康云生，安海靜，馬可興，譚大成，2

（1．甘肅省地震局，甘肅 蘭州 730000；2．蘭州地球物理國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站，甘肅 蘭州 730000））

0 引言

應(yīng)用地電阻率（也稱“視電阻率”）法進(jìn)行地震預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)一直為研究地震中短期前兆信息的學(xué)者所關(guān)注。孫正江［1］、錢(qián)家棟［2］指出在20世紀(jì)60～80年代，前蘇聯(lián)巴爾蘇科夫、日本山崎良雄、美國(guó)馬澤拉和莫里森等發(fā)現(xiàn)了一些地震前地電阻率的異常變化現(xiàn)象。1967年趙玉林等在河北首次建立了我國(guó)的地電阻率模擬觀測(cè)臺(tái)站；1984年前后趙家騮研制了我國(guó)最早的數(shù)字化地電儀；1976年唐山發(fā)生MS7．8地震，昌黎等臺(tái)站地電阻率在此2、3年前就出現(xiàn)顯著的趨勢(shì)性下降異常現(xiàn)象［2］；2008年汶川發(fā)生MS8．0地震，錢(qián)家棟［3］、杜學(xué)彬［4］在研究臺(tái)站觀測(cè)數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)成都等臺(tái)站地電阻率同樣有類(lèi)似的變異現(xiàn)象。

2004和2006年我國(guó)地震地電阻率臺(tái)站環(huán)境技術(shù)要求［5］、建設(shè)規(guī)范［6］相繼頒布。到2012年底基本按照這些要求和規(guī)范運(yùn)行的地電阻率臺(tái)站接近70個(gè)。近年來(lái)我國(guó)城市化建設(shè)發(fā)展迅速，許多地電阻率臺(tái)站附近出現(xiàn)了電氣化鐵路、高壓輸電線路、金屬管線網(wǎng)以及大功率用電設(shè)備等，這容易在觀測(cè)場(chǎng)地形成不確定的影響［7－12］，以及工頻、流散電流的干擾［13－15］。

在電磁環(huán)境復(fù)雜的場(chǎng)地多種因素都可能造成地電阻率數(shù)據(jù)變異。為落實(shí)其原因，通常需要檢查臺(tái)站的電磁環(huán)境、觀測(cè)系統(tǒng)等，但有時(shí)這些措施并不能完全及時(shí)有效。為此近年江蘇海安、陜西合陽(yáng)等臺(tái)站先后開(kāi)展了地電阻率井下觀測(cè)，其數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性等方面有提高。但其觀測(cè)方法除電極埋設(shè)更深外，其它依然應(yīng)用地表的四極對(duì)稱方式。2011年初甘肅天水臺(tái)站開(kāi)展了地表、井下多種觀測(cè)方式的試驗(yàn)，其中包括地表、井下電極的互換觀測(cè)方式，這不同于在同一水平面開(kāi)展四極對(duì)稱觀測(cè)的常規(guī)方式，同時(shí)井下電極埋設(shè)深度達(dá)到了100m。本文介紹該試驗(yàn)的內(nèi)容和方法，并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果和數(shù)據(jù)可靠性進(jìn)行分析。

1 地表與井下多種觀測(cè)方式的原理

我國(guó)的地電阻率觀測(cè)采用四極對(duì)稱的布局方式，通常這種布局的4個(gè)電極排列在地表的一條直線上，并且四個(gè)電極對(duì)中心O點(diǎn)對(duì)稱排列，如圖1（a）所示。從地表埋設(shè)的A、B兩個(gè)電極向大地輸出穩(wěn)定的直流電流I，在M、N兩個(gè)電極上獲取供電時(shí)的電位差ΔV，則在地表觀測(cè)到的地電阻率ρs為［2］

式（1）中K是裝置系數(shù)，它取決于A、B、M、N四個(gè)電極的排列。

圖1（a）所示的四極對(duì)稱方法測(cè)量得到的地電阻率ρs，通常并不是地表淺層介質(zhì)的真正電阻率，只是探測(cè)區(qū)內(nèi)介質(zhì)電性的綜合反映，即所謂的視電阻率［2］。如果地下介質(zhì)在相當(dāng)大的范圍內(nèi)較均勻，則測(cè)量結(jié)果會(huì)非常接近地下介質(zhì)的真正電阻率［2，16－17］。

圖1 地電阻率的多種四極觀測(cè)方式Fig．1 Various quadrupole symmetry observation methods of geoelectrical resistivity．

圖1（b）所示的四極對(duì)稱方法是測(cè)量地電阻率的井下觀測(cè)方法。如果電極埋設(shè)10余米深，通?？梢苑Q為深埋觀測(cè)方式，若埋設(shè)深度達(dá)到數(shù)十米或更深時(shí)，一般可稱為井下觀測(cè)。近年來(lái)有部分臺(tái)站開(kāi)展了這種觀測(cè)。依據(jù)目前的研究進(jìn)展，這方法對(duì)地表的干擾因素有一定的抑制作用，但取決于場(chǎng)地的電性結(jié)構(gòu)、層參數(shù)等［18］。

圖1（c）所示的地電阻率測(cè)量方法是天水臺(tái)站開(kāi)展的嘗試，即地表與井下電極互換的觀測(cè)方法。其原理是地表A、B電極供電時(shí)，使用井下M、N電極測(cè)量；或由井下A、B供電，地表M、N測(cè)量。依據(jù)這一原理，或可稱其為“偶極互換”觀測(cè)方式。

2 天水臺(tái)站地表與井下多種觀測(cè)方法并用的裝置系統(tǒng)

天水地電阻率觀測(cè)場(chǎng)地位于天水甘泉物流園，在崖灣村與白石村之間的永川河Ⅰ、Ⅱ級(jí)河谷階地上。依據(jù)建臺(tái)的原始資料，第四系覆蓋層厚度約20～30m；其下是第三系粘土層，厚約450～500m；基底為古生界變質(zhì)巖。場(chǎng)地的海拔1 153m，年平均濕度約63%，年平均溫度18℃。

近年以來(lái)臺(tái)站周邊的電磁環(huán)境惡化。為探尋臺(tái)站地電阻率能繼續(xù)有效觀測(cè)的方法，2010年對(duì)臺(tái)站觀測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了改造，觀測(cè)場(chǎng)地依然保持原址。

2．1 裝置系統(tǒng)的布設(shè)

為探尋同場(chǎng)地的地電阻率多種觀測(cè)方法及數(shù)據(jù)特點(diǎn)，甘肅天水臺(tái)站在2010年的改造中采用了地表與井下多種觀測(cè)方法并用的方式。

天水地表、井下電阻率觀測(cè)系統(tǒng)由20個(gè)測(cè)道（測(cè)項(xiàng)分量）組成。圖1（a）所示的地表四極對(duì)稱方式有3個(gè)測(cè)道；圖1（b）所示的井下水平觀測(cè)也有3個(gè)測(cè)道；圖1（c）所示的地表與井下電極互換觀測(cè)使用了12個(gè)測(cè)道；垂直觀測(cè)使用1個(gè)測(cè)道；檢測(cè)使用1個(gè)測(cè)道。

圖2 天水觀測(cè)場(chǎng)地、井孔位置、地埋線路走向的布局圖Fig．2 The layout of observation site，borehole location，line alignment at Tianshui stution．

天水臺(tái)站觀測(cè)場(chǎng)地的地形地貌、周邊環(huán)境、裝置系統(tǒng)布局如圖2所示，測(cè)量?jī)x器采用多極距地電儀（ZD8MI），外線路為地埋方式。從圖2可知，天水臺(tái)站電極布設(shè)與正南北、東西方位有偏移。其地表電極埋深6m，井下電極埋深100m。NS、EW測(cè)向AB極距為300m，MN極距為100m，NW測(cè)向AB極距為390m，MN極距為130m。為與多極距儀器（ZD8MI）線路接入序號(hào)對(duì)應(yīng)（見(jiàn)表1），電極編號(hào)取1～24。地表電極編號(hào)見(jiàn)圖2所示；井下電極編號(hào)見(jiàn)圖3。

圖3 井下電極布設(shè)、編號(hào)示意圖Fig．3 Diagram of deep－well electrodes layout and numbers．

表1 天水地電阻率臺(tái)站地表、井下電極的序號(hào)表Table 1 The sequence listings of surface and deep－well electrodes at Tianshui geoelectrical resistivity station

需指出，圖3中井下編號(hào)與對(duì)應(yīng)位置的地表電極在同一井孔內(nèi)。例如，地表編號(hào)8電極與圖3中的編號(hào)18電極就在一個(gè)井孔中。

2．2 裝置系統(tǒng)的檢測(cè)原理與方法

按照地電觀測(cè)規(guī)范要求，地表、井下的導(dǎo)線絕緣性能需要具有可檢測(cè)性［6］。為此在天水地電阻率地表與井下的多種觀測(cè)方式系統(tǒng)中利用了深井的資源，在垂直方向增加了兩個(gè)輔助電極。例如在圖2中編號(hào)為8、圖3中編號(hào)為18的電極之間增加了編號(hào)為10、20的檢測(cè)電極，各電極間距為32m，這樣4個(gè)電極組成了一個(gè)垂向四極對(duì)稱系統(tǒng)。圖4為檢測(cè)電極的原理示意圖。

圖4 檢測(cè)電極的原理示意圖Fig．4 The schematic graph of detection electrodes．

2．3 觀測(cè)時(shí)間點(diǎn)的選取

在天水地電阻率地表與井下多種觀測(cè)方式的實(shí)際觀測(cè)中，考慮到了每日?qǐng)龅仉姶鸥蓴_最小的時(shí)段可能在03、04時(shí)左右，因此在這一時(shí)段進(jìn)行各測(cè)道地電阻率觀測(cè)。通常在電磁干擾相對(duì)嚴(yán)重的場(chǎng)地，每日03、04時(shí)基本可避開(kāi)人為活動(dòng)產(chǎn)生的電磁干擾和影響；同時(shí)這期間來(lái)自空間的電磁擾動(dòng)的影響也相對(duì)較低［19－20］。

3 不同觀測(cè)方式的數(shù)據(jù)變化特征

天水地電阻率地表與井下多種觀測(cè)方式系統(tǒng)實(shí)際上采用了地表水平觀測(cè)、井下水平觀測(cè)、地表與井下電極互換觀測(cè)三種方式。自2011年初開(kāi)始觀測(cè)以來(lái)三種觀測(cè)方式基本保持了各自的數(shù)據(jù)特點(diǎn)，圖5是這三種觀測(cè)方式典型的數(shù)據(jù)變化情況。

圖5 不同觀測(cè)方式典型的原始數(shù)據(jù)曲線（2011年3月27日～12月27日Fig．5 Typical raw data curves of different observation methods（March 21，2011－ December 27，2011）．

圖5上面一排分圖是三種測(cè)量方式在NS、EW、NW測(cè)向的地電阻率ρs值，下面一排分圖是其測(cè)量過(guò)程中對(duì)應(yīng)的自然電位差VSP測(cè)量值。圖5表明井下觀測(cè)的目標(biāo)測(cè)項(xiàng)——井下NS、EW、NW 向觀測(cè)結(jié)果ρs為最好；地表水平觀測(cè)的ρs、VSP的穩(wěn)定性相對(duì)最差；井下A、B供電，地表M、N測(cè)量時(shí)，ρs值較穩(wěn)定，但VSP的穩(wěn)定性與地表水平觀測(cè)接近；井下水平觀測(cè)和地表A、B供電井下M、N測(cè)量?jī)煞N方式的ρs、VSP值最接近。

同時(shí)圖5說(shuō)明在同一場(chǎng)地測(cè)量地電阻率ρs值時(shí)，采用不同測(cè)量方法，ρs值有明顯差異。這主要是采用不同的觀測(cè)方法時(shí)，一方面裝置系數(shù)K不同（表1）；另一方面測(cè)量過(guò)程中人工電位差ΔV有差異，這主要與 人 工 電 流 場(chǎng) 的 分 布 差 異 相 關(guān)［2，12，16－17］；三是電極處于不同水平面時(shí)的電磁影響環(huán)境不同。

表2 天水臺(tái)站地電阻率不同觀測(cè)方式的誤差統(tǒng)計(jì)（2011年3月27日～12月27日）Table 2 Error statistics for different observation methods of geoelectrical resistivity at Tianshui seismic station（March 21，2011－ December 27，2011）

從表2可見(jiàn)，地表水平觀測(cè)和井下A、B供電地面M、N測(cè)量這兩種方式的數(shù)據(jù)誤差相對(duì)大，而地表A、B供電井下M、N測(cè)量和井下水平觀測(cè)兩種方式的數(shù)據(jù)誤差相對(duì)小。需指出，井下A、B供電地面A、B測(cè)量和地面A、B供電井下A、B測(cè)量這兩種方式其ρs、VSP的穩(wěn)定性、誤差與表2后面三種方法比較都差。

此外，在圖5（a）中的6月底、7月初，地表水平觀測(cè)的ρs值有明顯的躍變現(xiàn)象，但井下水平觀測(cè)、地表與井下電極互換觀測(cè)均沒(méi)有出現(xiàn)這一變異現(xiàn)象。表明地表水平觀測(cè)ρs值的這次躍變可能更多來(lái)自地表的影響。

4 結(jié)論

在地電阻率多種觀測(cè)方式系統(tǒng)中，同場(chǎng)地進(jìn)行的地表水平觀測(cè)、井下水平觀測(cè)、地表與井下電極互換觀測(cè)三種方式中，前兩種是常用的對(duì)稱四極觀測(cè)方法，而地表與井下電極互換觀測(cè)實(shí)際是一種偶極觀測(cè)方式。近兩年的觀測(cè)數(shù)據(jù)表明，井下水平觀測(cè)能抑制地面電磁干擾，觀測(cè)效能最好。地表、井下電極互換觀測(cè)（或偶極互換）方法通過(guò)近兩年的有效觀測(cè)，其中地表A、B供電井下M、N測(cè)量的方法數(shù)據(jù)比較穩(wěn)定性，結(jié)果基本與井下水平觀測(cè)接近或稍好，它的原理可能有助于分析數(shù)據(jù)變異的性質(zhì)。

天水臺(tái)站的電極互換觀測(cè)（或偶極互換）方式，其觀測(cè)數(shù)據(jù)的分析應(yīng)用還需要一個(gè)探索的過(guò)程，這一方式可能為地震地電阻率的裝置建設(shè)提供了一種有益嘗試。

致謝：感謝中國(guó)地震局地震預(yù)測(cè)研究所趙家騮研究員、甘肅省地震局袁道陽(yáng)、楊立明研究員和西部強(qiáng)震研究室多位專(zhuān)家的支持，感謝天水臺(tái)站領(lǐng)導(dǎo)和監(jiān)測(cè)人員的配合與支持。

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