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(wǎng)中心）

0 引言

2022 年北京冬季奧運(yùn)會舉辦地——北京及河北張家口地區(qū)地震活動頻繁，周邊地電臺在中強(qiáng)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(xiàn)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(xiàn)異常（張學(xué)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(xiàn)變化（解滔等，2020）。及時準(zhǔn)確地把握冬奧場館及周邊地區(qū)的震情，是冬奧會召開期間震情保障工作的重點(diǎn)。

冬奧會保障晉冀蒙監(jiān)測能力提升項目依托現(xiàn)有地電臺網(wǎng)，在北京及晉冀蒙交界區(qū)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(shè)小極距井下地電阻率觀測站（肖武軍等，2019a），對其觀測系統(tǒng)、基礎(chǔ)設(shè)施和觀測設(shè)備進(jìn)行技術(shù)升級改造（肖武軍等，2019b），全面提升該區(qū)域地電阻率測項的地震監(jiān)測能力。

1 臺站概況

研究區(qū)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(yīng)力研究所研制生產(chǎn)）、鉛質(zhì)圓筒電極、井下地電阻率專用電纜，電極采用三角形布設(shè)（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(wěn)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(nèi)，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(tǒng)外負(fù)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(shù)據(jù)信噪比（解滔等，2019）。小極距井下地電阻率觀測站（點(diǎn)）電極布設(shè)統(tǒng)計結(jié)果見表1。

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

2 質(zhì)量控制指標(biāo)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(diǎn)）觀測數(shù)據(jù)，針對相對均方差、日精度、月精度、月離散度、曲線動態(tài)等質(zhì)量控制指標(biāo)展開分析，研究小極距井下地電阻率觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量。

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

式中，N為臺站測道數(shù)，D為當(dāng)月天數(shù)，H為一天中小時觀測數(shù)據(jù)個數(shù)；(σn)kji是當(dāng)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(dāng)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(diǎn)）觀測數(shù)據(jù)的相對均方差，對比結(jié)果見表2，可知小極距井下觀測站（點(diǎn)）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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)相對均方差統(tǒng)計（數(shù)據(jù)統(tǒng)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(nèi)小時值變化動態(tài)的相對均方差指標(biāo)，日精度越小，表明數(shù)據(jù)越穩(wěn)定，其計算方法為

式中：n為一天中的小時數(shù)，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(diǎn)）2021 年9—11 月的日精度變化曲線，總體上看，各臺站數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)曲線形態(tài)穩(wěn)定，觀測數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)整月的變化形態(tài)，月精度越小，表明數(shù)據(jù)動態(tài)越穩(wěn)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(diǎn)）的數(shù)據(jù)月精度，統(tǒng)計結(jié)果見表3，可見井下觀測數(shù)據(jù)月精度均符合觀測要求，且普遍小于地表觀測數(shù)據(jù)月精度，說明井下觀測數(shù)據(jù)更加穩(wěn)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(tǒng)計（數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)整個月變化形態(tài)的離散程度，為地電阻率1個月內(nèi)日值數(shù)據(jù)的均方差。月離散度越小，表明數(shù)據(jù)質(zhì)量越高，計算公式如下

式中，n為1 個月的天數(shù)，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(diǎn)）的數(shù)據(jù)月離散度，統(tǒng)計結(jié)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(shù)據(jù)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(tǒng)計（數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)曲線見圖2，可見數(shù)據(jù)日變化和臺階明顯，結(jié)合觀測日志和調(diào)研情況，認(rèn)為造成以上變化的原因是，該區(qū)地下介質(zhì)不均勻，同一方向供電電極和測量電極所處介質(zhì)不同。

圖2 寶昌臺井下地電阻率觀測曲線（數(shù)據(jù)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(tài)。數(shù)據(jù)曲線動態(tài)可直觀顯現(xiàn)井下與地表地電阻率觀測的不同。統(tǒng)計各臺站井下及同場地地表地電阻率觀測數(shù)據(jù)相對于月均值的變化幅度，結(jié)果見表5，可見除寶昌臺因地下介質(zhì)不均勻?qū)е虑€動態(tài)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(yuǎn)小于電磁學(xué)科地電阻率觀測規(guī)范中要求的上限0.3%，觀測曲線動態(tài)變化平緩，觀測數(shù)據(jù)穩(wěn)定。而且，同場地地表觀測數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)質(zhì)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(shù)據(jù)相對于日均值的變化幅度（數(shù)據(jù)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(jīng)冬奧保障項目所建井下地電阻率觀測站（點(diǎn)）運(yùn)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(shù)據(jù)曲線（圖3）可見，地震發(fā)生前，EW 測道自2020 年2 月開始持續(xù)上升，上升幅度較?。籒E 測道自同年4 月開始持續(xù)性下降，NW 測道同步下降，至6 月中旬，轉(zhuǎn)折上升；垂直測道1—4 月持續(xù)上升，后平穩(wěn)變化，此次MS5.1 地震發(fā)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(shù)據(jù)曲線見圖4，可見此次MS5.1 地震前，數(shù)據(jù)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(xué)彬等，2007）以及NW 測道下降—轉(zhuǎn)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(jié)合通州臺震前地電阻率變化特征以及前人研究結(jié)果，認(rèn)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(shù)據(jù)變化的敏銳度更高，對周邊震情監(jiān)測效果更佳。

圖3 通州臺井下地電阻率觀測數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)Fig.4 Surface geo-electrical resistivity observation data of Tongzhou Seismic Station

4 結(jié)論

選取平谷、通州、寶昌等8 個小極距井下地電阻率站（點(diǎn)）2021 年9—11 月觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量分析，針對相對均方差、日精度、月精度、月離散度、曲線動態(tài)等質(zhì)量控制指標(biāo)，對比分析小極距井下及同場地地表地電阻率觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量。結(jié)果表明：

（1）小極距井下地電阻率站（點(diǎn)）運(yùn)行穩(wěn)定，數(shù)據(jù)質(zhì)量較好，除寶昌臺因地下介質(zhì)不均勻?qū)е聰?shù)據(jù)日變化特征明顯外，其余各臺站數(shù)據(jù)精度較高，曲線形態(tài)穩(wěn)定，變化幅度較小，符合電磁學(xué)科地電阻率規(guī)范的觀測要求。

（2）小極距井下地電阻率觀測數(shù)據(jù)各項質(zhì)量指標(biāo)普遍優(yōu)于同場地地表電阻率觀測，說明深埋電極可遠(yuǎn)離地表干擾源，表明井下地電阻率抗干擾能力較強(qiáng)，特別是外界環(huán)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(shù)據(jù)變化明顯，存在各向異性，尤其是NW 測道下降—轉(zhuǎn)折—回升的變化趨勢，符合地電阻率觀測數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)質(zhì)量，對于數(shù)據(jù)變化的靈敏度更高，具備一定映震能力，可更好地服務(wù)于周邊地區(qū)后續(xù)震情跟蹤工作。

在本文撰寫過程中，各地電臺站提供了相應(yīng)的井下地電阻率觀測數(shù)據(jù)，為本文系統(tǒng)分析提供數(shù)據(jù)支撐，在此表示感謝。