观测站，在几次6级以上较大地震前不同方向出现大幅度突跳或抖动现象和先下降后上升的现象，震中距56～550 km范围内不等，这种不同方向出现异常变化的现象与站点断层构造[11]方向和地电阻率的各向异性[35]有关。兰州观测站布极方式为垂直观测，在阿左旗5.8级地震前呈现地电阻率先下降后上升的变化特点。海安、河源在一些4级地震前的100 km震中距范围内也记录到先下降后上升的异常现象。这与文献[49, 64-65]在一定范围内记录的震前变化现象吻合。以上出现异常的观测站，均属于供电极距大于电极埋深的布极方式。而供电极距小于等于电极埋深的震例为2020年7月12日唐山古冶地震前和2021年4月16日的滦州地震前，通州台井下地电阻率出现先下降后上升的异常现象[66]，但异常变化幅度较小。2021年5月22日青海玛多7.4级地震前，甘孜台地电阻率也发生趋势下降后上升的异常现象。分析甘孜台井下地电阻率小时值曲线(图7)可以看出，甘孜台北东向、北西向动态曲线存在明显的“夏低冬高”年变化现象。北东向自2018年1月至2020年8月趋势下降，相对于该时段平均值下降相对变化率达2.8%，2020年9月以后趋势上升；北西向自2018年1月至2019年9月趋势下降，相对于该时段平均值下降相对变化率达1.1%，2019年10月以后趋势上升。这种变化现象符合表3中大部分震前地电阻率的“先下降后上升”的异常特征。

表3 井下地电阻率映震效能一览表

图8为利用归一化月速率方法处理的甘孜台地电阻率月均值数据所得曲线。该方法经过去倾、去年变化后，把一段时间的电阻率数据分成若干个子序列，对子序列进行线性回归后，求其曲线斜率和相关系数，最后构成整个序列的初始变化速率，再对初始变化速率进行方差趋于1、均值趋于0的处理，最终得到归一化变化速率序列。一般根据经验值，地电阻率归一化变化速率异常阈值为±2.4[67-68]。自2018年以来，甘孜台北东向归一化速率在2019年底和2021年初存在超出阈值的现象，北西向归一化速率在2020年底和2021年初出现超出阈值的现象，与文献[69]所述地表电阻率的异常变化形态吻合。

a. 北东向；b. 北西向。

a、b. 北东向；c、d. 北西向。

此外，井下短极距地电阻率异常与地表地电阻率普遍认为大于1%的变化即为异常信息的认知有所区别[67, 70]。例如冬奥保障会试验项目均采用测量极距小于电极埋深的装置设计方式，在2020年7月12日的唐山5.1级地震中通州台观测到的异常变化幅度为千分之几[66]。由于台站地下电性结构的不均匀性，地电阻率对地下变形微裂隙变化的响应能力也不同。因此笔者认为，建台前仔细勘查地下介质的岩性结构和电性结构，合理设计观测装置布极和井下施工作业技术细节[71-78]，都是获得高质量井下地电阻率观测结果需要研究和考虑的。

通过表3的分析发现，在25个井下地电阻率观测中，排除地震少发区或者刚刚建成的观测站，能映震的台站占比约57%。在12次中强地震中，这些台站中出现先下降后上升现象的有8次，占66.7%，出现高频抖动或者突跳的有5次，占41.7%，说明井下地电阻率对中强地震具有一定的映震效能，大部分异常现象符合地电阻率的震前变化机理[29, 32]。