醴武權(quán) 高曙德 楊義煊 馬 蘭 閆 勛

1 甘肅省地震局，蘭州市東崗西路450號(hào)，730000

直流地電阻率觀測(cè)由物探直流人工場(chǎng)源電阻率法借鑒而來(lái)，以研究巖石、礦石等地下介質(zhì)電磁學(xué)、電化學(xué)性質(zhì)為基礎(chǔ)，分析震源及附近區(qū)域溫度、濕度、壓力等條件的改變導(dǎo)致地下介質(zhì)電阻率隨之發(fā)生變化的規(guī)律，提取地震前兆信息[1-2]。

隨著城市快速發(fā)展，隴南漢王地電觀測(cè)場(chǎng)地受到各種干擾，難以滿足地表地電阻率觀測(cè)要求。為解決地電觀測(cè)與當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)建設(shè)用地的矛盾，最大限度減少地電觀測(cè)人文干擾，提高地電觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量，推廣應(yīng)用井下(井中)地震觀測(cè)技術(shù)[3]。2015年隴南漢王地電阻率由地表觀測(cè)改為井中垂直觀測(cè)，其觀測(cè)方式將井孔中距地表5 m和井下最底層作為供電極，將井中中間電極作為測(cè)量電極。由于近年觀測(cè)場(chǎng)地受地表環(huán)境干擾較為嚴(yán)重，本文重新組合觀測(cè)裝置，舍棄地表5 m電極，采用井中中間電極替代并進(jìn)行觀測(cè)實(shí)驗(yàn)。本文主要介紹實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及方法，并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。

1 井下地電阻率觀測(cè)方法原理

地電阻率通過(guò)地下A、B電極向大地提供穩(wěn)定的直流電流I，通過(guò)獲取電位差ΔV計(jì)算電阻率ρs：

漢王地電阻率測(cè)區(qū)電磁環(huán)境復(fù)雜，布極方式采取非對(duì)稱法。根據(jù)點(diǎn)電源法，物質(zhì)中電荷運(yùn)移方向?yàn)榉侵本€電流束時(shí)，同樣可通過(guò)MN獲取供電電位差ΔV，計(jì)算得到電阻率ρs。該布極方法限于測(cè)區(qū)空間較小的臺(tái)站，適用于短極距觀測(cè)，需確保MN獲取的供電電位差為AB供電時(shí)產(chǎn)生的電位差，或可稱為非對(duì)稱四極法。根據(jù)MN測(cè)量極與供電極的相對(duì)位置，具體可分為3種情況(圖1)：1)所有電極在一條直線上；2)某一個(gè)測(cè)量極與供電極在一條直線上；3)2個(gè)測(cè)量極均未與供電極在同一條直線上。

圖1 地電阻率多種垂直四極觀測(cè)

2 隴南漢王井下觀測(cè)系統(tǒng)介紹

2.1 觀測(cè)環(huán)境

隴南漢王地電阻率臺(tái)位于碧口地塊西北側(cè)、松潘-甘孜地塊東部及隴西盆地南面，地處南北地震帶天水-武都-文縣段，附近4 km內(nèi)有左旋逆沖性質(zhì)的迭部-白龍江斷裂，西北有光蓋山-迭山北麓斷裂，東南13 km處有哈南-青山灣-稻畦子斷裂，屬于秦嶺構(gòu)造帶轉(zhuǎn)折地帶，1879年武都南M8.0地震就發(fā)生在該臺(tái)站附近。漢王地電阻率測(cè)區(qū)地形北高南低、西高東低，北靠山、南鄰白龍江，由于風(fēng)化及雨水作用，大量碎石和沙土瘀塞河道，形成沖洪積扇覆蓋物，表層為碎礫石沙土，下伏為中上志留系碳硅質(zhì)板巖、黃鐵礦片巖及磁黃鐵互層，測(cè)區(qū)位于磁異常區(qū)附近。

2.2 觀測(cè)裝置布設(shè)

漢王地電阻率觀測(cè)儀器為ZD8MI地電儀，共鉆8孔井作為觀測(cè)使用，呈倒“4”字布極，最小井間距為18.2 m，最大井間距為96 m(圖2)，觀測(cè)線路及電極均采用地埋方式，接地良好，外線路采用屏蔽絕緣銅線。布極共分為淺層5 m、中層62 m和深層155 m，其中主井孔7號(hào)井最深為225 m，其他7孔井均為155 m(表1)。電極1～19號(hào)為JX-2010型地電井下觀測(cè)專用電極，中層電極20～22號(hào)原為垂直電場(chǎng)測(cè)項(xiàng)電極，電極規(guī)格近似于JX-2010型深井專用電極，適宜深井使用。

圖2 漢王深井電極布設(shè)

表1 井孔號(hào)、電極序號(hào)、電極距地表距離、電極接電阻和線路絕緣度測(cè)量表

3 井下地電阻率原測(cè)道資料分析

由于測(cè)區(qū)深層處于低阻層，視電阻率均為0.01～0.04 Ω·m，不適用于地震地電阻率觀測(cè)；淺層測(cè)量極與供電極均在地表較近，受測(cè)區(qū)環(huán)境干擾嚴(yán)重，對(duì)于提取地震異常信息有極大難度，因此原測(cè)道采取垂直觀測(cè)。選取2016～2021年漢王井下地電阻率日均值進(jìn)行對(duì)比分析，原測(cè)道布極參數(shù)見表2。從圖3可以看出，井下地電阻率3道觀測(cè)值曲線變化形態(tài)相似，均表現(xiàn)為冬高夏低的季節(jié)性變化形態(tài)，但NE測(cè)道與NS、EW測(cè)道變化幅度不一致，NE測(cè)道變化幅度明顯高于其他2個(gè)測(cè)道。結(jié)果表明，觀測(cè)資料變化幅度及年動(dòng)態(tài)變化與電極埋深和極距大小有關(guān)，漢王臺(tái)電測(cè)深曲線為AQ型曲線，在正常動(dòng)態(tài)下井下3測(cè)道變化范圍分別為±0.5 Ω·m、±0.5 Ω·m和±0.7 Ω·m。

圖3 漢王深井年變化及兩水5 d降雨量

由于觀測(cè)方式為垂向觀測(cè)，漢王深井地電阻率的干擾因素十分復(fù)雜，影響測(cè)值變化的不僅有即時(shí)效應(yīng)，隨著雨水下滲、擴(kuò)散及外圍地區(qū)的補(bǔ)給匯集等過(guò)程，還存在一定的時(shí)間滯后效應(yīng)。為探討降雨對(duì)地電阻率的影響，選取日降雨量5 d累加值。通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，降雨量大于30 mm時(shí)測(cè)道淺層井孔6垂向、淺層井孔7垂向出現(xiàn)臺(tái)階式下降，淺層垂直平行測(cè)道出現(xiàn)急速下降；降雨量大于20 mm時(shí)NE測(cè)道出現(xiàn)臺(tái)階式下降，降雨是導(dǎo)致觀測(cè)資料呈現(xiàn)冬高夏低形態(tài)的重要因素之一，同時(shí)不排除溫度、壓力等因素的影響。

為剔除觀測(cè)資料中年變成分和其他周期成份，選用漢王地電阻率2015-06～2020-06數(shù)據(jù)進(jìn)行傅氏滑動(dòng)計(jì)算。NW、WE測(cè)道原始曲線年變明顯，采用傅氏滑動(dòng)方法處理后效果較好(圖4)。從圖中明顯看出，2016-06～2018-12數(shù)據(jù)持續(xù)上升，分別從29.9 Ω·m上升至31.5 Ω·m、24.0 Ω·m上升至25.6 Ω·m；2018-12～2020-06數(shù)據(jù)持續(xù)下降。2017-08之后數(shù)據(jù)上升幅度明顯加速，可能與2017-07-17四川青川MS4.9地震、2017-08-08四川九寨溝MS7.0地震有關(guān)；2018-03數(shù)據(jù)上升幅度變緩，2018-09-12陜西寧強(qiáng)縣發(fā)生MS5.3地震；2019-08數(shù)據(jù)出現(xiàn)下降，2019-10-28甘肅夏河縣發(fā)生MS5.7地震。

圖4 漢王臺(tái)NW、WE測(cè)道日均值曲線和傅氏滑動(dòng)曲線

4 實(shí)驗(yàn)測(cè)道數(shù)據(jù)變化特征

4.1 實(shí)驗(yàn)測(cè)道與原測(cè)道對(duì)比

正常觀測(cè)入庫(kù)的數(shù)據(jù)為井孔6和井孔7，均為垂直觀測(cè)，但部分電極仍采用埋設(shè)距離地面5 m的電極。為抑制干擾，現(xiàn)放棄井孔6和井孔7中埋深5 m的2個(gè)電極(電極6和電極7)，啟用中層電極與深層電極(井孔2中電極12、20，井孔3中電極13、21，井孔6中電極16、22)構(gòu)建相對(duì)于原測(cè)道極距較短的3個(gè)垂向測(cè)道，同時(shí)利用最遠(yuǎn)的4個(gè)井孔及中間電極增設(shè)2個(gè)長(zhǎng)極距測(cè)道，即利用中間電極增加5個(gè)分量的垂向觀測(cè)進(jìn)行對(duì)比分析(表2)。

表2 測(cè)項(xiàng)名稱、測(cè)道、電極序號(hào)和裝置系數(shù)

漢王測(cè)站不同觀測(cè)實(shí)驗(yàn)以是否使用距離地表5 m的電極分為2種觀測(cè)方式，分別為淺層觀測(cè)和中層觀測(cè)，圖5(a)～5(c)及5(h)為中層觀測(cè)，圖5(d)～5(f)及5(g)為淺層觀測(cè)；根據(jù)供電與測(cè)量是否在同一條直線或同一側(cè)可分為3種情況，a、b、d、g不在同一側(cè)，c、f、h在同一側(cè)，e在同一條直線上(圖5)。

圖5 2019-12～2020-08漢王臺(tái)地電阻率日均值及兩水降雨量

相對(duì)于中層而言，淺層觀測(cè)方式受降雨干擾較大，不易提取地震前兆信息；而深層觀測(cè)方式能更好地屏蔽外界環(huán)境干擾，可反映來(lái)自地球深部的電磁信息變化。長(zhǎng)極距NS與長(zhǎng)極距EW45°測(cè)道觀測(cè)數(shù)據(jù)在降雨時(shí)并未像短極距出現(xiàn)階梯式下降，而是勻速下降，可反映大動(dòng)態(tài)長(zhǎng)趨勢(shì)變化。

4.2 觀測(cè)精度對(duì)比分析

當(dāng)月精度計(jì)算公式可表示為：

表3 2020-12～2021-08漢王臺(tái)地電阻率觀測(cè)精度

研究結(jié)果表明，當(dāng)供電電極或測(cè)量電極距離地表5 m且供電電極與測(cè)量電極在同一直線上時(shí)，觀測(cè)數(shù)據(jù)精度優(yōu)于測(cè)量電極與供電電極不在同一直線的情況。原因可能為該布極方式類似于將地表四極對(duì)稱裝置豎直布設(shè)，獲取的電位差更接近地下A、B電極向大地提供的電位差ΔV，更有利于捕獲震源區(qū)及附近區(qū)域應(yīng)力變化。

4.3 不同觀測(cè)層受降雨干擾分析

相對(duì)于淺層觀測(cè)，中層觀測(cè)雖均為井下觀測(cè)，但極距變小，距離地表更遠(yuǎn)。為統(tǒng)計(jì)降雨量與地電阻率在不同觀測(cè)層的關(guān)系，選取降雨開始前3 h的整點(diǎn)值均值作為降雨前高值，降雨結(jié)束后轉(zhuǎn)折點(diǎn)整點(diǎn)值作為降雨后低值，兩者差值即為降雨過(guò)程對(duì)地電阻率的即時(shí)影響幅度[4]。從圖6可以看出，相對(duì)于淺層觀測(cè)方式，中層觀測(cè)受降雨干擾明顯減弱，屏蔽自然干擾的能力更強(qiáng)。

圖6 不同觀測(cè)層受降雨干擾幅度

5 結(jié) 語(yǔ)

井下中層觀測(cè)方式在極距縮小、距離地面更遠(yuǎn)時(shí)能有效抑制測(cè)區(qū)離散電流對(duì)觀測(cè)的影響，提高觀測(cè)數(shù)據(jù)信噪比，并能有效抑制測(cè)區(qū)電性異常體產(chǎn)生的干擾，保障數(shù)據(jù)的長(zhǎng)期穩(wěn)定性[5]。中層地電阻率抗干擾能力較強(qiáng)，特別是外界環(huán)境干擾，如降雨會(huì)對(duì)淺層地電阻率觀測(cè)數(shù)據(jù)產(chǎn)生明顯干擾；而中層地電阻率觀測(cè)數(shù)據(jù)曲線波動(dòng)幅度較小，數(shù)據(jù)相對(duì)平穩(wěn)。傅氏滑動(dòng)方法去除觀測(cè)資料中年變成分和其他周期成分效果明顯，有利于提取地震異常信息。