平涼崆峒臺井下地電阻率觀測數據分析研究

趙 斐，張遠富，李旭升

(甘肅省地震局平涼中心地震臺，甘肅 平涼 744000)

平涼崆峒臺井下地電阻率觀測數據分析研究

趙 斐，張遠富，李旭升

(甘肅省地震局平涼中心地震臺，甘肅 平涼 744000)

簡要介紹甘肅平涼崆峒臺井下地電阻率觀測的地質構造背景、場地布設、觀測方式等基本情況，通過對井下水平與垂直觀測數據曲線的動態變化、觀測精度等對比分析得出，井下地電阻率觀測年變化與地表有較大的差別，井下觀測大大削弱了年變幅度；垂直觀測較水平觀測數據變化平穩、年變幅度較低；井下觀測系統能減少干擾，提高信噪比，緩解地電觀測與經濟建設的矛盾，可作為地電觀測方式的新探索。

井下地電阻率；水平觀測；垂直觀測

0 引言

從1966年邢臺地震后，我國開始開展地電阻率觀測，至今已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很大發展，在國內外地震電磁學領域占有一定地位[1]。目前，我國地電阻率觀測的地表定點臺站多采用對稱四極電阻率觀測裝置，兩個供電電極和兩個測量電極排列在一條直線上，并對稱于中心點。臺站通常布設2～3個方向的測線，即NS、EW及NE或NW[2]。供電電極和測量電極埋深一般在地下2 m左右，供電極距一般在1 000 m左右[3]。地表地電阻率觀測在固定臺站的地表進行，易受金屬管線、管網、城市軌道交通、超高壓輸電線路、地表雜散電流等干擾，影響觀測結果。近年來，占地面積大的地表地電阻率觀測方式又遇到地表環境影響的問題。因此，井下地電阻率觀測成為目前的發展方向之一[4]。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觀測結果的影響，還能提高地電阻率對基巖電阻率變化響應的靈敏度。井下地電阻率觀測是將原先埋在地表的電極裝置深埋在地下一定深度，在地下水平向開展對稱四極的地電阻率觀測，以及垂直方向(同一井下電極埋深高度不同)的地電阻率觀測。這種觀測方式不但能有效抑制地表干擾對地電阻率觀測的影響，且能有效化解地震觀測環境保護與當地經濟和社會發展之間的矛盾[5]。

平涼崆峒臺地電阻率自1997年正式觀測以來，資料連續可靠。近幾年，隨著觀測環境遭到不同程度的破壞，資料受干擾情況明顯，為避免受較大的干擾，經專家多次論證，決定在崆峒臺原址采用井下地電阻率觀測方案[6]。該項目同時設計地電阻率和地溫梯度的綜合觀測。目前，地震井下觀測方式還未得到廣泛公認，因此，有必要對崆峒臺井下地電阻率觀測資料進行分析，為井下地電觀測的開展提供借鑒。

1 測區地質構造背景和測區規劃

崆峒臺位于平涼市崆峒區崆峒鄉政府所在地寨子街的西側，距市區約11 km。地質構造上位于南北地震帶北段南部、六盤山斷陷帶東麓大斷裂的東側，即隴西旋卷構造系向南收斂的區域。測區海拔1 357 m，年均濕度58%，年均氣溫16 ℃。

據1996年5月甘肅省地震局《平涼地電臺新址論證技術報告》，地電臺地下電性結構如表1所示。

表1 平涼崆峒地電臺地下電性結構表Table 1 The electrical structure of Kongtong geoelectric station in Pingliang

崆峒臺布極呈“」”形，南北向、東西向分布。南北向井孔間距150 m，東西向井孔間距80 m，共7口井。井孔位置及分布如第35頁圖1所示。

圖1 井孔位置及分布圖Fig.1 The position and distribution of observation hole

2 觀測系統介紹

井下地電阻率觀測與地表相同，均采用四極對稱觀測，將供電與測量電極全部放入深井中，按一定的極距布設電極[7]。崆峒井下多極距電阻率觀測系統采用地表與井下多種觀測方式，包括淺層水平觀測(地下2 m深度)1道,地下40 m水平觀測2道,地下60 m、80 m水平觀測各1道,地下100 m水平觀測2道、垂直觀測6道和驗證測量系統1道，共計14個測道。深層和淺層電極埋設深度分別為160 m和2 m。NS向供電極距450 m，測量極距150 m；EW向供電極距240 m，測量極距80 m。對1、2、3和4號井進行垂直觀測，1、2、3號井的供電極深60 m、測量極深20 m；4號井供電極深分別為113 m、60 m，測量極深分別為37.7 m、20 m。電極布設情況如第36頁圖2所示。

3 地表觀測與井下觀測數據對比

3.1 地電阻率相對均方差

第36頁表2為崆峒臺地表與井下地電阻率同時段各測向年相對均方根誤差對比，選取2014年1月1日至2015年12月31日的觀測數據，在此時段，以臺站為中心300 km范圍內無5級以上地震發生。

從表2看出,井下水平NS、EW測道和垂直各測向年相對均方差均小于地表測道，說明井下觀測精度高于地表觀測；無論是地表觀測，還是井下水平、垂直各測向，年相對均方差值都非常低，原因是崆峒臺位于農田保護區內，地勢平坦，測區周圍地形開闊，環境穩定，干擾小。

圖2 電極布極示意圖Fig.2 The electric pole distribution

表2 地表與井下地電阻率觀測年相對均方差對比表Table 2 The comparison of annual relative mean square deviation between surface and down-hole earth resistivity observation data

3.2 井下地電阻率水平觀測變化分析

為比較井下與地表地電阻率觀測的差異，選取2014—2015年兩者同時段的觀測曲線進行對比分析。

水平觀測EW測道供電極距為240 m,測量極距為80 m；NS測道的分別為450 m、150 m。最淺電極離地表2 m，最深100 m。由第37頁圖3a及表3看出，地表觀測EW測道較井下40 m、100 m而言，測值變化范圍大(7.23～13.82 Ω·m)，井下觀測范圍小(0.17～0.30 Ω·m)；地表觀測年變幅7.88%，井下觀測為0.55%，說明井下觀測數據較地表變化平穩，突跳點較少。3個測道變化形態基本一致，呈夏低東高的年變形態。從圖3b及表3看出,4個井下水平觀測NS測道變化形態基本一致，呈夏低東高的年變形態，測值變化范圍小(0.35～0.50 Ω·m)，年變范圍基本相當，說明井下觀測測值變化平穩，年變幅小；地表觀測易受各種因素的干擾，數據波動幅度大，年變幅度大。此外，水平測道EW、NS 2015年測值整體水平高于2014年，原因是2014年井下觀測系統處于試運行階段，觀測裝置未達到穩定狀態。除地表測道外，水平觀測NS測道年均變化幅度要高于EW測道，原因是NS測道供電、測量極距均大于EW測道。2015年1、2、10月地電阻率測值出現三處單點突跳，主要原因是冬季觀測室氣溫較低，穩流電源工作性能降低所致(見圖3)。

3.3 井下地電阻率垂直觀測變化分析

崆峒臺井下地電阻率垂直觀測采用四極對稱，將供電與測量電極全部放入同一井中，電極埋深不同且處于不同的地層。相關研究表明，地電阻率垂直觀測由于電流能較遠傳輸，并穿過不同的地層，因此測量范圍更廣，同樣觀測到的是全空間綜合視電阻率，對地表的干擾有較好的抑制[8]。孔1—孔4垂直及孔4底部垂直觀測供電極距為60 m,測量極距為20 m，孔4長極距垂直觀測的供電極距為113 m,測量極距為37.7 m。由第38頁圖4及表4看出，6個垂直觀測測值無明顯年變形態，曲線整體呈逐年緩慢上升的態勢。除孔3外，其他5個垂直觀測變化形態基本一致，年變幅基本相當。孔3年變幅高于其他5個垂直測道近一倍左右，原因是2015年初連接孔3測量極的接頭出現松動，造成干擾所致。由圖4看出，孔4井的三種測量方式中，長極距垂直測道較其他兩種的年變形態明顯，原因在于其測量和供電極距均大于其他兩種方式。

圖3 崆峒臺井下地電阻率水平觀測日均值曲線Fig.3 Daily mean value of down-hole earth resistivity horizontal observation at Kongtong seismic station

表3 2014—2015年崆峒臺井下地電阻率水平觀測變化幅度Table 3 The down-hole earth resistivity horizontal observation data change range at Kongtong seismic station from 2014 to 2015

井下垂直與水平觀測相比較，垂直觀測的6個測道年平均變幅為0.46%，水平觀測(地表觀測除外)的為0.65%。說明井下垂直觀測較水平觀測數據變化平穩，年變形態不明顯，年變幅低。

3.4 雷電及降雨對井下地電阻率觀測的影響

崆峒臺氣象三要素儀器架設于2014年11月，選取2015—2016年的觀測數據進行分析。平涼地處黃土高原，丘陵溝壑地形居多，全年降水較少，雷電集中在6—9月。崆峒臺井下地電阻率外線路采用地埋方式，自觀測以來未發生過雷電干擾事件，可有效屏蔽雷電對測值的影響。

圖4 崆峒臺井下地電阻率垂直觀測日均值曲線Fig.4 Daily mean value of down-hole earth resistivity vertical observation at Kongtong seismic station

由圖5看出，短時降雨對井下地電阻率測值未構成明顯的影響，隨著累計降雨的增加，測值呈緩慢下降態勢。累計降雨是通過地下水位的變化引起地電阻率測值的改變。臺站無地下水位輔助測項，不能作直觀分析，與地表觀測方式相比，井下觀測有效避免了降雨時外線漏電、地表滲漏造成的測值突跳和階躍變化。

圖5 2015—2016年崆峒臺井下100 m地電阻率水平觀測及降雨量日均值曲線Fig.5 The down-hole 100m earth resistivity horizontal observation data at Kongtong seismic station and daily mean value of rainfall from 2015 to 2016

4 結論

(1) 崆峒臺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、井下水平和垂直觀測。前兩種采用對稱四極法，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。井下垂直觀測是一種偶極觀測方式，有助于數據變化的可靠性分析。

表4 2014—2015年崆峒臺井下地電阻率垂直觀測變化幅度Table 4 The down-hole earth resistivity vertical observation data change range at Kongtong seismic station from 2014 to 2015

(2) 井下和地表地電阻率兩種觀測裝置各有特點。在觀測精度上，井下觀測要高于地表；在抗干擾方面，特別是對布極區地表雜散電流類的干擾抑制能力較強，地表觀測日均值曲線突跳、階躍頻繁。在相同時段，同場地的井下觀測數據波動幅度小，突跳點相對較少，數據較平穩。

(3) 崆峒臺井下水平觀測數據不及垂直觀測平穩，水平觀測年變形態明顯、年變幅大于垂直觀測。

(4) 崆峒臺井下地電阻率觀測暫未表現出明顯的映震能力，這可能與數據采樣率低有關。由于臺站觀測資料積累時間尚短，數據的分析應用還需要一個探索的過程，但此觀測方式為地電阻率的裝置改進提供了一種嘗試和參考。

[1] 方煒.地電阻率各向異性度的動態演化與汶川地震孕育過程[J].地震地磁觀測與研究，2009,30(6):21-26.

[2] 錢家棟.地震電磁學理論基礎與觀測技術(試用本)[M].北京：地震出版社，2010:284-286.

[3] 中國地震局.地震標準匯編2009(第三冊)[M].北京：地震出版社，2009:811-828.

[4] 聶永安，巴振寧，聶 瑤.深埋電極的地電阻率觀測研究[J].地震學報，2010,32(1)：33-40.

[5] 解 滔,杜學彬,陳軍營,等.井下地電阻率觀測中地表電流干擾影響計算[J].地球物理學進展，2012，27(1)：112-121.

[6] 趙 斐,張遠富.平涼崆峒地電臺深井地電阻率觀測系統介紹及分析[J].高原地震,2015,27(2):41-47.

[7] 劉 君.地表與井下地電阻率觀測數據分析[J].地震,2015，35(1)：112-122.

[8] 王玉伍,蔡書海.垂向全空間地電阻率觀測的研究[J].華北地震科學,1989,32(1):91-97.

AnalysisofObservationDataofDown-holeEarthResistivityatKongtongSeismicStationinPingliang

ZHAOFei,ZHANGYuan-fu,LIXu-sheng

(PingliangCentralSeismologicalStationofGansuEarthquakeAgency,Pingliang,Gansu744000,China)

The geological structure background, site layout and observation mode of down-hole earth resistivity observation system of Kongtong seismic station are briefly introduced. Through the comparative analysis on the curve dynamic change and observation precision of down-hole horizontal and vertical data, it finds that the down-hole earth resistivity observation data's annual variation is different from that of surface, and the down-hole observation data greatly weakens the annual variation range. The vertical observation data is more smooth and its annual variation is smaller than that of horizontal observation data. The down-hole observation system can reduce the interference, improve the signal-to-noise ratio, and alleviate the contradiction between geoelectric observation and economic construction, so it may be a new way of geoelectric observation.

Down-hole earth resistivity; Horizontal observation; Vertical observation

1000-6265(2017)03-0034-06

2016-03-31

趙 斐(1982— ),男，甘肅省平涼人。2005年畢業于蘭州交通大學，工程師。

P315.73

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