平?jīng)雠_井下地電阻率觀測影響系數(shù)分析

趙斐 葉青 解滔 范曄 張遠(yuǎn)富

1）平?jīng)鲋行牡卣鹋_，甘肅省平?jīng)鍪嗅轻紖^(qū)廣成路39號 744000

2）中國地震臺網(wǎng)中心，北京 100045

0 引言

1966年河北邢臺地震后，國家引入物探地電阻率法進(jìn)行地震預(yù)測實驗觀測，此后由政府組織建設(shè)了大規(guī)模、長期連續(xù)觀測的臺網(wǎng)。目前在中國大陸人口密集、大中城市附近的地震活動區(qū)帶共有70多個臺站用于常規(guī)監(jiān)測，每臺布設(shè)2～3個測道，采用地表電阻率對稱四極觀測裝置（杜學(xué)彬等，2006）。至今已積累大量的觀測數(shù)據(jù)和科學(xué)研究成果，在方法理論、觀測技術(shù)、觀測數(shù)據(jù)應(yīng)用等方面取得較大進(jìn)展（錢復(fù)業(yè)等，1982；錢家棟等，1985、1998；杜學(xué)彬，2010；王蘭煒等，2011）。

近年來，地表地電阻率觀測受到地表環(huán)境影響，其可持續(xù)性發(fā)展受到威脅，井下地電阻率觀測由此成為目前發(fā)展方向之一。井下地電阻率觀測是將原本埋在地表的電極裝置深埋在地下，在地下水平向開展對稱四極以及在垂直向（同一井下電極埋深不同）進(jìn)行地電阻率觀測。這種觀測方式不但能有效抑制地表干擾，而且能有效化解地震觀測與當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)和社會發(fā)展之間的矛盾。山東、河北等地多年前就開始了地電井下觀測，供電、測量電極均置于井底（王幫本等，1981；孟慶武等，1991；孫承德等，1996、1998），但是，在這些早期建設(shè)的 10多個井下地電阻率觀測臺站中僅廣東河源臺至今仍在持續(xù)觀測，其余臺站全部停測。近年來，隨著臺站所在地經(jīng)濟(jì)建設(shè)的高速發(fā)展，地表大極距、多方位的地電阻率觀測遇到的觀測環(huán)境惡化的問題日趨嚴(yán)重，因此建設(shè)井下觀測裝置被重新重視起來。2008年以來，在全國地電臺網(wǎng)技術(shù)管理部門和地電學(xué)科專家的推動下，我國開始陸續(xù)發(fā)展井下地電阻率臺站。2010年以來先后建設(shè)了江蘇海安臺、河北大柏舍臺、陜西合陽臺、甘肅天水臺和平?jīng)雠_等10多個井下地電阻率臺站，繼續(xù)進(jìn)行實驗觀測，并開展了井下觀測技術(shù)、方法理論方面的研究（聶永安等，2010；解滔等，2012、2016；毛先進(jìn)等，2014；楊興悅，2012）。除了規(guī)避地表人為的觀測環(huán)境干擾，井下地電觀測還能較好地降低因淺層潛水升降和介質(zhì)含水率季節(jié)性增減所引起的視電阻率年變化以及獲得地表以下較深部介質(zhì)的電性變化的信息。

在上述井下地電阻率觀測臺站中，甘肅平?jīng)雠_建設(shè)了井下多層水平觀測裝置，供電極距大，并具有完整的臺址“十子”電測深資料。本文以平?jīng)雠_4層電性結(jié)構(gòu)為例，依據(jù)解滔等（2016）提供的程序，計算了平?jīng)雠_4層水平層狀均勻介質(zhì)中隨觀測極距和電極埋深變化時的各層介質(zhì)的影響系數(shù)，通過各層介質(zhì)影響系數(shù)的大小評估了平?jīng)雠_井下觀測對地表及淺層干擾的抑制能力，分析結(jié)果也可為在類似臺址電性結(jié)構(gòu)中實施井下地電阻率觀測時選擇電極埋深和供電極距提供參考。

1 平?jīng)雠_井下地電阻率觀測簡介

平?jīng)雠_位于南北地震帶北段的六盤山斷陷帶東麓大斷裂的東側(cè)，即隴西旋卷構(gòu)造系向南收斂的區(qū)域，地處平?jīng)鍪形鹘坚轻监l(xiāng)轄區(qū)內(nèi)，距市區(qū)約11km，位于崆峒鄉(xiāng)政府所在地寨子街的西側(cè)。平?jīng)雠_地表地電阻率觀測項目始測于1975年12月，自1997年遷建后，觀測資料連續(xù)可靠，但近幾年隨著當(dāng)?shù)厣鐣?jīng)濟(jì)的發(fā)展，觀測環(huán)境遭到了破壞，觀測資料受干擾明顯，以廣成山莊施工及運營干擾為主要干擾因素。2012年4月中旬，測區(qū)內(nèi)修建了平定高速公路，其平?jīng)鑫鞒隹跈M穿整個測區(qū)，觀測場地遭受環(huán)境干擾影響更加嚴(yán)重，地表觀測系統(tǒng)已無法正常運行，因此對地表觀測裝置進(jìn)行了改建。經(jīng)專家多次論證，嘗試采用了井下地電阻率觀測方案（趙斐等，2015）。其井下電阻率觀測裝置于2014年1月正式運行，目前使用ZD8MI多極距地電儀。觀測裝置布設(shè)NS、EW兩個觀測方向，每個裝置采用對稱四極觀測裝置，井下水平正交布設(shè)（圖1）。觀測裝置包括地表觀測裝置、井下40m水平觀測裝置、井下60m水平觀測裝置、井下80m水平觀測裝置、井下100m水平觀測裝置、垂直觀測裝置6個測道和驗證測量系統(tǒng)1個測道等，共計14個測道。其中，NS裝置供電極距AB＝450m，測量極距MN＝150m；EW裝置供電極距AB＝240m，測量極距MN＝80m。本文僅對水平觀測裝置介質(zhì)影響系數(shù)進(jìn)行分析。

2 地電阻率影響系數(shù)理論

根據(jù)地電阻率觀測影響系數(shù)的計算方法，觀測到的地電阻率變化可以表述成測區(qū)不同區(qū)域介質(zhì)電阻率變化的加權(quán)和（錢家棟等，1985），因此，可依據(jù)不同的觀測極距和不同電極埋深時各區(qū)域介質(zhì)對視電阻率的影響系數(shù)來評估井下觀測對地表干擾的抑制能力和對深部巖層電阻率變化的響應(yīng)能力。如果將地電阻率測區(qū)劃分為任意的n個區(qū)域，每一個區(qū)域介質(zhì)電阻率為ρi（i＝1，2，…，n）。在測區(qū)電性結(jié)構(gòu)與觀測裝置確定時，地電阻率ρa(bǔ)是各分區(qū)介質(zhì)電阻率的函數(shù)，ρi與ρa(bǔ)之間的關(guān)系為

圖1 平?jīng)雠_井下地電阻率觀測布極

多數(shù)情況下，各分區(qū)介質(zhì)電阻率在一定時間內(nèi)的相對變化非常小，Δρi／ρi遠(yuǎn)小于1，因此，將式（1）作Taylor級數(shù)展開，二階及高階項遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于一階項，可忽略不計。地電阻率相對變化可以簡單地表示為各分區(qū)介質(zhì)電阻率相對變化的加權(quán)和，即

式中，Bi稱之為影響系數(shù)，其表達(dá)式為

同時，影響系數(shù)Bi滿足如下關(guān)系，即

測區(qū)介質(zhì)可以按任意大小劃分，用數(shù)值計算方法討論各區(qū)域介質(zhì)對地電阻率觀測的三維影響系數(shù)。這里主要討論各層介質(zhì)整體對觀測的影響，因而按照n層水平層狀結(jié)構(gòu)將測區(qū)劃分為水平層狀的n塊區(qū)域，采用解析表達(dá)式和二級裝置濾波器算法計算對稱四極裝置的視電阻率和相應(yīng)的影響系數(shù)。

3 平?jīng)雠_井下地電阻率觀測影響系數(shù)分析

3.1 觀測資料

平?jīng)雠_井下水平觀測NS測道2014～2016年日均值資料如圖2所示。隨著春季降雨量開始增加，地表介質(zhì)含水率增加，井下地電阻率觀測值下降；進(jìn)入秋冬季節(jié)后降雨量減小，地表介質(zhì)電阻率上升，井下地電阻率觀測值上升，表現(xiàn)出明顯的“夏高冬低”的年變形態(tài)。年變幅度統(tǒng)計如表1所示，年變幅度依次為：井下40m＞井下60m＞井下80m＞井下100m。由此可見，電極埋深越深，年變幅度變化越小。但整體而言，4個測道年變幅度均變化較小。另一方面，圖2還顯示出4個不同深度的測道地電阻率變化形態(tài)較吻合，且同步。

圖2 平?jīng)雠_井下水平觀測NS測道地電阻率觀測曲線

3.2 影響系數(shù)分析

平?jīng)雠_電測深曲線如圖3（a）所示，大致可視為KH型，反演的電性結(jié)構(gòu)如表2所示。依據(jù)該電測深曲線在水平層狀均勻模型下反演的電性結(jié)構(gòu)如圖3（a）所示，第2層為厚度25m的高阻層，底層介質(zhì)電阻率值也較高。各層介質(zhì)影響系數(shù)隨深度變化曲線如圖 3（b）所示，當(dāng)H＝0時，第 2、3層介質(zhì)影響系數(shù)較大，說明此時視電阻率的變化主要反映中間兩層介質(zhì)電阻率的變化，第1層介質(zhì)影響系數(shù)為負(fù)數(shù)（圖3（b）中虛線部分）。由地表至第 1、2層分界面（H＝34m）過程中，第1層介質(zhì)影響系數(shù)迅速減小，H在第2層介質(zhì)增加時，第1層介質(zhì)影響系數(shù)則增加；當(dāng)電極埋深H＝100m時，第1、2層介質(zhì)影響系數(shù)較小，約為0.01，此時，視電阻率觀測值主要體現(xiàn)第3層介質(zhì)電阻率的變化，其次是第4層。當(dāng)電極埋深繼續(xù)增加時，第1、2、3層介質(zhì)影響系數(shù)迅速減少，趨近于零，第4層影響系數(shù)趨近于1，占據(jù)主導(dǎo)地位。

表1 平?jīng)雠_井下水平觀測NS測道地電阻率年變幅度統(tǒng)計

圖3 平?jīng)雠_影響系數(shù)分析

圖3（c）是地表H＝0時各層介質(zhì)影響系數(shù)隨觀測極距的變化，當(dāng)AB／2較小時，第1層介質(zhì)影響系數(shù)最大，說明此時視電阻率的變化主要反映了表層介質(zhì)電阻率的變化，當(dāng)極距AB／2超過120m后，第1層介質(zhì)影響系數(shù)出現(xiàn)負(fù)值（圖3（c）中虛線部分）。隨著 AB／2逐漸增大，第2、3層影響系數(shù)先增加，后減小，第4層影響系數(shù)則是逐漸增加。

表2 平?jīng)雠_電測深曲線反演的電性結(jié)構(gòu)

圖3（d）是埋深H＝100m時各層介質(zhì)影響系數(shù)隨觀測極距的變化，電極位于第3層。當(dāng)AB／2較小時，視電阻率主要反映第3層介質(zhì)電阻率的變化，隨著觀測極距的增加，第3層介質(zhì)影響系數(shù)逐漸減小，第4層介質(zhì)影響系數(shù)增加，第1層與第2層則是先增加后減小。

平?jīng)雠_井下地電阻率觀測（AB＝450m，MN＝150m）各層影響系數(shù)統(tǒng)計表如表 3所示，B1、B2、B3、B4分別代表水平層狀影響系數(shù)的第1～4層。整體而言，平?jīng)雠_井下觀測的年變化幅度均較小，地表觀測時第1層介質(zhì)影響系數(shù)絕對值要大于井下觀測時的影響系數(shù)，使得地表觀測的年變幅度要大于井下觀測的年變幅度。井下觀測第1、2層影響系數(shù)小于地表觀測的影響系數(shù)，說明井下觀測對淺層介質(zhì)電阻率的變化干擾具有抑制作用。平?jīng)雠_井下觀測第3、4層介質(zhì)影響系數(shù)均大于地表觀測，說明如果孕震作用引起第3、4層介質(zhì)電阻率的變化，那么平?jīng)雠_現(xiàn)有的井下觀測映震能力要優(yōu)于地表觀測。總之，平?jīng)雠_井下觀測受淺層干擾影響較小，便于資料分析和異常認(rèn)定，井下觀測效果要好于之前的地表觀測。

表3 平?jīng)雠_影響系數(shù)統(tǒng)計（AB＝450m，MN＝150m）

4 對平?jīng)雠_井下觀測裝置設(shè)計的討論

井下觀測的目的在于抑制地表干擾和突出由孕震引起的深部巖層介質(zhì)電阻率變化。本文采用水平層狀介質(zhì)模型討論了平?jīng)雠_各層介質(zhì)的影響系數(shù)，分析結(jié)果表明：在不同電性結(jié)構(gòu)中實施井下觀測，發(fā)現(xiàn)各層介質(zhì)影響系數(shù)隨電極埋深和極距的不同表現(xiàn)出復(fù)雜的變化。觀測極距固定時，影響系數(shù)并非都隨著電極埋深的增加而呈現(xiàn)出單調(diào)的變化：在某些深度范圍內(nèi)對地表干擾具有放大作用，但只要觀測深度足夠深，就可以抑制地表干擾，突出深部信息。這與解滔等（2012）所得出的結(jié)論一致。電極埋深固定時，影響系數(shù)隨觀測極距的變化也比較復(fù)雜；小極距觀測時，電極所在層位的電阻率值變化較大，即電極所在層位的影響系數(shù)最大；隨著極距的增加，地下介質(zhì)深部信息的反映能力隨之增加。

圖4是采用圖3（a）所示電性結(jié)構(gòu)計算的平?jīng)雠_各層介質(zhì)影響系數(shù)隨觀測極距AB和電極埋深H的變化。當(dāng)極距AB／2＝150m，埋深H為0～50m時，第1層介質(zhì)影響系數(shù)變化梯度較大；當(dāng)極距AB／2＞150m，埋深H＞50m時，影響系數(shù)變化平穩(wěn)且數(shù)值很小。第2層介質(zhì)在小極距淺層觀測時，影響系數(shù)為0.4左右，其他情況影響系數(shù)都較小，在0.1～0.2之間。在圖4所示的觀測極距范圍內(nèi)，當(dāng)電極埋深為170m時，第3層介質(zhì)影響系數(shù)占主導(dǎo)地位，數(shù)值在0.6～0.9之間；當(dāng)電極埋深＞170m后，第4層影響系數(shù)逐漸增加并占據(jù)主導(dǎo)地位。

目前，平?jīng)雠_井下觀測系統(tǒng)中，第3層介質(zhì)電阻率的變化對觀測整體的影響最大。一般認(rèn)為孕震應(yīng)力主要引起深部介質(zhì)電阻率發(fā)生變化，觀測裝置應(yīng)兼顧反映深部介質(zhì)的變化。因此，在觀測極距AB一定的情況下，電極埋得越深越好?？紤]到目前的井下觀測技術(shù)，平?jīng)雠_觀測裝置兼顧第3層和第4層介質(zhì)電阻率的變化且適當(dāng)?shù)募哟髽O距較為適宜。從圖4中可以看出，觀測極距AB／2取200～250m，電極埋深H取170～200m時，就可滿足要求。

圖4 平?jīng)雠_各層介質(zhì)影響系數(shù)隨觀測極距及深度的變化

5 結(jié)論

本文通過平?jīng)雠_電測深曲線反演的電性結(jié)構(gòu)，分析了在4層水平層狀介質(zhì)模型下，該臺井下觀測各層的介質(zhì)影響系數(shù)，并討論了如何利用影響系數(shù)隨電極埋深和觀測極距的變化而變化來選擇合適的觀測極距和電極埋深。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著觀測深度的增加，各層影響系數(shù)并非單調(diào)變化，在相同的觀測極距下，電極埋深在一定深度范圍內(nèi)時對地表介質(zhì)季節(jié)性干擾具有放大作用；但當(dāng)電極埋深足夠深后，能夠有效抑制地表淺層干擾，突出深部介質(zhì)電阻率的變化信息。對于其他將要進(jìn)行井下地電阻率改造的臺站，需要根據(jù)自己臺站實際的電性結(jié)構(gòu)計算不同電極埋深及供電極距下的介質(zhì)影響系數(shù)，在保證有效抑制地表干擾和獲取深部信息的基礎(chǔ)上，找到最佳觀測極距及電極埋深。