昌黎地电台多极距观测系统的设计

佟　鑫，郭建芳，周剑青，张思远

(河北省地震局秦皇岛中心台，河北 北戴河　066100)



昌黎地电台多极距观测系统的设计

佟鑫，郭建芳*，周剑青，张思远

(河北省地震局秦皇岛中心台，河北 北戴河066100)

摘要：基于对昌黎地电台地下介质的一维电性结构模型，分析了不同深层介质的响应系数、多极距布设方式及理论探测深度。结果表明：当MN分别取1/3 AB、1/4 AB、1/5 AB时，各层的响应系数变化趋势非常一致；据初始电性结构模型分析，4个不同深层中第3层的电阻率测值贡献率最高，达到70%，因此，在设计多极距观测布极时主要考虑第3层的贡献，该层的供电极距对取300～500 m较合适，第3层最大贡献率为60%，当供电极距对不超过1 000 m时，第4层贡献率仅为20%；根据不同深层介质响应系数分布情况和台站实际观测条件限制，多极距布设方式为5种，分别为1 000 m、500(或400)m、400(或300)m、125 m、30 m。5种布极的理论探测深度在14～96 m，此结果由昌黎台介质的电性结构所决定。

关键词：电性结构模型；响应系数；多极距布极探测深度；昌黎台

0引言

昌黎台在1975年海城MS7.3地震、1976年唐山MS7.8大震等观测到了突出的地电阻率异常[1]，唐山老震区及周边自1976年大地震以来未发生过6级以上地震。华北东部及东北地区自2010年以来发生了数次MS4～5级地震，且震级逐年增大，其中以2012年5月唐山MS4.8，2013年5月、10月吉林5级震群活动最为显著。而备受关注的唐山老震区在我国西、南部中强地震活跃、毗邻各国强震多发的时期，维持了近3年的4级地震平静、3级地震偏少的状态。近期研究也证明：唐山断裂处于孕震时期，其中滦县—乐亭断裂在NWW向主压应变场中[2]，值得关注。

昌黎台地电阻率多年来一直作为华北片区、首都圈及唐山地区中强震监测的重点台站，是河北省地震局和中国地震局分析预报工作的重点监测手段之一，但主要以地电阻率时间序列上提取趋势异常为重点。因多数前兆观测受干扰影响，无法显现真实的年变动态及异常特征，故而多数人采用不同数学方法提取异常。鉴于此，该台于2015年开始实施地电阻率多极距观测实验，反演计算不同深度地电阻率动态变化的方法，研究地下分层介质电阻率变化对地电阻率地震前兆信息的贡献，并结合地下水观测研究地电阻率变化的机理。本文重点对地电阻率多极距观测系统的设计问题做分析和整理。

早期我国地电阻率观测台站的布极方式多为单测道(或正交双测道)单极距观测，采用对称四极装置，得到的视电阻率变化是观测范围内位于不同深度层电阻率的综合反映。年变特征主要受浅层水位及季节变化导致浅部地电阻率发生显著变化的影响[3-4]，而深部地电阻率变化则是我们需要的与映震有关的信息。为了得到有价值的地震信息，早期有些台站采用多极距观测的方法获得等效(真)电阻率[5-6]，采用深埋电极装置进行实验研究[7-8]：聂永安等通过计算水平层状介质电源激励解析解的方式，从理论上研究了3层结构在地表和基岩中对称四级电阻率观测结果与装置深度、供电电极之间的关系[9-10]；解滔等对井下电阻率观测中地表电流的干扰进行了计算分析，为如何在压制地表电流干扰影响的同时选择台址电性结构和电极埋深、确定干扰源避让距离等方面提供参考[11]。另外，电阻率层析成像技术也在相关领域获得新的研究[12]。

对于多极距观测系统而言，了解不同层位的响应系数很关键，其能反映各深层的视电阻率对观测值的贡献大小。本文重点对昌黎台的地下电性结构层做响应系数分析，从而拟定多极距观测的合理布设方式，同时对探测深度也做浅析。

1台站概述

昌黎地电台始建于1972年，该台位于河北省东部沿海地区，NE走向的宁河—昌黎深断裂位于测区东约5 km处，西侧约20 km和65 km处为NW走向的滦县—乐亭断裂和NE走向的唐山断裂。第四系覆盖层厚70 m ，含水层发育，总厚度20～30 m，基岩风化厚度8 m，主要开采20 m 和30 m两含水层，含水层岩性为粗砂和中砂。下伏基岩为燕山期花岗岩，电性条件属2层电性断面。上覆第四系为低阻层，ρ2大体在几到几百欧姆·米，下伏基岩为高阻层，ρ2大体在几千至数万欧姆·米。据历史钻孔资料及层析二维图像，2个高阻层在10～40 m和130 m深度以下，分别对应于含水量甚少的胶泥层和花岗岩层；在40～130 m深度段的低阻层则是富含地下水的中粗砂层[13]。台站地势平坦，西侧1.5 km处有深部承压热矿水，水位和水温高，矿化度大，属CaNa水型，近年来开采较多。西侧、南侧数公里范围内分布着较多的粉丝厂和淀粉厂。近年来，EW测向的西电极附近也分布多家粉丝厂，对测区环境有一定影响。昌黎台所处地质环境及断层分布如图1所示。

图1　昌黎台空间分布图

1997年7月开始采用数字地电仪ZD8B观测，背景场改造更换为ZD8M观测，布极方式为2个相互垂直的测道NS、EW，AB/2=500 m，NS向测量极距MN=250 m，EW向测量极距MN=200 m。铅板电极接地良好，外线路采用屏蔽绝缘铜线观测。

2响应系数的计算

对于电性剖面参数已知的台站，为确定多极距观测的最佳布极方式，首先应计算各层介质的响应系数Si随观测极距的变化情况。昌黎台初始电性结构模型为4层，第1层h1=6 m,ρ2=45 Ω·m；第2层h2=24 m,ρ2=90 Ω·m；第3层h3=85 m,ρ3=55 Ω·m；第4层h4=∞,ρ4=1 300 Ω·m[14-15](图2)。电测深曲线为KH型。

图2　昌黎台初始电性结构模型示意图

以水平层状介质及其响应系数理论作为昌黎台观测资料反演的基本理论和模型，计算公式参见文献[2]。对于理想的n层水平介质，利用四极对称装置观测时，得到的地电阻率相对变化量Δρs/ρs由公式：Δρs/ρs=s1×Δρ1/ρ1+s2×Δρ2/ρ2+…+sn×Δρn/ρn决定，s1，s2,…sn为响应系数，各层系数之和为1，每层介质对Δρs/ρs的贡献量取决于介质本身的电阻率变化量和这一深度上的响应系数。响应系数大，介质电阻率变化对地表观测值影响也大；响应系数小，对地表观测值的影响也越小。它实际上反映了四极对称装置在某种电性结构介质上的探测能力，其曲线就是水平层状介质不同深度对地表观测电阻率变化的响应特征曲线[16]。

经计算，得到昌黎台不同极距情况下各层响应系数随极距的变化情况(图3)。

3装置布设

主要包括：

1)极距个数。要反演计算n层电阻率值，观测资料的数据应该等于或大于n[17]。一般来说，地电台站实际电性结构和理想的水平层状模型有一定差异，因此，对于n层介质来说，极距个数应为n+1或n+2。昌黎台电性结构模型为4层，结合实际观测环境，极距个数设计为5个。

图3　昌黎台地下介质响应系数分层曲线

2)极距长度分为供电极距AB和测量极距MN。电阻率随供电极距逐渐增大，探测深度也越深，因此AB的取值范围与响应系数密切相关。从图2可以看出，对于昌黎台来说，MN取AB/3、AB/4、AB/5的各层的响应系数的变化趋势是非常一致的。对于多极距观测，主要是捕捉或反映更深层的电阻率变化情况。当供电极距不大于1 000 m时，第4层的响应系数小于0.2，即对观测到的视电阻率的贡献不可能超过20%；而对于第三层来说，响应系数最高值在AB=300～400 m，当AB大于300 m时，则其贡献可以达到70%，因此，在设计观测极距时最主要是要顾及到第3层的贡献；第2层响应系数最高值在AB=100 m左右，最高贡献率60%。为了使观测装置也能反映浅部的变化，短极距选择时可考虑1～2个。另外，实施中充分考虑了当地环境的复杂性和多变性，既能利用原有装置系统，又能合理埋设新的观测装置。当响应系数曲线极值点附近与直线偏离较大时，相应的极距应选在对应于响应系数曲线极值点附近的线性度较好的一段曲线上；当响应系数曲线极值点附近与直线偏离较小时，极距可选在响应系数曲线极值点上[17]。5个极距长度分别设计为：

NS向①AB=30 m，MN=6 m；②AB=125 m，MN=30 m；③AB=400 m，MN=80 m；④AB=500 m，MN=125 m；⑤AB=1 000 m，MN=250 m。

EW向①AB=30 m，MN=6 m；②AB=125 m，MN=30 m；③AB=300 m，MN=80 m；④AB=400 m，MN=125 m；⑤AB=1 000 m，MN=200 m。其中，2个测向1 000 m的极距布设利用原有装置。

实际地电台站进行多极距布设时，多受到观测环境和建筑设施的影响，为了方便施工和维护工作，在节约费用的基础上，充分考虑好布极方法是十分重要的，尤其提取贡献层较大的电阻率时，对反演精度有一定影响。

4探测深度计算

关于地电阻率探测深度的定义，经查文献资料，认为其与物探电法中的探测深度含义有本质区别。较早文献有：1938年Evjen[18]认为物探中探测深度的目的，在于将地表的观测值与某个具体深度联系起来，使测量参数与地质目标最相关，探测深度h与供电极距AB的关系最佳，为h=AB/9；1969年，AdelARZ和DallasBJ[19]在地下水勘探中，根据对多层电测深曲线的分析，认为介于AB/3～AB/4之间；而现在教学中的探测深度一般选择AB/4 ～AB/6；1982年，赵和云等[20]定义视电阻率探测深度为：在一定的地电断面条件下,用一定的装置(包括装置的类型和装置系数2个方面)探测时,所具有探测深部介质电阻率变化的能力；1986年，傅良魁[21]定义：在给定的各种主观、客观条件下，通过对电或电磁场信息的收录、处理和分析研(正演，反演)，以查明探测目标的最大深度，主要影响因素包括主观、客观两大方面等多种复杂情况。

该定义对现实观测介质多层分布的复杂性有较好的说服力，且当测量极距对与供电极距对互换时，公式的物理意义仍较清晰。公式推导过程中，采用的电流密度jMN和面电流分布IMN称之为“等效”值，本身没有物理意义。对于昌黎台N=4层的复杂情况，由于电流在界面处可能出现很大的跃变，因此jMN应当分别在不同层内计算，这样推导过程十分复杂；加之实际各层介质随着深、浅层水位等复杂情况的变化，其实际探测深度会发生不同程度的变化，理论推导公式的物理意义已经不大。本文为了简化计算得到近似深度值，可将4层介质大致看成2层，以基岩上层面为分界线，第1层h1=115m,ρ2=63.3Ω·m，h2=∞, ρ2=1 300Ω·m探测深度公式详见文献[20]。计算结果见表1。

表1　昌黎台多极距对探测深度计算结果

5结论

利用昌黎台初始电性结构模型，对不同深层地下介质的响应系数进行计算分析。当MN取AB/3、AB/4、AB/5时，各层响应系数的变化趋势非常一致；当供电极距不大于1 000 m时，第4层的响应系数小于0.2，即对观测到的视电阻率的贡献不可能超过20%；而对于第3层来说，只要当AB大于300 m，则其贡献可以达到70%，是多极距观测装置中主要考虑的布设方式；第2层贡献率最高不会超过60%。

昌黎台多极距观测装置的布极个数设计为5个。各供电极距长度选取时充分考虑了测区环境及建筑设施，为了方便施工和维护工作，在现有观测装置的前提下，依据不同深层介质响应系数不同的特点，采取了较为合理的布极方式进行铺设，尽最大可能捕捉到贡献率较高的介质层电阻率变化特征。5种布极方式计算出的探测深度在14～96 m左右，主要由介质电性结构决定，它取决于如下条件：①被探测地质体本身的因素，如：大小、形状、埋深及与围岩的电阻率差别；②供电电极距(AB)的大小；③观测精度；④地形和不均匀体的干扰；⑤外来电场的干扰。另外，不同的计算方法可能略有差异，对此问题的探讨将另文叙述。

昌黎台初始电性结构模型的建立，为以后相关研究奠定了基础，但不一定是最佳电性结构模型，需要在以后的多极距观测基础上做大量实验研究和反演计算。研究中，我们可以利用初始电性结构模型计算获得视电阻率，将其与相应的观测极距对下获得的实际观测值相减，获得电阻率残差；然后进行反演，获得模型参数的调整量；再与初始电性结构模型的参数相加，即可获得新的初始电性结构模型参数。如此反复，直至获得满足条件的最佳模型参数[22]。

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The Design of Multi-separation Array Observation System of Changli Geoelectricity Station

TONG Xin, GUO Jian-fang*, ZHOU Jan-qing, ZHANG Si-yuan

(Qinhuangdao Central Seismic Station of Earthquake Administration of Hebei Province, Qinhuangdao 066100, China)

Abstract:This study analyze the response coefficient, theoretical apparent resistivity of different deep medium and the depth of probe based on 1-dimension model of electrical structure in Changli station. The results show that when MN is 1/3AB, 1/4AB, 1/5AB respectively, the variation trends of response coefficient of each layer are very consistent. Because the contribution rate of third layer which achieved 70 percent is highest in four layers of different depth, the contribution rate of the third layer is the dominant factor in arranging the electrodes for multi-spacing system in apparent resistivity observation. When the scale of electrode distance of the third layer is from 300 to 500 meters, the results are best. The third layer contribution rate is no more than 60%. When the electrode distance is less than 1000 meters, the contribution rate of the forth layer is just 20 percent. According to the distribution of the response coefficient of the deep layer and the actual observation conditions of the station, the multi-separation array layout is 5 kinds: AB=1 000 m, 500(or 400)m, 400(or 300)m, 125 m, 30 m, the detecting depths is around 14-96 m, the results rely on the electrical structure of medium under the Changli station.

Key words:initial electrical structure; response coefficient; multi-separation array layout; Changli geoelectricity station

doi:10.3969/j.issn.1003-1375.2016.01.011

中图分类号:P315.75

文献标志码:A

文章编号:1003-1375(2016)01-0065-05

作者简介：佟鑫(1987—)，男，吉林白城人，助理工程师，从事电磁监测、分析预报和仪器维修工作.E-mail:278507679@qq.com*通讯作者：郭建芳(1977—)，女，河北昌黎人，高级工程师，从事前兆台网数据处理及分析预报工作.E-mail: gjfzyy76@sina.com

基金项目：中国地震局科技星火计划“昌黎台地电阻率多极距观测实验与地下水位关系研究”(XH15005Y)

收稿日期:2015-06-22

佟鑫，郭建芳，周剑青，等．昌黎地电台多极距观测系统的设计[J]．华北地震科学，2016，34(1):65-69.