沈北新区地震台观测地质环境评价与地电阻率异常应急处置

张立钊， 赵 越， 吕广义， 刘 月， 张博识

（沈阳市应急管理事务服务中心， 辽宁 沈阳 110034）

0 引言

地震的孕育和发生是一个非常复杂的过程,在这个过程中地下介质在地震诱因的作用下电性结构会发生改变， 与此同时地球物理场会发生改变， 其中地电阻率异常变化是探索地震预报的重要途径之一。 因而我们可以通过对地电阻率的连续观测， 获得地震前兆的信息， 并研究其与地震的关系可以实现地震预报。

从1967 年4 月我国第一个地点前兆观测台（河北河间里坦黎民居） 开始投入观测以来， 到目前为止有80 多个台站在中国主要地震活动断裂带和人口密集的大中城附近的地震活动担负着常规地震监测任务[1]。 从地震监测预报的发展历史来看， 地震地电方法的发展， 经历了从地球物理勘探电法的移植和改造、 继承和创新的过程[2]。 50 多年来， 经过我国地震工作者的坚持不懈， 积累了很多宝贵的地电资料[3]。 不断推动地电法在地震监测预报中的发展， 促进了地震监测预报和地震科学研究的进步。 地电阻率观测值受多种因素影响， 它不仅与测量设备本身性能有关， 还与观测场地的地质构造、 地形地貌、 岩性条件、 电性结构、 水文地质、 电磁环境条件、 工作条件、 周围环境以及温度、 湿度、降水等气象条件的变化有关， 一旦这些因素发生变化， 都会引起地电阻率发生改变。 对于地震预报来说， 首先要剔除与构造活动和地震因素无关的非震因素引起的干扰变化。 因此， 如何快速、 准确、 科学地识别以上致变因素， 如何从中提取地电阻率异常信息是及时科学处置异常的关键所在。 本文以沈北新区地震台为例，探索性地进行了地震台观测地质环境评价， 并以2020 年地电阻率异常变化为例， 初步分析了地电阻率异常影响因素， 以期为深井地电阻率异常分析与处置提供参考。

1 沈北新区地震台概况

沈北新区地震台， 前身为新城子地震台，2018 年机关事业单位改革后， 隶属于沈北新区应急管理局。 目前， 沈北新区地震台共有3 套地震前兆设备， 分别为： GEF-II 地电场仪，ZD8M 地电阻率仪和ZKGD3000-N 深井流体观测仪。

1.1 自然地理情况

沈北新区气候属温带季风气候， 一月份平均气温在-12～-14℃,多为西北风， 冻土层厚1.3～1.4m。 解冻期在4 月份， 夏季较热， 七月份平均气温在24～25℃。 年降水量700～800mm，大部分集中在7-8 月间。

1.2 区域地质构造

区域地质构造复杂， 断裂发育（图1）。 按断裂走向可分为近东西向、 北东向、 北北东向和北西向四组， 其中以北东向和北北东向的断裂最为发育。 按断裂的活动时代可分为前第四纪断裂、 早更新世断裂、 中更新世断裂、 晚更新世断裂和全新世断裂。 区域上主要的北东向断裂有郯庐断裂辽东湾段(营潍斯裂)、 下辽河段、 沈阳—开原段(依兰—伊通断裂)、 金州断裂、 浑河断裂、 鸭绿江断裂和医巫闽山西侧断裂等。 近东西向的断裂有开原—赤峰断裂， 北西向断裂有海城河断裂和柳河断裂等[4]。

图1 辽宁省地震地质构造纲要简图Fig.1 Schematic diagram of the outline of seismic geological structure in Liaoning

1.3 地形地貌

台站所在区处于沈北凹陷平原区， 地势平坦， 总体地势东部偏高， 向西倾斜， 西北稍低，构成丘陵—平原—洼地较明显的地貌。

1.4 岩性条件

本区地层处于中、 新生代辽河凹陷盆地内，大面积被第四系覆盖， 依据收集资料及调查成果[5]区域地层由老至新依次为： 前震旦系、 震旦系、 侏罗系， 新近系、 古近系及第四系松散岩类， 详见区域钻孔柱状图（图2）。 第四系覆盖层小于100m， 主要由耕土、 亚粘土、 砂砾及部分流砂构成。

图2 区域地层综合柱状图Fig.2 Comprehensive histogram of regional strata

1.5 水文地质

根据收集到的资料， 地震综合观测井地下水赋存于第四系、 新近系及古近系各岩类孔隙及裂隙中， 按赋存条件分为两类： 松散岩类孔隙水和碎屑岩类裂隙孔隙水。

1.5.1 第四系松散岩类含水岩组赋水性

地震综合观测井第四系松散岩类含水层可划分为两层。 上部45.0～50.0m， 含水层岩性为细砂层， 厚度2.0m 左右， 含30%左右的粘性土， 其赋水性、 透水性均较差， 单并涌水量小于100m3/d。 第二层为70.0～75.0m， 含水层岩性为圆砾、 卵石， 厚度5.0m 左右， 磨圆、 分选性较差， 粘性土含量约占20%左右， 单井涌水量10～1000m3/d。 地下水为承压水。

1.5.2 碎屑岩类裂隙孔隙水含水岩组富水性

地震观测井揭露基岩为新近系邱家屯组砂岩夹泥岩及古近系洋河组砂岩夹泥岩， 含水岩组为邱家屯组、 洋河组砂岩， 一般呈灰绿色、灰白色， 岩层多呈中、 厚层构造， 产状小于10°， 泥、 砂质胶结， 呈半胶结状态， 单层厚一般小于5.0m， 由于岩石较胶结程度不同赋水性、 透水性均有所差异， 含水层涌水量10～1000m3/d， 地下水为承压水。

2 沈北新区地震台地电阻率观测概况

台站始建于1978 年8 月， 主要包括地电阻率、 大地电场观测， 辅助测项气象三要素。 随着我国国民经济和社会的发展， 城市的不断扩张， 沈北新区地电阻率观测项目受到越来越多的电磁干扰和地面设施的影响。 为弥补ZD8B型地电阻率受观测场地干扰的影响问题， 沈阳市地震局经过前期调研、 论证， 于2016 年年底完成地电阻率井下观测改造， 正式进入试观测。井下观测仪器选用的是中国地震局地壳应力研究所研制的ZD8M 型地电阻率仪， 井下观测采用L 型布极方式（图3）， 均为四级对称观测，装置系数等如表1[6]所示。

表1 井下观测设施供电极、 测量极布设情况和装置系数对应表

图3 沈北新区地震台地电阻率观测设施井下观测布极Fig.3 Downhole observation poles of the ground resistivity observation facility of the Shenbei Seismic Station

3 井下地电阻率数据异常应急处置

3.1 数据异常情况

2020 年9 月15 日在日常周会商工作中，沈北新区地震台监测人员上报沈北新区地震台井下地电阻率数据在9 月13 日、 14 日出现较大幅度波动异常情况， 由于该设备自深井改造以来一直数据稳定， 而9 月13 日数据日波动幅度却超过背景值3 倍以上， 且南北、 东西分量出现同步异常变化， 如图4 所示。

图4 9 月份井下地电阻率数据小时值曲线图Fig.4 Curve of hourly value of underground resistivity data in September

3.2 异常情况应急处置

针对此次出现的异常情况， 监测人员及单位领导高度重视， 立即组织专业人员对造成该测项出现异常变化的可能因素进行了分析研究，综合认为该变化原因需要到现场进行核实。2020 年9 月15 日中午， 市应急管理事务服务中心同志赴沈北新区地震台进行现场核实， 沈北新区地震台台长和地电学科专家均到场参加。专家对今年井下地电阻率测项运行情况和数据进行说明， 讲解了设备原理以及电极布设情况等， 分析了周边干扰源情况。 沈北台深井地电阻率异常于13 日发生， 14 日依然持续。 通过讨论， 大家一致认为是附近沈飞项目施工干扰，具体原因不明。 基本确定干扰源后， 核实组人员迅速开展走访调查工作， 该厂13、 14 日进行高压母电缆压力测试， 电流高可达4000 安培，影响到地电阻率观测。 经咨询该厂测试负责同志表示近期内持续几日有该实验， 沈北台部署安排人员值守密切跟踪相关情况。 由此可初步确定异常为沈飞项目施工干扰。

在后续跟踪工作中， 15、 16、 17 日均发现类似的突跳（图5）， 经核实干扰突跳的时间与沈飞电缆耐压实验的时间相符， 可以确定为干扰。

图5 后续跟踪工作中沈北台井下地电阻率数据小时值曲线图Fig.5 Curve of hourly value of the underground resistivity data of Shenbei Seismic Station in the follow-up work

由于地震地球物理观测系统复杂而又开放，除了系统自身因素影响外， 还易受观测环境变化的影响。 随着城市建设规模的不断扩大， 观测环境大多受到新的城市基建、 交通运输、 厂房扩建等一系列新生事物的干扰或破坏， 使得异常判断更加复杂。 因此， 综合考察观测场地的地震地质条件变化， 结合观测点周边水文地质构造、 气象条件等影响因素， 施以有针对性地进行排查， 才能更好地进行地震地球物理异常核实和分辨， 为以后工作奠定基础[7]。 为更全面地分析2020 年沈北地震台井下地电阻率干扰因素， 笔者通过走访调研发现地震台南侧250m即是沈飞航空工业气动院沈阳新区， 比对2020年沈北气压、 降水量、 地电阻率观测数据（图6、 图7）， 地电阻率在EW 向突跳比NS 方向上更加明显， 也符合方位上映变规律， 认为2020年9 月、 10 月、 11 月出现电阻率数据异常， 经现场核实， 分析研究认为， 沈北新区井下地电阻率突跳异常的主要影响因素是沈飞电缆耐压实验， 排除地震异常可能。

图6 2020 年沈北台气压与降水量数据小时值曲线图Fig.6 Curve of hourly data of pressure and precipitation at Shenbei Seismic Station in 2020

图7 2020 年沈北台井下地电阻率数据小时值曲线图Fig.7 Curve of hourly value of underground resistivity data of Shenbei Seismic Station in 2020

4 结论与讨论

（1） 沈北新区地震台位于活动断裂带附近，地形平坦开阔， 井下电阻率仪器处于地下150m砂岩层位， 上覆第四系松散覆盖层小于200m，选址及地质条件满足地电阻率台站建设及观测环境规范中的要求[8-9]， 观测效果较好， 数据质量比较高， 可为类似台站建设提供参考。

（2） 通过比对2020 年气压和降水量与地电阻率年度曲线， 未见地电阻率数值与降雨量成正相关， 说明电极埋深至150m 后， 能够有效降低气候和降水对电阻率变化的影响， 显著减小了观测数据年变化幅度。

（3） 沈北新区地震台井下地电阻率自改造投入运行以来， 观测数据连续， 仪器工作状态稳定。 2020 年9 月、 10 月、 11 月出现电阻率数据异常， 经现场核实， 沈北新区井下地电阻率突跳异常的主要影响因素是沈飞电缆耐压实验， 排除地震异常可能。 下一步需密切了解该厂情况， 及时和沈飞保持沟通， 跟踪观测数据变化， 掌握其影响规律， 积累相关异常应急处置经验。