小极距井下地电阻率观测数据质量浅析

王 晓 叶 青 余 丹 陶志刚 范 晔 刘高川

（中国北京100045 中国地震台网中心）

0 引言

2022 年北京冬季奥运会举办地——北京及河北张家口地区地震活动频繁，周边地电台在中强地震前多次观测到明显异常，如：1978 年唐山MS7.8 地震前，昌黎、宝坻、唐山等地电台地电阻率出现下降变化（赵玉林等，1978）；1998 年张北MS6.2 地震前，河北阳原台、山西大同台地电观测出现异常（张学民等，2000）；2020 年7 月12 日唐山MS5.1 地震前，通州台井下地电阻率出现变化（解滔等，2020）。及时准确地把握冬奥场馆及周边地区的震情，是冬奥会召开期间震情保障工作的重点。

冬奥会保障晋冀蒙监测能力提升项目依托现有地电台网，在北京及晋冀蒙交界区域选取映震能力较好的平谷、通州、阳原、大同、代县、临汾、宝昌、和林格尔等8 个地电阻率观测台站，建设小极距井下地电阻率观测站（肖武军等，2019a），对其观测系统、基础设施和观测设备进行技术升级改造（肖武军等，2019b），全面提升该区域地电阻率测项的地震监测能力。

1 台站概况

研究区8 个新建小极距井下地电阻率台站均配备：ZD8MI 型号地电阻率观测仪（原中国地震局地壳应力研究所研制生产）、铅质圆筒电极、井下地电阻率专用电缆，电极采用三角形布设（3 个水平测向和一个垂直测向），以保障井下地电阻率观测装置的长期稳定性（肖武军等，2020）。台站供电极距均小于100 m，其中宝昌台NS 测道供电极距最小，供电极距60 m，最大为平谷新址，供电极距90 m。测量极距均在AB/5—AB/3 范围内，电极埋深50—150 m，供电极距普遍小于电极埋深。相对同台地表地电阻率观测，井下地电阻率观测系统外负载降低，在供电电流相同条件下，可有效增加测量电极之间的电位差，提高观测数据信噪比（解滔等，2019）。小极距井下地电阻率观测站（点）电极布设统计结果见表1。

表1 小极距井下地电阻率观测站（点）的极距布设统计Table1 Statistics of electrode spacing layout of short-electrode spacing well geo-electrical resistivity observation stations (sites)

2 质量控制指标分析

选取2021 年9—11 月8 个小极距井下及同场地地表地电阻率站（点）观测数据，针对相对均方差、日精度、月精度、月离散度、曲线动态等质量控制指标展开分析，研究小极距井下地电阻率观测数据质量。

（1）相对均方差。相对均方差是地电阻率数据质量控制的基本指标之一，用来评价地电阻率观测的噪声水平，数值越小，噪声水平越低，基本要求为该指标至少要小于等于0.3%，计算公式如下

式中，N为台站测道数，D为当月天数，H为一天中小时观测数据个数；(σn)kji是当月第j测道、第i天、第k小时地电阻率测值均方差，(ρs)kji是当月第j测道、第i天、第k小时地电阻率时测值。

计算得到2021 年9—11 月井下及同场地地表地电阻率观测站（点）观测数据的相对均方差，对比结果见表2，可知小极距井下观测站（点）相对均方差均符合≤0.3%的观测要求，且普遍小于地表观测数据相对均方差。

表2 小极距井下及同场地地表地电阻率观测数据相对均方差统计（数据统计时段2021 年9 月—11 月）Table 2 The relative mean square error statistics of the short-electrode spacing well geo-electrical resistivity and the surface resistivity at the same site (data period is from September to November,2021)

（2）日精度。日精度是表征地电阻率一天内小时值变化动态的相对均方差指标，日精度越小，表明数据越稳定，其计算方法为

式中：n为一天中的小时数，n=24；ρs日为地电阻率日均值，日σ为日均值的均方差，图1 展示了8 个小极距井下地电阻率观测站（点）2021 年9—11 月的日精度变化曲线，总体上看，各台站数据日精度均符合要求，尤其是平谷台、通州子台、和林格尔3 个台站，日精度均小于0.03%，说明数据曲线形态稳定，观测数据精度较高。

图1 小极距井下地电阻率观测的日精度变化曲线（数据时段为2021 年9—11 月）Fig.1 The daily accuracy variation curve of the short-electrode spacing well geo-electrical resistivity (data period is from September to November,2021)

（3）月精度。月精度为日精度的月均值，用以描述数据整月的变化形态，月精度越小，表明数据动态越稳定。计算2021 年9—11 月8 个小极距井下及同场地地表地电阻率观测站（点）的数据月精度，统计结果见表3，可见井下观测数据月精度均符合观测要求，且普遍小于地表观测数据月精度，说明井下观测数据更加稳定。

表3 小极距井下及同场地地表地电阻率观测的月精度统计（数据时段2021 年9—11 月）Table 3 The monthly accuracy statistics of the short-electrode spacing well geo-electrical resistivity and the surface resistivity at the same site (data period is from September to November,2021)

（4）月离散度。月离散度是描述观测数据整个月变化形态的离散程度，为地电阻率1个月内日值数据的均方差。月离散度越小，表明数据质量越高，计算公式如下

式中，n为1 个月的天数，为电阻率日均值，为日均值的月均值。计算2021 年9—11 月8 个小极距井下及同场地地表地电阻率观测站（点）的数据月离散度，统计结果见表4，可见除宝昌台月离散度较高以外，其他台站月离散度均较小，且均小于地表观测数据的月离散度。

表4 小极距井下及同场地地表地电阻率观测的月离散度统计（数据时段为2021 年9—11 月）Table 4 The monthly dispersion statistics of the short-electrode spacing well geo-electrical resistivity and the surface resistivity at the same site (data period is from September to November,2021)

由表2—表4 及图1 可知，宝昌台相对均方差、日精度、月精度和月离散度明显高于其他台站。该台2021 年9—11 月井下地电阻率观测数据曲线见图2，可见数据日变化和台阶明显，结合观测日志和调研情况，认为造成以上变化的原因是，该区地下介质不均匀，同一方向供电电极和测量电极所处介质不同。

图2 宝昌台井下地电阻率观测曲线（数据时段为2021 年9—11 月）Fig.2 Well geo-electrical resistivity observation curve of Baochang Seismic Station(data period is from September to November,2021)

（5）曲线动态。数据曲线动态可直观显现井下与地表地电阻率观测的不同。统计各台站井下及同场地地表地电阻率观测数据相对于月均值的变化幅度，结果见表5，可见除宝昌台因地下介质不均匀导致曲线动态波动较大之外，其余各台变化幅度均低于0.15 Ω·m，百分比低于0.06%，远小于电磁学科地电阻率观测规范中要求的上限0.3%，观测曲线动态变化平缓，观测数据稳定。而且，同场地地表观测数据相对于月均值的变化幅度普遍高于井下观测，说明井下观测可较好地抑制地表干扰，使得数据质量得以提升。

表5 小极距井下及同场地地表地电阻率观测数据相对于日均值的变化幅度（数据时段为2021 年9—11 月）Table 5 The variation amplitude from the daily average of the short-electrode spacing well geo-electrical resistivity and the surface resistivity at the same site (data period is from September to November,2021)

3 映震能力

经冬奥保障项目所建井下地电阻率观测站（点）运行时间较短，震例较少，目前仅通州台在2020 年7 月12 日唐山古冶MS5.1 地震前观测到异常（解滔等，2020）。

此次唐山古冶MS5.1 地震震中距通州小极距井下地电阻率观测站约125 km。由该台井下地电阻率观测数据曲线（图3）可见，地震发生前，EW 测道自2020 年2 月开始持续上升，上升幅度较小；NE 测道自同年4 月开始持续性下降，NW 测道同步下降，至6 月中旬，转折上升；垂直测道1—4 月持续上升，后平稳变化，此次MS5.1 地震发生后，8 月开始下降变化。同时段同场地地表地电阻率观测数据曲线见图4，可见此次MS5.1 地震前，数据曲线无异常变化。各测道之间的各向异性变化（赵玉林等，1983；杜学彬等，2007）以及NW 测道下降—转折—回升的变化趋势，与多次地震前地电阻率的变化特征（赵玉林等，2001；汪志亮等，2002）相吻合。因此，结合通州台震前地电阻率变化特征以及前人研究结果，认为该变化为唐山MS5.1 地震前兆异常的可能性较大，且相比于地表地电阻率观测，井下地电阻率观测对数据变化的敏锐度更高，对周边震情监测效果更佳。

图3 通州台井下地电阻率观测数据Fig.3 Well geo-electrical resistivity observation data of Tongzhou Seismic Station

图4 通州台地表地电阻率观测数据Fig.4 Surface geo-electrical resistivity observation data of Tongzhou Seismic Station

4 结论

选取平谷、通州、宝昌等8 个小极距井下地电阻率站（点）2021 年9—11 月观测数据进行质量分析，针对相对均方差、日精度、月精度、月离散度、曲线动态等质量控制指标，对比分析小极距井下及同场地地表地电阻率观测数据质量。结果表明：

（1）小极距井下地电阻率站（点）运行稳定，数据质量较好，除宝昌台因地下介质不均匀导致数据日变化特征明显外，其余各台站数据精度较高，曲线形态稳定，变化幅度较小，符合电磁学科地电阻率规范的观测要求。

（2）小极距井下地电阻率观测数据各项质量指标普遍优于同场地地表电阻率观测，说明深埋电极可远离地表干扰源，表明井下地电阻率抗干扰能力较强，特别是外界环境干扰。

（3）在2020 年7 月12 日唐山古冶MS5.1 地震前，通州台井下地电阻率各测道数据变化明显，存在各向异性，尤其是NW 测道下降—转折—回升的变化趋势，符合地电阻率观测数据常见震前异常变化。而地表地电阻率未见变化，说明井下观测可有效提高数据质量，对于数据变化的灵敏度更高，具备一定映震能力，可更好地服务于周边地区后续震情跟踪工作。

在本文撰写过程中，各地电台站提供了相应的井下地电阻率观测数据，为本文系统分析提供数据支撑，在此表示感谢。