井下視電阻率觀測影響系數(shù)分析

解滔 杜學(xué)彬 盧軍

1）中國地震臺網(wǎng)中心，北京市西城區(qū)三里河南橫街5號 100045

2）中國地震局蘭州地震研究所，蘭州 730000

0 引言

中國于1966年河北邢臺MS7.2地震后將物探視電阻率方法用于地震預(yù)測分析，此后由政府組織建設(shè)了大規(guī)模、長期連續(xù)監(jiān)測的視電阻率觀測臺網(wǎng)。目前在中國主要活動斷裂帶和人口密集的大中城市附近的地震活動區(qū)共有70余個臺站擔(dān)負(fù)著常規(guī)的地震監(jiān)測任務(wù)。在近50年的連續(xù)監(jiān)測中多次記錄到了發(fā)生在臺網(wǎng)內(nèi)的中強(qiáng)地震（如1976年唐山MS7.8、松潘-平武 MS7.2、1998年張北 MS6.2、2003年大姚 MS6.2、民樂-山丹 MS6.1和 2008年汶川MS8.0等地震）前突出的視電阻率異常（錢復(fù)業(yè)等，1982、1990；Lu et al，1999；桂燮泰等，1989；高立新等，1999；葉青等，2005；張學(xué)民等，2009；杜學(xué)彬，2010），且對其中的某些地震三要素實(shí)施了1年尺度的時間預(yù)測（葉青等，2005）。

視電阻率觀測要在地震監(jiān)測預(yù)報中發(fā)揮作用離不開高質(zhì)量的基礎(chǔ)觀測資料，但是，近年來隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，部分臺站受到了嚴(yán)重干擾進(jìn)而影響了監(jiān)測效能，臺站數(shù)量從高峰期的近120個減少至目前的70余個，且現(xiàn)存臺站中的許多臺站也已受到干擾，使視電阻率觀測受到嚴(yán)重影響。理論和觀測實(shí)踐表明，供電極距越大，地表環(huán)境變化對觀測的影響越小。但是受觀測場地的限制，將供電極距延長到可忽略地表干擾對觀測影響的長度是難以實(shí)現(xiàn)的。為了抑制地表干擾，中國先后在郫縣臺（現(xiàn)成都）、山丹臺和江寧臺開展了多極距實(shí)驗(yàn)觀測，以期從觀測資料中分離出表層和地下不同深度介質(zhì)的電阻率變化，從而抑制表層干擾（趙和云等，1987；錢家棟等，1988；薛順章等，1994；王蘭煒等，2011）。與此同時，自 20世紀(jì)80年代陸續(xù)開展了一些井下視電阻率實(shí)驗(yàn)觀測（將電極埋入地層一定深度）（王邦本等，1981；蘇鸞聲等，1982；劉允秀等，1985；劉昌謀等，1994；田山等，2009；康云生等，2013），實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明井下觀測能較好地抑制因淺層潛水升降和含水率季節(jié)性增減所引起的視電阻率變化以及來自地表的干擾，在供電極距相對較小的情況下可以獲得可靠的深部介質(zhì)電阻率變化信息。近年來隨著觀測環(huán)境日趨惡化，井下觀測方法受到了重視，中國在8個臺站進(jìn)行了井下實(shí)驗(yàn)觀測，已展開相關(guān)的理論研究（聶永安等，2009、2010；解滔等，2012a、2012b），并擬建若干個井下臺站。

實(shí)施井下觀測的目的在于抑制地表的干擾和捕捉孕震信息，二者缺一不可.井下地電觀測投資大、且觀測裝置安裝需一次性成功，觀測極距和深度對井下觀測的影響很大.但目前實(shí)驗(yàn)觀測中的電極埋深、極距大小等是人為主觀估計的，因而針對每一個臺站特定的電性結(jié)構(gòu)合理地選擇電極埋深和觀測極距是急需解決的問題。視電阻率觀測影響系數(shù)理論表明，觀測的視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、1998；Park et al，1991；Lu et al，2004），因此可依據(jù)不同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。本文依據(jù)（聶永安等，2009、2010）給出的電位表達(dá)式，編寫了可以計算N層水平層狀均勻介質(zhì)中各層介質(zhì)影響系數(shù)隨觀測極距和電極埋深任意變化的程序.本文首先介紹視電阻率影響系數(shù)理論，然后以4層電性結(jié)構(gòu)為例，簡要討論不同電性結(jié)構(gòu)中介質(zhì)影響系數(shù)因觀測極距和電極埋深的不同而呈現(xiàn)的復(fù)雜分布，以說明依據(jù)電性結(jié)構(gòu)合理選擇極距和埋深的必要性。然后提出通過各層影響系數(shù)的大小來評估井下觀測對地表及淺層干擾的抑制能力，并以天水臺為例說明用此方法選擇供電極距和電極埋深的過程，分析結(jié)果可為在不同電性結(jié)構(gòu)中實(shí)施井下地電觀測時選擇電極埋深和供電極距提供參考。

1 視電阻率影響系數(shù)理論

中國定點(diǎn)視電阻率觀測采用對稱四極觀測裝置，一個臺站一般布設(shè)2條相互垂直的測道或2條相互垂直加一條斜測道共3個測道，圖1為觀測裝置示意圖。如果將視電阻率測區(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(jié)構(gòu)確定、觀測裝置和極距以及布極位置確定時，視電阻率ρa(bǔ)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，因此將式（1）作Taylor級數(shù)展開，二階及高階項(xiàng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于一階項(xiàng)，可忽略不計。視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

圖1 對稱四極觀測裝置示意圖

式（2）中，Bi被稱之為影響系數(shù)，其表達(dá)式為

同時影響系數(shù) Bi滿足如下關(guān)系（Seigel，1959；Roy et al，1981；Wait，1981），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)對視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)式和二極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)（姚文斌，1989；O'Neill et al，1984）。

采用編寫的程序計算了Lu等（1999）文獻(xiàn)中寶坻臺電性結(jié)構(gòu)在地表觀測時的影響系數(shù)，表1給出了Lu等（1999）和本文計算的在極距AB／2＝500m時的影響系數(shù)，所得二者結(jié)果一致，說明本文計算方法是準(zhǔn)確的。

表1 寶坻臺影響系數(shù)對比

2 幾類電性結(jié)構(gòu)的影響系數(shù)分析

這里以4層水平層狀均勻介質(zhì)為例討論介質(zhì)影響系數(shù)在不同電性結(jié)構(gòu)下的復(fù)雜分布。臺站表層介質(zhì)電阻率季節(jié)性變化顯著，主要表現(xiàn)為視電阻率的年變化。4層電性結(jié)構(gòu)有8種組合，逐一討論圖件過多，不失一般性的在分析過程中設(shè)定第1層介質(zhì)電阻率不變，就下面3層H、K、A和Q型4種結(jié)構(gòu)討論各層介質(zhì)影響系數(shù)隨深度和供電極距的變化，同時也分析了同一地層模型中電極位于不同深度時的影響系數(shù)隨供電極距的變化，在所有的分析中都設(shè)定4個電極位于同一深度，采用視電阻率對稱四極觀測裝置。

2.1 KH型結(jié)構(gòu)

一維KH型電性結(jié)構(gòu)參數(shù)如表2所示，計算各層介質(zhì)影響系數(shù)隨深度變化時供電極距AB＝300m，MN＝100m，計算結(jié)果如圖 2（a）所示。在地表（H＝0m）觀測時第2、3層介質(zhì)影響系數(shù)較大，表層介質(zhì)影響系數(shù)最小，說明此時視電阻率變化主要反映中間兩層介質(zhì)電阻率變化。由地表至第1、2層分界面（H＝10m）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)中增加時第1層介質(zhì)影響系數(shù)則增加，在約H＝30m時到達(dá)極值，相當(dāng)于表層的影響比埋深淺時加大，與第3、4層介質(zhì)影響系數(shù)相當(dāng)，隨后隨著電極深度增加，影響系數(shù)迅速減小。在H增加過程中第2層介質(zhì)影響系數(shù)整體呈下降變化，第4層介質(zhì)影響系數(shù)則呈上升變化，第3層介質(zhì)影響系數(shù)先增加而后迅速減小。在H約200m后第4層介質(zhì)影響系數(shù)接近于1，占據(jù)主導(dǎo)地位。隨著H的增加，上面三層介質(zhì)的影響系數(shù)迅速減小。

表2 KH型電性結(jié)構(gòu)

圖2 KH型電性結(jié)構(gòu)影響系數(shù)隨深度的變化（a）及影響系數(shù)隨觀測極距的變化（b）

計算各層介質(zhì)影響系數(shù)隨觀測極距變化時設(shè)定電極埋深H＝100m，位于第3層介質(zhì)中，計算結(jié)果示于圖2（b）。觀測極距較小時，視電阻率主要反映第3層介質(zhì)電阻率變化，隨著觀測極距增加，第3層介質(zhì)影響系數(shù)逐步減小，第4介質(zhì)影響系數(shù)增加，第1層和第2層則是先增加后減小。盡管隨著極距（AB／2）的進(jìn)一步增加，淺層介質(zhì)影響系數(shù)趨于0，但各層影響系數(shù)分布也與在地表觀測時的影響系數(shù)的分布趨于一致，失去了井下觀測的意義。

2.2 HK型結(jié)構(gòu)

一維HK型電性結(jié)構(gòu)參數(shù)如表3所示，計算各層介質(zhì)影響系數(shù)隨深度變化時供電極距AB＝300m，MN＝100m，計算結(jié)果示于圖3（a）。H從地表至第2、3層介質(zhì)分界面（H＝50m）過程中，各層介質(zhì)影響系數(shù)幾乎不變，第1、4層影響系數(shù)相當(dāng)，接近0.1，電極位于這一深度范圍較易受淺層干擾影響。在深度進(jìn)入第3層介質(zhì)后，第1、2和3層影響系數(shù)減小，第4層則增加，在埋深H約200m后第4層介質(zhì)影響系數(shù)占據(jù)主導(dǎo)地位。隨著埋深增加，第4層影響系數(shù)接近于1，上面3層介質(zhì)影響系數(shù)則迅速減小。

表3 HK型電性結(jié)構(gòu)

圖3 HK型電性結(jié)構(gòu)影響系數(shù)隨深度的變化（a）和影響系數(shù)隨觀測極距的變化（b）

設(shè)定電極埋深H＝100m，計算各層介質(zhì)影響系數(shù)隨觀測極距變化結(jié)果示于圖3（b）。各層介質(zhì)影響系數(shù)變化形態(tài)與圖2（b）大體相近，小極距時觀測裝置所在層位影響系數(shù)占主導(dǎo)地位，隨著觀測極距增加，第3層影響系數(shù)減小、第4層增加，第1、2層先增加后減小。在極距較大時第4層介質(zhì)影響系數(shù)占主導(dǎo)地位。

2.3 HA型結(jié)構(gòu)

一維HA型電性結(jié)構(gòu)參數(shù)如表4所示，計算各層介質(zhì)影響系數(shù)隨深度變化時供電極距AB＝300m，MN＝100m，計算結(jié)果示于圖 4（a）。各層介質(zhì)影響系數(shù)隨深度變化形態(tài)與圖3（a）大體相同，在電極埋深從地表至第2、3層介質(zhì)分界面（H＝50m）過程中，各層介質(zhì)影響系數(shù)幾乎不變，第1、4層影響系數(shù)相當(dāng)，接近0.1，第2層最大，第3層次之。在這一深度范圍內(nèi)觀測，較易受淺層電性結(jié)構(gòu)變化干擾。在電極埋設(shè)深度進(jìn)入第3層介質(zhì)后，第1、2和3層影響系數(shù)減小，第4層則增加，在埋深約200m后第4層介質(zhì)影響系數(shù)趨于1，占據(jù)主導(dǎo)地位。隨著埋深進(jìn)一步增加，上面三層影響系數(shù)迅速減小。

表4 HA型電性結(jié)構(gòu)

圖4 HA型電性結(jié)構(gòu)影響系數(shù)隨深度的變化（a）及影響系數(shù)隨觀測極距的變化（b）

計算影響系數(shù)隨觀測極距變化時將電極深度設(shè)定為H＝100m，計算結(jié)果示于圖4（b）。電極位于第3層，在極距較小時，視電阻率觀測主要反映這一層介質(zhì)的變化，其余各層影響系數(shù)很小。隨著觀測極距增加，第3層影響系數(shù)減小，第4層增加，第2、3層則先增加后減小。在大極距階段，第4層影響系數(shù)最大。

2.4 KQ型結(jié)構(gòu)

一維KQ型電性結(jié)構(gòu)如表5所示，計算各層介質(zhì)影響系數(shù)隨深度變化時供電極距AB＝300m，MN＝100m，計算結(jié)果示于圖5（a）。電極埋深在第1層介質(zhì)中變化時各層影響系數(shù)變化較小，第1層介質(zhì)影響系數(shù)約為0.1，第2、3層影響系數(shù)較大，第4層最小。隨著電極埋深增加，第1、3層影響系數(shù)先增加后減小，第2層先減小后增加再減小，第4層則一直增加。在電極埋深100m之前，上面3層介質(zhì)影響系數(shù)均較大，此時不能抑制淺層干擾。在埋深大于200m后，第4層影響系數(shù)占據(jù)主導(dǎo)地位并趨于1。隨著埋深的增加，上面3層介質(zhì)影響系數(shù)進(jìn)一步減小。各層介質(zhì)影響系數(shù)隨觀測極距變化示于圖5（b），計算時電極埋深 H＝100m。小極距觀測時第3層介質(zhì)影響系數(shù)接近于1，隨著極距增加，其影響系數(shù)減小，第4層影響系數(shù)逐漸增加，第1、2層介質(zhì)影響系數(shù)先增加后減小，在約 AB／2＞700m后第1、2層影響系數(shù)相繼出現(xiàn)負(fù)值（圖5（b）中虛線所示）。在大極距階段該型結(jié)構(gòu)淺層介質(zhì)影響系數(shù)小于前面分析的3類結(jié)構(gòu)，此時對淺層干擾有較好的抑制作用。

表5 KQ型電性結(jié)構(gòu)

圖5 KQ型電性結(jié)構(gòu)影響系數(shù)隨深度的變化（a）和影響系數(shù)隨觀測極距的變化（b）

2.5 電極埋深不同時影響系數(shù)隨極距的變化

采用表2電性結(jié)構(gòu)，電極位于地表（H＝0m）和100m時各層影響系數(shù)隨觀測極距變化分別示于圖6（a）和6（b）。從圖中可以看出，在地表觀測時隨著極距的增加，表層介質(zhì)影響系數(shù)的變化表現(xiàn)為減小→增加（負(fù)值絕對值）→減小→增加→再減小的過程，第2、3層則是先增加后減小，第4層是逐步增加，各層介質(zhì)先后依次占據(jù)主導(dǎo)地位。在觀測極距約 AB／2＜400m范圍內(nèi)，二者影響系數(shù)差異很大。觀測極距較小時，地表觀測淺層介質(zhì)影響系數(shù)較大，位于100m深度觀測其影響系數(shù)則較小。在極距AB／2＞400m后二者影響系數(shù)值和變化形態(tài)大體相近，說明隨著觀測極距的增加，深埋電極觀測的作用減弱。在這樣一個電性結(jié)構(gòu)下，如果按照目前井下實(shí)驗(yàn)觀測人為主觀地選定AB＝300m和H＝100m，井下觀測表層影響系數(shù)大于地表觀測，這樣的井下觀測系統(tǒng)對地表干擾的抑制作用不如地表觀測。

圖6 地表觀測時影響系數(shù)隨觀測極距的變化（a）和井下100m深度觀測時影響系數(shù)隨觀測極距的變化（b）

對上述4類簡單電性結(jié)構(gòu)的分析可以看出，影響系數(shù)的分布十分復(fù)雜，對于更為復(fù)雜的電性結(jié)構(gòu)，影響系數(shù)分布則更為復(fù)雜，采用統(tǒng)一的或人為主觀給定的觀測極距和電極埋深是不可取的。對于某些電性結(jié)構(gòu)，在一定觀測極距和電極埋深情況下，井下觀測效果低于地表觀測（圖6），因此依據(jù)測區(qū)電性結(jié)構(gòu)合理地選擇供電極距和埋深是非常必要的。視電阻率的異常變化體現(xiàn)的是觀測裝置主要探測范圍內(nèi)介質(zhì)電阻率在孕震應(yīng)力作用下的變化。地表淺部松散覆蓋層對應(yīng)力具有吸收作用，測區(qū)內(nèi)淺層介質(zhì)電阻率并不反映遠(yuǎn)場應(yīng)力變化，而中、深層沉積層或基巖能有效傳遞應(yīng)力，這部分介質(zhì)電阻率能反映遠(yuǎn)場孕震應(yīng)力的變化，因此視電阻率觀測應(yīng)當(dāng)主要體現(xiàn)這部分信息。層狀模型理論分析將各層介質(zhì)內(nèi)部電阻率視為一整體，任意小范圍介質(zhì)電阻率變化代表了整個層位電阻率變化，但是淺部巖層存在不均勻性，各區(qū)域介質(zhì)電阻率變化同樣呈現(xiàn)不均勻性，這就要求增加觀測極距以加大探測范圍，從而觀測大體積范圍內(nèi)介質(zhì)電阻率變化，避免“一孔之見”的情況。井下觀測的目的在于抑制地表干擾和盡可能多地捕捉與孕震有關(guān)的電阻率變化信息，二者同等重要。在資料受干擾小且變化平穩(wěn)時，識別異常較為容易，單從這個角度而言，小極距裝置且電極埋深大于供電極距AB時幾乎可以忽略表層介質(zhì)變化對觀測的影響。但是小極距觀測只是體現(xiàn)裝置所在層位附近小體積范圍內(nèi)介質(zhì)電阻率變化，不能有效反映對孕震應(yīng)力傳遞更有效的深部巖層的信息，不利于孕震信息的獲取，因此極距需要適當(dāng)?shù)脑龃?。但是電極埋深固定時，隨著供電極距的增加，井下觀測的作用逐漸減弱并趨向于地表觀測。因而在保證地表影響系數(shù)不變的情況下，增大供電極距則需要更大的電極埋深。就目前井下實(shí)驗(yàn)觀測的工程投入和觀測系統(tǒng)穩(wěn)定性而言，電極埋深可接受范圍在250m左右。對多數(shù)測區(qū)而言，這一深度已進(jìn)入基巖內(nèi)部。據(jù)全國視電阻率臺站多年的觀測數(shù)據(jù)，淺層介質(zhì)影響系數(shù)絕對值低于0.5%左右的情況下觀測值較為平穩(wěn)，季節(jié)性年變化較小。隨著電極埋深的增加，觀測裝置逐步遠(yuǎn)離地表淺層局部電性異常體，同時巖層也存在一定的屏蔽效應(yīng)，視電阻率受地表的干擾將減小。因此確定井下視電阻率觀測極距和電極埋深的原則是：在允許的埋深范圍內(nèi)使供電極距AB足夠大，淺層影響系數(shù)足夠?。ㄈ绲陀?.5%），中、深層介質(zhì)影響系數(shù)足夠大。

3 天水臺井下觀測影響系數(shù)分析

3.1 天水臺目前的井下觀測

天水地電臺建于1970年，臺址位于天水市北道以南11km處。因2009年開始測區(qū)內(nèi)物流中心、森林武警支隊和林學(xué)院基建施工，觀測環(huán)境遭受嚴(yán)重破壞，于2010年開始實(shí)施井下觀測改造，有效觀測資料始于2012年1月。井下觀測采用對稱四極裝置，NS、EW測道供電極距AB＝300m，測量極距MN＝100m，NE測道供電極距AB＝390m，測量極距 MN＝130m，電極埋深均為 H＝100m，地表（H＝4m）觀測 NS測道供電極距 AB＝1000m，測量極距 MN＝333m。地表NS測道2004～2007年資料和井下觀測 NS測道2012～2014年資料分別示于圖7（a）和圖7（b）。春季降雨量開始增加、地表介質(zhì)含水率增加、電阻率降低后地表視電阻率觀測值上升。進(jìn)入秋季后降雨量減小，地表介質(zhì)電阻率上升，地表視電阻率觀測值下降，表現(xiàn)出“夏高冬低”的反常年變形態(tài)（圖7（a））。井下視電阻率觀測值年變形態(tài)則與地表觀測的年變形態(tài)相反，表現(xiàn)為“夏低冬高”（圖7（b）），且地表觀測年變幅度要大于井下觀測年變幅度。

圖7 天水臺地表觀測視電阻率資料（a）及井下100m深度觀測視電阻率資料（b）

天水臺測區(qū)電測深曲線示于圖8（a），大致可視為KH型。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8（a）所示，第3層為厚度較大的低阻層，且底層介質(zhì)電阻率也很低。各層介質(zhì)影響系數(shù)隨深度變化如圖8（b）所示，由于第3層和底層低阻層的存在，電極埋深H＝100m時，第1、2層介質(zhì)影響系數(shù)較小，低于0.01，此時視電阻率觀測值主要體現(xiàn)第3層介質(zhì)電阻率變化，其次是第4層。在電極埋深增加的過程中，第1、2層介質(zhì)影響系數(shù)相繼有負(fù)值出現(xiàn)（圖8（b）中虛線部分）。

圖8 天水臺電測深資料（a）；天水臺影響系數(shù)隨深度的變化（b）；地表觀測時影響系數(shù)隨觀測極距的變化（c）；井下觀測時影響系數(shù)隨觀測極距的變化（d）

圖8（c）是地表（H＝4m）觀測時各層介質(zhì)影響系數(shù)隨觀測極距的變化，極距 AB／2超過70m后第1層介質(zhì)影響系數(shù)出現(xiàn)負(fù)值（圖8（c）中虛線部分）。圖8（d）是在深度H＝100m觀測時各層介質(zhì)影響系數(shù)隨觀測極距的變化，電極位于低阻的第3層，極距較小時，視電阻率觀測主要反映這一層介質(zhì)的變化。隨著觀測極距增加，第3層影響系數(shù)有所減小，第4層增加較快，第2、3層則先增加后減小，但影響系數(shù)值相對較小。在圖8（a）所示電性結(jié)構(gòu)下，用ρa(bǔ)s表示地表觀測的視電阻率，則天水臺視電阻率的相對變化值為

研究表明，視電阻率年變化主要是由淺層介質(zhì)電阻率季節(jié)性變化引起的。天水臺地表觀測時第1層介質(zhì)影響系數(shù)為負(fù)（式（5）），因而在降雨量增加、第1層介質(zhì)電阻率降低（Δρ1為負(fù)）時視電阻率觀測值ρa(bǔ)s上升；降雨量減少、第1層介質(zhì)電阻率升高（Δρ1為正）時觀測值ρa(bǔ)s下降。井下觀測時第1層介質(zhì)影響系數(shù)為正（式（6）），因而年變形態(tài)與地表觀測時相反。

天水臺第3層為低阻層，且厚度較大，底層也為低阻層，從式（5）、式（6）可以看出第 1層的影響系數(shù)很小。整體而言，天水臺地表觀測和井下觀測的年變化幅度都較小，同時地表觀測時第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。與地表觀測相比較而言，井下觀測第1、2層影響系數(shù)減小，說明井下觀測對淺層介質(zhì)電阻率變化干擾具有抑制作用。天水臺井下觀測第3層介質(zhì)影響系數(shù)大于地表觀測，第4層介質(zhì)影響系數(shù)則小于地表觀測。如果孕震作用主要引起底層介質(zhì)電阻率變化，那么天水臺現(xiàn)有小極距井下觀測的映震能力不如地表原來的大極距觀測，如果孕震作用主要引起第3層介質(zhì)電阻率變化，則井下觀測映震能力優(yōu)于地表觀測。但是整體而言，天水臺井下觀測受淺層干擾影響相對較小，便于資料分析和異常認(rèn)定，因此綜合認(rèn)為井下觀測效果要好于之前的地表觀測。

3.2 對天水臺井下觀測設(shè)計的討論

圖9是采用圖8（a）所示電性結(jié)構(gòu)計算的各層介質(zhì)影響系數(shù)隨觀測極距AB和電極埋設(shè)深度H的變化。在極距AB／2＝150m時，埋深100m以上第1層介質(zhì)影響系數(shù)變化梯度較大，100m以下影響系數(shù)很小但變化較為平緩。第2層介質(zhì)在小極距淺層觀測時影響系數(shù)能達(dá)到1%左右，其余情況影響系數(shù)都很小。在計算的觀測極距范圍內(nèi)，電極埋深在200m以內(nèi)，第3層介質(zhì)影響系數(shù)占主導(dǎo)地位，超過200m后第4層影響系數(shù)迅速增加并占主導(dǎo)地位。目前天水井下觀測裝置，第3層介質(zhì)電阻率的變化對觀測的影響最大。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AB一定的情況下裝置埋得越深越好?？紤]到目前的井下觀測技術(shù)，天水臺觀測裝置兼顧第3層和第4層介質(zhì)電阻率變化且適當(dāng)加大極距較為適宜，從圖9中可以看出，極距AB／2取150～200m，埋深H取170～220m能滿足需求。用ρa(bǔ)w表示井下視電阻率觀測值，ρa(bǔ)w的相對變化值為

4 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)模型討論各層介質(zhì)的影響系數(shù)，分析結(jié)果表明：不同電性結(jié)構(gòu)中實(shí)施井下觀測，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)雜變化。觀測極距固定時，影響系數(shù)并非都隨著電極埋深增加呈現(xiàn)單調(diào)變化，某些深度范圍內(nèi)對地表干擾具有放大作用。但是只要觀測深度足夠深，總是可以抑制地表干擾、突出深部信息。觀測裝置埋深固定時，影響系數(shù)隨觀測極距變化也較復(fù)雜，小極距時對電極所在層位電阻率變化反映較大，隨著極距增加，對深部信息的反映能力增加。觀測極距足夠大后，各層影響系數(shù)與地表觀測時趨于相近，井下觀測的作用越來越小。理想情況下觀測極距越小、電極埋設(shè)越深，就越能避免表層干擾和突出目標(biāo)層介質(zhì)電阻率變化。視電阻率觀測值是一定體積內(nèi)介質(zhì)電阻率的綜合反映，觀測極距越大，觀測值所反映的三維空間信息量就越大，反之則越小。各區(qū)域介質(zhì)電阻率非均勻變化時，小極距觀測可能會遺漏需要探測的信息，因此井下觀測還是需要較大的觀測極距。但隨著極距的增加，與地表觀測相比井下觀測的作用就越小。井下觀測電極埋設(shè)越深，投資越大，且電極埋設(shè)是一次性的，因此對每一個臺站，依據(jù)地下電性結(jié)構(gòu)合理地選擇觀測深度和盡可能大的極距既能抑制地表干擾又能監(jiān)測深部、大體積范圍的介質(zhì)電性變化是非常重要的。

圖9 天水臺第1層介質(zhì)影響系數(shù)隨觀測極距和埋深的變化（a）；第2層介質(zhì)影響系數(shù)隨觀測極距和埋深的變化（b）；第3層介質(zhì)影響系數(shù)隨觀測極距和埋深的變化（c）；第4層介質(zhì)影響系數(shù)隨觀測極距和埋深的變化（d）

本文僅就天水臺4層水平層狀介質(zhì)模型討論了如何利用影響系數(shù)隨電極埋深和觀測極距的分布來選擇合適的觀測極距和電極埋深，對于其它臺站也可以做同樣的分析，為觀測極距和電極埋深的選擇提供依據(jù)。計算地層介質(zhì)對視電阻率觀測的影響系數(shù)，可以分析由表層介質(zhì)電阻率季節(jié)性變化產(chǎn)生的視電阻率年變化，進(jìn)而在實(shí)施井下觀測時對其進(jìn)行抑制。井下觀測的意義在于：將電極深埋，使觀測裝置更接近需要探測的深部區(qū)域，一方面使觀測裝置遠(yuǎn)離地表干擾源，并且可以適當(dāng)?shù)販p小觀測極距，有利于抑制來自地表的干擾；另一方面更為直接地探測來自中深部的孕震信息。本文僅從一維影響系數(shù)的角度分析了井下視電阻率觀測對地表淺層季節(jié)性干擾影響的抑制能力，對于地表具體的局部電性異常體（例如金屬管線、建筑物、蓄水設(shè)施和灌溉渠道開挖等），若要更為準(zhǔn)確地評估其對觀測的影響，應(yīng)用三維影響系數(shù)分析或者建立三維模型進(jìn)行數(shù)值評估更符合實(shí)際情況（解滔等，2013a、2013b、2014、2015）。

5 結(jié)論

通過分析4種層狀電性結(jié)構(gòu)各層介質(zhì)影響系數(shù)隨電極深度和觀測極距的變化，發(fā)現(xiàn)影響系數(shù)的變化非常復(fù)雜。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，電極埋設(shè)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)電極埋設(shè)足夠深之后總是能夠有效抑制地表淺層干擾，突出深部介質(zhì)電阻率變化信息。觀測極距較小時，視電阻率主要反映裝置所在層位介質(zhì)電阻率變化，隨著極距的增加，逐漸包含其他介質(zhì)層信息。裝置埋深一定時，隨著觀測極距的增加，井下觀測各層影響系數(shù)逐漸接近于地表觀測時的影響系數(shù)，井下觀測的作用減弱。為盡可能地記錄到與孕震有關(guān)的信息，觀測極距不能太小。因此設(shè)計井下觀測時需要結(jié)合臺站實(shí)際的電性結(jié)構(gòu)計算不同電極埋深和供電極距情況下的影響系數(shù)分布予以綜合評估，結(jié)合現(xiàn)有經(jīng)費(fèi)和技術(shù)條件，在保證有效抑制地表干擾和獲取深部信息的基礎(chǔ)上選擇合適的觀測極距和裝置埋設(shè)深度。

致謝：兩位匿名審稿專家對本文提出了寶貴的修改意見，作者表示衷心的感謝。