黃明威，張 琪，李夢(mèng)瑩，楊牧萍

（遼寧省地震局，遼寧 沈陽(yáng) 110034）

0 引言

地震觀測(cè)視電阻率方法始于物探方法，1966年河北邢臺(tái)Ms7.2地震后用于地震預(yù)測(cè)分析，并且多次記錄到中強(qiáng)地震前（如1976年唐山Ms7.8和2008年汶川Ms8.0地震等）明顯的視電阻率異常[1-2]。地電阻率觀測(cè)對(duì)觀測(cè)資料的質(zhì)量要求一直較高，近年來(lái)隨著城市化的進(jìn)展，電阻率觀測(cè)的干擾影響也越來(lái)越大（如地鐵、工廠等），相當(dāng)一部分地電阻率觀測(cè)臺(tái)站觀測(cè)環(huán)境遭到嚴(yán)重破壞，臺(tái)站數(shù)量從120個(gè)減少至80余個(gè)，遼寧省共有地電阻率臺(tái)站4個(gè)，臺(tái)站數(shù)量本就不足，臺(tái)安臺(tái)地電阻率觀測(cè)又受環(huán)境干擾，在影響較大導(dǎo)致無(wú)法正常研究分析后停測(cè)。前人的研究表明，地表觀測(cè)可以通過(guò)加長(zhǎng)供電極距減少地表環(huán)境干擾的影響（溫度、降雨等），供電極距越大，越能有效降低表層介質(zhì)影響、抑制地表雜散電流，顯著減少觀測(cè)數(shù)據(jù)年變化幅度[3]。但受到觀測(cè)場(chǎng)地環(huán)境、經(jīng)濟(jì)條件等影響，供電極距延長(zhǎng)到可以忽略地表干擾的影響的程度是難以實(shí)現(xiàn)的。為有效抑制地表干擾，80年代以來(lái)我國(guó)通過(guò)將電極埋入地層一定深度的深井電阻率觀測(cè)方法來(lái)進(jìn)行研究[4]。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，井下地電阻率觀測(cè)能夠有效地抑制季節(jié)性降雨等產(chǎn)生的年變以及地表的干擾，同時(shí)能夠緩解地震觀測(cè)環(huán)境保護(hù)和地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展。井下觀測(cè)相關(guān)理論研究已取得較多成果，聶永安[5-6]通過(guò)求得水平層狀均勻介質(zhì)中點(diǎn)電流源位于任意深度時(shí)的電位解析表達(dá)式，研究了3層結(jié)構(gòu)在地表和井下四級(jí)對(duì)稱電阻率觀測(cè)結(jié)果與電極埋深、供電極距之間的關(guān)系；解滔等[7-8]采用該電位解析表達(dá)式分析了井下四級(jí)對(duì)稱電阻率觀測(cè)時(shí)一維、三維影響系數(shù)隨深度和極距的變化，并對(duì)井下地電阻率觀測(cè)中地表電流的干擾影響進(jìn)行了計(jì)算；毛先進(jìn)等[9-10]采用邊界積分方程法計(jì)算了下伏高阻、下伏低阻影響系數(shù)隨電極埋深和供電極距的變化，并計(jì)算了不同電極埋設(shè)時(shí)井下觀測(cè)的探測(cè)深度變化；王蘭煒等[11]提出了井下地電阻率觀測(cè)不同裝置情況下裝置系數(shù)的計(jì)算方法；沈紅會(huì)等[12]研究了在抑制地鐵等表層干擾、提高信噪比時(shí)極距和電極埋深的合理方案。

新城子地震站的地電阻率觀測(cè)始于建臺(tái)之初的1976年，期間為地震預(yù)報(bào)及地震研究提供了大量的觀測(cè)數(shù)據(jù)資料，但近幾年來(lái)，隨著沈北新區(qū)城市化進(jìn)程的不斷加快，新城子地震臺(tái)周邊新建了許多工廠和居民區(qū)，尤其是2013年6月，沈陽(yáng)飛機(jī)制造公司空氣動(dòng)力研究所在沈北新區(qū)地震臺(tái)南200米處圈地興建廠房以來(lái)，新城子地震臺(tái)的地電阻率觀測(cè)環(huán)境受到嚴(yán)重的干擾和破壞。為解決這一問(wèn)題，新城子地震站井下地電阻率工作在2016年正式開展，通過(guò)幾年的數(shù)據(jù)觀測(cè)，深井電阻率對(duì)比地表電阻率觀測(cè)取得了非常好的觀測(cè)效果，是進(jìn)一步完善新城子地震站地電阻率前兆觀測(cè)技術(shù)、抑制和減小干擾和環(huán)境因素影響的有效措施。本文依據(jù)給出的電位表達(dá)式及程序[3，5-6]，以新城子地震站3層電性結(jié)構(gòu)為例，計(jì)算了新城子3層水平層狀均勻介質(zhì)中隨觀測(cè)極距與電極埋深變化的各層介質(zhì)影響系數(shù)，以此來(lái)探討新城子地震站電極埋深與布極距離的合理性、深井觀測(cè)對(duì)比地表觀測(cè)對(duì)地表及淺層所產(chǎn)生干擾的抑制能力，其分析結(jié)果可以為今后類似電性結(jié)構(gòu)中實(shí)施井下地電阻率觀測(cè)時(shí)提供參考。

1 新城子地震站簡(jiǎn)介

新城子地震站始建于1975年8月,位于沈陽(yáng)市新城子區(qū)新城子鄉(xiāng)頗家屯村村北約一千米處，距新城子區(qū)城區(qū)中心約兩千米（圖1）。所處位置在沖擊平原地貌與黃土堆積地貌的結(jié)合部，主要斷裂有王綱堡—新城子斷裂、永樂—清水臺(tái)斷裂、蒲河斷裂。王綱堡—新城子斷裂，南起王綱堡，經(jīng)張士屯、北李官、丁香屯、大轉(zhuǎn)灣橋沿北北東方向從本區(qū)通過(guò)，是依蘭—伊通斷裂沈陽(yáng)段的組成部分，處于隱伏狀態(tài)，是第四紀(jì)活動(dòng)斷裂，活動(dòng)時(shí)代主要在早中更新世，晚更新世以來(lái)沒有活動(dòng)；永樂—清水臺(tái)斷裂，南起永樂，經(jīng)楊士開發(fā)區(qū)、于洪區(qū)政府東、鐵西清真寺、小韓屯、八家子往北延伸，也是依蘭—伊通斷裂沈陽(yáng)段的組成部分，處于隱伏狀態(tài)，是第四紀(jì)活動(dòng)斷裂，活動(dòng)時(shí)代主要在早中更新世，晚更新世以來(lái)沒有活動(dòng)。該斷裂與王綱堡—新城子斷裂平行，南側(cè)相距1.5～3.0km，北側(cè)相距6～8km。太吉屯—蒲河斷裂主要傾向北西，傾角較陡，主要表現(xiàn)為若干條大致平行的分支斷裂帶，全長(zhǎng)約35km，斷裂性質(zhì)表現(xiàn)為正傾滑兼右行走滑性質(zhì)。斷裂北東盤上升，南西盤下降，但垂直錯(cuò)位量很小。斷層沒有錯(cuò)切上覆的上更新統(tǒng)地層，斷層活動(dòng)時(shí)代為中更新世早、中期。新城子地表觀測(cè)儀器采用ZD8B儀器，井下觀測(cè)儀器選用的是中國(guó)地震局地殼應(yīng)力研究所研制的ZD8M型地電阻率儀，地表觀測(cè)采用十字狀布極方式，井下觀測(cè)采用L型布極方式（圖2），均為四級(jí)對(duì)稱觀測(cè)，裝置系數(shù)等如表1所示。

圖1 新城子地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造圖Fig.1 Geological structure map of Xinchengzi area

表1 供電極、測(cè)量極布設(shè)情況和裝置系數(shù)對(duì)應(yīng)表

圖2新城子地震觀測(cè)站地電阻率地表（a）/井下（b）觀測(cè)布極Fig.2 Distribution of surface/underground resistivity monitoring arrays at Xinchengzi Seismic Station

2 地電阻率影響系數(shù)理論

新城子地震站井下與地表地電阻率觀測(cè)均采用四級(jí)對(duì)稱觀測(cè)裝置，根據(jù)視電阻率影響系數(shù)的計(jì)算方法，由于臺(tái)站觀測(cè)到的地電阻率變化為測(cè)區(qū)不同區(qū)域介質(zhì)地電阻率變化的加權(quán)和，因此，結(jié)合臺(tái)站實(shí)際的電性結(jié)構(gòu)，可以依據(jù)不同電極埋深和供電極距情況下的影響系數(shù)分布來(lái)綜合評(píng)估新城子地震站井下觀測(cè)對(duì)淺層干擾的抑制能力和對(duì)深部巖層介質(zhì)電阻率變化的相應(yīng)能力。如果將電阻率測(cè)區(qū)劃分任意的n塊區(qū)域，每塊區(qū)域介質(zhì)電阻率為ρi，i=1，2，…，n。在測(cè)區(qū)電性結(jié)構(gòu)、布極位置及觀測(cè)裝置確定時(shí)，視電阻率ρa(bǔ)是各分區(qū)介質(zhì)電阻率的函數(shù)[13]。

通常各分區(qū)介質(zhì)電阻率在一定時(shí)間內(nèi)的相對(duì)變化非常小，即Δρi/ρi<<1，因此將式（1）作Taylor級(jí)數(shù)展開，二階及高階項(xiàng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于一階項(xiàng)，忽略不計(jì)。視電阻率相對(duì)變化可以簡(jiǎn)單地表示為各分區(qū)介質(zhì)電阻率相對(duì)變化的加權(quán)和，即

測(cè)區(qū)介質(zhì)按任意大小劃分，用數(shù)值計(jì)算方法討論各區(qū)域介質(zhì)對(duì)視電阻率觀測(cè)的三維影像系數(shù)。本文主要討論各層介質(zhì)整體對(duì)觀測(cè)的影響，因此按照N層水平層狀結(jié)構(gòu)將測(cè)區(qū)劃分為水平層狀的N塊區(qū)域，采用解析表達(dá)式和二級(jí)裝置的奧尼爾濾波器（O′Neill36）計(jì)算對(duì)稱四極裝置的視電阻率和相應(yīng)的影響系數(shù)[14-16]。

3 新城子地震站井下地電阻率觀測(cè)影響系數(shù)分析

3.1 地表/井下觀測(cè)年變化分析

新城子地震站深井電阻率2016年12月開始投入使用，地表觀測(cè)于2018年停測(cè)，選取新城子地電阻率NS向、EW向地表觀測(cè)2010—2018年資料和井下觀測(cè)NS向、EW向2016—2019年資料（圖3-4），其中地表觀測(cè)NS向在2015年因沈飛建設(shè)防空實(shí)驗(yàn)室受到嚴(yán)重干擾，計(jì)算去掉受干擾期間數(shù)據(jù)；新城子地表觀測(cè)電阻率季節(jié)性變化顯著，夏季降雨量增加，表層介質(zhì)含水率升高，地表介質(zhì)電阻率降低，引起視電阻率觀測(cè)值降低；冬季降水量減少，表層介質(zhì)電阻率上升，視電阻率觀測(cè)值升高，表現(xiàn)出“夏低冬高”的正常年變形態(tài)。新城子深井電阻率觀測(cè)數(shù)據(jù)變化穩(wěn)定，沒有明顯的年變形態(tài)，受降雨量等地表干擾影響較小。

圖3 新城子地表北南向（a）、東西向（b）電阻率觀測(cè)整點(diǎn)值曲線Fig.3 The whole point value curve of resistivity observation in NS direction （a） and EW direction （b） of the surface of Xinchengzi Seismic Station

圖4 新城子深井北南向（a）、東西向（b）電阻率觀測(cè)整點(diǎn)值曲線Fig.4 The whole point value curve of resistivity observation in NS direction （a） and EW direction （b） of the deepwell of Xinchengzi Seismic Station

對(duì)新城子觀測(cè)站地表和井下地電阻率年變幅度進(jìn)行計(jì)算統(tǒng)計(jì)，如表2、圖5所示，可以對(duì)比看出地表NS，EW年變化幅度較大，井下NS和EW觀測(cè)的年變化幅度較地表觀測(cè)顯著減小，其中17、18年地表、深井同時(shí)進(jìn)行觀測(cè)，年變幅度差距達(dá)到10倍左右。說(shuō)明電極埋深至150m后，有效降低了表層介質(zhì)影響，較好地抑制了地表雜散電流，顯著減少了觀測(cè)數(shù)據(jù)年變化幅度，但由于新城子地表、深井電阻率供電極距不同，可以通過(guò)各層介質(zhì)影響系數(shù)來(lái)進(jìn)一步分析電極埋深與供電極距對(duì)地電阻率觀測(cè)的影響。

表2新城子地電阻率觀測(cè)數(shù)據(jù)年變幅度統(tǒng)計(jì)

圖5新城子地表/深井電阻率年變幅度對(duì)比Fig.5 Comparison of annual variation of surface/deep well resistivity in Xinchengzi Seismic Station

3.2新城子臺(tái)影響系數(shù)分析

通過(guò)對(duì)新城子臺(tái)的高密度電法探測(cè)和電測(cè)深報(bào)告通過(guò)IX1D軟件進(jìn)行反演（圖6），得到該電測(cè)深曲線在水平層狀均勻模型下反演的電性結(jié)構(gòu)如表3-4所示，電性結(jié)構(gòu)等效為3層，為A型電性結(jié)構(gòu)，以此計(jì)算分析各層介質(zhì)影響系數(shù)隨電極埋深和觀測(cè)極距的變化，兩測(cè)向的三層厚度接近，第二層厚度遠(yuǎn)大于第一層，各層電阻率接近，EW與NS兩個(gè)測(cè)向反演的模型相近，因此下文以EW方向?yàn)槔M(jìn)行分析。

表3新城子臺(tái)NS向電測(cè)深曲線反演電性結(jié)構(gòu)

圖6新城子EW向反演模型建立Fig.6 Establishment of Xinchengzi EW direction inversion model

表4新城子臺(tái)EW向電測(cè)深曲線反演電性結(jié)構(gòu)

圖7為新城子EW向表層地電阻率各層介質(zhì)影響系數(shù)隨觀測(cè)極距的變化曲線，當(dāng)?shù)乇碛^測(cè)電極埋深為0，極距為1000m時(shí)，第3層介質(zhì)影響系數(shù)較大且與第2層相近，說(shuō)明此時(shí)視電阻率的變化主要反映中間層及深層介質(zhì)電阻率的變化，中間層介質(zhì)深度在5～128.7m之間，因此新城子地表觀測(cè)的布極方式可以較好地反應(yīng)大于128.7m深層介質(zhì)電阻率變化，并對(duì)小于5m的淺層介質(zhì)的干擾有一定抑制能力，但2、3層介質(zhì)影響系數(shù)接近難以區(qū)分發(fā)生影響地電阻率變化的位置。同時(shí)通過(guò)圖7可以看出，地表觀測(cè)淺層B1的影響系數(shù)隨極距的增加而減小，極距越大就越能抑制地表干擾和突出目標(biāo)層介質(zhì)電阻率變化，但若極距過(guò)大則會(huì)導(dǎo)致場(chǎng)地勘選困難、測(cè)區(qū)場(chǎng)地面積過(guò)大以致受到場(chǎng)地內(nèi)的干擾幾率變大。

圖7新城子EW向地表觀測(cè)各層介質(zhì)影響系數(shù)隨觀測(cè)極距的變化Fig.7 Variations of sensitivity coefficients of various layers of medium observed on the surface of Xinchengzi EW direction with observation pole distance

圖8新城子EW向深井觀測(cè)各層介質(zhì)影響系數(shù)隨觀測(cè)極距的變化Fig.8 Variations of sensitivity coefficients of various layers of medium observed in the deep-well of Xinchengzi EW direction with observation pole distance

圖8為新城子EW向深井觀測(cè)各層介質(zhì)影響系數(shù)隨觀測(cè)極距的變化曲線，深井觀測(cè)（AB=150m、h=150m）第3層介質(zhì)影響系數(shù)較大，說(shuō)明此時(shí)地電阻率的變化主要反映深度大于128.7m的深層B3層介質(zhì)電阻率的變化，同時(shí)第2層介質(zhì)影響系數(shù)大于第1層介質(zhì)影響系數(shù)。與地表觀測(cè)對(duì)比，深井電阻率第3層影響系數(shù)大于地表電阻率第3層影響系數(shù)，第2層與第3層影響系數(shù)差距變大，第1層的影響系數(shù)更?。ū?），深井電阻率對(duì)地表干擾的壓制能力更強(qiáng)，對(duì)深層電阻率的變化反映更好。同時(shí)從圖中可以看出，在電極埋深固定的情況下，隨著極距的增加，第1層影響系數(shù)增加，第3層的影響系數(shù)減小，井下觀測(cè)的作用逐漸減弱并接近于地表觀測(cè)，可以看出，新城子的深井供電極距并非越大越好。通常情況下資料受干擾小且變化平穩(wěn)時(shí)更容易識(shí)別異常，深井觀測(cè)在電極埋深固定時(shí)，極距較小的時(shí)候幾乎可以忽略表層介質(zhì)對(duì)觀測(cè)的影響，但小極距觀測(cè)只能體現(xiàn)裝置所在層位附近小體積范圍內(nèi)介質(zhì)電阻率的變化，不能有效反映對(duì)孕震應(yīng)力傳遞更有效的深層巖層的信息，不利于孕震信息的提取，因此不能過(guò)度的追求小極距。根據(jù)全國(guó)地電阻率觀測(cè)臺(tái)站多年的觀測(cè)數(shù)據(jù)，淺層介質(zhì)影響系數(shù)絕對(duì)值不大于0.5%左右的情況下觀測(cè)數(shù)據(jù)較為平穩(wěn)，季節(jié)性年變化幅度較小，因此在電極埋深范圍內(nèi)使供電極距AB足夠大，淺層影響系數(shù)足夠小，深層影響系數(shù)足夠大即可。新城子地震觀測(cè)站地表觀測(cè)第1層的影響系數(shù)為0.93%高于觀測(cè)標(biāo)準(zhǔn)的0.5%，而井下觀測(cè)第1層影響系數(shù)僅為0.14%，新城子地震觀測(cè)站井下觀測(cè)布極設(shè)計(jì)較為合理。

表5新城子地震觀測(cè)站影響系數(shù)統(tǒng)計(jì)

圖9為新城子EW向深井各層介質(zhì)影響系數(shù)隨觀測(cè)極距及電極埋深的變化曲線，如圖9（a）所示當(dāng)1層影響系數(shù)在AB/2<100，電極埋深H在0～50m時(shí)第1層介質(zhì)影響系數(shù)較大，表層發(fā)生的干擾對(duì)整體觀測(cè)的影響較大。當(dāng)AB/2<300，電極埋深H在0～120m時(shí)第2層介質(zhì)影響系數(shù)較大占主導(dǎo)地位，達(dá)到0.5以上，如圖9(b)所示。當(dāng)電極埋深H大于120m時(shí)，第3層影響系數(shù)較大，且在一定范圍內(nèi)隨極距AB的增加而減小?？傮w來(lái)說(shuō)，電極埋深越深，第1層影響系數(shù)越小，第3層影響系數(shù)越大。但電極埋深越深，工程投入就越大，觀測(cè)系統(tǒng)穩(wěn)定性越差，所以不能一味的追求電極埋設(shè)的深度。新城子觀測(cè)站井下地電阻率電極埋深為150m，極距AB為150m，第三層影響系數(shù)最大，第一層影響系數(shù)最小，如果孕震作用引起的是第2、3層介質(zhì)電阻率的變化，則說(shuō)明新城子臺(tái)井下短極距觀測(cè)的映震能力要優(yōu)于地表觀測(cè)。因此新城子的深井電阻率設(shè)計(jì)較為合理，能夠降低表層介質(zhì)影響，較好地抑制了地表雜散電流，顯著減少了觀測(cè)數(shù)據(jù)年變化幅度，更好的反映深層的變化。

圖9新城子EW向各層介質(zhì)影響系數(shù)隨觀測(cè)極距及深度的變化（a）第1層；（b）第2層；（c）第3層Fig.9 The change of the sensitivity coefficient of the medium in EW direction of Xinchengzi with the observation pole distance and depth （a） level 1；（b） level 2；（c）level 3

4 結(jié)論與討論

通過(guò)對(duì)新城子地震觀測(cè)站電測(cè)深曲線反演的電性結(jié)構(gòu)，結(jié)合影響系數(shù)理論用水平層狀介質(zhì)模型對(duì)比分析地表和井下年變幅度變化機(jī)理，研究了如何依據(jù)影響系數(shù)隨電極埋深和觀測(cè)極距的變化來(lái)探討合適的井下電極埋深和極距布置，對(duì)新城子觀測(cè)站井下觀測(cè)裝置進(jìn)行評(píng)價(jià)，結(jié)果表明：

（1）新城子觀測(cè)站NS/EW地表觀測(cè)表現(xiàn)出“夏低冬高”的正常年變形態(tài)，而井下觀測(cè)沒有明顯的年變形態(tài)，年變化幅度僅為地表電阻率的1/10左右，說(shuō)明電極埋深至150m后，能夠有效降低表層介質(zhì)影響，較好地抑制了地表雜散電流，顯著減少了觀測(cè)數(shù)據(jù)年變化幅度。

（2）通過(guò)影響系數(shù)理論分析，對(duì)于新城子地表觀測(cè)，極距越大淺層介質(zhì)的影響系數(shù)越小，但布極距離的增加會(huì)導(dǎo)致場(chǎng)地勘選困難、測(cè)區(qū)面積過(guò)大以致受到場(chǎng)地內(nèi)的干擾幾率變大。而對(duì)于深井觀測(cè)，極距越大觀測(cè)效果反而越差，因此井下觀測(cè)采用小極距觀測(cè)，而在極距一定的情況下，電極埋深H越深，工程投入就越大，觀測(cè)系統(tǒng)穩(wěn)定性越差，所以需在保證觀測(cè)質(zhì)量的前提下，對(duì)電極埋深進(jìn)行合理布置。

（3）通過(guò)影響系數(shù)理論分析，新城子地震觀測(cè)站地表觀測(cè)第1層的影響系數(shù)為0.93%高于觀測(cè)標(biāo)準(zhǔn)的0.5%，而井下觀測(cè)第1層影響系數(shù)僅為0.14%，同時(shí)第3層影響系數(shù)低于井下觀測(cè)，新城子地震觀測(cè)站井下地電阻率觀測(cè)布極方式合理，觀測(cè)效果較好，可以為今后類似的A型電性結(jié)構(gòu)的臺(tái)站布極提供依據(jù)與參考。