天水地電阻率地表與井下多種觀測方式的試驗分析①

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．蘭州地球物理國家野外科學觀測研究站，甘肅 蘭州 730000））

0 引言

應用地電阻率（也稱“視電阻率”）法進行地震預測預報一直為研究地震中短期前兆信息的學者所關注。孫正江［1］、錢家棟［2］指出在20世紀60～80年代，前蘇聯巴爾蘇科夫、日本山崎良雄、美國馬澤拉和莫里森等發現了一些地震前地電阻率的異常變化現象。1967年趙玉林等在河北首次建立了我國的地電阻率模擬觀測臺站；1984年前后趙家騮研制了我國最早的數字化地電儀；1976年唐山發生MS7．8地震，昌黎等臺站地電阻率在此2、3年前就出現顯著的趨勢性下降異常現象［2］；2008年汶川發生MS8．0地震，錢家棟［3］、杜學彬［4］在研究臺站觀測數據中發現成都等臺站地電阻率同樣有類似的變異現象。

2004和2006年我國地震地電阻率臺站環境技術要求［5］、建設規范［6］相繼頒布。到2012年底基本按照這些要求和規范運行的地電阻率臺站接近70個。近年來我國城市化建設發展迅速，許多地電阻率臺站附近出現了電氣化鐵路、高壓輸電線路、金屬管線網以及大功率用電設備等，這容易在觀測場地形成不確定的影響［7－12］，以及工頻、流散電流的干擾［13－15］。

在電磁環境復雜的場地多種因素都可能造成地電阻率數據變異。為落實其原因，通常需要檢查臺站的電磁環境、觀測系統等，但有時這些措施并不能完全及時有效。為此近年江蘇海安、陜西合陽等臺站先后開展了地電阻率井下觀測，其數據的穩定性等方面有提高。但其觀測方法除電極埋設更深外，其它依然應用地表的四極對稱方式。2011年初甘肅天水臺站開展了地表、井下多種觀測方式的試驗，其中包括地表、井下電極的互換觀測方式，這不同于在同一水平面開展四極對稱觀測的常規方式，同時井下電極埋設深度達到了100m。本文介紹該試驗的內容和方法，并對實驗結果和數據可靠性進行分析。

1 地表與井下多種觀測方式的原理

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

式（1）中K是裝置系數，它取決于A、B、M、N四個電極的排列。

圖1（a）所示的四極對稱方法測量得到的地電阻率ρs，通常并不是地表淺層介質的真正電阻率，只是探測區內介質電性的綜合反映，即所謂的視電阻率［2］。如果地下介質在相當大的范圍內較均勻，則測量結果會非常接近地下介質的真正電阻率［2，16－17］。

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

圖1（b）所示的四極對稱方法是測量地電阻率的井下觀測方法。如果電極埋設10余米深，通常可以稱為深埋觀測方式，若埋設深度達到數十米或更深時，一般可稱為井下觀測。近年來有部分臺站開展了這種觀測。依據目前的研究進展，這方法對地表的干擾因素有一定的抑制作用，但取決于場地的電性結構、層參數等［18］。

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

2 天水臺站地表與井下多種觀測方法并用的裝置系統

天水地電阻率觀測場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級河谷階地上。依據建臺的原始資料，第四系覆蓋層厚度約20～30m；其下是第三系粘土層，厚約450～500m；基底為古生界變質巖。場地的海拔1 153m，年平均濕度約63%，年平均溫度18℃。

近年以來臺站周邊的電磁環境惡化。為探尋臺站地電阻率能繼續有效觀測的方法，2010年對臺站觀測系統進行了改造，觀測場地依然保持原址。

2．1 裝置系統的布設

為探尋同場地的地電阻率多種觀測方法及數據特點，甘肅天水臺站在2010年的改造中采用了地表與井下多種觀測方法并用的方式。

天水地表、井下電阻率觀測系統由20個測道（測項分量）組成。圖1（a）所示的地表四極對稱方式有3個測道；圖1（b）所示的井下水平觀測也有3個測道；圖1（c）所示的地表與井下電極互換觀測使用了12個測道；垂直觀測使用1個測道；檢測使用1個測道。

圖2 天水觀測場地、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．

天水臺站觀測場地的地形地貌、周邊環境、裝置系統布局如圖2所示，測量儀器采用多極距地電儀（ZD8MI），外線路為地埋方式。從圖2可知，天水臺站電極布設與正南北、東西方位有偏移。其地表電極埋深6m，井下電極埋深100m。NS、EW測向AB極距為300m，MN極距為100m，NW測向AB極距為390m，MN極距為130m。為與多極距儀器（ZD8MI）線路接入序號對應（見表1），電極編號取1～24。地表電極編號見圖2所示；井下電極編號見圖3。

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

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

需指出，圖3中井下編號與對應位置的地表電極在同一井孔內。例如，地表編號8電極與圖3中的編號18電極就在一個井孔中。

2．2 裝置系統的檢測原理與方法

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

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

2．3 觀測時間點的選取

在天水地電阻率地表與井下多種觀測方式的實際觀測中，考慮到了每日場地電磁干擾最小的時段可能在03、04時左右，因此在這一時段進行各測道地電阻率觀測。通常在電磁干擾相對嚴重的場地，每日03、04時基本可避開人為活動產生的電磁干擾和影響；同時這期間來自空間的電磁擾動的影響也相對較低［19－20］。

3 不同觀測方式的數據變化特征

天水地電阻率地表與井下多種觀測方式系統實際上采用了地表水平觀測、井下水平觀測、地表與井下電極互換觀測三種方式。自2011年初開始觀測以來三種觀測方式基本保持了各自的數據特點，圖5是這三種觀測方式典型的數據變化情況。

圖5 不同觀測方式典型的原始數據曲線（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量方式在NS、EW、NW測向的地電阻率ρs值，下面一排分圖是其測量過程中對應的自然電位差VSP測量值。圖5表明井下觀測的目標測項——井下NS、EW、NW 向觀測結果ρs為最好；地表水平觀測的ρs、VSP的穩定性相對最差；井下A、B供電，地表M、N測量時，ρs值較穩定，但VSP的穩定性與地表水平觀測接近；井下水平觀測和地表A、B供電井下M、N測量兩種方式的ρs、VSP值最接近。

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

表2 天水臺站地電阻率不同觀測方式的誤差統計（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，地表水平觀測和井下A、B供電地面M、N測量這兩種方式的數據誤差相對大，而地表A、B供電井下M、N測量和井下水平觀測兩種方式的數據誤差相對小。需指出，井下A、B供電地面A、B測量和地面A、B供電井下A、B測量這兩種方式其ρs、VSP的穩定性、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，地表水平觀測的ρs值有明顯的躍變現象，但井下水平觀測、地表與井下電極互換觀測均沒有出現這一變異現象。表明地表水平觀測ρs值的這次躍變可能更多來自地表的影響。

4 結論

在地電阻率多種觀測方式系統中，同場地進行的地表水平觀測、井下水平觀測、地表與井下電極互換觀測三種方式中，前兩種是常用的對稱四極觀測方法，而地表與井下電極互換觀測實際是一種偶極觀測方式。近兩年的觀測數據表明，井下水平觀測能抑制地面電磁干擾，觀測效能最好。地表、井下電極互換觀測（或偶極互換）方法通過近兩年的有效觀測，其中地表A、B供電井下M、N測量的方法數據比較穩定性，結果基本與井下水平觀測接近或稍好，它的原理可能有助于分析數據變異的性質。

天水臺站的電極互換觀測（或偶極互換）方式，其觀測數據的分析應用還需要一個探索的過程，這一方式可能為地震地電阻率的裝置建設提供了一種有益嘗試。

致謝：感謝中國地震局地震預測研究所趙家騮研究員、甘肅省地震局袁道陽、楊立明研究員和西部強震研究室多位專家的支持，感謝天水臺站領導和監測人員的配合與支持。

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