天水地电阻率地表与井下多种观测方式的试验分析①

康云生，安海静，马可兴，谭大成，2

（1．甘肃省地震局，甘肃 兰州 730000；2．兰州地球物理国家野外科学观测研究站，甘肃 兰州 730000））

0 引言

应用地电阻率（也称“视电阻率”）法进行地震预测预报一直为研究地震中短期前兆信息的学者所关注。孙正江［1］、钱家栋［2］指出在20世纪60～80年代，前苏联巴尔苏科夫、日本山崎良雄、美国马泽拉和莫里森等发现了一些地震前地电阻率的异常变化现象。1967年赵玉林等在河北首次建立了我国的地电阻率模拟观测台站；1984年前后赵家骝研制了我国最早的数字化地电仪；1976年唐山发生MS7．8地震，昌黎等台站地电阻率在此2、3年前就出现显著的趋势性下降异常现象［2］；2008年汶川发生MS8．0地震，钱家栋［3］、杜学彬［4］在研究台站观测数据中发现成都等台站地电阻率同样有类似的变异现象。

2004和2006年我国地震地电阻率台站环境技术要求［5］、建设规范［6］相继颁布。到2012年底基本按照这些要求和规范运行的地电阻率台站接近70个。近年来我国城市化建设发展迅速，许多地电阻率台站附近出现了电气化铁路、高压输电线路、金属管线网以及大功率用电设备等，这容易在观测场地形成不确定的影响［7－12］，以及工频、流散电流的干扰［13－15］。

在电磁环境复杂的场地多种因素都可能造成地电阻率数据变异。为落实其原因，通常需要检查台站的电磁环境、观测系统等，但有时这些措施并不能完全及时有效。为此近年江苏海安、陕西合阳等台站先后开展了地电阻率井下观测，其数据的稳定性等方面有提高。但其观测方法除电极埋设更深外，其它依然应用地表的四极对称方式。2011年初甘肃天水台站开展了地表、井下多种观测方式的试验，其中包括地表、井下电极的互换观测方式，这不同于在同一水平面开展四极对称观测的常规方式，同时井下电极埋设深度达到了100m。本文介绍该试验的内容和方法，并对实验结果和数据可靠性进行分析。

1 地表与井下多种观测方式的原理

我国的地电阻率观测采用四极对称的布局方式，通常这种布局的4个电极排列在地表的一条直线上，并且四个电极对中心O点对称排列，如图1（a）所示。从地表埋设的A、B两个电极向大地输出稳定的直流电流I，在M、N两个电极上获取供电时的电位差ΔV，则在地表观测到的地电阻率ρs为［2］

式（1）中K是装置系数，它取决于A、B、M、N四个电极的排列。

图1（a）所示的四极对称方法测量得到的地电阻率ρs，通常并不是地表浅层介质的真正电阻率，只是探测区内介质电性的综合反映，即所谓的视电阻率［2］。如果地下介质在相当大的范围内较均匀，则测量结果会非常接近地下介质的真正电阻率［2，16－17］。

图1 地电阻率的多种四极观测方式Fig．1 Various quadrupole symmetry observation methods of geoelectrical resistivity．

图1（b）所示的四极对称方法是测量地电阻率的井下观测方法。如果电极埋设10余米深，通常可以称为深埋观测方式，若埋设深度达到数十米或更深时，一般可称为井下观测。近年来有部分台站开展了这种观测。依据目前的研究进展，这方法对地表的干扰因素有一定的抑制作用，但取决于场地的电性结构、层参数等［18］。

图1（c）所示的地电阻率测量方法是天水台站开展的尝试，即地表与井下电极互换的观测方法。其原理是地表A、B电极供电时，使用井下M、N电极测量；或由井下A、B供电，地表M、N测量。依据这一原理，或可称其为“偶极互换”观测方式。

2 天水台站地表与井下多种观测方法并用的装置系统

天水地电阻率观测场地位于天水甘泉物流园，在崖湾村与白石村之间的永川河Ⅰ、Ⅱ级河谷阶地上。依据建台的原始资料，第四系覆盖层厚度约20～30m；其下是第三系粘土层，厚约450～500m；基底为古生界变质岩。场地的海拔1 153m，年平均湿度约63%，年平均温度18℃。

近年以来台站周边的电磁环境恶化。为探寻台站地电阻率能继续有效观测的方法，2010年对台站观测系统进行了改造，观测场地依然保持原址。

2．1 装置系统的布设

为探寻同场地的地电阻率多种观测方法及数据特点，甘肃天水台站在2010年的改造中采用了地表与井下多种观测方法并用的方式。

天水地表、井下电阻率观测系统由20个测道（测项分量）组成。图1（a）所示的地表四极对称方式有3个测道；图1（b）所示的井下水平观测也有3个测道；图1（c）所示的地表与井下电极互换观测使用了12个测道；垂直观测使用1个测道；检测使用1个测道。

图2 天水观测场地、井孔位置、地埋线路走向的布局图Fig．2 The layout of observation site，borehole location，line alignment at Tianshui stution．

天水台站观测场地的地形地貌、周边环境、装置系统布局如图2所示，测量仪器采用多极距地电仪（ZD8MI），外线路为地埋方式。从图2可知，天水台站电极布设与正南北、东西方位有偏移。其地表电极埋深6m，井下电极埋深100m。NS、EW测向AB极距为300m，MN极距为100m，NW测向AB极距为390m，MN极距为130m。为与多极距仪器（ZD8MI）线路接入序号对应（见表1），电极编号取1～24。地表电极编号见图2所示；井下电极编号见图3。

图3 井下电极布设、编号示意图Fig．3 Diagram of deep－well electrodes layout and numbers．

表1 天水地电阻率台站地表、井下电极的序号表Table 1 The sequence listings of surface and deep－well electrodes at Tianshui geoelectrical resistivity station

需指出，图3中井下编号与对应位置的地表电极在同一井孔内。例如，地表编号8电极与图3中的编号18电极就在一个井孔中。

2．2 装置系统的检测原理与方法

按照地电观测规范要求，地表、井下的导线绝缘性能需要具有可检测性［6］。为此在天水地电阻率地表与井下的多种观测方式系统中利用了深井的资源，在垂直方向增加了两个辅助电极。例如在图2中编号为8、图3中编号为18的电极之间增加了编号为10、20的检测电极，各电极间距为32m，这样4个电极组成了一个垂向四极对称系统。图4为检测电极的原理示意图。

图4 检测电极的原理示意图Fig．4 The schematic graph of detection electrodes．

2．3 观测时间点的选取

在天水地电阻率地表与井下多种观测方式的实际观测中，考虑到了每日场地电磁干扰最小的时段可能在03、04时左右，因此在这一时段进行各测道地电阻率观测。通常在电磁干扰相对严重的场地，每日03、04时基本可避开人为活动产生的电磁干扰和影响；同时这期间来自空间的电磁扰动的影响也相对较低［19－20］。

3 不同观测方式的数据变化特征

天水地电阻率地表与井下多种观测方式系统实际上采用了地表水平观测、井下水平观测、地表与井下电极互换观测三种方式。自2011年初开始观测以来三种观测方式基本保持了各自的数据特点，图5是这三种观测方式典型的数据变化情况。

图5 不同观测方式典型的原始数据曲线（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）．

图5上面一排分图是三种测量方式在NS、EW、NW测向的地电阻率ρs值，下面一排分图是其测量过程中对应的自然电位差VSP测量值。图5表明井下观测的目标测项——井下NS、EW、NW 向观测结果ρs为最好；地表水平观测的ρs、VSP的稳定性相对最差；井下A、B供电，地表M、N测量时，ρs值较稳定，但VSP的稳定性与地表水平观测接近；井下水平观测和地表A、B供电井下M、N测量两种方式的ρs、VSP值最接近。

同时图5说明在同一场地测量地电阻率ρs值时，采用不同测量方法，ρs值有明显差异。这主要是采用不同的观测方法时，一方面装置系数K不同（表1）；另一方面测量过程中人工电位差ΔV有差异，这主要与 人 工 电 流 场 的 分 布 差 异 相 关［2，12，16－17］；三是电极处于不同水平面时的电磁影响环境不同。

表2 天水台站地电阻率不同观测方式的误差统计（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）

从表2可见，地表水平观测和井下A、B供电地面M、N测量这两种方式的数据误差相对大，而地表A、B供电井下M、N测量和井下水平观测两种方式的数据误差相对小。需指出，井下A、B供电地面A、B测量和地面A、B供电井下A、B测量这两种方式其ρs、VSP的稳定性、误差与表2后面三种方法比较都差。

此外，在图5（a）中的6月底、7月初，地表水平观测的ρs值有明显的跃变现象，但井下水平观测、地表与井下电极互换观测均没有出现这一变异现象。表明地表水平观测ρs值的这次跃变可能更多来自地表的影响。

4 结论

在地电阻率多种观测方式系统中，同场地进行的地表水平观测、井下水平观测、地表与井下电极互换观测三种方式中，前两种是常用的对称四极观测方法，而地表与井下电极互换观测实际是一种偶极观测方式。近两年的观测数据表明，井下水平观测能抑制地面电磁干扰，观测效能最好。地表、井下电极互换观测（或偶极互换）方法通过近两年的有效观测，其中地表A、B供电井下M、N测量的方法数据比较稳定性，结果基本与井下水平观测接近或稍好，它的原理可能有助于分析数据变异的性质。

天水台站的电极互换观测（或偶极互换）方式，其观测数据的分析应用还需要一个探索的过程，这一方式可能为地震地电阻率的装置建设提供了一种有益尝试。

致谢：感谢中国地震局地震预测研究所赵家骝研究员、甘肃省地震局袁道阳、杨立明研究员和西部强震研究室多位专家的支持，感谢天水台站领导和监测人员的配合与支持。

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