隴南漢王地電阻率井中不同觀測方式的實驗分析

醴武權 高曙德 楊義煊 馬 蘭 閆 勛

1 甘肅省地震局，蘭州市東崗西路450號，730000

直流地電阻率觀測由物探直流人工場源電阻率法借鑒而來，以研究巖石、礦石等地下介質電磁學、電化學性質為基礎，分析震源及附近區域溫度、濕度、壓力等條件的改變導致地下介質電阻率隨之發生變化的規律，提取地震前兆信息[1-2]。

隨著城市快速發展，隴南漢王地電觀測場地受到各種干擾，難以滿足地表地電阻率觀測要求。為解決地電觀測與當地經濟建設用地的矛盾，最大限度減少地電觀測人文干擾，提高地電觀測數據質量，推廣應用井下(井中)地震觀測技術[3]。2015年隴南漢王地電阻率由地表觀測改為井中垂直觀測，其觀測方式將井孔中距地表5 m和井下最底層作為供電極，將井中中間電極作為測量電極。由于近年觀測場地受地表環境干擾較為嚴重，本文重新組合觀測裝置，舍棄地表5 m電極，采用井中中間電極替代并進行觀測實驗。本文主要介紹實驗內容及方法，并對實驗結果進行對比分析。

1 井下地電阻率觀測方法原理

地電阻率通過地下A、B電極向大地提供穩定的直流電流I，通過獲取電位差ΔV計算電阻率ρs：

漢王地電阻率測區電磁環境復雜，布極方式采取非對稱法。根據點電源法，物質中電荷運移方向為非直線電流束時，同樣可通過MN獲取供電電位差ΔV，計算得到電阻率ρs。該布極方法限于測區空間較小的臺站，適用于短極距觀測，需確保MN獲取的供電電位差為AB供電時產生的電位差，或可稱為非對稱四極法。根據MN測量極與供電極的相對位置，具體可分為3種情況(圖1)：1)所有電極在一條直線上；2)某一個測量極與供電極在一條直線上；3)2個測量極均未與供電極在同一條直線上。

圖1 地電阻率多種垂直四極觀測

2 隴南漢王井下觀測系統介紹

2.1 觀測環境

隴南漢王地電阻率臺位于碧口地塊西北側、松潘-甘孜地塊東部及隴西盆地南面，地處南北地震帶天水-武都-文縣段，附近4 km內有左旋逆沖性質的迭部-白龍江斷裂，西北有光蓋山-迭山北麓斷裂，東南13 km處有哈南-青山灣-稻畦子斷裂，屬于秦嶺構造帶轉折地帶，1879年武都南M8.0地震就發生在該臺站附近。漢王地電阻率測區地形北高南低、西高東低，北靠山、南鄰白龍江，由于風化及雨水作用，大量碎石和沙土瘀塞河道，形成沖洪積扇覆蓋物，表層為碎礫石沙土，下伏為中上志留系碳硅質板巖、黃鐵礦片巖及磁黃鐵互層，測區位于磁異常區附近。

2.2 觀測裝置布設

漢王地電阻率觀測儀器為ZD8MI地電儀，共鉆8孔井作為觀測使用，呈倒“4”字布極，最小井間距為18.2 m，最大井間距為96 m(圖2)，觀測線路及電極均采用地埋方式，接地良好，外線路采用屏蔽絕緣銅線。布極共分為淺層5 m、中層62 m和深層155 m，其中主井孔7號井最深為225 m，其他7孔井均為155 m(表1)。電極1～19號為JX-2010型地電井下觀測專用電極，中層電極20～22號原為垂直電場測項電極，電極規格近似于JX-2010型深井專用電極，適宜深井使用。

圖2 漢王深井電極布設

表1 井孔號、電極序號、電極距地表距離、電極接電阻和線路絕緣度測量表

3 井下地電阻率原測道資料分析

由于測區深層處于低阻層，視電阻率均為0.01～0.04 Ω·m，不適用于地震地電阻率觀測；淺層測量極與供電極均在地表較近，受測區環境干擾嚴重，對于提取地震異常信息有極大難度，因此原測道采取垂直觀測。選取2016～2021年漢王井下地電阻率日均值進行對比分析，原測道布極參數見表2。從圖3可以看出，井下地電阻率3道觀測值曲線變化形態相似，均表現為冬高夏低的季節性變化形態，但NE測道與NS、EW測道變化幅度不一致，NE測道變化幅度明顯高于其他2個測道。結果表明，觀測資料變化幅度及年動態變化與電極埋深和極距大小有關，漢王臺電測深曲線為AQ型曲線，在正常動態下井下3測道變化范圍分別為±0.5 Ω·m、±0.5 Ω·m和±0.7 Ω·m。

圖3 漢王深井年變化及兩水5 d降雨量

由于觀測方式為垂向觀測，漢王深井地電阻率的干擾因素十分復雜，影響測值變化的不僅有即時效應，隨著雨水下滲、擴散及外圍地區的補給匯集等過程，還存在一定的時間滯后效應。為探討降雨對地電阻率的影響，選取日降雨量5 d累加值。通過分析發現，降雨量大于30 mm時測道淺層井孔6垂向、淺層井孔7垂向出現臺階式下降，淺層垂直平行測道出現急速下降；降雨量大于20 mm時NE測道出現臺階式下降，降雨是導致觀測資料呈現冬高夏低形態的重要因素之一，同時不排除溫度、壓力等因素的影響。

為剔除觀測資料中年變成分和其他周期成份，選用漢王地電阻率2015-06～2020-06數據進行傅氏滑動計算。NW、WE測道原始曲線年變明顯，采用傅氏滑動方法處理后效果較好(圖4)。從圖中明顯看出，2016-06～2018-12數據持續上升，分別從29.9 Ω·m上升至31.5 Ω·m、24.0 Ω·m上升至25.6 Ω·m；2018-12～2020-06數據持續下降。2017-08之后數據上升幅度明顯加速，可能與2017-07-17四川青川MS4.9地震、2017-08-08四川九寨溝MS7.0地震有關；2018-03數據上升幅度變緩，2018-09-12陜西寧強縣發生MS5.3地震；2019-08數據出現下降，2019-10-28甘肅夏河縣發生MS5.7地震。

圖4 漢王臺NW、WE測道日均值曲線和傅氏滑動曲線

4 實驗測道數據變化特征

4.1 實驗測道與原測道對比

正常觀測入庫的數據為井孔6和井孔7，均為垂直觀測，但部分電極仍采用埋設距離地面5 m的電極。為抑制干擾，現放棄井孔6和井孔7中埋深5 m的2個電極(電極6和電極7)，啟用中層電極與深層電極(井孔2中電極12、20，井孔3中電極13、21，井孔6中電極16、22)構建相對于原測道極距較短的3個垂向測道，同時利用最遠的4個井孔及中間電極增設2個長極距測道，即利用中間電極增加5個分量的垂向觀測進行對比分析(表2)。

表2 測項名稱、測道、電極序號和裝置系數

漢王測站不同觀測實驗以是否使用距離地表5 m的電極分為2種觀測方式，分別為淺層觀測和中層觀測，圖5(a)～5(c)及5(h)為中層觀測，圖5(d)～5(f)及5(g)為淺層觀測；根據供電與測量是否在同一條直線或同一側可分為3種情況，a、b、d、g不在同一側，c、f、h在同一側，e在同一條直線上(圖5)。

圖5 2019-12～2020-08漢王臺地電阻率日均值及兩水降雨量

相對于中層而言，淺層觀測方式受降雨干擾較大，不易提取地震前兆信息；而深層觀測方式能更好地屏蔽外界環境干擾，可反映來自地球深部的電磁信息變化。長極距NS與長極距EW45°測道觀測數據在降雨時并未像短極距出現階梯式下降，而是勻速下降，可反映大動態長趨勢變化。

4.2 觀測精度對比分析

當月精度計算公式可表示為：

表3 2020-12～2021-08漢王臺地電阻率觀測精度

研究結果表明，當供電電極或測量電極距離地表5 m且供電電極與測量電極在同一直線上時，觀測數據精度優于測量電極與供電電極不在同一直線的情況。原因可能為該布極方式類似于將地表四極對稱裝置豎直布設，獲取的電位差更接近地下A、B電極向大地提供的電位差ΔV，更有利于捕獲震源區及附近區域應力變化。

4.3 不同觀測層受降雨干擾分析

相對于淺層觀測，中層觀測雖均為井下觀測，但極距變小，距離地表更遠。為統計降雨量與地電阻率在不同觀測層的關系，選取降雨開始前3 h的整點值均值作為降雨前高值，降雨結束后轉折點整點值作為降雨后低值，兩者差值即為降雨過程對地電阻率的即時影響幅度[4]。從圖6可以看出，相對于淺層觀測方式，中層觀測受降雨干擾明顯減弱，屏蔽自然干擾的能力更強。

圖6 不同觀測層受降雨干擾幅度

5 結 語

井下中層觀測方式在極距縮小、距離地面更遠時能有效抑制測區離散電流對觀測的影響，提高觀測數據信噪比，并能有效抑制測區電性異常體產生的干擾，保障數據的長期穩定性[5]。中層地電阻率抗干擾能力較強，特別是外界環境干擾，如降雨會對淺層地電阻率觀測數據產生明顯干擾；而中層地電阻率觀測數據曲線波動幅度較小，數據相對平穩。傅氏滑動方法去除觀測資料中年變成分和其他周期成分效果明顯，有利于提取地震異常信息。