井下地電阻率觀測中布極參數的確定方法

毛先進 段煒 莊儒新 楊玲英 趙晉民

摘要：為壓制地電阻率淺層干擾、突出深部以地震預報為目的的有用信息，選取了小江斷裂中段一個場點作為實例，研究了井下地電阻率前兆觀測中確定電極埋深、電極間距等布極參數的方法。結果表明：選擇井下電阻率觀測布極參數時要考慮影響系數和探測深度2個主要因素，即地下潛水位面以上各地層的影響系數應遠小于深部各層，探測深度范圍內最底層（受孕震影響最大的層）的影響系數應遠大于其它各層，觀測系統的探測深度最好不小于已有震例指示的地電阻率觀測系統的探測深度。按照該方法選擇了所給場點的井下電阻率觀測布極參數，即電極埋深200m、供電極距1050m、測量極距350m，按對稱四極布置，可獲得最佳觀測效果。

關鍵詞：地電阻率觀測;布極參數確定方法;影響系數;探測深度

中圖分類號：P315.3文獻標識碼：A文章編號：1000-0666（2019）01-0096-06

0引言

在國內50余年的地電阻率前兆觀測中，1976年唐山7.8級、1988年瀾滄—耿馬7.6和7.2級、2008年汶川8.0級、2013年蘆山7.0級等多次大地震以及一些中強地震之前，震中區周圍300km范圍內的地電阻率資料都出現過中期異常變化，這表明地電阻率是一種比較可靠的地震前兆（趙玉林，錢復業，1978;錢家棟等，1985，2013;桂燮泰等，1989;葉青等，2005;張學明等，2009;Luetal，1999;錢復業等，1980，1987;顧功敘，1981;張國明等，2001;杜學彬，2010）。但由于地下淺層介質電阻率受季節變化的影響，數據變化具有多源性，實際工作中難以確定數據變化的真實原因，這可能是這些大震發生前未能做出短期或臨震預報的原因之一。因此尋求壓制與地震孕育無關的淺層變化（本文稱之為干擾）的觀測方法成為必然，井下地電阻率觀測是較為有效的方法之一。

近年來，我國陸續開展了井下地電阻率觀測的理論與試驗研究（王蘭煒等，2015），已有研究結果表明井下觀測優于傳統的地表觀測（張磊等，2015;髙曙德，2016），是一種有前景的觀測方法。目前國內開展了井下地電阻率觀測的臺站中，不同臺站的電極埋深和電極間距（簡稱為布極參數，用C表示，下同）有很大差別，觀測結果表明各臺站壓制淺層干擾的能力參差不齊。因此，如何確定布極參數有效壓制淺層干擾，從而有效獲取深部變化信息，是一個十分重要的問題。本文以小江斷裂中段附近一個場點為例，以有效壓制淺層干擾變化、獲取深部有用變化信息為目的，研究井下地電阻率觀測時最優布極參數的確定方法。

1最優布極參數確定原則

1.1影響系數

對于一維情形，假定地電阻率觀測區是水平層狀介質，共n層，第i層電阻率為ρi，層厚為hi（i=1，2，…，n），且假定底層的層厚無限大，即hi→∞。在地表或地下四極對稱裝置觀測到的視電阻率ρs既是地下各層電阻率和層厚的函數，同時也是布極參數的函數，即：

式中：C代表布極參數。

假定各層只是地電阻率發生變化，層厚保持不變。由式（1）可以得到：

式中：Si=ρiρsfρi，稱為影響系數，它是在給定的布極參數下，第i層地電阻率變化率對觀測值變化率的貢獻權系數，由介質電性參數和布極參數共同決定。

Seigel（1959）已證明影響系數之和等于1，某些層的影響系數之和增大，其余層的影響系數之和就會減小。由式（2）可見，通過控制影響系數在各層的分配就能壓制或突出某些層變化信息。近年來，關于水平層狀介質、點源在地下或地表時各層介質影響系數的計算方法已開展了逐步深入的研究（聶永安等，2009，2010;毛先進等，2014;解滔等，2016），為影響系數的計算打下了良好的基礎。

由于地下潛水位受大氣降雨、灌溉、抽水等因素影響而隨時間波動，因此潛水位面以上各層介質含水量隨之波動，這些地層的地電阻率也發生波動，使觀測到的視電阻率發生變化，因這種變化與地震孕育無關而稱之為干擾;數十年的地電阻率觀測資料表明這種波動大致具有一年周期，但波形并不規則（杜學彬等，2017），僅用數學手段并不能很好地消除其影響;從地電阻率觀測目的看，這些層位的影響系數越小越好。有關研究（毛先進等，2014;解滔等，2016）表明，隨著電極埋深（布極參數之一）的變化，各層影響系數并非單調變化，而是呈現起伏變化。在一定的電極間距下，電極埋設在一定深度范圍內時對淺層干擾具有放大作用，換言之，井下地電阻率觀測時布極參數須有所選擇。筆者認為，要達到有效壓制淺層干擾、有效獲取深部有用信息的目的，應當使“深部地層”的影響系數明顯大于易受干擾的淺部地層的影響系數。

1.2探測深度

直流電阻率觀測的依據是電流的體積效應，在井下觀測時，前述“深部地層”實際上是電流分布區域中靠下的部分，這一部分的深度多少合適，應該由其電阻率的變化能夠反映地震的孕育和發展過程并且能被觀測到來確定，因此涉及探測深度問題。

關于點源在地下或地表時的探測深度，我們采用趙和云和錢家棟（1982）給出的探測深度的定義，利用二維邊界積分方程法對幾種典型電阻率結構做初步研究，得到了關于探測深度的一些有益的認識（毛先進等，2017）。本文研究針對的是一維電性結構，因此采用相同的探測深度的定義，但點源電場的計算采用一維方法（葛為中，1994）。

我國（地表）直流地電阻率前兆觀測的供電極距一般為1000m，50余年的觀測經驗表明，這樣的觀測裝置其探測深度范圍內電阻率的變化是能夠反映大地震的孕育和發展過程，且能被觀測到的。對于這樣的裝置和較為常見的電阻率水平分層均勻結構，下伏低阻與下伏高阻結構探測深度分別約為550m與300m（毛先進等，2017），井下地電阻率觀測時最好不小于這樣的深度。同時，在電極埋深方面還應考慮建設成本和技術可行性。

2布極參數確定實例

2.1場點選擇

本文研究的場點位于小江斷裂帶中段西支附近（圖1）。小江斷裂帶北起巧家以北，南至建水東南，全長超過400km，其形成時代較早、發育歷史長，經歷過多期構造活動。新構造時期以來，該斷裂活動表現為強烈的左旋走滑運動以及兩側斷塊垂直差異活動，沿斷裂地震活動強烈。這些活動表明斷裂附近有利于構造應力積累，而應力積累過程中地下介質的變形會導致其電阻率發生變化，因此選擇在小江斷裂帶中段開展壓制淺層非震變化、有效獲取深部構造運動變化信息的井下地電阻率觀測方法研究是合適的。

2.2布極參數確定

通過電測深獲得場點的一維電阻率結構，見表1。該場點按電阻率分為6層，為下伏低阻結構，電測深測線方向為南北向。

該場點位于嵩明盆地，1～3層介質厚度之和為28.1m。根據參考場點附近多個巖土工程勘察報告，該場點地下潛水位隨季節變化，雨季0.2m，旱季不超過10m，因此干擾（潛水位變化對介質電阻率的影響）主要發生在1～3層，4～6層則不受影響。按照前述原則，確定布極參數時應使1～3層的影響系數之和盡量小，而4～6層影響系數之和則盡量大。

由于影響系數隨電極埋深的變化很復雜（毛先進等，2014;解滔等，2016），本文僅針對具體的電極埋深進行討論。

表2是電極埋深2m（我國大多數地面地電阻率觀測臺站的電極埋深）、不同電極間距條件下各層介質的影響系數和探測深度計算結果，其中AB，MN分別為供電極距與測量極距，Si（i=1，2，…，6）為1～6層介質影響系數。從表2可見，在8種大小不同的電極距中，1～3層介質（干擾層）的影響系數隨AB增大而減小;干擾層之下的4～6層介質的影響系數隨AB增大而增大，同時探測深度也隨AB增大而增大。當AB=150m時，1～3層介質的影響系數之和為0.9031，4～6層的為0.0967，前者是后者的9.3倍，觀測數據的變化主要反應1～3層介質的干擾;當AB=1200m時，1～3層介質的影響系數之和為0.0704，4～6層的為0.9293，后者是前者的13.2倍，對壓制1～3層的干擾變化很有利，而且探測深度達到579.6m。但由于4～6層的影響系數分別為0.5727，0.2424，0.1142，觀測系統對底界面埋深只有66.1m的第4層最敏感，而對其探測深度范圍內受孕震影響最大的第6層則不夠敏感;另外工業電磁干擾對地表觀測的影響是最大的。綜合來看，對于該場點，即使供電極距達到1200m，地表淺埋電極的觀測方式也難以達到地震前兆觀測的目的。

表3是電極埋深150m、不同電極間距條件下各層介質的影響系數和探測深度計算結果。從表中可見，在8種大小不同的電極距中，第1～3層介質（干擾層）的影響系數之和隨AB增大而增大，當AB=1200m時為0.0881，第4～6層介質的影響系數之和最小，為0.9117，后者是前者的10.3倍，對1～3層的干擾變化有較好的壓制能力;當AB=150m時，第1～3層介質的影響系數之和僅為0.002，第4～6層的為0.998，后者是前者的499.0倍，對壓制1～3層的干擾變化十分有利。

僅從影響系數看，表3中所有電極間距方案都可以考慮，然而不同方案的探測深度差異很大，當AB=150m時探測深度只有194.9m，遠達不到現有震例所指示的探測深度要求;只有最后2種方案達到探測深度不小于550m的要求。

表4是電極埋深200m、不同電極間距條件下各層介質的影響系數和探測深度計算結果。與表2類似，8種大小不同的電極距下1～3層介質的影響系數之和隨AB增大而增大，當AB=1200m時為0.0597，第4～6層介質的影響系數之和最大，為0.9401，后者是前者的15.7倍，對1～3層的干擾變化有良好的壓制能力;當AB=150m時，第1～3層介質的影響系數之和僅為0.0006，第4～6層的為0.9993，后者是前者的1665.5倍，對壓制來自于1～3層的干擾變化非常有利。

從影響系數看，表4中所有電極距方案都符合要求，然而不同方案的探測深度差異很大，當AB=150m時，第5層介質的影響系數達到0.8528，采用這種布極方案，其觀測數據主要反映第5層的變化，相應的探測深度只有240.6m，盡管電極埋深200m，依然達不到已有震例指示的探測深度要求。只有最后3種方案符合探測深度不小于550m的要求。

綜合表3，4來看，從達到有效壓制淺層非震干擾、獲取深部有用信息的觀測目的，建設成本以及技術可行性等方面綜合考慮，該場點可選擇埋深200m、供電極距1050m、測量極距350m的對稱四極布置方案（表4），此時電阻率受地下水位影響最大的1～3層介質影響系數之和為0.0566，4～6層影響系數之和為0.9432，后者為前者的16.7倍，有良好的壓制淺層干擾的能力，其探測深度為619.8m，完全滿足現有震例指示的地電阻率前兆觀測系統的探測深度要求，而且受孕震影響最大的第6層的影響系數達到0.7862，觀測數據的變化將能包含更多的有用信息。

3結論

壓制淺層干擾、有效獲取深部構造運動信息是包括地電阻率的所有地震前兆觀測的目的。本文以小江斷裂北段嵩明盆地內一個場點為例，計算并分析了不同布極參數條件下各層介質的影響系數及觀測系統探測深度變化情況，對采用不同布極參數時壓制淺層干擾、獲取深部介質電阻率變化信息的能力進行了分析，研究表明：

（1）對于給定的一維電阻率結構和不同布極參數的觀測系統，可以首先用影響系數和探測深度這2個指標預判觀測效果，然后通過選擇合適的布極參數達到最佳觀測效果。

（2）分析表明，在確定井下電阻率地震前兆觀測系統的布極參數時，首先應考慮影響系數分布，即地下潛水位面以上各地層的影響系數之和應遠小于深部各層影響系數之和，同時還應使最下層（受孕震影響最大的層）的影響系數遠大于其它各層的影響系數，其次要考慮觀測系統的探測深度，最好不小于過去50余年已有震例指示的探測深度要求。