馬世虎，王秋寧，王西平，趙 潔

（1.陜西省地震局寶雞地震臺(tái)，陜西 寶雞 721008；2.甘肅省地震局嘉峪關(guān)地震臺(tái)，甘肅 嘉峪關(guān) 735100）

0 引言

1976年唐山MS7.8地震、松潘－平武MS7.2地震和2008年四川汶川MS8.0大震以及其它一些中等地震前觀測(cè)到了顯著的地電阻率前兆變化［1－2］，證明了地電阻率觀測(cè)是地震監(jiān)測(cè)最有效的方法之一。我國現(xiàn)有七十余個(gè)固定地電阻臺(tái)站擔(dān)負(fù)著地震監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)任務(wù)，分布在18個(gè)?。ㄊ小^(qū)），基本覆蓋南北地震帶、大華北、東南沿海等人口稠密地區(qū)的地震活動(dòng)區(qū)／帶。觀測(cè)場(chǎng)地的環(huán)境條件、電性結(jié)構(gòu)條件變化會(huì)直接影響觀測(cè)結(jié)果。目前我國地電阻率臺(tái)站中相當(dāng)一部分臺(tái)站的布極區(qū)位于農(nóng)田、果園、草場(chǎng)等地表耕種區(qū)內(nèi)，場(chǎng)地內(nèi)的耕種、用水、用電等生產(chǎn)活動(dòng)往往會(huì)對(duì)地電阻率觀測(cè)結(jié)果造成不同程度的干擾和影響，如果測(cè)區(qū)內(nèi)有灌溉井，季節(jié)性抽水灌溉會(huì)對(duì)地電阻率觀測(cè)結(jié)果帶來一定影響［3］。為了研究抽水灌溉活動(dòng)對(duì)地電阻率觀測(cè)的影響，我們?cè)趯氹u臺(tái)地電阻率觀測(cè)場(chǎng)地內(nèi)進(jìn)行了機(jī)井抽水實(shí)驗(yàn)；同時(shí)開展了周邊大范圍內(nèi)抽水灌溉影響的調(diào)查與研究。本項(xiàng)實(shí)驗(yàn)有助于認(rèn)識(shí)地電阻率觀測(cè)環(huán)境影響。

1 地下水位與地電阻率的關(guān)系

地震的孕育、地下水變化和地電阻前兆變化三者之間具有一定的因果關(guān)系［4］。地震地電阻率觀測(cè)理論源自于電法勘探理論，地下介質(zhì)電阻率變化可以用阿契定律（Archie＇s law）來表述：

式中ρ表示介質(zhì)電阻率；α為無量綱系數(shù)；φ為介質(zhì)孔隙度；m為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，與介質(zhì)孔隙結(jié)構(gòu)有關(guān)，通常取值為1.3～1.9；ρW為孔隙水的電阻率；S為水飽和度；n為常數(shù)，與介質(zhì)有關(guān)，通常取值為2；文獻(xiàn)［5］給出了各向異性介質(zhì)中視電阻率變化ΔρS／ρS與飽和水裂隙電阻率ρf、骨架電阻率ρo（一般ρo／ρf）和裂隙率v之間的本構(gòu)關(guān)系：

式中ΔρS⊥／ρS⊥是垂直微裂隙優(yōu)勢(shì)走向方向的視電阻率變化，ΔρS‖／ρS‖是平行微裂隙優(yōu)勢(shì)走向方向的視電阻率變化［5］。根據(jù)式（2），低阻的地下水直接影響了地下介質(zhì)的視電阻率變化。

一般來說，地下水位升高（一般由降雨或灌溉引起）會(huì)造成觀測(cè)區(qū)表層電阻率減小，但是，由于地下介質(zhì)一般為多層結(jié)構(gòu)，表層電阻率對(duì)視電阻率的影響與觀測(cè)區(qū)的電性結(jié)構(gòu)有關(guān)。在表層電阻率下降時(shí)，視電阻率可能是增大的，也可能是減小的［6］。地下介質(zhì)中的水主要有承壓水和地表潛水。承壓水的變化一般反映的是儲(chǔ)水腔體應(yīng)力的變化（例如有固體潮變化），它不反映介質(zhì)含水量的變化，因此不會(huì)引起介質(zhì)電阻率的變化。地表潛水位的變化直接改變觀測(cè)區(qū)表層介質(zhì)電阻率。目前我國地電阻率觀測(cè)臺(tái)站的供電極距在1 000m左右、測(cè)量極距是供電極距的1／3左右，在這種觀測(cè)裝置下表層電阻率對(duì)視電阻率有一定的影響，大量抽取地表水可能造成地電阻率觀測(cè)數(shù)據(jù)變化［7］。

2 寶雞臺(tái)址條件

寶雞臺(tái)建于1995年10月，位于渭河?xùn)|西向斷裂與固關(guān)－縣功NW向斷裂的交匯部位，地電阻率觀測(cè)布極區(qū)在秦嶺北麓一級(jí)階地上，測(cè)區(qū)內(nèi)地勢(shì)較為平坦，布極區(qū)最大高差不超過2m，地下水位埋深在5m以內(nèi)。共布設(shè)三個(gè)測(cè)道，采用對(duì)稱四極觀測(cè)裝置，供電極距900m，測(cè)量極距300m（圖1）。臺(tái)址地下差異不大，各測(cè)道介質(zhì)電性參數(shù)大體相近，電測(cè)深曲線類型為KQQ型。

圖1 寶雞臺(tái)地電阻率觀測(cè)布極圖（點(diǎn)畫線為潛水位等值線）Fig.1 Sketch of Baoji geo－resistivity pole collocation.

3 短期抽水實(shí)驗(yàn)

在寶雞臺(tái)地電阻率測(cè)區(qū)內(nèi)選擇了三口灌溉井進(jìn)行抽水實(shí)驗(yàn)，分別位于 M1極北80m（1號(hào)井）、N1極北50m（2號(hào)井）和B1極北50m（3號(hào)井）。三口井深均為6m，井徑2m。采用口徑為4寸的潛水泵連續(xù)抽水，每口井的出水量為60m3／h。

實(shí)驗(yàn)共進(jìn)行四天，每天連續(xù)抽水10個(gè)小時(shí)。第一天在1號(hào)井內(nèi)抽水，所抽井水排向測(cè)區(qū)以外；第二天至第三天在1、2號(hào)井同時(shí)抽水，所抽井水向測(cè)區(qū)內(nèi)灌溉；第四天在3號(hào)井內(nèi)抽水，所抽井水向供電極附近灌溉。在抽水過程中每十分鐘記錄一次動(dòng)水位數(shù)據(jù)，用ZD8B地電儀每半小時(shí)觀測(cè)一次地電阻率。從測(cè)量數(shù)據(jù)來看，幾口井由于類型相同，抽水時(shí)水位變化情況基本一致：由于幾口井深度都較淺，井內(nèi)存水均系地表水，所以可以看到在一開始抽水時(shí)井水位迅速下降，20分鐘下降3m左右；之后降速趨緩，水位基本穩(wěn)定在5m左右（圖2）。

圖2 1號(hào)井抽水過程中的水位變化Fig.2 Curve of water level of No.1well in the pumping process.

為了分析抽水過程中周圍地下水位變化情況，在1號(hào)井西60m處找了一口井，每半小時(shí)測(cè)量一次水位。測(cè)量結(jié)果表明周圍地下水位隨抽水過程緩慢下降，平均每小時(shí)下降0.1m左右（圖3）。

圖3 抽水過程中的周圍地下水位變化Fig.3 Curve of groundwater level of surrounding area in the pumping process.

從地電阻率測(cè)量數(shù)據(jù)結(jié)果來看沒有明顯變化（圖4）。分析認(rèn)為局部短期抽水沒有產(chǎn)生影響的原因可能是：

（1）抽水區(qū)原來處于過飽和狀態(tài)，短期抽水土壤含水仍是處于飽和狀態(tài)，其電阻率沒有變化；

（2）短期局部抽水雖改變了基本區(qū)域的電阻率，但此局部區(qū)域與整個(gè)被觀測(cè)的勘探體相比影響太?。ㄟ@是地電阻率觀測(cè)與其他觀測(cè)方法相比的優(yōu)越性），因此電阻率觀測(cè)值變化不大。

圖4 寶雞臺(tái)2010年1月地電阻率整點(diǎn)值（三個(gè)測(cè)向）Fig.4 Hour＇s curves value of Baoji geo－resistivity in January 2010（in three directions）.

4 大范圍抽水灌溉的影響分析

圖5 寶雞臺(tái)地電阻率與水位變化曲線圖（2000－01－01－2009－12－31）Fig.5 Curves of geo－resistivity and groundwater level at Baoji station （2000－01－01－2009－12－31）.

寶雞臺(tái)地電阻率測(cè)區(qū)大部分是果園區(qū)，自2000年起果園內(nèi)陸續(xù)開掘了十余口灌溉用大口井，井深6～8m，井口徑2～3m。隨著灌溉井?dāng)?shù)量的增加，抽水灌溉面積和抽水量逐年增加，每年5－7月觀測(cè)區(qū)內(nèi)大面積長時(shí)間大量抽水灌溉，地下水位下降明顯，地電阻率觀測(cè)資料有明顯變化，見圖5。

2004年以后，測(cè)區(qū)內(nèi)又新增了幾口同類大口井，抽水灌溉活動(dòng)更加頻繁。從圖5中可以看出，近幾年寶雞臺(tái)地電阻率觀測(cè)曲線年變幅明顯增加：2000－2004年三道地電阻率年變幅基本不超過1%，但近幾年都在1%以上，2009年NS測(cè)道的年變幅甚至達(dá)到1.78%。

分三個(gè)不同時(shí)間段計(jì)算三個(gè)測(cè)道地電阻率日均值與測(cè)區(qū)地下水位的相關(guān)系數(shù)，結(jié)果見表1。從相關(guān)性上看，NS、N45°E測(cè)道地電阻率變化與地下水位變化為正相關(guān)，EW測(cè)道地電阻率變化與地下水位變化為負(fù)相關(guān)，其中NS測(cè)道和EW測(cè)道相關(guān)性顯著，尤其是近幾年相關(guān)性更顯著，表明了測(cè)區(qū)地下水長期補(bǔ)給和抽水主要影響了NS測(cè)道、EW測(cè)道的地電阻率變化。

表1 寶雞臺(tái)地電阻率與地下水位相關(guān)系數(shù)

5 討論與認(rèn)識(shí)

性［8］。本次實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明，類似于寶雞臺(tái)臺(tái)址結(jié)構(gòu)的臺(tái)站其表層短時(shí)間的地下水位變化以及局部灌溉對(duì)地電阻率觀測(cè)沒有明顯影響。第二種情況中，測(cè)區(qū)內(nèi)多口井長期抽水的出水量與地電阻率變化相關(guān)，說明了大量抽水對(duì)地電阻率變化有影響，在觀測(cè)資料分析中應(yīng)足夠重視這種環(huán)境變化對(duì)視電阻率觀測(cè)的影響。

從兩個(gè)方面分析了測(cè)區(qū)地下水動(dòng)態(tài)變化的影響。第一是在測(cè)區(qū)進(jìn)行短時(shí)間的抽水、排放實(shí)驗(yàn)；第二是測(cè)區(qū)多口井大面積、長時(shí)間抽水引起的地下水位變化與對(duì)電阻率觀測(cè)的影響。第一種實(shí)驗(yàn)中，測(cè)區(qū)短時(shí)間抽水、并向測(cè)區(qū)排放／不排放，抽水量已達(dá)到60m3／h，并且向電極附近灌溉。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，這種短期行為的抽水、灌溉對(duì)地電阻率觀測(cè)沒有明顯的影響。抽水機(jī)井的井深6m，主要影響的是測(cè)區(qū)局部范圍表層介質(zhì)的電阻率。寶雞臺(tái)地電阻率觀測(cè)供電極距／2＝450m，理論上該臺(tái)探測(cè)深度為數(shù)百米，抽水過程中地電阻率不發(fā)生明顯變化，說明該臺(tái)探測(cè)深度遠(yuǎn)大于本含水層下界面埋深。這個(gè)結(jié)果在今后的地電阻率觀測(cè)資料分析中很有應(yīng)用意義。通常地電阻率出現(xiàn)異常變化，人們更多的聯(lián)系觀測(cè)場(chǎng)地的微小環(huán)境變化，造成異常判定的不確定

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