晉冀蒙交界及附近地區(qū)小極距井下地電阻率觀測裝置設計

肖武軍 解滔 張堯

中國地震臺網(wǎng)中心，北京 100045

0 引言

我國自1966年邢臺MS7.2地震后開始了規(guī)?；鸵?guī)范化的定點臺站地電阻率(也稱視電阻率)連續(xù)觀測，在50多年的觀測實踐過程中，記錄到了發(fā)生在臺網(wǎng)內(nèi)或附近多次大地震前突出的中短期異常(錢復業(yè)等，1982；錢家棟等，1985、2013；趙玉林等，2001；汪志亮等，2002；Du，2011；解滔等，2018)。與地震有關的異常通常表現(xiàn)為年尺度的持續(xù)性下降或上升變化，大地震近震中區(qū)以下降型異常為主(Du，2011)，不同方向異常呈現(xiàn)出與地震主壓應力軸方位有關的各向異性變化(趙玉林等，1995；錢復業(yè)等，1996；杜學彬等，2007)，震中區(qū)及鄰近的臺站能夠完整地呈現(xiàn)震前“中期下降—短期加速下降—準同震階躍—震后恢復”的異常變化過程。異常映震空間范圍可達300km，但150km范圍內(nèi)更為集中(杜學彬等，2000)，在臺網(wǎng)相對較密的區(qū)域能觀測到由震中向外圍異常起始時間的延遲和異常幅度的衰減現(xiàn)象(錢復業(yè)等，1982；趙玉林等，2001)。

地電阻率能在震情保障工作中發(fā)揮作用，離不開高質(zhì)量的觀測數(shù)據(jù)和足夠空間密度的臺網(wǎng)布局。近年來隨著城鎮(zhèn)化建設的推進，地電測區(qū)環(huán)境干擾影響日趨嚴重，造成觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量下降，部分臺站面臨停測或搬遷。目前，臺網(wǎng)稀疏且分布不均勻和觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量下降已經(jīng)成為地電阻率方法在地震監(jiān)測預測中面臨的瓶頸。長期以來，固定臺站的地電阻率觀測是采用地表大極距、多方位的觀測裝置，供電極距AB多為1000m左右，布極區(qū)占地面積大。目前，隨著城市化進程和生命線工程建設，勘選符合場地條件的觀測場地比較困難，尤其是在地震多發(fā)且以山地為主要地形地貌特征的地區(qū)，同時布極區(qū)范圍大，引入環(huán)境干擾的幾率高，觀測環(huán)境保護難度較大。如果在能夠有效記錄到地震異常的前提下減小布極區(qū)范圍，則上述瓶頸問題可得到解決。為抑制來自地表的干擾，我國地電工作者自20世紀80年代開始陸續(xù)開展了井下地電阻率實驗研究(王幫本等，1981；蘇鸞聲等，1982；劉允秀等，1985；劉昌謀等，1994)；2008年來，為應對地表大極距觀測受到的觀測環(huán)境影響，全國地電臺網(wǎng)技術管理部門和地電學科專家推進了井下地電阻率觀測實驗，目前已在全國建成了14個井下臺站，同時部分臺站正在改造為井下觀測裝置。實驗結果表明，井下觀測能有效弱化或抑制地表雜散電流和電性異常體類(如金屬管線、溝渠開挖、基本建設等)干擾對觀測的影響，在幾次中強地震前也記錄到了異常變化(康云生等，2013；高曙德，2016)。

2022年冬季奧運會將在北京及河北張家口舉辦，及時準確把握舉辦區(qū)域及周邊地區(qū)的震情是冬奧會震情保障工作的重點。晉冀蒙交界區(qū)域是近幾十年來地震活動較為頻繁的區(qū)域，有記錄以來該區(qū)域共發(fā)生8次6級以上地震，其中7級地震1次，最近一次強震為1998年張北6.2級地震。該區(qū)域及附近地電阻率觀測臺網(wǎng)在1976年唐山MS7.8、1989年大同-陽高MS6.1震群和1998年張北MS6.2等地震前都記錄到了清晰的中短期異常(汪志亮等，1990；高立新等，1999；王志賢等，1999)，表明在這些臺站所在的觀測場地觀測地電阻率能對該區(qū)及周邊的強震實施有效的監(jiān)測預測。該區(qū)域地表地電阻率觀測臺站目前也受到了不同程度的干擾，另外，目前較大極距(最大約450m)、井深多為100m左右的井下地電阻率觀測并不能完全抑制上述2類地表干擾。為此，“冬奧會保障晉冀蒙監(jiān)測能力提升項目”將對晉冀蒙交界及附近的寶昌、集寧(新增臺站)、陽原、大同、代縣、臨汾、通州和平谷8個臺站進行升級改造，在原測區(qū)內(nèi)增加井下小極距地電阻率觀測，以期提升地電阻率觀測對該區(qū)域的震情監(jiān)測能力，并實驗小極距井下地電阻率觀測對地震的監(jiān)測預測能力。本文介紹了根據(jù)上述臺站的臺址電測深資料和鉆孔剖面設計的井下小極距地電阻率觀測裝置及其依據(jù)。

1 設計方法

地表淺層電性異常體干擾源可以等效為淺層介質(zhì)點電阻率發(fā)生變化，其對觀測的影響可以在影響系數(shù)理論框架下進行分析(錢家棟等，1985)。對于一些地層電性結構，在相同的觀測極距下，水平測道的電極埋設在一定深度范圍內(nèi)時對地表干擾具有放大作用，因此需要結合臺站實際的電性結構計算各層介質(zhì)對觀測的影響系數(shù)分布，選擇合適的裝置極距和埋深以保證對地表干擾進行有效的抑制(毛先進等，2014；解滔等，2016)。

如果將地電阻率測區(qū)劃分為任意的N塊區(qū)域，每一塊區(qū)域介質(zhì)電阻率為ρi(i=1，2，…，N)，在測區(qū)電性結構確定、觀測裝置和極距以及布極位置確定時，地電阻率ρa是各分區(qū)介質(zhì)電阻率的函數(shù)(錢家棟等，1985、1998；Park et al，1991；Lu et al，2004)。

在多數(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<<1。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和

(1)

式中，Bi為第i層介質(zhì)對觀測的影響系數(shù)，其表達式為

(2)

影響系數(shù)Bi滿足如下關系(Seigel，1959；Roy et al，1981；Wait，1981)

(3)

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層水平層狀結構將測區(qū)劃分為水平層狀的N塊區(qū)域，采用井下觀測電位分布的解析表達式(聶永安等，2009、2010)和二極裝置濾波器算法計算對稱四極裝置下各層介質(zhì)的影響系數(shù)(O’Neill et al，1984；姚文斌，1989)隨極距和埋深的分布，然后選擇合適的極距和埋深，使表層介質(zhì)的影響系數(shù)盡可能小，目標層位介質(zhì)的影響系數(shù)盡可能大。

2 觀測裝置設計

2.1 觀測裝置設計思路

地電阻率是探測范圍內(nèi)介質(zhì)電阻率的綜合反映，觀測極距越大，水平方向和深度方向的探測范圍也越大。在裝置埋深一定時，隨著極距的增加，對深部信息的反映能力增加，但各層影響系數(shù)與地表觀測時也將逐漸趨于相近，井下觀測的作用越來越小。理想情況下，在觀測極距一定時，只要電極埋設足夠深，總是可以抑制地表干擾、突出深部信息。但受制于施工技術條件、投資規(guī)模和難以獲得較大占地面積的觀測場地，此次“冬奧會保障晉冀蒙監(jiān)測能力提升項目”將采用供電極距為100m左右的小極距觀測方式，且在水平測道各電極的埋深大于極距的條件下，開展具有地下全空間電流分布的小極距井下地電阻率實驗觀測。

圖 1 小極距井下地電阻率觀測布極示意圖

圖 2 計劃增加小極距井下觀測的8個臺站空間分布黑色三角為原有臺站；紅色三角為計劃增加臺站

地電阻率異常的各向異性變化與地震主壓應力方向有關，在分析各向異性時，通常將測區(qū)介質(zhì)簡化為均勻各向異性介質(zhì)，且2個電性主軸沿水平方向，另一個主軸沿垂直方向(錢復業(yè)等，1996；杜學彬等，2007)，共計4個獨立分量(即3個主軸電阻率和水平主軸方位)。因此，每個臺站布設3個方向的水平測道和1個垂直方向測道。由于采用小極距的觀測方式，探測范圍內(nèi)介質(zhì)可近似視為均勻各向異性介質(zhì)，依據(jù)4個測道觀測值，可以計算出3個方向電性主軸電阻率和水平主軸的方位角，從而可以進一步分析地震前主軸真實電阻率和主軸方位的變化。由于觀測極距大幅減小，地電阻率深度方向探測范圍也減小，為使水平觀測的3個測道反映相同深度范圍的介質(zhì)電阻率變化，應使3個測道具有相同的極距。為進一步節(jié)約經(jīng)費，3個水平測道采用等邊三角形布極，每個供電電極為2個測道共用，以這樣的布極方式，每個臺站可減少3口井的建設費用。雖然等邊三角形布極方式與目前臺站兩個垂直測道和一斜測道的方式存在差異，但這并不影響依據(jù)地電阻率觀測值進行各向異性分析。垂直測道在垂直方向?qū)ΨQ于水平測道，并增加地表水位和氣象三要素觀測(圖1)。此次將對晉冀蒙交界及附近區(qū)域的寶昌、集寧、陽原、大同、代縣、臨汾、通州和平谷8個臺站增加小極距井下地電阻率觀測(延慶臺已經(jīng)完成小極距井下觀測建設)，臺站分布如圖2 所示。下面以寶昌臺為例，給出臺站觀測方案的設計過程。

2.2 寶昌臺觀測裝置設計

寶昌臺(又稱太仆寺旗臺)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)錫林郭勒盟寶昌鎮(zhèn)，臺站所在區(qū)域為內(nèi)蒙地軸東段，四級構造單元，屬陰山臺拱的化德穹褶斷束，地貌以低山丘陵地帶為主，康保至赤峰深斷裂帶、張北-沽源大斷裂帶通過寶昌境內(nèi)，有多處中生代斷陷盆地，主要構造線為北東走向。臺站鉆孔巖芯柱狀剖面顯示，測區(qū)地下介質(zhì)主要由明顯的3層物質(zhì)組成，表層介質(zhì)厚度為8.5m，下伏基巖為石英斑巖，深度約為71.5m(圖3(a))。據(jù)電測深資料，測區(qū)為H型電性剖面(圖3(a))，電性3層結構與鉆孔資料分層結構一致。結合電測深數(shù)據(jù)和鉆孔資料，將測區(qū)地下介質(zhì)簡化為3層模型，電性結構如圖3(a)所示。

圖 3 寶昌臺鉆孔巖芯剖面(a)和電測深曲線(b)

圖 4 寶昌臺地表觀測影響系數(shù)分布

寶昌臺現(xiàn)有地表觀測布設NS和EW兩測道，供電極距AB均為580m，測量極距MN均為80m。地表觀測時各層介質(zhì)影響系數(shù)如圖4 所示，在AB=580m時，第1、2和3層介質(zhì)影響系數(shù)值分別為0.0508、0.7359和0.2133，說明在各層介質(zhì)電阻率發(fā)生相同幅度的相對變化時，第2層介質(zhì)對觀測值相對變化的貢獻程度最大，其次是第3層。因此，第2層和第3層介質(zhì)是目前地表觀測的主要貢獻層位。寶昌臺在1989年大同-陽高MS6.1地震、1998年張北MS6.2地震、1999年大同MS5.6地震和張北MS5.7地震前均出現(xiàn)異常(汪志亮等，1990；高立新等，1999；王志賢等，1999)，但僅從影響系數(shù)分布上還不足以推測出異常的主要貢獻層位。通常認為，相對較深的地層更為密實，更易傳遞應力并產(chǎn)生電阻率變化，因而此次的井下觀測將以第3層的基巖作為主要目標探測層位。

寶昌臺井下觀測時各層介質(zhì)影響系數(shù)隨深度和極距的變化如圖5 所示，在埋深H=80m左右，極距AB=60m附近時第3層介質(zhì)影響系數(shù)已占主導地位，第1層影響系數(shù)降低至較低水平。通過對比分析觀測極距AB=60m時各層介質(zhì)隨深度變化的影響系數(shù)(圖6)和原地表觀測的影響系數(shù)(圖4)，原地表觀測主要反映第2層介質(zhì)電阻率變化，其次是第3層基巖變化情況。在埋深H>80m之后，井下觀測主要反映第3層基巖變化情況，更能反映出區(qū)域構造應力對測區(qū)介質(zhì)的影響。因此，寶昌臺井下地電阻率觀測3個水平測道極距AB取60m，測量極距MN取20m，電極埋深取80m；由于垂直測道可能存在因觀測井回填導致整個井呈現(xiàn)低阻特征的風險，垂直觀測井距離最近水平觀測井距離>AB/2，設計時取該距離為50m。垂直觀測極距和測量極距同樣分別取60m和20m，在垂直方向相對于水平測道呈對稱分布，井深為110m，最上端電極埋深為50m。所有地電阻率觀測井在電極下井時采用尼龍繩或電纜自帶的纖維繩固定電極，避免導線電纜承受電極重量，且觀測井不采用任何套管。出于相同的原因，地表潛水位觀測井距最近地電阻率觀測井距離>AB/2。

圖 5 寶昌臺井下觀測影響系數(shù)隨埋深和極距的分布

圖 6 寶昌臺井下觀測影響系數(shù)隨深度變化

圖 7 寶昌臺井下觀測理論地電阻率隨深度變化

表1晉冀蒙交界及附近地區(qū)井下地電阻率觀測設計方案

臺站AB/mMN/m水平測道埋深/m水平測道數(shù)量垂直測道深度/m垂直測道數(shù)量D1/mD2/m氣象三要素寶昌臺60208031101≥50≥50√集寧臺80209031301≥50≥50√陽原臺802010031401≥50≥50√大同臺802010031401≥50≥50√代縣臺802011031501≥50≥50√臨汾臺802011031501≥50≥50√通州臺802010031401≥50≥50√平谷臺903011031551≥50≥50√

注：D1表示垂直測道離最近水平觀測井的距離；D2表示水位觀測井離最近地電阻率觀測井的距離；垂直測道深度以最下面電極埋深表示。

在供電極距AB=60m，測量極距MN=20m時，水平測道地電阻率理論計算值隨裝置深度變化如圖7 所示，在埋深為80m時，地電阻率理論計算值約為284Ω·m。

2.3 總體觀測裝置設計

采用相同的設計思路和方法，結合臺站電測深數(shù)據(jù)和鉆孔巖芯剖面反演臺站層狀電性結構，計算各層介質(zhì)影響系數(shù)隨深度和極距的變化，選擇合適的極距和裝置埋深，最終寶昌、集寧、陽原、大同、代縣、臨汾、通州和平谷8個臺站井下地電阻率觀測的設計方案如表1 所示。

3 討論

與地震孕育過程有關的地電阻率異常變化主要反映構造應力作用地下介質(zhì)孔隙大小和孔隙之間連通性改變引起的介質(zhì)電阻率變化，這已經(jīng)得到實驗研究和許多震例的支持(Mjachkin et al，1975)。實驗室內(nèi)含水巖石標本實驗結果顯示，主壓應力加載過程中地電阻率呈現(xiàn)下降變化，多數(shù)巖石臨近破裂時加速下降，破裂后恢復上升(張金鑄等，1983)，與主壓應力垂直的方向變化幅度最大，平行方向最小，斜交方向介于二者之間，表現(xiàn)出與應力方向有關的各向異性變化(陳大元等，1983)，野外原地實驗結果給出的地電阻率變化以及各向異性變化與實驗室結果一致(趙玉林等，1983)。1976年唐山MS7.8地震之前，震中150km范圍內(nèi)的14個地電阻率臺站中，有9個臺站出現(xiàn)了年尺度的趨勢下降異常，1個臺站出現(xiàn)上升異常，且由震中向外圍方向異常起始時間出現(xiàn)延遲，異常幅度出現(xiàn)衰減，揭示出孕震晚期亞失穩(wěn)階段應變加速積累并由震中向外擴散的現(xiàn)象，且震中附近的昌黎和馬家溝兩個臺站在臨震階段記錄到了加速下降變化(趙玉林等，1978)。唐山地震震源機制解為走滑型，出現(xiàn)下降異常的臺站位于壓縮區(qū)，出現(xiàn)上升異常的臺站位于拉張區(qū)，而未出現(xiàn)明顯異常的臺站位于震源機制解的界線附近(錢復業(yè)等，1982)。由此可見，需要具有足夠密度分布的觀測臺網(wǎng)和高質(zhì)量的觀測數(shù)據(jù)，才能更好地分析地電阻率異常及其預測意義。一方面，多個臺站出現(xiàn)異常時可以相互印證；另一方面，只有通過分析不同臺站異常的出現(xiàn)時間、幅度、形態(tài)和空間范圍，并結合各向異性分析，才能更好地對未來地震發(fā)生的地點、震級和時間做出判斷。

目前，除正在開展井下實驗觀測的少數(shù)臺站外，我國地電阻率臺站均采用地表大極距的觀測方式。隨著地方經(jīng)濟建設的快速推進，多數(shù)臺站已經(jīng)受到較大程度的干擾，造成觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量下降。大極距觀測方式需要較大范圍的觀測場地，新增臺站場地勘選和獲取困難，尤其是在大震多發(fā)且以山地為主要地貌特征的南北地震帶，這也導致了地電阻率臺網(wǎng)稀疏和臺站分布不均勻的現(xiàn)狀。由于布極區(qū)較大，測區(qū)內(nèi)工農(nóng)業(yè)設施建設不可避免，環(huán)境保護難度較大，觀測也難以避免受到干擾。地震預測的目的是服務于保障人民生命財產(chǎn)安全和國民經(jīng)濟建設，不能因為對觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量的要求而阻礙測區(qū)附近的經(jīng)濟建設。因此，地表大極距的觀測方式已經(jīng)難以為繼。目前地電阻率已有的可靠震例是在地表大極距觀測方式下記錄到的，其深度方向探測范圍與極距相當(趙和云等，1982；杜學彬等，2008)。井下地電阻率觀測對地表干擾的抑制能力已經(jīng)得到臺站實驗觀測和理論分析的證實(解滔等，2012；康云生等，2013；張磊等，2015；王蘭煒等，2015)，但對于極距較小的井下觀測，能否有效記錄到與地震孕育有關的異常，目前還無法得到明確結論。錢家棟等(2018)通過對汶川地震前成都臺NE測道異常的數(shù)值模擬分析認為，要合理解釋地表觀測約7%的下降異常變化，需要具有幅度為20%的電阻率變化區(qū)域的上界面上升至距地表122m左右。此次晉冀蒙交界及附近地區(qū)8個臺站井下觀測設計方案的極距在80m左右，埋深在100m左右，其深度方向探測范圍可至180m左右。此外，延慶臺已完成井下觀測的建設，水平測道埋深150m，供電極距為120m?？傮w而言，此次“冬奧會保障晉冀蒙監(jiān)測能力提升項目”中采用小極距井下觀測具有實驗研究性質(zhì)，驗證開展小極距井下地電阻率觀測的可行性，希望為地電阻率目前面臨的困境提供一種可能的解決辦法。同時，測區(qū)原有的地表大極距觀測也將保留，以開展對比分析。

4 結論

“冬奧會保障晉冀蒙監(jiān)測能力提升項目”將對晉冀蒙交界及附近區(qū)域的寶昌、集寧、陽原、大同、代縣、臨汾、通州和平谷8個臺站在原有觀測基礎上增加小極距井下地電阻率觀測，以提升地電阻率測項對該區(qū)域的震情監(jiān)測能力。結合臺站鉆孔巖芯資料和電測深數(shù)據(jù)，采用井下地電阻率影響系數(shù)方法，給出了每個臺站的觀測極距和裝置埋深，并完成了觀測裝置設計。根據(jù)井下電阻率影響系數(shù)理論分析，設計的電極埋深、極距等觀測裝置參數(shù)，可以減少淺層介質(zhì)對地電阻率觀測的影響，目標層對地電阻率觀測影響越大，更能反映出區(qū)域構造應力對測區(qū)介質(zhì)的影響。目前，該項目和相應的觀測技術方案已通過相關部門審批，將于2019年正式啟動實施。

致謝：感謝“冬奧會保障”項目提議者劉桂萍研究員對項目申報及本文的大力支持，項目專家組在方案設計與論證中也提出諸多寶貴意見，項目實施組提供了各臺站的相關基礎資料，在此一并表示感謝。