趙斐 葉青 解滔 范曄 張遠(yuǎn)富

1）平?jīng)鲋行牡卣鹋_(tái)，甘肅省平?jīng)鍪嗅轻紖^(qū)廣成路39號(hào) 744000

2）中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心，北京 100045

0 引言

1966年河北邢臺(tái)地震后，國(guó)家引入物探地電阻率法進(jìn)行地震預(yù)測(cè)實(shí)驗(yàn)觀測(cè)，此后由政府組織建設(shè)了大規(guī)模、長(zhǎng)期連續(xù)觀測(cè)的臺(tái)網(wǎng)。目前在中國(guó)大陸人口密集、大中城市附近的地震活動(dòng)區(qū)帶共有70多個(gè)臺(tái)站用于常規(guī)監(jiān)測(cè)，每臺(tái)布設(shè)2～3個(gè)測(cè)道，采用地表電阻率對(duì)稱四極觀測(cè)裝置（杜學(xué)彬等，2006）。至今已積累大量的觀測(cè)數(shù)據(jù)和科學(xué)研究成果，在方法理論、觀測(cè)技術(shù)、觀測(cè)數(shù)據(jù)應(yīng)用等方面取得較大進(jìn)展（錢復(fù)業(yè)等，1982；錢家棟等，1985、1998；杜學(xué)彬，2010；王蘭煒等，2011）。

近年來(lái)，地表地電阻率觀測(cè)受到地表環(huán)境影響，其可持續(xù)性發(fā)展受到威脅，井下地電阻率觀測(cè)由此成為目前發(fā)展方向之一。井下地電阻率觀測(cè)是將原本埋在地表的電極裝置深埋在地下，在地下水平向開展對(duì)稱四極以及在垂直向（同一井下電極埋深不同）進(jìn)行地電阻率觀測(cè)。這種觀測(cè)方式不但能有效抑制地表干擾，而且能有效化解地震觀測(cè)與當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展之間的矛盾。山東、河北等地多年前就開始了地電井下觀測(cè)，供電、測(cè)量電極均置于井底（王幫本等，1981；孟慶武等，1991；孫承德等，1996、1998），但是，在這些早期建設(shè)的 10多個(gè)井下地電阻率觀測(cè)臺(tái)站中僅廣東河源臺(tái)至今仍在持續(xù)觀測(cè)，其余臺(tái)站全部停測(cè)。近年來(lái)，隨著臺(tái)站所在地經(jīng)濟(jì)建設(shè)的高速發(fā)展，地表大極距、多方位的地電阻率觀測(cè)遇到的觀測(cè)環(huán)境惡化的問題日趨嚴(yán)重，因此建設(shè)井下觀測(cè)裝置被重新重視起來(lái)。2008年以來(lái)，在全國(guó)地電臺(tái)網(wǎng)技術(shù)管理部門和地電學(xué)科專家的推動(dòng)下，我國(guó)開始陸續(xù)發(fā)展井下地電阻率臺(tái)站。2010年以來(lái)先后建設(shè)了江蘇海安臺(tái)、河北大柏舍臺(tái)、陜西合陽(yáng)臺(tái)、甘肅天水臺(tái)和平?jīng)雠_(tái)等10多個(gè)井下地電阻率臺(tái)站，繼續(xù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)觀測(cè)，并開展了井下觀測(cè)技術(shù)、方法理論方面的研究（聶永安等，2010；解滔等，2012、2016；毛先進(jìn)等，2014；楊興悅，2012）。除了規(guī)避地表人為的觀測(cè)環(huán)境干擾，井下地電觀測(cè)還能較好地降低因淺層潛水升降和介質(zhì)含水率季節(jié)性增減所引起的視電阻率年變化以及獲得地表以下較深部介質(zhì)的電性變化的信息。

在上述井下地電阻率觀測(cè)臺(tái)站中，甘肅平?jīng)雠_(tái)建設(shè)了井下多層水平觀測(cè)裝置，供電極距大，并具有完整的臺(tái)址“十子”電測(cè)深資料。本文以平?jīng)雠_(tái)4層電性結(jié)構(gòu)為例，依據(jù)解滔等（2016）提供的程序，計(jì)算了平?jīng)雠_(tái)4層水平層狀均勻介質(zhì)中隨觀測(cè)極距和電極埋深變化時(shí)的各層介質(zhì)的影響系數(shù)，通過各層介質(zhì)影響系數(shù)的大小評(píng)估了平?jīng)雠_(tái)井下觀測(cè)對(duì)地表及淺層干擾的抑制能力，分析結(jié)果也可為在類似臺(tái)址電性結(jié)構(gòu)中實(shí)施井下地電阻率觀測(cè)時(shí)選擇電極埋深和供電極距提供參考。

1 平?jīng)雠_(tái)井下地電阻率觀測(cè)簡(jiǎn)介

平?jīng)雠_(tái)位于南北地震帶北段的六盤山斷陷帶東麓大斷裂的東側(cè)，即隴西旋卷構(gòu)造系向南收斂的區(qū)域，地處平?jīng)鍪形鹘坚轻监l(xiāng)轄區(qū)內(nèi)，距市區(qū)約11km，位于崆峒鄉(xiāng)政府所在地寨子街的西側(cè)。平?jīng)雠_(tái)地表地電阻率觀測(cè)項(xiàng)目始測(cè)于1975年12月，自1997年遷建后，觀測(cè)資料連續(xù)可靠，但近幾年隨著當(dāng)?shù)厣鐣?huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，觀測(cè)環(huán)境遭到了破壞，觀測(cè)資料受干擾明顯，以廣成山莊施工及運(yùn)營(yíng)干擾為主要干擾因素。2012年4月中旬，測(cè)區(qū)內(nèi)修建了平定高速公路，其平?jīng)鑫鞒隹跈M穿整個(gè)測(cè)區(qū)，觀測(cè)場(chǎng)地遭受環(huán)境干擾影響更加嚴(yán)重，地表觀測(cè)系統(tǒng)已無(wú)法正常運(yùn)行，因此對(duì)地表觀測(cè)裝置進(jìn)行了改建。經(jīng)專家多次論證，嘗試采用了井下地電阻率觀測(cè)方案（趙斐等，2015）。其井下電阻率觀測(cè)裝置于2014年1月正式運(yùn)行，目前使用ZD8MI多極距地電儀。觀測(cè)裝置布設(shè)NS、EW兩個(gè)觀測(cè)方向，每個(gè)裝置采用對(duì)稱四極觀測(cè)裝置，井下水平正交布設(shè)（圖1）。觀測(cè)裝置包括地表觀測(cè)裝置、井下40m水平觀測(cè)裝置、井下60m水平觀測(cè)裝置、井下80m水平觀測(cè)裝置、井下100m水平觀測(cè)裝置、垂直觀測(cè)裝置6個(gè)測(cè)道和驗(yàn)證測(cè)量系統(tǒng)1個(gè)測(cè)道等，共計(jì)14個(gè)測(cè)道。其中，NS裝置供電極距AB＝450m，測(cè)量極距MN＝150m；EW裝置供電極距AB＝240m，測(cè)量極距MN＝80m。本文僅對(duì)水平觀測(cè)裝置介質(zhì)影響系數(shù)進(jìn)行分析。

2 地電阻率影響系數(shù)理論

根據(jù)地電阻率觀測(cè)影響系數(shù)的計(jì)算方法，觀測(cè)到的地電阻率變化可以表述成測(cè)區(qū)不同區(qū)域介質(zhì)電阻率變化的加權(quán)和（錢家棟等，1985），因此，可依據(jù)不同的觀測(cè)極距和不同電極埋深時(shí)各區(qū)域介質(zhì)對(duì)視電阻率的影響系數(shù)來(lái)評(píng)估井下觀測(cè)對(duì)地表干擾的抑制能力和對(duì)深部巖層電阻率變化的響應(yīng)能力。如果將地電阻率測(cè)區(qū)劃分為任意的n個(gè)區(qū)域，每一個(gè)區(qū)域介質(zhì)電阻率為ρi（i＝1，2，…，n）。在測(cè)區(qū)電性結(jié)構(gòu)與觀測(cè)裝置確定時(shí)，地電阻率ρa(bǔ)是各分區(qū)介質(zhì)電阻率的函數(shù)，ρi與ρa(bǔ)之間的關(guān)系為

圖1 平?jīng)雠_(tái)井下地電阻率觀測(cè)布極

多數(shù)情況下，各分區(qū)介質(zhì)電阻率在一定時(shí)間內(nèi)的相對(duì)變化非常小，Δρi／ρi遠(yuǎn)小于1，因此，將式（1）作Taylor級(jí)數(shù)展開，二階及高階項(xiàng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于一階項(xiàng)，可忽略不計(jì)。地電阻率相對(duì)變化可以簡(jiǎn)單地表示為各分區(qū)介質(zhì)電阻率相對(duì)變化的加權(quán)和，即

式中，Bi稱之為影響系數(shù)，其表達(dá)式為

同時(shí)，影響系數(shù)Bi滿足如下關(guān)系，即

測(cè)區(qū)介質(zhì)可以按任意大小劃分，用數(shù)值計(jì)算方法討論各區(qū)域介質(zhì)對(duì)地電阻率觀測(cè)的三維影響系數(shù)。這里主要討論各層介質(zhì)整體對(duì)觀測(cè)的影響，因而按照n層水平層狀結(jié)構(gòu)將測(cè)區(qū)劃分為水平層狀的n塊區(qū)域，采用解析表達(dá)式和二級(jí)裝置濾波器算法計(jì)算對(duì)稱四極裝置的視電阻率和相應(yīng)的影響系數(shù)。

3 平?jīng)雠_(tái)井下地電阻率觀測(cè)影響系數(shù)分析

3.1 觀測(cè)資料

平?jīng)雠_(tái)井下水平觀測(cè)NS測(cè)道2014～2016年日均值資料如圖2所示。隨著春季降雨量開始增加，地表介質(zhì)含水率增加，井下地電阻率觀測(cè)值下降；進(jìn)入秋冬季節(jié)后降雨量減小，地表介質(zhì)電阻率上升，井下地電阻率觀測(cè)值上升，表現(xiàn)出明顯的“夏高冬低”的年變形態(tài)。年變幅度統(tǒng)計(jì)如表1所示，年變幅度依次為：井下40m＞井下60m＞井下80m＞井下100m。由此可見，電極埋深越深，年變幅度變化越小。但整體而言，4個(gè)測(cè)道年變幅度均變化較小。另一方面，圖2還顯示出4個(gè)不同深度的測(cè)道地電阻率變化形態(tài)較吻合，且同步。

圖2 平?jīng)雠_(tái)井下水平觀測(cè)NS測(cè)道地電阻率觀測(cè)曲線

3.2 影響系數(shù)分析

平?jīng)雠_(tái)電測(cè)深曲線如圖3（a）所示，大致可視為KH型，反演的電性結(jié)構(gòu)如表2所示。依據(jù)該電測(cè)深曲線在水平層狀均勻模型下反演的電性結(jié)構(gòu)如圖3（a）所示，第2層為厚度25m的高阻層，底層介質(zhì)電阻率值也較高。各層介質(zhì)影響系數(shù)隨深度變化曲線如圖 3（b）所示，當(dāng)H＝0時(shí)，第 2、3層介質(zhì)影響系數(shù)較大，說明此時(shí)視電阻率的變化主要反映中間兩層介質(zhì)電阻率的變化，第1層介質(zhì)影響系數(shù)為負(fù)數(shù)（圖3（b）中虛線部分）。由地表至第 1、2層分界面（H＝34m）過程中，第1層介質(zhì)影響系數(shù)迅速減小，H在第2層介質(zhì)增加時(shí)，第1層介質(zhì)影響系數(shù)則增加；當(dāng)電極埋深H＝100m時(shí)，第1、2層介質(zhì)影響系數(shù)較小，約為0.01，此時(shí)，視電阻率觀測(cè)值主要體現(xiàn)第3層介質(zhì)電阻率的變化，其次是第4層。當(dāng)電極埋深繼續(xù)增加時(shí)，第1、2、3層介質(zhì)影響系數(shù)迅速減少，趨近于零，第4層影響系數(shù)趨近于1，占據(jù)主導(dǎo)地位。

表1 平?jīng)雠_(tái)井下水平觀測(cè)NS測(cè)道地電阻率年變幅度統(tǒng)計(jì)

圖3 平?jīng)雠_(tái)影響系數(shù)分析

圖3（c）是地表H＝0時(shí)各層介質(zhì)影響系數(shù)隨觀測(cè)極距的變化，當(dāng)AB／2較小時(shí)，第1層介質(zhì)影響系數(shù)最大，說明此時(shí)視電阻率的變化主要反映了表層介質(zhì)電阻率的變化，當(dāng)極距AB／2超過120m后，第1層介質(zhì)影響系數(shù)出現(xiàn)負(fù)值（圖3（c）中虛線部分）。隨著 AB／2逐漸增大，第2、3層影響系數(shù)先增加，后減小，第4層影響系數(shù)則是逐漸增加。

表2 平?jīng)雠_(tái)電測(cè)深曲線反演的電性結(jié)構(gòu)

圖3（d）是埋深H＝100m時(shí)各層介質(zhì)影響系數(shù)隨觀測(cè)極距的變化，電極位于第3層。當(dāng)AB／2較小時(shí)，視電阻率主要反映第3層介質(zhì)電阻率的變化，隨著觀測(cè)極距的增加，第3層介質(zhì)影響系數(shù)逐漸減小，第4層介質(zhì)影響系數(shù)增加，第1層與第2層則是先增加后減小。

平?jīng)雠_(tái)井下地電阻率觀測(cè)（AB＝450m，MN＝150m）各層影響系數(shù)統(tǒng)計(jì)表如表 3所示，B1、B2、B3、B4分別代表水平層狀影響系數(shù)的第1～4層。整體而言，平?jīng)雠_(tái)井下觀測(cè)的年變化幅度均較小，地表觀測(cè)時(shí)第1層介質(zhì)影響系數(shù)絕對(duì)值要大于井下觀測(cè)時(shí)的影響系數(shù)，使得地表觀測(cè)的年變幅度要大于井下觀測(cè)的年變幅度。井下觀測(cè)第1、2層影響系數(shù)小于地表觀測(cè)的影響系數(shù)，說明井下觀測(cè)對(duì)淺層介質(zhì)電阻率的變化干擾具有抑制作用。平?jīng)雠_(tái)井下觀測(cè)第3、4層介質(zhì)影響系數(shù)均大于地表觀測(cè)，說明如果孕震作用引起第3、4層介質(zhì)電阻率的變化，那么平?jīng)雠_(tái)現(xiàn)有的井下觀測(cè)映震能力要優(yōu)于地表觀測(cè)。總之，平?jīng)雠_(tái)井下觀測(cè)受淺層干擾影響較小，便于資料分析和異常認(rèn)定，井下觀測(cè)效果要好于之前的地表觀測(cè)。

表3 平?jīng)雠_(tái)影響系數(shù)統(tǒng)計(jì)（AB＝450m，MN＝150m）

4 對(duì)平?jīng)雠_(tái)井下觀測(cè)裝置設(shè)計(jì)的討論

井下觀測(cè)的目的在于抑制地表干擾和突出由孕震引起的深部巖層介質(zhì)電阻率變化。本文采用水平層狀介質(zhì)模型討論了平?jīng)雠_(tái)各層介質(zhì)的影響系數(shù)，分析結(jié)果表明：在不同電性結(jié)構(gòu)中實(shí)施井下觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)各層介質(zhì)影響系數(shù)隨電極埋深和極距的不同表現(xiàn)出復(fù)雜的變化。觀測(cè)極距固定時(shí)，影響系數(shù)并非都隨著電極埋深的增加而呈現(xiàn)出單調(diào)的變化：在某些深度范圍內(nèi)對(duì)地表干擾具有放大作用，但只要觀測(cè)深度足夠深，就可以抑制地表干擾，突出深部信息。這與解滔等（2012）所得出的結(jié)論一致。電極埋深固定時(shí)，影響系數(shù)隨觀測(cè)極距的變化也比較復(fù)雜；小極距觀測(cè)時(shí)，電極所在層位的電阻率值變化較大，即電極所在層位的影響系數(shù)最大；隨著極距的增加，地下介質(zhì)深部信息的反映能力隨之增加。

圖4是采用圖3（a）所示電性結(jié)構(gòu)計(jì)算的平?jīng)雠_(tái)各層介質(zhì)影響系數(shù)隨觀測(cè)極距AB和電極埋深H的變化。當(dāng)極距AB／2＝150m，埋深H為0～50m時(shí)，第1層介質(zhì)影響系數(shù)變化梯度較大；當(dāng)極距AB／2＞150m，埋深H＞50m時(shí)，影響系數(shù)變化平穩(wěn)且數(shù)值很小。第2層介質(zhì)在小極距淺層觀測(cè)時(shí)，影響系數(shù)為0.4左右，其他情況影響系數(shù)都較小，在0.1～0.2之間。在圖4所示的觀測(cè)極距范圍內(nèi)，當(dāng)電極埋深為170m時(shí)，第3層介質(zhì)影響系數(shù)占主導(dǎo)地位，數(shù)值在0.6～0.9之間；當(dāng)電極埋深＞170m后，第4層影響系數(shù)逐漸增加并占據(jù)主導(dǎo)地位。

目前，平?jīng)雠_(tái)井下觀測(cè)系統(tǒng)中，第3層介質(zhì)電阻率的變化對(duì)觀測(cè)整體的影響最大。一般認(rèn)為孕震應(yīng)力主要引起深部介質(zhì)電阻率發(fā)生變化，觀測(cè)裝置應(yīng)兼顧反映深部介質(zhì)的變化。因此，在觀測(cè)極距AB一定的情況下，電極埋得越深越好。考慮到目前的井下觀測(cè)技術(shù)，平?jīng)雠_(tái)觀測(cè)裝置兼顧第3層和第4層介質(zhì)電阻率的變化且適當(dāng)?shù)募哟髽O距較為適宜。從圖4中可以看出，觀測(cè)極距AB／2取200～250m，電極埋深H取170～200m時(shí)，就可滿足要求。

圖4 平?jīng)雠_(tái)各層介質(zhì)影響系數(shù)隨觀測(cè)極距及深度的變化

5 結(jié)論

本文通過平?jīng)雠_(tái)電測(cè)深曲線反演的電性結(jié)構(gòu)，分析了在4層水平層狀介質(zhì)模型下，該臺(tái)井下觀測(cè)各層的介質(zhì)影響系數(shù)，并討論了如何利用影響系數(shù)隨電極埋深和觀測(cè)極距的變化而變化來(lái)選擇合適的觀測(cè)極距和電極埋深。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著觀測(cè)深度的增加，各層影響系數(shù)并非單調(diào)變化，在相同的觀測(cè)極距下，電極埋深在一定深度范圍內(nèi)時(shí)對(duì)地表介質(zhì)季節(jié)性干擾具有放大作用；但當(dāng)電極埋深足夠深后，能夠有效抑制地表淺層干擾，突出深部介質(zhì)電阻率的變化信息。對(duì)于其他將要進(jìn)行井下地電阻率改造的臺(tái)站，需要根據(jù)自己臺(tái)站實(shí)際的電性結(jié)構(gòu)計(jì)算不同電極埋深及供電極距下的介質(zhì)影響系數(shù)，在保證有效抑制地表干擾和獲取深部信息的基礎(chǔ)上，找到最佳觀測(cè)極距及電極埋深。