寧亞靈，許家姝 ，解 滔 ，張國苓，盧 軍

1.山西省地震局,太原 030021 2.太原大陸裂谷動(dòng)力學(xué)國家野外科學(xué)觀測(cè)研究站，太原 030021 3.吉林大學(xué)地球探測(cè)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，長春 130026 4.中國地震臺(tái)網(wǎng)中心,北京 100045 5.河北省地震局,石家莊 050021

0 引言

我國自1966年邢臺(tái)M7.2(M為震級(jí))地震后開始了連續(xù)的定點(diǎn)地電阻率觀測(cè)，臺(tái)站通常布設(shè)2～3個(gè)測(cè)道，布極方式普遍采用對(duì)稱四極裝置，地表觀測(cè)電極埋設(shè)深度通常為1.5～2.0 m，觀測(cè)極距AB為500～2 400 m，地下探測(cè)深度為數(shù)百米或更深不等[1-2]。在近50年的連續(xù)監(jiān)測(cè)中，在多次大地震前記錄到了顯著的中短期地電阻率異常[3-9]，且對(duì)發(fā)生在臺(tái)網(wǎng)內(nèi)一些地震的三要素實(shí)施了1年時(shí)間尺度的中短期預(yù)測(cè)[10-11]，說明地電阻率是地震監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)有效的方法之一。

隨著地區(qū)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，蔬菜大棚、水管、鋼纜等金屬管線以及測(cè)區(qū)挖土蓄水、倉庫和道路等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)改變了測(cè)區(qū)地表的電性結(jié)構(gòu)，使地電阻率觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量嚴(yán)重下降，給地震監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)分析帶來巨大困難[12-14]。為了有效地抑制來自測(cè)區(qū)地表淺層的干擾，我國地電工作者提出了深井觀測(cè)的方式，自20世紀(jì)80年代開始相繼進(jìn)行了一些深井實(shí)驗(yàn)觀測(cè)，并逐步開展了深井地電阻率觀測(cè)的相關(guān)理論研究，目前已有多個(gè)臺(tái)站在進(jìn)行連續(xù)觀測(cè)[15-23]。已有的研究結(jié)果顯示，深井觀測(cè)能有效抑制地電阻率觀測(cè)中因地下水位變動(dòng)、地表溫度變化和季節(jié)性降雨引起的年變化現(xiàn)象和地表局部電性結(jié)構(gòu)變化引起的干擾。深井觀測(cè)在抑制地表淺層干擾的同時(shí)，更需要捕捉由孕震過程應(yīng)力作用引起的測(cè)區(qū)深部介質(zhì)變化信息。在電極埋深一定時(shí)，地電阻率觀測(cè)的探測(cè)范圍很大程度上取決于觀測(cè)極距。觀測(cè)極距越小，觀測(cè)值受地表的干擾越小，但所反映的深部信息也越少；由于測(cè)區(qū)地下介質(zhì)的非均勻性，在區(qū)域應(yīng)力作用下會(huì)呈現(xiàn)非均勻性變化，極距較小時(shí)容易遺漏相關(guān)信息。因此，深井觀測(cè)仍然需要采用較大的觀測(cè)極距，以反映更大三維空間范圍的介質(zhì)變化信息。但隨著觀測(cè)極距的加大，觀測(cè)值所反映的空間范圍擴(kuò)大，地表干擾對(duì)觀測(cè)的影響也相應(yīng)地增加，深井觀測(cè)的作用也逐漸減弱。地電阻率影響系數(shù)理論可以定量地給出測(cè)區(qū)各區(qū)域介質(zhì)電阻率變化對(duì)地電阻率觀測(cè)值變化的影響程度[24]，因此，通過計(jì)算在不同觀測(cè)極距和不同電極埋深時(shí)各區(qū)域介質(zhì)對(duì)地電阻率的影響系數(shù)，可以評(píng)估深井觀測(cè)對(duì)地表干擾的抑制能力和對(duì)深部介質(zhì)電阻率變化的響應(yīng)能力[23]。

大柏舍深井地電阻率水平測(cè)道電極埋深100 m，觀測(cè)極距僅為60 m，能夠很好地抑制地表灌溉和季節(jié)性降雨等因素產(chǎn)生的干擾[25]，但能否較好地捕捉深部介質(zhì)信息還需要進(jìn)一步的分析。本文依據(jù)地電阻率影響系數(shù)理論，對(duì)大柏舍深井地電阻率觀測(cè)資料抑制地表干擾的原因和捕捉深部介質(zhì)變化信息的能力進(jìn)行分析，為今后深井地電阻率建設(shè)中電極埋深和觀測(cè)極距的選擇提供一定的參考。

1 臺(tái)站簡介

大柏舍地震臺(tái)位于河北省隆堯縣以南約5 km處，處于寧晉凸起和巨鹿凹陷交界的隆堯斷裂和新河斷裂的交叉部位(圖1)，臺(tái)站周圍斷裂較為發(fā)育，且多數(shù)近期仍處于活動(dòng)階段。臺(tái)站所在區(qū)域?yàn)榈卣鸲喟l(fā)的邢臺(tái)老震區(qū)，是一個(gè)地震前兆監(jiān)測(cè)的敏感點(diǎn)。大柏舍臺(tái)地電阻率觀測(cè)系統(tǒng)于1967 年建成并投入運(yùn)行，是我國最早開展地震分析預(yù)報(bào)工作的地電阻率臺(tái)站，觀測(cè)數(shù)據(jù)具有較好的映震效能[26]。地電阻率測(cè)區(qū)主要為農(nóng)業(yè)用地，地勢(shì)平坦，地形無明顯高差，地下水埋深約50 m。地表地電阻率觀測(cè)儀器目前為ZD8B型數(shù)字地電儀，采用對(duì)稱四極測(cè)量裝置(圖2a)，布設(shè)EW、NS向兩條測(cè)道，供電極距均為AB=1 500 m，測(cè)量極距均為MN=500 m，電極埋深為2.5～3.0 m。地表觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量較高，夏季降雨增加、溫度升高，表層介質(zhì)電阻率降低時(shí)觀測(cè)值處于年變峰值，冬季則處于年變低值，呈現(xiàn)“夏高冬低”型年變形態(tài)。大柏舍臺(tái)于2010年1月1日增加深井地電阻率觀測(cè)，觀測(cè)儀器最初為深孔電極地電儀ATS-SR，2013年6月更換為ZD8B地電儀。深井觀測(cè)布設(shè)一條EW向水平測(cè)道和一條垂直向測(cè)道，各測(cè)道電極沿直線分布(圖2b)，供電極距為A1B1=A2B2=60 m，測(cè)量極距為M1N1=M2N2=20 m。水平測(cè)道所有電極埋深均為100 m，垂直測(cè)道4個(gè)電極埋深分別為40、60、80和100 m，垂直測(cè)道供電電極B2和水平測(cè)道供電電極A1共用一個(gè)電極。

圖1 大柏舍地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造圖Fig.1 Geological structure map of the area in Dabaishe

a. 地表觀測(cè)布極圖；b. 深井觀測(cè)布極圖。圖2 大柏舍臺(tái)地表與深井地電阻率觀測(cè)電極布設(shè)示意圖Fig.2 Sketch map of the lay about the earth’s surface and deep-well apparent resistivity in Dabasishe seismic station

2 觀測(cè)資料分析

大柏舍深井地電阻率水平測(cè)道觀測(cè)值年變化形態(tài)不明顯(圖3a)，垂直測(cè)道則具有夏低冬高型年變形態(tài)，年變幅度為0.6 Ω·m(圖3b)。大柏舍臺(tái)位于河北平原地區(qū)，該區(qū)域農(nóng)業(yè)灌溉用水量較大，地下水開采比較嚴(yán)重，地下水位埋深較大(圖3c)。對(duì)隆堯地區(qū)地下水位的調(diào)查顯示，地下水位受農(nóng)業(yè)開采及降雨的影響有較為明顯的冬高夏低的年變化特征[27]。每年6月大量開采地下水用于冬小麥生長階段的灌溉，地下水得不到及時(shí)的補(bǔ)給而出現(xiàn)水位下降，期間垂直測(cè)道地電阻率觀測(cè)值呈現(xiàn)下降變化；7月雨季開始，地下水開采量也相應(yīng)減少，同時(shí)受太行山山前側(cè)向徑流的補(bǔ)給作用，地下水位開始回升，垂直測(cè)道地電阻率則呈現(xiàn)上升變化；次年1—2月，由于停止農(nóng)業(yè)灌溉地下水開采，地下水于2月底達(dá)到年內(nèi)最高水位，期間垂直測(cè)道地電阻率出現(xiàn)上升變化。垂直測(cè)道地電阻率的年變化與水位變動(dòng)有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系：地下水位埋深較小時(shí)，地電阻率觀測(cè)值較高；地下水位埋深較大時(shí)，地電阻率觀測(cè)值則較低；在年變形態(tài)清晰的年份中，水位出現(xiàn)快速大幅度變動(dòng)時(shí)，垂直測(cè)道地電阻率也出現(xiàn)相應(yīng)的快速變化。大柏舍附近的地下水位資料表明，臺(tái)站所在區(qū)域地下水位屬于埋深較深的類型，受季節(jié)性降雨和抽水影響，近幾年地下水位埋深在50 m左右，并且逐年下降。垂直測(cè)道地電阻率A2、M2電極分別位于地下40和60 m，地下水位埋深在這兩個(gè)電極之間波動(dòng)，且距離電極較近，水位的波動(dòng)對(duì)垂直測(cè)道地電阻率觀測(cè)造成較大影響。

ρa(bǔ).地電阻率觀測(cè)值；Hw.地下水位深度。圖3 深井地電阻率觀測(cè)資料和地下水位資料Fig.3 Data of the deep-well apparent resistivity observation and groundwater table

3 探測(cè)靈敏度理論

如果將測(cè)區(qū)地下三維空間按任意大小劃分為N塊三維子區(qū)域，每一塊子區(qū)域內(nèi)視為均勻介質(zhì)，電阻率為ρi，i=1，2，…，N，在觀測(cè)裝置、觀測(cè)極距和布極位置確定時(shí)，地電阻率觀測(cè)值ρa(bǔ)是各子區(qū)域介質(zhì)電阻率的函數(shù)[28-29]：

(1)

通常情況下，各子區(qū)域介質(zhì)電阻率變化緩慢，在一定時(shí)間段內(nèi)電阻率相對(duì)變化量非常小，即Δρi/ρi<<1。因此，將式(1)作Taylor級(jí)數(shù)展開，略去二階項(xiàng)和高階項(xiàng)，地電阻率觀測(cè)值的相對(duì)變化可以表示為各子區(qū)域介質(zhì)電阻率相對(duì)變化的加權(quán)和形式：

(2)

式中，Bi被稱之為地電阻率影響系數(shù)：

(3)

同時(shí)，所有子區(qū)域影響系數(shù)Bi滿足如下關(guān)系[30]：

(4)

從影響系數(shù)的定義式(2)中可知，在影響系數(shù)絕對(duì)值較大的區(qū)域，介質(zhì)電阻率發(fā)生變化時(shí)將對(duì)地電阻率觀測(cè)值產(chǎn)生較大的影響，反之則影響很小。

4 布極方式分析

大柏舍地震臺(tái)地電阻率測(cè)區(qū)覆蓋層較厚，基巖埋深約700 m，地下介質(zhì)導(dǎo)電性良好，電測(cè)深曲線顯示地層可視為QH型電性結(jié)構(gòu)(圖4a)。依據(jù)電測(cè)深曲線采用水平層狀介質(zhì)模型反演的電性結(jié)構(gòu)示于圖4a：第一層介質(zhì)為黃土層，厚度約5 m，電阻率約75 Ω·m；第二層介質(zhì)為礫石和細(xì)砂互層，厚度約100 m，電阻率為25 Ω·m；第三層介質(zhì)厚度約580 m，為亞砂土和亞黏土互層，電阻率較低，為12 Ω·m；其下為電阻率較高的基巖。

依據(jù)圖4a所示的水平層狀電性結(jié)構(gòu)，計(jì)算水平測(cè)道在供電極距AB=60 m、測(cè)量極距MN=20 m時(shí)各層介質(zhì)影響系數(shù)隨深度的變化，示于圖4b。用ρa(bǔ)w表示深井地電阻率觀測(cè)值，在電極埋深100 m時(shí)ρa(bǔ)w相對(duì)變化值則可以表示為如下形式：

(5)

井下觀測(cè)的目的在于抑制地表干擾和突出由孕震引起的深部巖層介質(zhì)電阻率變化。觀測(cè)裝置埋深固定時(shí)，小極距對(duì)電極所在層位電阻率變化反映較大，隨著極距增加，對(duì)深部信息的反映能力增加。觀測(cè)極距足夠大后，各層影響系數(shù)與地表觀測(cè)時(shí)趨于相近，井下觀測(cè)的作用越來越小，失去意義。由于大柏舍深井地電阻率觀測(cè)電極埋深較深，觀測(cè)極距較小，基本能避免表層干擾并突出目標(biāo)層介質(zhì)電阻率變化。深井地電阻率水平測(cè)道主要體現(xiàn)了第二層和第三層介質(zhì)的電阻率信息；第一層的影響系數(shù)為0.000 1，地表淺層介質(zhì)對(duì)地電阻率觀測(cè)的影響可以忽略，因此水平測(cè)道地電阻率沒有觀測(cè)到明顯的年變化；第四層的影響系數(shù)也非常小，因此水平測(cè)道地電阻率對(duì)深部基巖電阻率變化的響應(yīng)能力也是微乎其微的。地表觀測(cè)影響系數(shù)隨觀測(cè)極距變化示于圖4c，在極距AB=1 500 m時(shí)表層介質(zhì)影響系數(shù)為負(fù)(由于是對(duì)數(shù)坐標(biāo)，負(fù)數(shù)不能取對(duì)數(shù)，所以用絕對(duì)值，負(fù)值部分用虛線表示)，表層介質(zhì)電阻率的升高和降低將引起地電阻率觀測(cè)值的下降和上升變化。春季降雨量開始增加、地表介質(zhì)含水率增加、電阻率降低后地表視電阻率觀測(cè)值上升；進(jìn)入秋季后降雨量減小，地表介質(zhì)電阻率上升，地表視電阻率觀測(cè)值下降，因此大柏舍臺(tái)地表觀測(cè)出現(xiàn)“夏高冬低”型反常年變形態(tài)。電極埋深固定為H=100 m時(shí)，影響系數(shù)隨觀測(cè)極距的變化示于圖4d，可以看出：觀測(cè)極距較小時(shí)，視電阻率主要反映第二層介質(zhì)電阻率變化；隨著觀測(cè)極距的增加，第二層介質(zhì)影響系數(shù)減小、第三層介質(zhì)影響系數(shù)增加，第一、四層基本為負(fù)。各層影響系數(shù)與地表觀測(cè)時(shí)逐漸趨于一致，說明對(duì)于固定的電極埋深，觀測(cè)極距超過一定范圍之后將失去深井觀測(cè)的作用。

圖4 大柏舍臺(tái)電性結(jié)構(gòu)與影響系數(shù)Fig.4 Electrical structure and influence coefficient in Dabasishe seismic station

依據(jù)圖4a所示電性結(jié)構(gòu)，計(jì)算水平測(cè)道觀測(cè)時(shí)各層介質(zhì)影響系數(shù)隨觀測(cè)極距和裝置埋深的分布如圖5所示。在極距AB/2=150 m時(shí)，埋深100 m以上第一層介質(zhì)影響系數(shù)變化梯度較大，100 m以下影響系數(shù)很小但變化較為平緩(圖5a)。第二層介質(zhì)在小極距淺層觀測(cè)時(shí)影響系數(shù)較大，別的情況都很小(圖5b)。電極埋深在100 m以上，第三層介質(zhì)影響系數(shù)占主導(dǎo)地位(圖5c)。極距AB/2在300 m以上、電極埋深在150 m以上才能探測(cè)到第四層介質(zhì)的變化(圖5d)。分析圖5可知，小極距觀測(cè)主要反映裝置所在區(qū)域介質(zhì)信息，在裝置埋深較淺時(shí)，主要反映淺層介質(zhì)信息。大柏舍臺(tái)第三層介質(zhì)厚度較大且電阻率很低，地電阻率觀測(cè)值主要反映該層介質(zhì)信息，只有在觀測(cè)極距較大且裝置埋深也較大時(shí)，深井觀測(cè)才能對(duì)底層介質(zhì)信息有所反映。淺層介質(zhì)電阻率易受地下水位變動(dòng)、含水飽和度季節(jié)性增減和溫度變化的影響，深井觀測(cè)應(yīng)盡可能少地反映這部分干擾信息。通常認(rèn)為，深層介質(zhì)較之淺層松散沉積層更能有效地傳遞應(yīng)力，孕震或構(gòu)造應(yīng)力主要引起深層介質(zhì)電阻率的變化，因而大柏舍臺(tái)深井觀測(cè)應(yīng)以第三層和底層介質(zhì)為主要觀測(cè)對(duì)象。從圖5中可以看出，水平測(cè)道供電極距AB/2取250～350 m、裝置埋深H>150 m能滿足需求?？紤]到地下潛水位在50 m左右變化，垂直測(cè)道的頂端電極埋深應(yīng)在地下水位以下一段距離為宜，以減少地下潛水位變動(dòng)對(duì)地電阻率觀測(cè)的影響。

圖5 大柏舍臺(tái)各層介質(zhì)影響系數(shù)隨觀測(cè)極距和埋深的變化Fig.5 Changes of the influence coefficient with the each layer about the observation distance and depth in Dabaishe seismic station

5 討論與結(jié)論

1)深井觀測(cè)通過地層屏蔽效應(yīng)和增加觀測(cè)裝置與地表干擾源的距離來實(shí)現(xiàn)對(duì)地表淺層干擾的抑制，因此，只要觀測(cè)裝置埋設(shè)足夠深，總是可以有效地抑制由非構(gòu)造因素引起的地表淺層介質(zhì)電阻率變化對(duì)觀測(cè)產(chǎn)生的干擾。另一方面，深井觀測(cè)也減小了觀測(cè)裝置與下伏地層之間的距離，有利于獲取深部介質(zhì)變化信息。

2)根據(jù)目前深井觀測(cè)工程投入和對(duì)觀測(cè)系統(tǒng)穩(wěn)定性的要求，觀測(cè)裝置埋深能到達(dá)250 m左右；對(duì)于多數(shù)臺(tái)站而言，在這一深度采用適當(dāng)?shù)臉O距已經(jīng)可以有效地對(duì)基巖電阻率變化進(jìn)行觀測(cè)。

3)大柏舍臺(tái)現(xiàn)有的深井觀測(cè)水平測(cè)道雖能有效地抑制來自地表的干擾信息，但是由于觀測(cè)極距較小，對(duì)深部信息的反映能力不夠。垂直測(cè)道年變動(dòng)態(tài)明顯，第一個(gè)電極埋深為40 m，位于水位動(dòng)態(tài)變化層位，受地下水位變動(dòng)影響較大，掩埋了深部地層信息。由于垂直測(cè)道頂端供電電極靠近地表，因而垂直測(cè)道不能較好地抑制來自地表的干擾，建議取消垂直測(cè)道深井觀測(cè)。為盡可能記錄到與孕震有關(guān)的信息，大柏舍臺(tái)深井地電阻率應(yīng)適當(dāng)增加觀測(cè)極距和裝置埋深，水平測(cè)道極距AB/2取250～350 m、埋深H>150 m能滿足需求；在條件允許時(shí)，可進(jìn)一步增加裝置埋深以更好地獲取深部信息?？紤]到地電阻率變化與主應(yīng)力方向有關(guān)，建議增加NS向水平測(cè)道深井觀測(cè)。

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