小極距井下地電阻率觀測數據質量淺析

王 曉 葉 青 余 丹 陶志剛 范 曄 劉高川

（中國北京100045 中國地震臺網中心）

0 引言

2022 年北京冬季奧運會舉辦地——北京及河北張家口地區地震活動頻繁，周邊地電臺在中強地震前多次觀測到明顯異常，如：1978 年唐山MS7.8 地震前，昌黎、寶坻、唐山等地電臺地電阻率出現下降變化（趙玉林等，1978）；1998 年張北MS6.2 地震前，河北陽原臺、山西大同臺地電觀測出現異常（張學民等，2000）；2020 年7 月12 日唐山MS5.1 地震前，通州臺井下地電阻率出現變化（解滔等，2020）。及時準確地把握冬奧場館及周邊地區的震情，是冬奧會召開期間震情保障工作的重點。

冬奧會保障晉冀蒙監測能力提升項目依托現有地電臺網，在北京及晉冀蒙交界區域選取映震能力較好的平谷、通州、陽原、大同、代縣、臨汾、寶昌、和林格爾等8 個地電阻率觀測臺站，建設小極距井下地電阻率觀測站（肖武軍等，2019a），對其觀測系統、基礎設施和觀測設備進行技術升級改造（肖武軍等，2019b），全面提升該區域地電阻率測項的地震監測能力。

1 臺站概況

研究區8 個新建小極距井下地電阻率臺站均配備：ZD8MI 型號地電阻率觀測儀（原中國地震局地殼應力研究所研制生產）、鉛質圓筒電極、井下地電阻率專用電纜，電極采用三角形布設（3 個水平測向和一個垂直測向），以保障井下地電阻率觀測裝置的長期穩定性（肖武軍等，2020）。臺站供電極距均小于100 m，其中寶昌臺NS 測道供電極距最小，供電極距60 m，最大為平谷新址，供電極距90 m。測量極距均在AB/5—AB/3 范圍內，電極埋深50—150 m，供電極距普遍小于電極埋深。相對同臺地表地電阻率觀測，井下地電阻率觀測系統外負載降低，在供電電流相同條件下，可有效增加測量電極之間的電位差，提高觀測數據信噪比（解滔等，2019）。小極距井下地電阻率觀測站（點）電極布設統計結果見表1。

表1 小極距井下地電阻率觀測站（點）的極距布設統計Table1 Statistics of electrode spacing layout of short-electrode spacing well geo-electrical resistivity observation stations (sites)

2 質量控制指標分析

選取2021 年9—11 月8 個小極距井下及同場地地表地電阻率站（點）觀測數據，針對相對均方差、日精度、月精度、月離散度、曲線動態等質量控制指標展開分析，研究小極距井下地電阻率觀測數據質量。

（1）相對均方差。相對均方差是地電阻率數據質量控制的基本指標之一，用來評價地電阻率觀測的噪聲水平，數值越小，噪聲水平越低，基本要求為該指標至少要小于等于0.3%，計算公式如下

式中，N為臺站測道數，D為當月天數，H為一天中小時觀測數據個數；(σn)kji是當月第j測道、第i天、第k小時地電阻率測值均方差，(ρs)kji是當月第j測道、第i天、第k小時地電阻率時測值。

計算得到2021 年9—11 月井下及同場地地表地電阻率觀測站（點）觀測數據的相對均方差，對比結果見表2，可知小極距井下觀測站（點）相對均方差均符合≤0.3%的觀測要求，且普遍小于地表觀測數據相對均方差。

表2 小極距井下及同場地地表地電阻率觀測數據相對均方差統計（數據統計時段2021 年9 月—11 月）Table 2 The relative mean square error statistics of the short-electrode spacing well geo-electrical resistivity and the surface resistivity at the same site (data period is from September to November,2021)

（2）日精度。日精度是表征地電阻率一天內小時值變化動態的相對均方差指標，日精度越小，表明數據越穩定，其計算方法為

式中：n為一天中的小時數，n=24；ρs日為地電阻率日均值，日σ為日均值的均方差，圖1 展示了8 個小極距井下地電阻率觀測站（點）2021 年9—11 月的日精度變化曲線，總體上看，各臺站數據日精度均符合要求，尤其是平谷臺、通州子臺、和林格爾3 個臺站，日精度均小于0.03%，說明數據曲線形態穩定，觀測數據精度較高。

圖1 小極距井下地電阻率觀測的日精度變化曲線（數據時段為2021 年9—11 月）Fig.1 The daily accuracy variation curve of the short-electrode spacing well geo-electrical resistivity (data period is from September to November,2021)

（3）月精度。月精度為日精度的月均值，用以描述數據整月的變化形態，月精度越小，表明數據動態越穩定。計算2021 年9—11 月8 個小極距井下及同場地地表地電阻率觀測站（點）的數據月精度，統計結果見表3，可見井下觀測數據月精度均符合觀測要求，且普遍小于地表觀測數據月精度，說明井下觀測數據更加穩定。

表3 小極距井下及同場地地表地電阻率觀測的月精度統計（數據時段2021 年9—11 月）Table 3 The monthly accuracy statistics of the short-electrode spacing well geo-electrical resistivity and the surface resistivity at the same site (data period is from September to November,2021)

（4）月離散度。月離散度是描述觀測數據整個月變化形態的離散程度，為地電阻率1個月內日值數據的均方差。月離散度越小，表明數據質量越高，計算公式如下

式中，n為1 個月的天數，為電阻率日均值，為日均值的月均值。計算2021 年9—11 月8 個小極距井下及同場地地表地電阻率觀測站（點）的數據月離散度，統計結果見表4，可見除寶昌臺月離散度較高以外，其他臺站月離散度均較小，且均小于地表觀測數據的月離散度。

表4 小極距井下及同場地地表地電阻率觀測的月離散度統計（數據時段為2021 年9—11 月）Table 4 The monthly dispersion statistics of the short-electrode spacing well geo-electrical resistivity and the surface resistivity at the same site (data period is from September to November,2021)

由表2—表4 及圖1 可知，寶昌臺相對均方差、日精度、月精度和月離散度明顯高于其他臺站。該臺2021 年9—11 月井下地電阻率觀測數據曲線見圖2，可見數據日變化和臺階明顯，結合觀測日志和調研情況，認為造成以上變化的原因是，該區地下介質不均勻，同一方向供電電極和測量電極所處介質不同。

圖2 寶昌臺井下地電阻率觀測曲線（數據時段為2021 年9—11 月）Fig.2 Well geo-electrical resistivity observation curve of Baochang Seismic Station(data period is from September to November,2021)

（5）曲線動態。數據曲線動態可直觀顯現井下與地表地電阻率觀測的不同。統計各臺站井下及同場地地表地電阻率觀測數據相對于月均值的變化幅度，結果見表5，可見除寶昌臺因地下介質不均勻導致曲線動態波動較大之外，其余各臺變化幅度均低于0.15 Ω·m，百分比低于0.06%，遠小于電磁學科地電阻率觀測規范中要求的上限0.3%，觀測曲線動態變化平緩，觀測數據穩定。而且，同場地地表觀測數據相對于月均值的變化幅度普遍高于井下觀測，說明井下觀測可較好地抑制地表干擾，使得數據質量得以提升。

表5 小極距井下及同場地地表地電阻率觀測數據相對于日均值的變化幅度（數據時段為2021 年9—11 月）Table 5 The variation amplitude from the daily average of the short-electrode spacing well geo-electrical resistivity and the surface resistivity at the same site (data period is from September to November,2021)

3 映震能力

經冬奧保障項目所建井下地電阻率觀測站（點）運行時間較短，震例較少，目前僅通州臺在2020 年7 月12 日唐山古冶MS5.1 地震前觀測到異常（解滔等，2020）。

此次唐山古冶MS5.1 地震震中距通州小極距井下地電阻率觀測站約125 km。由該臺井下地電阻率觀測數據曲線（圖3）可見，地震發生前，EW 測道自2020 年2 月開始持續上升，上升幅度較小；NE 測道自同年4 月開始持續性下降，NW 測道同步下降，至6 月中旬，轉折上升；垂直測道1—4 月持續上升，后平穩變化，此次MS5.1 地震發生后，8 月開始下降變化。同時段同場地地表地電阻率觀測數據曲線見圖4，可見此次MS5.1 地震前，數據曲線無異常變化。各測道之間的各向異性變化（趙玉林等，1983；杜學彬等，2007）以及NW 測道下降—轉折—回升的變化趨勢，與多次地震前地電阻率的變化特征（趙玉林等，2001；汪志亮等，2002）相吻合。因此，結合通州臺震前地電阻率變化特征以及前人研究結果，認為該變化為唐山MS5.1 地震前兆異常的可能性較大，且相比于地表地電阻率觀測，井下地電阻率觀測對數據變化的敏銳度更高，對周邊震情監測效果更佳。

圖3 通州臺井下地電阻率觀測數據Fig.3 Well geo-electrical resistivity observation data of Tongzhou Seismic Station

圖4 通州臺地表地電阻率觀測數據Fig.4 Surface geo-electrical resistivity observation data of Tongzhou Seismic Station

4 結論

選取平谷、通州、寶昌等8 個小極距井下地電阻率站（點）2021 年9—11 月觀測數據進行質量分析，針對相對均方差、日精度、月精度、月離散度、曲線動態等質量控制指標，對比分析小極距井下及同場地地表地電阻率觀測數據質量。結果表明：

（1）小極距井下地電阻率站（點）運行穩定，數據質量較好，除寶昌臺因地下介質不均勻導致數據日變化特征明顯外，其余各臺站數據精度較高，曲線形態穩定，變化幅度較小，符合電磁學科地電阻率規范的觀測要求。

（2）小極距井下地電阻率觀測數據各項質量指標普遍優于同場地地表電阻率觀測，說明深埋電極可遠離地表干擾源，表明井下地電阻率抗干擾能力較強，特別是外界環境干擾。

（3）在2020 年7 月12 日唐山古冶MS5.1 地震前，通州臺井下地電阻率各測道數據變化明顯，存在各向異性，尤其是NW 測道下降—轉折—回升的變化趨勢，符合地電阻率觀測數據常見震前異常變化。而地表地電阻率未見變化，說明井下觀測可有效提高數據質量，對于數據變化的靈敏度更高，具備一定映震能力，可更好地服務于周邊地區后續震情跟蹤工作。

在本文撰寫過程中，各地電臺站提供了相應的井下地電阻率觀測數據，為本文系統分析提供數據支撐，在此表示感謝。