康云生，安海靜，馬可興，譚大成，2

（1．甘肅省地震局，甘肅 蘭州 730000；2．蘭州地球物理國家野外科學(xué)觀測研究站，甘肅 蘭州 730000））

0 引言

應(yīng)用地電阻率（也稱“視電阻率”）法進(jìn)行地震預(yù)測預(yù)報一直為研究地震中短期前兆信息的學(xué)者所關(guān)注。孫正江［1］、錢家棟［2］指出在20世紀(jì)60～80年代，前蘇聯(lián)巴爾蘇科夫、日本山崎良雄、美國馬澤拉和莫里森等發(fā)現(xiàn)了一些地震前地電阻率的異常變化現(xiàn)象。1967年趙玉林等在河北首次建立了我國的地電阻率模擬觀測臺站；1984年前后趙家騮研制了我國最早的數(shù)字化地電儀；1976年唐山發(fā)生MS7．8地震，昌黎等臺站地電阻率在此2、3年前就出現(xiàn)顯著的趨勢性下降異常現(xiàn)象［2］；2008年汶川發(fā)生MS8．0地震，錢家棟［3］、杜學(xué)彬［4］在研究臺站觀測數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)成都等臺站地電阻率同樣有類似的變異現(xiàn)象。

2004和2006年我國地震地電阻率臺站環(huán)境技術(shù)要求［5］、建設(shè)規(guī)范［6］相繼頒布。到2012年底基本按照這些要求和規(guī)范運行的地電阻率臺站接近70個。近年來我國城市化建設(shè)發(fā)展迅速，許多地電阻率臺站附近出現(xiàn)了電氣化鐵路、高壓輸電線路、金屬管線網(wǎng)以及大功率用電設(shè)備等，這容易在觀測場地形成不確定的影響［7－12］，以及工頻、流散電流的干擾［13－15］。

在電磁環(huán)境復(fù)雜的場地多種因素都可能造成地電阻率數(shù)據(jù)變異。為落實其原因，通常需要檢查臺站的電磁環(huán)境、觀測系統(tǒng)等，但有時這些措施并不能完全及時有效。為此近年江蘇海安、陜西合陽等臺站先后開展了地電阻率井下觀測，其數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性等方面有提高。但其觀測方法除電極埋設(shè)更深外，其它依然應(yīng)用地表的四極對稱方式。2011年初甘肅天水臺站開展了地表、井下多種觀測方式的試驗，其中包括地表、井下電極的互換觀測方式，這不同于在同一水平面開展四極對稱觀測的常規(guī)方式，同時井下電極埋設(shè)深度達(dá)到了100m。本文介紹該試驗的內(nèi)容和方法，并對實驗結(jié)果和數(shù)據(jù)可靠性進(jìn)行分析。

1 地表與井下多種觀測方式的原理

我國的地電阻率觀測采用四極對稱的布局方式，通常這種布局的4個電極排列在地表的一條直線上，并且四個電極對中心O點對稱排列，如圖1（a）所示。從地表埋設(shè)的A、B兩個電極向大地輸出穩(wěn)定的直流電流I，在M、N兩個電極上獲取供電時的電位差ΔV，則在地表觀測到的地電阻率ρs為［2］

式（1）中K是裝置系數(shù)，它取決于A、B、M、N四個電極的排列。

圖1（a）所示的四極對稱方法測量得到的地電阻率ρs，通常并不是地表淺層介質(zhì)的真正電阻率，只是探測區(qū)內(nèi)介質(zhì)電性的綜合反映，即所謂的視電阻率［2］。如果地下介質(zhì)在相當(dāng)大的范圍內(nèi)較均勻，則測量結(jié)果會非常接近地下介質(zhì)的真正電阻率［2，16－17］。

圖1 地電阻率的多種四極觀測方式Fig．1 Various quadrupole symmetry observation methods of geoelectrical resistivity．

圖1（b）所示的四極對稱方法是測量地電阻率的井下觀測方法。如果電極埋設(shè)10余米深，通常可以稱為深埋觀測方式，若埋設(shè)深度達(dá)到數(shù)十米或更深時，一般可稱為井下觀測。近年來有部分臺站開展了這種觀測。依據(jù)目前的研究進(jìn)展，這方法對地表的干擾因素有一定的抑制作用，但取決于場地的電性結(jié)構(gòu)、層參數(shù)等［18］。

圖1（c）所示的地電阻率測量方法是天水臺站開展的嘗試，即地表與井下電極互換的觀測方法。其原理是地表A、B電極供電時，使用井下M、N電極測量；或由井下A、B供電，地表M、N測量。依據(jù)這一原理，或可稱其為“偶極互換”觀測方式。

2 天水臺站地表與井下多種觀測方法并用的裝置系統(tǒng)

天水地電阻率觀測場地位于天水甘泉物流園，在崖灣村與白石村之間的永川河Ⅰ、Ⅱ級河谷階地上。依據(jù)建臺的原始資料，第四系覆蓋層厚度約20～30m；其下是第三系粘土層，厚約450～500m；基底為古生界變質(zhì)巖。場地的海拔1 153m，年平均濕度約63%，年平均溫度18℃。

近年以來臺站周邊的電磁環(huán)境惡化。為探尋臺站地電阻率能繼續(xù)有效觀測的方法，2010年對臺站觀測系統(tǒng)進(jìn)行了改造，觀測場地依然保持原址。

2．1 裝置系統(tǒng)的布設(shè)

為探尋同場地的地電阻率多種觀測方法及數(shù)據(jù)特點，甘肅天水臺站在2010年的改造中采用了地表與井下多種觀測方法并用的方式。

天水地表、井下電阻率觀測系統(tǒng)由20個測道（測項分量）組成。圖1（a）所示的地表四極對稱方式有3個測道；圖1（b）所示的井下水平觀測也有3個測道；圖1（c）所示的地表與井下電極互換觀測使用了12個測道；垂直觀測使用1個測道；檢測使用1個測道。

圖2 天水觀測場地、井孔位置、地埋線路走向的布局圖Fig．2 The layout of observation site，borehole location，line alignment at Tianshui stution．

天水臺站觀測場地的地形地貌、周邊環(huán)境、裝置系統(tǒng)布局如圖2所示，測量儀器采用多極距地電儀（ZD8MI），外線路為地埋方式。從圖2可知，天水臺站電極布設(shè)與正南北、東西方位有偏移。其地表電極埋深6m，井下電極埋深100m。NS、EW測向AB極距為300m，MN極距為100m，NW測向AB極距為390m，MN極距為130m。為與多極距儀器（ZD8MI）線路接入序號對應(yīng)（見表1），電極編號取1～24。地表電極編號見圖2所示；井下電極編號見圖3。

圖3 井下電極布設(shè)、編號示意圖Fig．3 Diagram of deep－well electrodes layout and numbers．

表1 天水地電阻率臺站地表、井下電極的序號表Table 1 The sequence listings of surface and deep－well electrodes at Tianshui geoelectrical resistivity station

需指出，圖3中井下編號與對應(yīng)位置的地表電極在同一井孔內(nèi)。例如，地表編號8電極與圖3中的編號18電極就在一個井孔中。

2．2 裝置系統(tǒng)的檢測原理與方法

按照地電觀測規(guī)范要求，地表、井下的導(dǎo)線絕緣性能需要具有可檢測性［6］。為此在天水地電阻率地表與井下的多種觀測方式系統(tǒng)中利用了深井的資源，在垂直方向增加了兩個輔助電極。例如在圖2中編號為8、圖3中編號為18的電極之間增加了編號為10、20的檢測電極，各電極間距為32m，這樣4個電極組成了一個垂向四極對稱系統(tǒng)。圖4為檢測電極的原理示意圖。

圖4 檢測電極的原理示意圖Fig．4 The schematic graph of detection electrodes．

2．3 觀測時間點的選取

在天水地電阻率地表與井下多種觀測方式的實際觀測中，考慮到了每日場地電磁干擾最小的時段可能在03、04時左右，因此在這一時段進(jìn)行各測道地電阻率觀測。通常在電磁干擾相對嚴(yán)重的場地，每日03、04時基本可避開人為活動產(chǎn)生的電磁干擾和影響；同時這期間來自空間的電磁擾動的影響也相對較低［19－20］。

3 不同觀測方式的數(shù)據(jù)變化特征

天水地電阻率地表與井下多種觀測方式系統(tǒng)實際上采用了地表水平觀測、井下水平觀測、地表與井下電極互換觀測三種方式。自2011年初開始觀測以來三種觀測方式基本保持了各自的數(shù)據(jù)特點，圖5是這三種觀測方式典型的數(shù)據(jù)變化情況。

圖5 不同觀測方式典型的原始數(shù)據(jù)曲線（2011年3月27日～12月27日Fig．5 Typical raw data curves of different observation methods（March 21，2011－ December 27，2011）．

圖5上面一排分圖是三種測量方式在NS、EW、NW測向的地電阻率ρs值，下面一排分圖是其測量過程中對應(yīng)的自然電位差VSP測量值。圖5表明井下觀測的目標(biāo)測項——井下NS、EW、NW 向觀測結(jié)果ρs為最好；地表水平觀測的ρs、VSP的穩(wěn)定性相對最差；井下A、B供電，地表M、N測量時，ρs值較穩(wěn)定，但VSP的穩(wěn)定性與地表水平觀測接近；井下水平觀測和地表A、B供電井下M、N測量兩種方式的ρs、VSP值最接近。

同時圖5說明在同一場地測量地電阻率ρs值時，采用不同測量方法，ρs值有明顯差異。這主要是采用不同的觀測方法時，一方面裝置系數(shù)K不同（表1）；另一方面測量過程中人工電位差ΔV有差異，這主要與 人 工 電 流 場 的 分 布 差 異 相 關(guān)［2，12，16－17］；三是電極處于不同水平面時的電磁影響環(huán)境不同。

表2 天水臺站地電阻率不同觀測方式的誤差統(tǒng)計（2011年3月27日～12月27日）Table 2 Error statistics for different observation methods of geoelectrical resistivity at Tianshui seismic station（March 21，2011－ December 27，2011）

從表2可見，地表水平觀測和井下A、B供電地面M、N測量這兩種方式的數(shù)據(jù)誤差相對大，而地表A、B供電井下M、N測量和井下水平觀測兩種方式的數(shù)據(jù)誤差相對小。需指出，井下A、B供電地面A、B測量和地面A、B供電井下A、B測量這兩種方式其ρs、VSP的穩(wěn)定性、誤差與表2后面三種方法比較都差。

此外，在圖5（a）中的6月底、7月初，地表水平觀測的ρs值有明顯的躍變現(xiàn)象，但井下水平觀測、地表與井下電極互換觀測均沒有出現(xiàn)這一變異現(xiàn)象。表明地表水平觀測ρs值的這次躍變可能更多來自地表的影響。

4 結(jié)論

在地電阻率多種觀測方式系統(tǒng)中，同場地進(jìn)行的地表水平觀測、井下水平觀測、地表與井下電極互換觀測三種方式中，前兩種是常用的對稱四極觀測方法，而地表與井下電極互換觀測實際是一種偶極觀測方式。近兩年的觀測數(shù)據(jù)表明，井下水平觀測能抑制地面電磁干擾，觀測效能最好。地表、井下電極互換觀測（或偶極互換）方法通過近兩年的有效觀測，其中地表A、B供電井下M、N測量的方法數(shù)據(jù)比較穩(wěn)定性，結(jié)果基本與井下水平觀測接近或稍好，它的原理可能有助于分析數(shù)據(jù)變異的性質(zhì)。

天水臺站的電極互換觀測（或偶極互換）方式，其觀測數(shù)據(jù)的分析應(yīng)用還需要一個探索的過程，這一方式可能為地震地電阻率的裝置建設(shè)提供了一種有益嘗試。

致謝：感謝中國地震局地震預(yù)測研究所趙家騮研究員、甘肅省地震局袁道陽、楊立明研究員和西部強震研究室多位專家的支持，感謝天水臺站領(lǐng)導(dǎo)和監(jiān)測人員的配合與支持。

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