天水井下地電阻率資料應用研究1

楊興悅王 燕張立紅張俏麗葉媛媛

1）蘭州地球物理國家野外科學觀測研究站，蘭州 730000

2）甘肅省地震局，蘭州 730000

3）甘肅省地震局天水中心地震臺，天水 741020

4）甘肅省地震局嘉峪關中心地震臺，嘉峪關 735100

5）甘肅省地震局隴南中心地震臺，隴南 746000

天水井下地電阻率資料應用研究1

楊興悅1,2)王 燕1,3)張立紅1,3)張俏麗1,4)葉媛媛1,5)

1）蘭州地球物理國家野外科學觀測研究站，蘭州 730000

2）甘肅省地震局，蘭州 730000

3）甘肅省地震局天水中心地震臺，天水 741020

4）甘肅省地震局嘉峪關中心地震臺，嘉峪關 735100

5）甘肅省地震局隴南中心地震臺，隴南 746000

本文簡要介紹了天水井下地電阻率觀測系統場地布設及觀測方式，對井下多種方式觀測資料進行了對比研究，并結合蘆山MS7.0、岷縣MS6.6級地震進行了分析。結果表明：深層水平地電阻率在2次地震發生前，均出現了明顯的短臨異常，其他觀測方式短臨異常不是特別顯著；同時對降水、雷電以及觀測系統故障干擾影響深層地電阻率觀測做了分析與討論。與傳統地電阻率觀測相比，采用井下觀測系統能減少干擾、提高信噪比，能緩解地電觀測與經濟建設的矛盾，是地電觀測方式的新探索。

地電阻率 井下觀測 蘆山地震 岷縣地震 異常

楊興悅，王燕，張立紅，張俏麗，葉媛媛，2015.天水井下地電阻率資料應用研究.震災防御技術，10（1）：173—183. doi：10.11899/zzfy20150118

引言

我國地震地電阻率觀測經過近50年的發展，積累了大量的觀測數據和科學研究成果，在方法理論、觀測技術、觀測數據應用等方面取得了長足的進步，為地震前兆現象探索、地震前兆機理研究、地震預測預報方法研究以及地球科學研究積累了豐富的觀測資料（楊興悅等，2013b）。隨著城市的發展，對于地震前兆監測抵御環境干擾能力、保障觀測系統正常運行、提高為地震預測服務能力等方面提出了新的、更高的要求（楊興悅等，2012）。如何建立一種既依法保護地震監測環境，又服務于當地經濟發展大局的長效機制，使地震監測環境的保護與經濟發展相銜接、相協調，是擺在我們面前的一個重要課題（王鋒吉等，2013）。

地電阻率（又稱“視電阻率”）是表征觀測點位地下某一特定探測范圍內介質綜合導電能力的物理量。聶永安等（2010）通過深埋電極的地電阻率分析認為，地下觀測裝置不僅可以減小甚至消除地表環境變化對地電阻率觀測結果的影響，而且還能提高地電阻率對基巖電阻率變化響應的靈敏度。因此，開展地下觀測是直流地電阻率法的一個發展方向（聶永安等，2010；田山等，2009）。隨著地方經濟的快速發展，地震觀測環境逐漸遭到破壞，觀測數據中干擾信息日益增多，尤其對于傳統地電觀測而言，觀測系統占地面積大，臺站觀測環境保護的任務越來越重。2009年天水地電臺測區被甘泉物流園征用，隨著物流園建設規模的不斷擴大，天水臺地電觀測干擾也日益嚴重。在這種背景下，為使地電臺觀測避免大的干擾，繼續發揮天水地電觀測的重要作用，經專家們多次論證認為，在原測區嘗試井下地電阻率觀測方案可行，并于2011年3月建成天水井下地電綜合觀測示范工程。為有效利用資源，實現效能最大化，該觀測系統包括了地電阻率、大地電場和地溫梯度觀測。

近幾年中國大陸南北地震帶及鄰區強震頻發，2008年以來先后發生了汶川MS8.0、玉樹MS7.0、蘆山MS7.0和岷縣MS6.6級地震，這幾次強烈地震給我國造成了重大的人員傷亡和經濟損失，給人們的生活帶來了巨大的災難。目前位于南北地震帶的甘清川地區的地震形勢依然不明朗（楊興悅等，2013a），同時地震井下觀測方式還未得到廣泛公認，因此有必要對天水井下地電阻率觀測資料進行認真的分析，總結經驗，加強交流，以期研究結果能為井下地電觀測提供借鑒，為地震預測研究提供參考。

1 測區地質構造背景和外場地規劃

天水地電阻率電極布設區域位于天水甘泉物流園，地處崖灣村與白石村之間的永川河Ⅰ、Ⅱ級河谷階地上，上覆第四系層厚20—30m，其下是第三系粘土層厚約450—500m，基底為古生界變質巖，布設區域海拔1153m，年平均濕度約63%，年平均溫度18℃（張新基等，2005）。

布極分布呈等腰三角形（頂角81°），大致呈北南、東西、北西向分布。北南、東西向井孔間距100m，北西向井孔間距130m，共有9口井。由于場地限制，北南、東西向井孔并非四點一線，但偏差在極距的5%以內，符合《地電臺站觀測技術規范》（國家地震局，1986）要求，電纜線采用全地埋方式蛇形彎曲布設。井孔位置分布如圖1所示。

圖1 天水地電井下綜合觀測系統分布示意圖Fig.1 Distribution of comprehensive observation system and set-up of deep well at Tianshui station

2 裝置系統介紹

2.1 裝置系統布設

天水地電阻率觀測系統采用地表與井下多種觀測方式互換進行觀測，電極埋深在每口井中100m和6m處，分別進行3個測道地表對稱四極觀測、3個測道井下對稱四極觀測，以及地表與井下電極互換共12個測道觀測。對圖1中8號井進行1測道垂直觀測，另接1測道標準負載對觀測系統進行驗證，共計20個測道觀測。北南、東西向供電極距為300m，測量極距為100m；北西向供電極距為390m，測量極距為130m。供電極內徑為16cm的空心鉛筒，筒高1m，鉛板厚0.8cm，測量極內徑為16cm的空心鉛筒，筒高1m，鉛板厚0.3cm。

2.2 觀測方式

多極距地電阻率觀測在國內外開展較早，從20世紀70年代開始發展到今天，理論比較成熟，在機理方面也有優勢（毛先進等，2008）。天水井下地電阻率觀測采用ZD8MI多極距電阻率儀，它與供電電源配合可自動、定時測量20個測道的地電阻率和自然電位差。多極距地電阻率的觀測方法，不僅在一定程度上可以消除目前的單一極距地電阻率觀測易受淺層環境干擾的問題，而且還可以減小或消除年變化現象對地電阻率觀測的影響（王蘭煒等，2011）。通常在電磁干擾相對嚴重的場地，每日03、04時可以減少人為活動產生的電磁干擾和影響；同時，這時來自空間的電磁擾動影響也相對較低（徐文耀，1992）。因此在這一時段進行各測道地電阻率觀測，每天觀測1次作為日值。另外，用ZD8A地電儀（日常觀測）和ZD8MI多極距電阻率儀（實驗觀測）進行井下100m深的對稱四極并行觀測，觀測方式為每小時觀測一次。

3 地電阻率觀測資料映震能力探討

天水井下地電阻率觀測系統于2011年3月開始運行，系統運行正常，觀測數據良好，觀測結果符合地電觀測要求。在觀測期間曾發生了2013年4月20日蘆山MS7.0級地震和甘肅岷縣MS6.6級地震，在這兩次地震發生前，天水井下地電阻率均出現了不同程度的異常。筆者結合這兩次地震分別對常規觀測和實驗觀測進行了對比分析。其中，常規觀測是指用ZD8A地電儀進行電極埋深為100m的水平觀測，觀測值為整點值；實驗觀測是指用ZD8MI多極距地電儀進行日觀測，每日03—04點觀測一次，分別進行深層（電極埋深為100m）、淺層（電極埋深為6m）、深層與淺層電極互換、垂直觀測，以及與常規觀測進行的并行觀測。

3.1 常規觀測

地電阻率的變化對介質應變狀態有靈敏響應，而且地電阻率的觀測數據無須作復雜的數學處理，僅通過直觀的形態變化就可發現異常（趙和云，1994）。例1：2013年4月20日四川蘆山MS7.0級地震震中距離天水地電臺540km，地震前11天即4月9日天水井下地電阻率北南測道、東西測道和北西測道測值出現準同步異常，異常形態表現為上下波動，震前2天波動更為明顯；北南測道正常觀測值為4.98±0.01Ω·m，震前變幅為±0.03Ω·m，震前1天最大變幅達-0.06Ω·m；東西測道正常觀測值為7.05±0.01Ω·m，震前變幅為±0.03Ω·m，震前1天最大變幅達-0.04Ω·m；北西測道正常觀測值為7.5±0.1Ω·m，震前變幅為± 0.03Ω·m，震前3小時最大變幅達+0.29Ω·m；這種上下波動異常持續至5月4日才完全結束（見圖2）。例2：2013年7月22日甘肅岷縣MS6.6級地震震中距天水地電臺155km，地震前約40天天水井下地電阻率出現異常；東西測道6月11日開始出現異常、北南測道6月12日開始出現異常，異常形態和蘆山地震前的形態相似，表現為明顯的波動變化，但幅度沒有蘆山地震前大；東西測道異常時段波動變化幅度為±0.03Ω·m；北南測道異常時段波動變化幅度為±0.02Ω·m；北西測道地電阻率異常不是十分明顯（見圖2）。

圖2 2013年天水地電阻率整點值曲線Fig.2 Curves of geo-resistivity at Tianshui station in 2013

Brace（1975）通過實驗表明，在低應力下不飽和巖層的電阻率隨壓應力的增加而下降，而飽和巖層的電阻率上升。肖武軍等（2009）研究了9次7級以上大震發生前地電阻率觀測資料異常特征后認為，地電阻率異常形態以負異常為主，在極值附近或轉折恢復過程中發生地震。而天水井下地電阻率異常表現出的既不是上升，也不是下降異常，而是波動異常。

3.2 實驗觀測

本文選取2012—2013年觀測資料作為研究對象，通過對不同測道、不同觀測方式的觀測資料進行對比研究，分析各觀測方式的優劣。東西、北南、北西向各測道可按不同觀測方式分別進行淺層觀測、深層觀測、上供下測、下供上測、上AB供下AB測、下AB供上AB測以及垂直觀測，共18測道；另進行垂直觀測以及系統驗證觀測；共計20測道，如圖3所示。其中，淺層觀測是指圖1中各井電極埋深為6m的水平觀測；深層觀測是指電極埋深為100m的水平觀測；上供下測是指淺層兩端電極供電，深層中間兩極測量；下供上測是指深層兩端電極供電，淺層中間兩極測量；上AB供下AB測是指淺層兩端電極供電，深層兩端電極測量；下AB供上AB測是指深層兩端電極供電，淺層兩端電極測量；垂直觀測是指圖1中8號井供電極埋深分別為100m、4m，測量極埋深分別為68m、36m進行觀測；驗證觀測是指由2個20Ω和1個0.01Ω電阻組成標準負載對觀測系統進行驗證。

通過對所有測道數據進行對比分析，可以看出淺層觀測地電阻率變化幅度大，且表現出明顯的年變化形態（圖3中的a1—c1）；深層觀測地電阻率變化幅度較小，無年動態變化（圖3中的a2—c2）；上供下測地電阻率變化幅度小，曲線形態和淺層觀測正好相反（圖3中的a3—c3）；下供上測變化幅度較小，年動態變化不明顯（圖3中的a4—c4）；上AB供下AB測變化幅度較大，無年動態變化（圖3中的a5—c5）；下AB供上AB測變化幅度較小，變化形態和上供下測相似（圖3中的a6—c6）；垂直觀測變化幅度也較小，變化形態與淺層觀測相反（圖3d）；驗證系統地電阻率變化幅度在±0.02Ω·m內（圖3e），說明觀測系統正常。從圖中還可看出，蘆山MS7.0級和岷縣MS6.6級兩次地震前，實驗觀測多數資料異常不顯著。各測道觀測資料變化幅度和變化率可以反映出觀測資料的穩定性，2013年天水井下地電阻率變化幅度和變化率如表1所示。

表1 2013年天水多極距地電阻率觀測變化幅度Table 1 The change of multi-separation array geo-electrical resistivity observation at Tianshui station in 2013

續表

4 地電阻率觀測資料干擾分析

我國地電阻率觀測主要以地面觀測（指電極埋深在2m左右）為主，電纜線主要采用架空方式，這種觀測容易受到雷電、降雨、氣溫、高壓直流電、外線路漏電，或測區附近用電設備漏電、農田灌溉、車輛及輕軌、建設施工、大風干擾等影響（聶永安等，2010；劉允秀等，1999；杜學彬等，2008；王燚坤等，2011）。通過近3年的觀測，筆者發現天水井下地電阻率觀測受氣溫、大風等影響較小，但在觀測過程中也發現了降雨、雷電和觀測系統故障對觀測資料的影響，這些發現對井下地電阻率觀測有非常重要的意義。

4.1 降雨影響

已有的研究表明，降雨是影響地面地電阻率觀測的主要因素之一，但井下地電阻率觀測影響因素的研究成果目前還比較少。自天水井下地電觀測系統正式運行以來，已經觀測到2013年由于降雨導致地電阻率日值明顯下降（圖4）。例如：2013年4月20日四川蘆山MS7.0級地震發生前，地電阻率日值出現了明顯的異常，該段時間天水地電測區幾乎沒有降雨，也沒有其他干擾，儀器工作正常，因此認為該異常為比較可信的前兆異常。6月19和20日測區幾公里外降雨量分別為38.2mm和114.8mm（圖4d），隨著雨水的滲入，地電阻率日值從19日開始持續下降，北南測道下降較快，呈現出臺階狀變化。7月8日降雨量為86.5mm，7月22日降雨量為85.0mm，從圖中可以看出降雨量與地電阻率變化對應關系非常好。但是后幾次地電阻率雖呈臺階下降，但降幅明顯比第一次小，筆者推測這可能是以下兩種原因造成的：一是使用的降雨量為距地電測區9km外模擬水氡組所測的降雨量，該降雨量可能與地電測區的略有偏差；二是2013年夏季降雨頻繁，且雨量明顯高于往年，這可能導致地下濕度接近飽和狀態，所以地電阻率變化幅度較小。隨著9月底雨季的結束，地電阻率測值緩慢恢復，呈上升趨勢。由此可以看出，暴雨對井下地電阻率觀測影響明顯，其主要特征是：觀測數據變化與降水時間比較同步，形態多為下降-緩慢上升，數據變化幅度與降雨量大小有一定的關系，短時間內降雨量多，則地電阻率下降幅度大，同時不同測向地電阻率測值也有區別。

圖4 2013年天水井下地電阻率及降水日值曲線Fig.4 Daily variation of rainfall and geo-resistivity at Tianshui station in 2013

從圖4中可以看出，2013年8—9月地電阻率有2次呈臺階狀變化（圖中方框所示），而此段時間有降雨，但降雨量不是很多，原因可能是前面所述即測區降雨量與9km外降雨量有所偏差，但從地電阻率曲線變化形態來看與前幾次降雨影響極為相似，因此筆者推測此段時間地電阻率變化是降水影響的可能性非常大。

4.2 雷電影響

雷電發生時，帶有電荷的雷云與地面的突起物接近時，它們之間就會產生激烈的放電，從而改變區域電場的分布。當雷電離得很近，電壓很高，在放電的瞬間會引起地電觀測數據的大幅度改變，雷擊嚴重時還會燒毀儀器（王燚坤等，2011）。例如：2013年9月12日17時左右天水地電測區附近雷雨交加，17時天水井下地電阻率東西測道測值突升，北西測道測值突降（圖5），而北南測道測值無變化。地電阻率觀測順序分別為北南、東西、北西測道，因此筆者推斷在北南測道觀測結束后，東西測道、北西測道在雷雨過程中完成了觀測并記錄到了雷電的影響，其中，東西、北西測道變化幅度分別為3.84%和-0.53%。從觀測結果可以看出，雷電對測量結果影響非常明顯。

4.3 觀測系統影響

天水井下地電觀測系統運行以來一直較為穩定，但在2014年3月中下旬觀測過程中給儀器供電時，主用穩流源報警，改為備用穩流源配合觀測，4月1日重新整理線路，又改為主用穩流源觀測。從圖6（a）—圖6（c）觀測曲線來看，此段時間測值變化幅度較平時大（圖中方框所示），其形態與蘆山、岷縣地震前相似，改回主用穩流源后測值變化恢復了常態。另外，天水井下地電觀測系統與多極距儀器地電阻率并行觀測，從圖6（d）—圖6（f）多極距儀器觀測曲線來看，此段時間3個測道地電阻率變化非常穩定，因此筆者認為此段時間3個測道井下地電阻率測值明顯的波動變化是由于觀測系統不穩定引起的。

圖5 2013年9月天水井下地電阻率整點值曲線Fig.5 Curves of geo-resistivity at Tianshui station in September, 2013

圖6 天水井下地電阻率整點值曲線Fig.6 Curves of geo-resistivity at Tianshui station

5 結論和討論

（1）天水井下地電綜合觀測系統被命名為示范工程，筆者認為主要有以下三個方面的示范作用：一是環境干擾方面的示范，地電井下觀測是一個新興的項目，是地震觀測環境受到嚴重破壞時保證正常觀測的創新性嘗試，是解決地震觀測與經濟建設之間矛盾的有效途徑；二是映震能力方面的示范，近3年的觀測表明，井下地電阻率觀測不僅干擾小，而且能較好地反映地震孕育信息，在蘆山MS7.0、岷縣MS6.6級地震發生前，其表現出了明顯的短臨異常，異常形態表現為波動變化；三是科學研究方面的示范，井下地電觀測成本高，為了對資源更有效的利用，天水臺進行了地電阻率、地電場和地溫梯度觀測。同時，該觀測系統運行正常，所產出數據的內在質量符合觀測規范要求，具有較高的科學研究價值。

（2）天水井下地電阻率采用多種觀測方式，同場地進行地面水平觀測、井下水平觀測、地面與井下電極互換觀測。前兩種采用對稱四極觀測方法，在電磁環境較復雜的觀測場地，是地電阻率觀測較為常用的方法。地表與井下電極互換觀測是一種偶極觀測方式，有助于數據變化的可靠性分析。

（3）實驗觀測中的地面水平觀測、井下電極互換（或偶極互換）觀測測值比較穩定，但多數資料在蘆山和岷縣2次強震發生前，沒有異常或異常沒有井下水平常規觀測資料顯著。從常規觀測的整點值、日值以及實驗觀測的日值曲線可以明顯地看出，實驗觀測的日值在蘆山和岷縣2次地震發生前基本無異常出現，這可能與數據采樣率太低有關。對于實驗觀測資料進行相關研究，資料積累時間尚短，其觀測數據的分析應用還需要一個探索的過程，這一觀測方式為地震地電阻率的裝置建設提供了一種有益的嘗試和參考。

（4）本文探討了井下地電阻率前兆異常特征及干擾因素，天水井下綜合觀測系統屬于一個新興的項目，目前還處于探索階段，因此發現地電阻率干擾因素與前兆異常同樣重要。諸如弄清降水對地電阻率的影響及其變化形態，確認觀測系統故障對地電阻率的影響及其程度等。正確認識異常變化屬于前兆異常還是環境干擾或觀測系統干擾，對觀測資料的應用研究是非常重要的。尤其是在井下觀測系統目前還處于摸索階段，這對于觀測資料變化的正確識別是至關重要的。

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Ananlysis of Geoelctrical Resistivity Data from Underground Well at Tianshui Station

Yang Xingyue1,2), Wang Yan1,3), Zhang Lihong1,3), Zhang Qiaoli1,4)and Ye Yuanyuan1,5)

1) State Geophysics Observatory in Lanzhou，Lanzhou 730000，China
2) Earthquake Administration of Gansu Province，Lanzhou 730000，China
3) Central Seismic Station of Tianshui，Earthquake Administration of Gansu Province，Tianshui 741020，China
4) Central Seismic Station of Jiayuguan，Earthquake Administration of Gansu Province，Jiayuguan 735100，China
5) Central Seismic Station of Longnan，Earthquake Administration of Gansu Province，Longnan 746000，China

This paper we briefly introduce the station-layout and the observing methods of the underground observational system at Tianshui seismic station at first. Then we conduct comparative study on the multiple geo-electric observational data from underground well. Our results of deep layer geo-resistivity data show obviously short-impending precursor information before Lushan MS7.0 and Minxian MS6.6 earthquake，whereas other observation systems did not show particularly remarkable short impending anomalies. Finally, we discuss the influence of seasonal rainfall，lightning and observational system on the deep geo-resistivity observation. Compared with the traditional geo-resistivity observation, we find that the underground observational system can effectively reduce the interference, increase the signal to noise ratio, and ease the contradiction between geo-electrical observation and economical construction.

Geoelctrical resistivity；Underground observation；Lushan earthquake；Minxian earthquake；Anomaly

甘肅省地震局地震科技發展基金（2014Y02）與中國地震局“三結合”課題（142801）聯合資助

2014-06-28

楊興悅，男，生于1981年。工程師。主要從事地震監測質量管理與資料應用研究工作。E-mail：yxy-wy@163.com