平凉台地表与井下地电阻率观测数据分析研究

田 野，牛延平，赵 斐，周卫东

(1.甘肃省地震局，甘肃 兰州 730000； 2.甘肃省地震局平凉中心地震台，甘肃 平凉 744000)

地电阻率观测被认为是一种重要的地震预报观测方法，我国于20世纪中后期开展地电阻率观测，并进行了一系列与地震前兆有关的地电阻率异常研究，至今已历时50多年(聂永安等，2010)。多年的观测结果表明，在强震发生前，震源附近地区所记录到的视电阻率数值会有一定的变化(张国民等，2001；肖武军等，2009)，这些与地震活动有关的地电阻率数据为中短期地震预测提供了一定的判断依据和前兆信息。常规地电阻率观测易受外界干扰。一方面，由于观测在地表进行，容易受气温、降雨、冻融等自然环境变化的影响，也会被灌溉、电磁场、金属管线等人为因素所干扰，从而使视电阻率观测值表现出与地震活动无关的变化(解滔等，2012)。另一方面，常规地电阻率观测系统采用大极距的供电方式，所需的布极区较大，与当地经济发展和城市扩张产生冲突，导致越来越多的观测场地遭到破坏(田山等，2009)。用井下地电阻率观测代替传统的观测方式可以尽可能地避开各种外部环境的不良影响，从而有效降低各类干扰。井下地电阻率观测也采用对称四极法(钱家栋，2010)，电极都被放置到地下几十米或更深处的深井中，按一定的极距布设(刘君等，2015)。其优势在于：电极远离地表，受地面环境及干扰源的影响减弱，视电阻率响应的灵敏性提高；极距的减小降低了观测系统受到的远场干扰影响，信噪比增加，观测精度提高(王兰炜等，2015)；井下观测系统对场地的限制条件较少，使更多的台站都能满足观测条件去开展地电阻率观测，提高观测点的密度。

1 平凉井下地电阻率观测系统概况

平凉地震台井下地电阻率观测系统共设有7个井孔，同时进行着地电阻率浅层地表和不同深度的井下观测(包含水平观测和垂直观测)，自2013年运行至今。水平观测的电极布设由浅至深分别为：地表、40 m、60 m、80 m和100 m，南北向供电极距为450 m、测量极距为150 m；东西向供电极距为240 m，测量极距为80 m。垂直观测在1、2、3、4号井中进行，其中1、2、3 号井的供电极距60 m，测量极距20 m；4号井设有三个垂直测道：第一、二个测道的供电极距均为60 m，测量极距20 m；第三个测道的供电极距120 m，测量极距40 m。电极为自研发的筒状铅板电极，外线路铺设是地埋方式(杨兴悦等，2012；康云生等，2013)。观测系统井孔和电极的布局如图1所示，其中测向、测道与电极的对应关系见表1。

2 平凉井下地电阻率地表与井下观测数据对比

2.1 观测数据质量评价

选用平凉台2014年1月至2017年1月间的井下地电阻率观测数据，将地表与井下各测道的相对均方根误差的平均值进行对比，结果见表2和表3。

图1 平凉井下地电阻率井孔布局示意

表1 测向、测道以及电极序号对应

表2 平凉台地电阻率水平测向年平均方差(年相对均方根误差)统计

表3 平凉台地电阻率垂直测向年平均方差(年相对均方根误差)统计

表2为地表与井下各水平测向的年平均方差。可以看出各测道每年的相对均方根误差都不大。井下NS、EW测道的相对均方差明显小于地表测道，这说明井下观测的精度要高于地表，且地表观测的干扰较大。每个测道的相对均方差在三年间的变化很小，表现较平稳。井下观测表现出一定的优势，和平凉台观测系统建设过程的细节有关：一是使用圆筒状电极，既便于井下电极的埋设，又保证了电极与介质的充分接触；二是电极与电缆的接头严格密闭，防止接头遭水浸；三是采用“避开干扰时段观测法”，选取一天中干扰相对较少时段进行测量。表3为井下垂直测向的年平均方差。除2014年度垂直向3测道以外，其余各年几个垂直测道的年相对均方差都很小。分析发现，观测数据显示该测道在2014年2月20日至3月4日之间测值突然升高，随后又恢复常态，导致垂向3的年平均方差偏高，原因不明。从数据质量来看，地电阻率井下观测比地表观测好，前提是在井下观测系统建设时注意细节处理，如井孔质量、电极的接触面积、接头的防水处理等。

2.2 水平测量观测数据相对变化

将地表与井下在同时段的视电阻率变化情况进行对比，可更直观地看出地电阻率的地表与井下观测之间的差异。平凉地电阻率井下观测系统于2017年9月由于主机故障，临时停测。因此本文选取2014年1月至2017年8月的观测数据，以视电阻率的年变幅度R作为分析该台的年变情况的依据。数据相对变化R是指各个观测数据减去初值后与初值的比值，该值反映了观测数据相对于初始观测值的相对变化量。其计算公式如下：

(1)

式(1)中：xi表示观测值;x0表示初值。表4按年度列出了各测道的年最大相对变化幅度Rmax，即年变幅度。容易看出，地表观测的年变幅度超出了地电阻率规范中要求的3%(中国地震局，2001)，且远大于井下观测的变幅；而井下各测道的年变幅度均小于3%，说明井下观测优于地表观测。地表与井下测道的年变幅度均呈现逐年增涨的趋势，其中地表的增幅最大，说明地表观测受温度、湿度、磁场等变化的影响最大。每个测道的EW向较之NS向的年变涨幅稍大，这可能与EW测向的极距比NS测向的极距小有关。

表4 水平测向的观测数据的最大相对变化幅度统计

绘制各测道的相对变化量R的曲线，如图2所示。曲线图表明：①地表EW测道的相对变化整体呈明显的上升趋势，相对变幅达到近30%。视电阻率出现的这种大幅度的变化，不太可能是地下介质电性结构变化的表现，而应该考虑观测场地、环境或者观测装置等因素(王兰炜等，2011)。②EW与NS测道的年变化形态相似，地表与井下各测道都一致地呈现冬低夏高的基本变化趋势。③井下各测道的年变幅度均小于技术规范要求的3%，可见井下观测比地表观测有着明显的抗干扰的优势。图2(a)显示地表观测波有明显的规律性的年变形态，而由图2(b)-(g)可以看出，井下测道相对地表观测，其数据变化较平稳，各测道都一致地呈现冬低夏高的基本变化形态(张磊等，2015)。以上因素表明该台井下地电阻率观测可以大大减小观测场地受降雨、气候、季节等环境因素的影响。

图2 平凉井下地电阻率水平向观测数据相对变化

表5 井下垂直测道的观测数据的最大相对变化幅度统计

2.3 井下垂直测量数据分析

平凉井下地电阻率垂直测道的观测数据年变幅度

均未超过3%，见表5，这表明垂直观测的效果不错。其中“井孔4垂向下”的年变幅度最小，这一测道的测量、供电电极埋深都在地下100 m以下，说明电极的埋深对观测结果有一定的影响。对比水平测道的年变幅度(见表4)，至少可以说明在观测装置稳定的情况下，垂直观测受到地表环境的干扰更小。然而，受井深限制，垂直测量的极距往往较小，而极距的减小会导致勘探体变小，从而增大了地下介质的不均匀性影响。

垂直测道的电极埋深是40～160 m(见图1、表1)。图3是井下各垂直测道的相对变化曲线。相同深度垂直测量的年变幅度很小且变化趋势相似(图3(a)-(d))。图 3(e)则呈现出比其他测道更平稳的形态，结合表5中的结果，它的年变幅度的确很小，而该测道电极埋深大于100 m，这又一次说明深埋电极可有效避免地表环境变化的影响，而且电极埋设深度可能决定其抗干扰能力。图3(f)的年变形态也更平稳，这可能是因为它的测量极距较大。由此可见，在井下地电阻率垂向观测中，电极埋深和极距仍然是影响观测数据的重要因素。

图3 平凉井下地电阻率垂直向观测数据相对变化

3 结论

随着各地城市化建设的推进，地电阻率观测场地遭到越来越多的破坏。观测环境的日趋恶化对观测造成严重干扰，导致观测数据的分析、地下介质异常变化的识别都变得更困难。平凉台近年来的井下地电阻率观测结果表明，井下观测能够有效减少和抑制地表干扰，加上其观测场地较小等特点，成为目前较为理想的一种地电阻率观测方法。结合平凉台井下地电阻率观测数据质量、年变等信息，初步得出以下结论：(1)地电阻率井下观测的抗干扰能力高于地表观测。井下测道的日均值曲线平稳，突跳点少，变化幅度也很小，来自地表的干扰对观测结果基本没有影响；地表观测则表现出数据变化幅度大、突跳明显、阶跃频繁等特征。(2)地电阻率井下观测的年变优于地表观测。地表观测随季节受到温度、降雨等因素影响，其年变幅度较大；井下观测的年变幅度则很小，受季节影响不大。(3)井下垂直观测稳定。井下垂直观测随着电极埋设深度增加以及观测极距加长，其年变幅度越来越小，日均值曲线更平稳，数据突跳、阶跃很少。垂直观测的最大优势是观测场地小，容易提高观测密度。(4)性能稳定的观测装置是地电阻率观测的基本保障。平凉地电阻率井下观测装置独有的电极技术，使勘探体尽可能大且在井下环境中仍然能保持良好的性能。(5)“避开干扰时段测量”的观测方式有一定优势。这种分时段的观测方式，能够避开干扰的高峰期，对数据质量有一定的提高。(6)井下地电阻率观测的弱点是极距小。极距的减小对观测有一定的不良影响，例如介质的不均匀性影响变大。这一问题的解决还需在理论和技术上进行更深入的研究。