文 雯，毛先進(jìn)

（云南省地震局, 昆明 650224）

0 引言

地電阻率前兆觀測中采用的觀測裝置大體有兩種，即對稱四極裝置和偶極裝置[1]（觀測的結(jié)果稱為視電阻率）。中國地震觀測中多年來基本采用對稱四極裝置，供電極距在1 000 m左右，研究表明這種尺度的對稱四極裝置在多次M≥7大地震前都觀測到了較為明顯的前兆異常[2-7]。然而地下潛水位變化、降雨等會(huì)導(dǎo)致地表下淺層介質(zhì)電阻率的變化，從而對觀測形成干擾。前蘇聯(lián)、美國、日本在實(shí)驗(yàn)觀測中多采用偶極裝置[8]，其偶極距為數(shù)公里到數(shù)十公里，國內(nèi)亦有學(xué)者開展過偶極距數(shù)公里的偶極裝置觀測實(shí)驗(yàn)[9]。這種大偶極距的觀測具有探測地殼深部地電阻率變化的能力，在中、強(qiáng)地震前曾觀測到易于識別的視電阻率異常變化[8-9]。然而大偶極距觀測需要數(shù)十至數(shù)萬安培的供電電流，花費(fèi)昂貴且環(huán)境與安全保護(hù)范圍很大，難以長期維持。

合適的觀測方法應(yīng)是既能有效壓制近地表層干擾、反映較深地層的電阻率變化，又能經(jīng)濟(jì)、安全地觀測運(yùn)行。從利用對稱四極裝置和大偶極裝置各自的優(yōu)點(diǎn)、克服各自困難的思路出發(fā)，本文研究小偶極裝置（指偶極距數(shù)百米的赤道偶極裝置）與對稱四極裝置在壓制淺部地層干擾、反映下部地層電阻率變化能力以及觀測信號強(qiáng)度等方面的差異性，為臺站建設(shè)及改造中選擇地電阻率觀測裝置提供參考。

1 小偶極裝置

圖1a 是對稱四極裝置平面圖，4個(gè)電極排列在一條直線上且測量偶極MN與供電偶極AB的中心點(diǎn)O、O′重合；圖1b中測量偶極MN中心點(diǎn)O′與供電偶極AB中心點(diǎn)O的連線OO′垂直于AB及MN，當(dāng)偶極距OO′?AB和MN時(shí)，圖1b稱為赤道偶極偶極裝置。

圖1 觀測裝置平面圖

考慮到不加大觀測環(huán)境范圍，又能與對稱四極裝置相比較，本文中將赤道偶極裝置的偶極矩OO′取0.5AB。由于偶極距較小，稱之為小偶極裝置。

2 觀測系統(tǒng)特性指標(biāo)

影響系數(shù)、觀測信號強(qiáng)度等是反映觀測系統(tǒng)特性的2個(gè)重要指標(biāo)[10-11]，下面對其做簡要介紹。

2.1 影響系數(shù)

假定地電阻率觀測區(qū)介質(zhì)電阻率分層均勻，共n層，第i層電阻率與厚度為ρi與hi，i=1,2, ..... ,n。用四極裝置觀測到的視電阻率ρs既是地下各層電阻率和厚度的函數(shù)，同時(shí)也與觀測裝置密切相關(guān)，即

式中：C代表觀測裝置，其實(shí)質(zhì)是供電偶極與測量偶極之間的相對位置關(guān)系。

不妨假定各層只是電阻率變化，厚度保持不變。由式（1）可以得到

式中：Si稱為影響系數(shù)，是在給定的布極參數(shù)下，第i層電阻率變化率對觀測值變化率的貢獻(xiàn)權(quán)系數(shù)。

2.2 觀測信號強(qiáng)度

觀測信號強(qiáng)度是指測量極M、N之間的電位差，其決定了信噪比。對于給定的觀測場地，電位差取決于觀測裝置和供電電流強(qiáng)度，本文計(jì)算對比小偶極裝置與對稱四極裝置（圖1）在觀測信號強(qiáng)度方面的差異。因信號強(qiáng)度與供電電流強(qiáng)度成正比，下文中給出的是供電電流為1 A時(shí)測量極間的電位差。

3 小偶極裝置與對稱四極裝置觀測特性比較

地電阻率結(jié)構(gòu)因場地而異，本文選擇國內(nèi)幾個(gè)典型臺站，利用電阻率轉(zhuǎn)換函數(shù)[13]計(jì)算出電阻率，并求出影響系數(shù)Si和觀測信號強(qiáng)度，研究小偶極裝置與對稱四極裝置在影響系數(shù)及信號強(qiáng)度方面的差異性。

1）成都臺

成都臺NE測向視電阻率在汶川8.0級大地震前曾出現(xiàn)2年多的趨勢性下降異常[5,7]。該臺NE測向地電結(jié)構(gòu)為4層，各層電阻率依次為80 Ω·m、520 Ω·m、210 Ω·m、43 Ω·m，各層厚度依次為2 m、9 m、45 m[14]，對稱四極裝置AB/MN為736 m/226 m，小偶極裝置的偶極距取0.5AB。表1為成都臺NE測向?qū)ΨQ四極與小偶極裝置觀測特性計(jì)算結(jié)果。

表1 成都臺NE測向小偶極與對稱四極裝置觀測特性計(jì)算結(jié)果

從表1可見，與對稱四極裝置相比：采用小偶極裝置時(shí)，易受干擾的第1、2層的影響系數(shù)的絕對值都有明顯減少，分別減少了|(0.010 3-0.043 8)/0.043 8×100%|=76.4%和|(0.001 4-0.003 4)/0.003 4×100%|=59.5%(計(jì)算方法下同)，第4層的影響系數(shù)則增加了4.8%，這對于壓制第1、2層的干擾是很有意義的，也有利于獲取下部電阻率變化。

信號強(qiáng)度方面，供電電流為1 A時(shí)（下同）小偶極與對稱四極裝置的電位差分別為8.3 mV及28.7 mV，根據(jù)我國地電阻率前兆觀測規(guī)范中電壓分辨力≤0.01 mV的要求[15]，在現(xiàn)有觀測儀器技術(shù)水準(zhǔn)下，采用小偶極裝置觀測時(shí)信號強(qiáng)度是足夠的。

2）甘孜臺

甘孜臺NE及NW兩個(gè)測向視電阻率在汶川8.0級大地震前均出現(xiàn)2年多的趨勢性下降異常[5]。以NE測向?yàn)槔?，地電結(jié)構(gòu)為4層，各層電阻率依次為180 Ω·m、215 Ω·m、540 Ω·m、25 Ω·m，各層厚度依次為3 m、7 m、41 m[16]，對稱四極裝置AB/MN為500 m/140 m，小偶極裝置的偶極距取0.5AB。表2為甘孜臺NE測向計(jì)算結(jié)果。

表2 甘孜臺NE測向小偶極與對稱四極裝置觀測特性計(jì)算結(jié)果

從表2可見，與對稱四極裝置相比，采用小偶極裝置時(shí)，易受干擾的第1、2層的影響系數(shù)的絕對值分別減少了43.6%和40.1%，而第4層的影響系數(shù)則增加了105.9%。因此，小偶極裝置壓制第1、2層干擾和獲取下部地層電阻率變化信息的能力顯著優(yōu)于對稱四極裝置。

信號強(qiáng)度方面，小偶極與對稱四極裝置的電位差分別為8.1 mV及54.5 mV，根據(jù)中國地電阻率前兆觀測規(guī)范中電壓分辨力≤0.01 mV的要求[15]，在現(xiàn)有觀測儀器技術(shù)水準(zhǔn)下，采用小偶極裝置觀測時(shí)信號強(qiáng)度是足夠的。

3）寶坻臺

與唐山臺類似，寶坻臺NS及EW兩個(gè)測向視電阻率在唐山7.8級大地震前亦曾觀測到約3年的持續(xù)性下降[1]，在視電阻率從最低值回升過程中發(fā)生主震。該臺地電結(jié)構(gòu)為4層，各層電阻率依次為35 Ω·m、10 Ω·m、39 Ω·m、270 Ω·m，各層厚度依次為2 m、2 m、280 m[14]，對稱四極裝置AB/MN為1 000 m/200 m，小偶極裝置的偶極距取0.5AB，表3為計(jì)算結(jié)果。

表3 寶坻臺小偶極與對稱四極裝置觀測特性計(jì)算結(jié)果

從表3可見，與對稱四極裝置相比，采用小偶極裝置時(shí)，易受干擾的第1、2層的影響系數(shù)略有增加，分別增加10.0%和9.6%，壓制第1、2層的干擾略有不利；由于第1、2層厚度之和只有4 m，其下的第3層（厚度280 m）的淺部可能受干擾，該層的影響系數(shù)減少了8.6%，這對于壓制第3層的干擾略為有利；第4層的影響系數(shù)則增加了57.4%，這表明獲取下部地層電阻率變化能力優(yōu)于對稱四極裝置。

信號強(qiáng)度方面，小偶極與對稱四極裝置的電位差分別為6.7 mv及15.4 mv，根據(jù)中國地電阻率前兆觀測規(guī)范中電壓分辨力≤0.01 mV的要求[15]，在現(xiàn)有觀測儀器技術(shù)水準(zhǔn)下，采用小偶極裝置觀測時(shí)信號強(qiáng)度是足夠的。

4）昌黎臺

昌黎臺NS及EW兩個(gè)測向視電阻率在唐山7.8級大地震前亦曾觀測到2年多的持續(xù)性下降[1]，在視電阻率從最低值回升過程中發(fā)生主震。該臺地電結(jié)構(gòu)為4層，各層電阻率依次為45 Ω·m、90 Ω·m、55 Ω·m、1 300 Ω·m，各層厚度依次為6 m、24 m、85 m[17]，對稱四極裝置AB/MN為1 000 m/200 m，小偶極裝置的偶極距取0.5AB，表4為計(jì)算結(jié)果。

表4 昌黎臺小偶極與對稱四極裝置觀測特性計(jì)算結(jié)果

從表4可見，與對稱四極裝置相比：采用小偶極裝置時(shí)，易受干擾的第1、2層的影響系分別減少了5.6%和5.7%，對壓制第1、2層干擾略為有利，第4層的影響系數(shù)增加了35.8%，獲取下部電阻率變化信息的能力有一定提高。

信號強(qiáng)度方面，小偶極與對稱四極裝置的電位差分別為26.1 mV及 56.7 mV，根據(jù)中國地電阻率前兆觀測規(guī)范中電壓分辨力≤0.01 mV的要求[15]，在現(xiàn)有觀測儀器技術(shù)水準(zhǔn)下，采用小偶極裝置觀測時(shí)信號強(qiáng)度是足夠的。

5）唐山臺

唐山臺NS及EW兩個(gè)測向視電阻率在唐山7.8級大地震前曾觀測到3年多的趨勢性下降異常[1]，在視電阻率從最低值回升過程中發(fā)生主震。該臺地電結(jié)構(gòu)為4層，各層電阻率依次為23 Ω·m、16 Ω·m、44 Ω·m、51 Ω·m，各層厚度依次為3.0 m、2.3 m、11.0 m[14]，對稱四極裝置AB/MN為1 000 m/200 m，小偶極裝置的偶極距取0.5AB，表5為計(jì)算結(jié)果。

表5 唐山臺小偶極與對稱四極裝置觀測特性計(jì)算結(jié)果

從表5可見，與對稱四極裝置相比，采用小偶極裝置時(shí)，易受干擾的第1、2層的影響系數(shù)分別減少了53.6%和55.9%。由于第1、2層厚度之和只有為5.3 m，其下的第3層（厚度11 m）可能受干擾，該層的影響系數(shù)減少了52.9%，這表明壓制第1、2及3層干擾的能力明顯優(yōu)于對稱四極裝置；第四層影響系數(shù)略有增加，表明在獲取下部地層電阻率變化信息能力方面與對稱四極裝置基本相當(dāng)。

信號強(qiáng)度方面，小偶極與對稱四極裝置的電位差分別為4.6 mV及13.5 mV，根據(jù)中國地電阻率前兆觀測規(guī)范中電壓分辨力≤0.01 mV的要求[15]，在現(xiàn)有觀測儀器技術(shù)水準(zhǔn)下，采用小偶極裝置觀測時(shí)信號強(qiáng)度是足夠的。

6）騰沖臺

騰沖臺EW測向視電阻率在1998年瀾滄-耿馬7.6級大地震前亦曾觀測到2年多的持續(xù)性下降[1]，同樣在從視電阻率最低值回升過程中發(fā)生主震。根據(jù)該臺電測深資料[18]的反演結(jié)果，該臺地電結(jié)構(gòu)為3層，各層電阻率依次為132 Ω·m、69 Ω·m、127 Ω·m，各層厚度依次為18 m、84 m，對稱四極裝置AB/MN為1 400 m/400 m，小偶極裝置的偶極距取0.5AB，表6為計(jì)算結(jié)果。

表6 騰沖臺小偶極與對稱四極裝置觀測特性計(jì)算結(jié)果

從表6可見，與對稱四極裝置相比，采用小偶極裝置時(shí)，易受干擾的第1層的影響系數(shù)減少了41.8%，對壓制第1層干擾較為有利，第3層的影響系數(shù)增加了12.2%，獲取下部電阻率變化信息的能力有一定提高。

信號強(qiáng)度方面，小偶極與對稱四極裝置的電位差分別為11.0mV及32.5mV，根據(jù)中國地電阻率前兆觀測規(guī)范中電壓分辨力≤0.01mV的要求[15]，在現(xiàn)有觀測儀器技術(shù)水準(zhǔn)下，采用小偶極裝置觀測時(shí)信號強(qiáng)度是足夠的。

4 討論與結(jié)論

眾所周知，對于電性非均勻的地下電性結(jié)構(gòu)，采用不同觀測裝置及不同電極距時(shí)觀測到的視電阻率是不同的。地電阻率前兆觀測目的是監(jiān)視地下介質(zhì)電阻率的時(shí)間變化，因此不同觀測裝置及不同電極距在定點(diǎn)長期觀測中的效果可能不同。目前國內(nèi)地電阻率前兆觀測中絕大多數(shù)采用對稱四極裝置，在電極距相同時(shí)，是否有性能更好的觀測裝置可以選擇，需要比較研究對稱四極與其他裝置觀測性能的差異。

本文研究的幾個(gè)臺站中，電阻率結(jié)構(gòu)既有下伏低阻型（成都臺與甘孜臺）和下伏高阻型（寶坻臺與昌黎臺），也有均勻型（本文指基底與上部各層電阻率較為接近的類型，如唐山與騰沖臺），這些臺站的電性結(jié)構(gòu)具有較好的代表性。對于這些臺站，從影響系數(shù)與人工信號強(qiáng)度來看，研究顯示對稱四極與小偶極裝置具有如下差異。

1）對下伏低阻型結(jié)構(gòu)，小偶極裝置觀測時(shí)淺部地層影響系數(shù)比對稱四極裝置顯著降低，下部地層的影響系數(shù)增加且增加幅度與電阻率結(jié)構(gòu)關(guān)系密切（本文中，成都臺增加5%而甘孜臺增加105%）。與對稱四極裝置相比，在壓制淺部干擾、獲取下部地層電阻率變化能力方面小偶極裝置明顯優(yōu)于對稱四極裝置。

2）對下伏高阻型結(jié)構(gòu)，小偶極裝置壓制淺層干擾的能力與對稱四極裝置相當(dāng)，但獲取下部地層電阻率變化的能力明顯優(yōu)于對稱四極裝置。

3）對于均勻型結(jié)構(gòu)，在壓制淺層干擾的能力上，小偶極裝置明顯優(yōu)于對稱四極裝置，而獲取下部地層電阻率變化能力與對稱四極裝置基本相當(dāng)或有一定提高。

4）無論哪一類電阻率結(jié)構(gòu)，小偶極裝置的信號強(qiáng)度都明顯低于對稱四極裝置，但在現(xiàn)有觀測儀器技術(shù)水準(zhǔn)下，采用小偶極裝置觀測時(shí)信號強(qiáng)度是足夠的。

以上差異表明，在壓制淺層干擾、反應(yīng)下部介質(zhì)電阻率變化方面，小偶極裝置優(yōu)于對稱四極裝置，而優(yōu)勢程度與電性結(jié)構(gòu)有關(guān)。