平涼臺地表與井下地電阻率觀測數(shù)據(jù)分析研究

田 野，牛延平，趙 斐，周衛(wèi)東

(1.甘肅省地震局，甘肅 蘭州 730000； 2.甘肅省地震局平涼中心地震臺，甘肅 平涼 744000)

地電阻率觀測被認為是一種重要的地震預報觀測方法，我國于20世紀中后期開展地電阻率觀測，并進行了一系列與地震前兆有關的地電阻率異常研究，至今已歷時50多年(聶永安等，2010)。多年的觀測結果表明，在強震發(fā)生前，震源附近地區(qū)所記錄到的視電阻率數(shù)值會有一定的變化(張國民等，2001；肖武軍等，2009)，這些與地震活動有關的地電阻率數(shù)據(jù)為中短期地震預測提供了一定的判斷依據(jù)和前兆信息。常規(guī)地電阻率觀測易受外界干擾。一方面，由于觀測在地表進行，容易受氣溫、降雨、凍融等自然環(huán)境變化的影響，也會被灌溉、電磁場、金屬管線等人為因素所干擾，從而使視電阻率觀測值表現(xiàn)出與地震活動無關的變化(解滔等，2012)。另一方面，常規(guī)地電阻率觀測系統(tǒng)采用大極距的供電方式，所需的布極區(qū)較大，與當?shù)亟洕l(fā)展和城市擴張產生沖突，導致越來越多的觀測場地遭到破壞(田山等，2009)。用井下地電阻率觀測代替?zhèn)鹘y(tǒng)的觀測方式可以盡可能地避開各種外部環(huán)境的不良影響，從而有效降低各類干擾。井下地電阻率觀測也采用對稱四極法(錢家棟，2010)，電極都被放置到地下幾十米或更深處的深井中，按一定的極距布設(劉君等，2015)。其優(yōu)勢在于：電極遠離地表，受地面環(huán)境及干擾源的影響減弱，視電阻率響應的靈敏性提高；極距的減小降低了觀測系統(tǒng)受到的遠場干擾影響，信噪比增加，觀測精度提高(王蘭煒等，2015)；井下觀測系統(tǒng)對場地的限制條件較少，使更多的臺站都能滿足觀測條件去開展地電阻率觀測，提高觀測點的密度。

1 平涼井下地電阻率觀測系統(tǒng)概況

平涼地震臺井下地電阻率觀測系統(tǒng)共設有7個井孔，同時進行著地電阻率淺層地表和不同深度的井下觀測(包含水平觀測和垂直觀測)，自2013年運行至今。水平觀測的電極布設由淺至深分別為：地表、40 m、60 m、80 m和100 m，南北向供電極距為450 m、測量極距為150 m；東西向供電極距為240 m，測量極距為80 m。垂直觀測在1、2、3、4號井中進行，其中1、2、3 號井的供電極距60 m，測量極距20 m；4號井設有三個垂直測道：第一、二個測道的供電極距均為60 m，測量極距20 m；第三個測道的供電極距120 m，測量極距40 m。電極為自研發(fā)的筒狀鉛板電極，外線路鋪設是地埋方式(楊興悅等，2012；康云生等，2013)。觀測系統(tǒng)井孔和電極的布局如圖1所示，其中測向、測道與電極的對應關系見表1。

2 平涼井下地電阻率地表與井下觀測數(shù)據(jù)對比

2.1 觀測數(shù)據(jù)質量評價

選用平涼臺2014年1月至2017年1月間的井下地電阻率觀測數(shù)據(jù)，將地表與井下各測道的相對均方根誤差的平均值進行對比，結果見表2和表3。

圖1 平涼井下地電阻率井孔布局示意

表1 測向、測道以及電極序號對應

表2 平涼臺地電阻率水平測向年平均方差(年相對均方根誤差)統(tǒng)計

表3 平涼臺地電阻率垂直測向年平均方差(年相對均方根誤差)統(tǒng)計

表2為地表與井下各水平測向的年平均方差。可以看出各測道每年的相對均方根誤差都不大。井下NS、EW測道的相對均方差明顯小于地表測道，這說明井下觀測的精度要高于地表，且地表觀測的干擾較大。每個測道的相對均方差在三年間的變化很小，表現(xiàn)較平穩(wěn)。井下觀測表現(xiàn)出一定的優(yōu)勢，和平涼臺觀測系統(tǒng)建設過程的細節(jié)有關：一是使用圓筒狀電極，既便于井下電極的埋設，又保證了電極與介質的充分接觸；二是電極與電纜的接頭嚴格密閉，防止接頭遭水浸；三是采用“避開干擾時段觀測法”，選取一天中干擾相對較少時段進行測量。表3為井下垂直測向的年平均方差。除2014年度垂直向3測道以外，其余各年幾個垂直測道的年相對均方差都很小。分析發(fā)現(xiàn)，觀測數(shù)據(jù)顯示該測道在2014年2月20日至3月4日之間測值突然升高，隨后又恢復常態(tài)，導致垂向3的年平均方差偏高，原因不明。從數(shù)據(jù)質量來看，地電阻率井下觀測比地表觀測好，前提是在井下觀測系統(tǒng)建設時注意細節(jié)處理，如井孔質量、電極的接觸面積、接頭的防水處理等。

2.2 水平測量觀測數(shù)據(jù)相對變化

將地表與井下在同時段的視電阻率變化情況進行對比，可更直觀地看出地電阻率的地表與井下觀測之間的差異。平涼地電阻率井下觀測系統(tǒng)于2017年9月由于主機故障，臨時停測。因此本文選取2014年1月至2017年8月的觀測數(shù)據(jù)，以視電阻率的年變幅度R作為分析該臺的年變情況的依據(jù)。數(shù)據(jù)相對變化R是指各個觀測數(shù)據(jù)減去初值后與初值的比值，該值反映了觀測數(shù)據(jù)相對于初始觀測值的相對變化量。其計算公式如下：

(1)

式(1)中：xi表示觀測值;x0表示初值。表4按年度列出了各測道的年最大相對變化幅度Rmax，即年變幅度。容易看出，地表觀測的年變幅度超出了地電阻率規(guī)范中要求的3%(中國地震局，2001)，且遠大于井下觀測的變幅；而井下各測道的年變幅度均小于3%，說明井下觀測優(yōu)于地表觀測。地表與井下測道的年變幅度均呈現(xiàn)逐年增漲的趨勢，其中地表的增幅最大，說明地表觀測受溫度、濕度、磁場等變化的影響最大。每個測道的EW向較之NS向的年變漲幅稍大，這可能與EW測向的極距比NS測向的極距小有關。

表4 水平測向的觀測數(shù)據(jù)的最大相對變化幅度統(tǒng)計

繪制各測道的相對變化量R的曲線，如圖2所示。曲線圖表明：①地表EW測道的相對變化整體呈明顯的上升趨勢，相對變幅達到近30%。視電阻率出現(xiàn)的這種大幅度的變化，不太可能是地下介質電性結構變化的表現(xiàn)，而應該考慮觀測場地、環(huán)境或者觀測裝置等因素(王蘭煒等，2011)。②EW與NS測道的年變化形態(tài)相似，地表與井下各測道都一致地呈現(xiàn)冬低夏高的基本變化趨勢。③井下各測道的年變幅度均小于技術規(guī)范要求的3%，可見井下觀測比地表觀測有著明顯的抗干擾的優(yōu)勢。圖2(a)顯示地表觀測波有明顯的規(guī)律性的年變形態(tài)，而由圖2(b)-(g)可以看出，井下測道相對地表觀測，其數(shù)據(jù)變化較平穩(wěn)，各測道都一致地呈現(xiàn)冬低夏高的基本變化形態(tài)(張磊等，2015)。以上因素表明該臺井下地電阻率觀測可以大大減小觀測場地受降雨、氣候、季節(jié)等環(huán)境因素的影響。

圖2 平涼井下地電阻率水平向觀測數(shù)據(jù)相對變化

表5 井下垂直測道的觀測數(shù)據(jù)的最大相對變化幅度統(tǒng)計

2.3 井下垂直測量數(shù)據(jù)分析

平涼井下地電阻率垂直測道的觀測數(shù)據(jù)年變幅度

均未超過3%，見表5，這表明垂直觀測的效果不錯。其中“井孔4垂向下”的年變幅度最小，這一測道的測量、供電電極埋深都在地下100 m以下，說明電極的埋深對觀測結果有一定的影響。對比水平測道的年變幅度(見表4)，至少可以說明在觀測裝置穩(wěn)定的情況下，垂直觀測受到地表環(huán)境的干擾更小。然而，受井深限制，垂直測量的極距往往較小，而極距的減小會導致勘探體變小，從而增大了地下介質的不均勻性影響。

垂直測道的電極埋深是40～160 m(見圖1、表1)。圖3是井下各垂直測道的相對變化曲線。相同深度垂直測量的年變幅度很小且變化趨勢相似(圖3(a)-(d))。圖 3(e)則呈現(xiàn)出比其他測道更平穩(wěn)的形態(tài)，結合表5中的結果，它的年變幅度的確很小，而該測道電極埋深大于100 m，這又一次說明深埋電極可有效避免地表環(huán)境變化的影響，而且電極埋設深度可能決定其抗干擾能力。圖3(f)的年變形態(tài)也更平穩(wěn)，這可能是因為它的測量極距較大。由此可見，在井下地電阻率垂向觀測中，電極埋深和極距仍然是影響觀測數(shù)據(jù)的重要因素。

圖3 平涼井下地電阻率垂直向觀測數(shù)據(jù)相對變化

3 結論

隨著各地城市化建設的推進，地電阻率觀測場地遭到越來越多的破壞。觀測環(huán)境的日趨惡化對觀測造成嚴重干擾，導致觀測數(shù)據(jù)的分析、地下介質異常變化的識別都變得更困難。平涼臺近年來的井下地電阻率觀測結果表明，井下觀測能夠有效減少和抑制地表干擾，加上其觀測場地較小等特點，成為目前較為理想的一種地電阻率觀測方法。結合平涼臺井下地電阻率觀測數(shù)據(jù)質量、年變等信息，初步得出以下結論：(1)地電阻率井下觀測的抗干擾能力高于地表觀測。井下測道的日均值曲線平穩(wěn)，突跳點少，變化幅度也很小，來自地表的干擾對觀測結果基本沒有影響；地表觀測則表現(xiàn)出數(shù)據(jù)變化幅度大、突跳明顯、階躍頻繁等特征。(2)地電阻率井下觀測的年變優(yōu)于地表觀測。地表觀測隨季節(jié)受到溫度、降雨等因素影響，其年變幅度較大；井下觀測的年變幅度則很小，受季節(jié)影響不大。(3)井下垂直觀測穩(wěn)定。井下垂直觀測隨著電極埋設深度增加以及觀測極距加長，其年變幅度越來越小，日均值曲線更平穩(wěn)，數(shù)據(jù)突跳、階躍很少。垂直觀測的最大優(yōu)勢是觀測場地小，容易提高觀測密度。(4)性能穩(wěn)定的觀測裝置是地電阻率觀測的基本保障。平涼地電阻率井下觀測裝置獨有的電極技術，使勘探體盡可能大且在井下環(huán)境中仍然能保持良好的性能。(5)“避開干擾時段測量”的觀測方式有一定優(yōu)勢。這種分時段的觀測方式，能夠避開干擾的高峰期，對數(shù)據(jù)質量有一定的提高。(6)井下地電阻率觀測的弱點是極距小。極距的減小對觀測有一定的不良影響，例如介質的不均勻性影響變大。這一問題的解決還需在理論和技術上進行更深入的研究。