晋冀蒙交界及附近地区小极距井下地电阻率观测装置设计

肖武军 解滔 张尧

中国地震台网中心，北京 100045

0 引言

我国自1966年邢台MS7.2地震后开始了规模化和规范化的定点台站地电阻率(也称视电阻率)连续观测，在50多年的观测实践过程中，记录到了发生在台网内或附近多次大地震前突出的中短期异常(钱复业等，1982；钱家栋等，1985、2013；赵玉林等，2001；汪志亮等，2002；Du，2011；解滔等，2018)。与地震有关的异常通常表现为年尺度的持续性下降或上升变化，大地震近震中区以下降型异常为主(Du，2011)，不同方向异常呈现出与地震主压应力轴方位有关的各向异性变化(赵玉林等，1995；钱复业等，1996；杜学彬等，2007)，震中区及邻近的台站能够完整地呈现震前“中期下降—短期加速下降—准同震阶跃—震后恢复”的异常变化过程。异常映震空间范围可达300km，但150km范围内更为集中(杜学彬等，2000)，在台网相对较密的区域能观测到由震中向外围异常起始时间的延迟和异常幅度的衰减现象(钱复业等，1982；赵玉林等，2001)。

地电阻率能在震情保障工作中发挥作用，离不开高质量的观测数据和足够空间密度的台网布局。近年来随着城镇化建设的推进，地电测区环境干扰影响日趋严重，造成观测数据质量下降，部分台站面临停测或搬迁。目前，台网稀疏且分布不均匀和观测数据质量下降已经成为地电阻率方法在地震监测预测中面临的瓶颈。长期以来，固定台站的地电阻率观测是采用地表大极距、多方位的观测装置，供电极距AB多为1000m左右，布极区占地面积大。目前，随着城市化进程和生命线工程建设，勘选符合场地条件的观测场地比较困难，尤其是在地震多发且以山地为主要地形地貌特征的地区，同时布极区范围大，引入环境干扰的几率高，观测环境保护难度较大。如果在能够有效记录到地震异常的前提下减小布极区范围，则上述瓶颈问题可得到解决。为抑制来自地表的干扰，我国地电工作者自20世纪80年代开始陆续开展了井下地电阻率实验研究(王帮本等，1981；苏鸾声等，1982；刘允秀等，1985；刘昌谋等，1994)；2008年来，为应对地表大极距观测受到的观测环境影响，全国地电台网技术管理部门和地电学科专家推进了井下地电阻率观测实验，目前已在全国建成了14个井下台站，同时部分台站正在改造为井下观测装置。实验结果表明，井下观测能有效弱化或抑制地表杂散电流和电性异常体类(如金属管线、沟渠开挖、基本建设等)干扰对观测的影响，在几次中强地震前也记录到了异常变化(康云生等，2013；高曙德，2016)。

2022年冬季奥运会将在北京及河北张家口举办，及时准确把握举办区域及周边地区的震情是冬奥会震情保障工作的重点。晋冀蒙交界区域是近几十年来地震活动较为频繁的区域，有记录以来该区域共发生8次6级以上地震，其中7级地震1次，最近一次强震为1998年张北6.2级地震。该区域及附近地电阻率观测台网在1976年唐山MS7.8、1989年大同-阳高MS6.1震群和1998年张北MS6.2等地震前都记录到了清晰的中短期异常(汪志亮等，1990；高立新等，1999；王志贤等，1999)，表明在这些台站所在的观测场地观测地电阻率能对该区及周边的强震实施有效的监测预测。该区域地表地电阻率观测台站目前也受到了不同程度的干扰，另外，目前较大极距(最大约450m)、井深多为100m左右的井下地电阻率观测并不能完全抑制上述2类地表干扰。为此，“冬奥会保障晋冀蒙监测能力提升项目”将对晋冀蒙交界及附近的宝昌、集宁(新增台站)、阳原、大同、代县、临汾、通州和平谷8个台站进行升级改造，在原测区内增加井下小极距地电阻率观测，以期提升地电阻率观测对该区域的震情监测能力，并实验小极距井下地电阻率观测对地震的监测预测能力。本文介绍了根据上述台站的台址电测深资料和钻孔剖面设计的井下小极距地电阻率观测装置及其依据。

1 设计方法

地表浅层电性异常体干扰源可以等效为浅层介质点电阻率发生变化，其对观测的影响可以在影响系数理论框架下进行分析(钱家栋等，1985)。对于一些地层电性结构，在相同的观测极距下，水平测道的电极埋设在一定深度范围内时对地表干扰具有放大作用，因此需要结合台站实际的电性结构计算各层介质对观测的影响系数分布，选择合适的装置极距和埋深以保证对地表干扰进行有效的抑制(毛先进等，2014；解滔等，2016)。

如果将地电阻率测区划分为任意的N块区域，每一块区域介质电阻率为ρi(i=1，2，…，N)，在测区电性结构确定、观测装置和极距以及布极位置确定时，地电阻率ρa是各分区介质电阻率的函数(钱家栋等，1985、1998；Park et al，1991；Lu et al，2004)。

在多数情况下，各分区介质电阻率在一定时间内的相对变化非常小，Δρi/ρi<<1。地电阻率相对变化可以简单地表示为各分区介质电阻率相对变化的加权和

(1)

式中，Bi为第i层介质对观测的影响系数，其表达式为

(2)

影响系数Bi满足如下关系(Seigel，1959；Roy et al，1981；Wait，1981)

(3)

测区介质可以按任意大小划分，用数值计算方法讨论各区域介质对地电阻率观测的三维影响系数。这里主要讨论各层介质整体对观测的影响，因而按照N层水平层状结构将测区划分为水平层状的N块区域，采用井下观测电位分布的解析表达式(聂永安等，2009、2010)和二极装置滤波器算法计算对称四极装置下各层介质的影响系数(O’Neill et al，1984；姚文斌，1989)随极距和埋深的分布，然后选择合适的极距和埋深，使表层介质的影响系数尽可能小，目标层位介质的影响系数尽可能大。

2 观测装置设计

2.1 观测装置设计思路

地电阻率是探测范围内介质电阻率的综合反映，观测极距越大，水平方向和深度方向的探测范围也越大。在装置埋深一定时，随着极距的增加，对深部信息的反映能力增加，但各层影响系数与地表观测时也将逐渐趋于相近，井下观测的作用越来越小。理想情况下，在观测极距一定时，只要电极埋设足够深，总是可以抑制地表干扰、突出深部信息。但受制于施工技术条件、投资规模和难以获得较大占地面积的观测场地，此次“冬奥会保障晋冀蒙监测能力提升项目”将采用供电极距为100m左右的小极距观测方式，且在水平测道各电极的埋深大于极距的条件下，开展具有地下全空间电流分布的小极距井下地电阻率实验观测。

图 1 小极距井下地电阻率观测布极示意图

图 2 计划增加小极距井下观测的8个台站空间分布黑色三角为原有台站；红色三角为计划增加台站

地电阻率异常的各向异性变化与地震主压应力方向有关，在分析各向异性时，通常将测区介质简化为均匀各向异性介质，且2个电性主轴沿水平方向，另一个主轴沿垂直方向(钱复业等，1996；杜学彬等，2007)，共计4个独立分量(即3个主轴电阻率和水平主轴方位)。因此，每个台站布设3个方向的水平测道和1个垂直方向测道。由于采用小极距的观测方式，探测范围内介质可近似视为均匀各向异性介质，依据4个测道观测值，可以计算出3个方向电性主轴电阻率和水平主轴的方位角，从而可以进一步分析地震前主轴真实电阻率和主轴方位的变化。由于观测极距大幅减小，地电阻率深度方向探测范围也减小，为使水平观测的3个测道反映相同深度范围的介质电阻率变化，应使3个测道具有相同的极距。为进一步节约经费，3个水平测道采用等边三角形布极，每个供电电极为2个测道共用，以这样的布极方式，每个台站可减少3口井的建设费用。虽然等边三角形布极方式与目前台站两个垂直测道和一斜测道的方式存在差异，但这并不影响依据地电阻率观测值进行各向异性分析。垂直测道在垂直方向对称于水平测道，并增加地表水位和气象三要素观测(图1)。此次将对晋冀蒙交界及附近区域的宝昌、集宁、阳原、大同、代县、临汾、通州和平谷8个台站增加小极距井下地电阻率观测(延庆台已经完成小极距井下观测建设)，台站分布如图2 所示。下面以宝昌台为例，给出台站观测方案的设计过程。

2.2 宝昌台观测装置设计

宝昌台(又称太仆寺旗台)位于内蒙古自治区锡林郭勒盟宝昌镇，台站所在区域为内蒙地轴东段，四级构造单元，属阴山台拱的化德穹褶断束，地貌以低山丘陵地带为主，康保至赤峰深断裂带、张北-沽源大断裂带通过宝昌境内，有多处中生代断陷盆地，主要构造线为北东走向。台站钻孔岩芯柱状剖面显示，测区地下介质主要由明显的3层物质组成，表层介质厚度为8.5m，下伏基岩为石英斑岩，深度约为71.5m(图3(a))。据电测深资料，测区为H型电性剖面(图3(a))，电性3层结构与钻孔资料分层结构一致。结合电测深数据和钻孔资料，将测区地下介质简化为3层模型，电性结构如图3(a)所示。

图 3 宝昌台钻孔岩芯剖面(a)和电测深曲线(b)

图 4 宝昌台地表观测影响系数分布

宝昌台现有地表观测布设NS和EW两测道，供电极距AB均为580m，测量极距MN均为80m。地表观测时各层介质影响系数如图4 所示，在AB=580m时，第1、2和3层介质影响系数值分别为0.0508、0.7359和0.2133，说明在各层介质电阻率发生相同幅度的相对变化时，第2层介质对观测值相对变化的贡献程度最大，其次是第3层。因此，第2层和第3层介质是目前地表观测的主要贡献层位。宝昌台在1989年大同-阳高MS6.1地震、1998年张北MS6.2地震、1999年大同MS5.6地震和张北MS5.7地震前均出现异常(汪志亮等，1990；高立新等，1999；王志贤等，1999)，但仅从影响系数分布上还不足以推测出异常的主要贡献层位。通常认为，相对较深的地层更为密实，更易传递应力并产生电阻率变化，因而此次的井下观测将以第3层的基岩作为主要目标探测层位。

宝昌台井下观测时各层介质影响系数随深度和极距的变化如图5 所示，在埋深H=80m左右，极距AB=60m附近时第3层介质影响系数已占主导地位，第1层影响系数降低至较低水平。通过对比分析观测极距AB=60m时各层介质随深度变化的影响系数(图6)和原地表观测的影响系数(图4)，原地表观测主要反映第2层介质电阻率变化，其次是第3层基岩变化情况。在埋深H>80m之后，井下观测主要反映第3层基岩变化情况，更能反映出区域构造应力对测区介质的影响。因此，宝昌台井下地电阻率观测3个水平测道极距AB取60m，测量极距MN取20m，电极埋深取80m；由于垂直测道可能存在因观测井回填导致整个井呈现低阻特征的风险，垂直观测井距离最近水平观测井距离>AB/2，设计时取该距离为50m。垂直观测极距和测量极距同样分别取60m和20m，在垂直方向相对于水平测道呈对称分布，井深为110m，最上端电极埋深为50m。所有地电阻率观测井在电极下井时采用尼龙绳或电缆自带的纤维绳固定电极，避免导线电缆承受电极重量，且观测井不采用任何套管。出于相同的原因，地表潜水位观测井距最近地电阻率观测井距离>AB/2。

图 5 宝昌台井下观测影响系数随埋深和极距的分布

图 6 宝昌台井下观测影响系数随深度变化

图 7 宝昌台井下观测理论地电阻率随深度变化

表1晋冀蒙交界及附近地区井下地电阻率观测设计方案

台站AB/mMN/m水平测道埋深/m水平测道数量垂直测道深度/m垂直测道数量D1/mD2/m气象三要素宝昌台60208031101≥50≥50√集宁台80209031301≥50≥50√阳原台802010031401≥50≥50√大同台802010031401≥50≥50√代县台802011031501≥50≥50√临汾台802011031501≥50≥50√通州台802010031401≥50≥50√平谷台903011031551≥50≥50√

注：D1表示垂直测道离最近水平观测井的距离；D2表示水位观测井离最近地电阻率观测井的距离；垂直测道深度以最下面电极埋深表示。

在供电极距AB=60m，测量极距MN=20m时，水平测道地电阻率理论计算值随装置深度变化如图7 所示，在埋深为80m时，地电阻率理论计算值约为284Ω·m。

2.3 总体观测装置设计

采用相同的设计思路和方法，结合台站电测深数据和钻孔岩芯剖面反演台站层状电性结构，计算各层介质影响系数随深度和极距的变化，选择合适的极距和装置埋深，最终宝昌、集宁、阳原、大同、代县、临汾、通州和平谷8个台站井下地电阻率观测的设计方案如表1 所示。

3 讨论

与地震孕育过程有关的地电阻率异常变化主要反映构造应力作用地下介质孔隙大小和孔隙之间连通性改变引起的介质电阻率变化，这已经得到实验研究和许多震例的支持(Mjachkin et al，1975)。实验室内含水岩石标本实验结果显示，主压应力加载过程中地电阻率呈现下降变化，多数岩石临近破裂时加速下降，破裂后恢复上升(张金铸等，1983)，与主压应力垂直的方向变化幅度最大，平行方向最小，斜交方向介于二者之间，表现出与应力方向有关的各向异性变化(陈大元等，1983)，野外原地实验结果给出的地电阻率变化以及各向异性变化与实验室结果一致(赵玉林等，1983)。1976年唐山MS7.8地震之前，震中150km范围内的14个地电阻率台站中，有9个台站出现了年尺度的趋势下降异常，1个台站出现上升异常，且由震中向外围方向异常起始时间出现延迟，异常幅度出现衰减，揭示出孕震晚期亚失稳阶段应变加速积累并由震中向外扩散的现象，且震中附近的昌黎和马家沟两个台站在临震阶段记录到了加速下降变化(赵玉林等，1978)。唐山地震震源机制解为走滑型，出现下降异常的台站位于压缩区，出现上升异常的台站位于拉张区，而未出现明显异常的台站位于震源机制解的界线附近(钱复业等，1982)。由此可见，需要具有足够密度分布的观测台网和高质量的观测数据，才能更好地分析地电阻率异常及其预测意义。一方面，多个台站出现异常时可以相互印证；另一方面，只有通过分析不同台站异常的出现时间、幅度、形态和空间范围，并结合各向异性分析，才能更好地对未来地震发生的地点、震级和时间做出判断。

目前，除正在开展井下实验观测的少数台站外，我国地电阻率台站均采用地表大极距的观测方式。随着地方经济建设的快速推进，多数台站已经受到较大程度的干扰，造成观测数据质量下降。大极距观测方式需要较大范围的观测场地，新增台站场地勘选和获取困难，尤其是在大震多发且以山地为主要地貌特征的南北地震带，这也导致了地电阻率台网稀疏和台站分布不均匀的现状。由于布极区较大，测区内工农业设施建设不可避免，环境保护难度较大，观测也难以避免受到干扰。地震预测的目的是服务于保障人民生命财产安全和国民经济建设，不能因为对观测数据质量的要求而阻碍测区附近的经济建设。因此，地表大极距的观测方式已经难以为继。目前地电阻率已有的可靠震例是在地表大极距观测方式下记录到的，其深度方向探测范围与极距相当(赵和云等，1982；杜学彬等，2008)。井下地电阻率观测对地表干扰的抑制能力已经得到台站实验观测和理论分析的证实(解滔等，2012；康云生等，2013；张磊等，2015；王兰炜等，2015)，但对于极距较小的井下观测，能否有效记录到与地震孕育有关的异常，目前还无法得到明确结论。钱家栋等(2018)通过对汶川地震前成都台NE测道异常的数值模拟分析认为，要合理解释地表观测约7%的下降异常变化，需要具有幅度为20%的电阻率变化区域的上界面上升至距地表122m左右。此次晋冀蒙交界及附近地区8个台站井下观测设计方案的极距在80m左右，埋深在100m左右，其深度方向探测范围可至180m左右。此外，延庆台已完成井下观测的建设，水平测道埋深150m，供电极距为120m。总体而言，此次“冬奥会保障晋冀蒙监测能力提升项目”中采用小极距井下观测具有实验研究性质，验证开展小极距井下地电阻率观测的可行性，希望为地电阻率目前面临的困境提供一种可能的解决办法。同时，测区原有的地表大极距观测也将保留，以开展对比分析。

4 结论

“冬奥会保障晋冀蒙监测能力提升项目”将对晋冀蒙交界及附近区域的宝昌、集宁、阳原、大同、代县、临汾、通州和平谷8个台站在原有观测基础上增加小极距井下地电阻率观测，以提升地电阻率测项对该区域的震情监测能力。结合台站钻孔岩芯资料和电测深数据，采用井下地电阻率影响系数方法，给出了每个台站的观测极距和装置埋深，并完成了观测装置设计。根据井下电阻率影响系数理论分析，设计的电极埋深、极距等观测装置参数，可以减少浅层介质对地电阻率观测的影响，目标层对地电阻率观测影响越大，更能反映出区域构造应力对测区介质的影响。目前，该项目和相应的观测技术方案已通过相关部门审批，将于2019年正式启动实施。

致谢：感谢“冬奥会保障”项目提议者刘桂萍研究员对项目申报及本文的大力支持，项目专家组在方案设计与论证中也提出诸多宝贵意见，项目实施组提供了各台站的相关基础资料，在此一并表示感谢。