抽水灌溉對寶雞地電阻率觀測的影響①

馬世虎，王秋寧，王西平，趙 潔

（1.陜西省地震局寶雞地震臺，陜西 寶雞 721008；2.甘肅省地震局嘉峪關(guān)地震臺，甘肅 嘉峪關(guān) 735100）

0 引言

1976年唐山MS7.8地震、松潘－平武MS7.2地震和2008年四川汶川MS8.0大震以及其它一些中等地震前觀測到了顯著的地電阻率前兆變化［1－2］，證明了地電阻率觀測是地震監(jiān)測最有效的方法之一。我國現(xiàn)有七十余個固定地電阻臺站擔負著地震監(jiān)測預報任務(wù)，分布在18個省（市、區(qū)），基本覆蓋南北地震帶、大華北、東南沿海等人口稠密地區(qū)的地震活動區(qū)／帶。觀測場地的環(huán)境條件、電性結(jié)構(gòu)條件變化會直接影響觀測結(jié)果。目前我國地電阻率臺站中相當一部分臺站的布極區(qū)位于農(nóng)田、果園、草場等地表耕種區(qū)內(nèi)，場地內(nèi)的耕種、用水、用電等生產(chǎn)活動往往會對地電阻率觀測結(jié)果造成不同程度的干擾和影響，如果測區(qū)內(nèi)有灌溉井，季節(jié)性抽水灌溉會對地電阻率觀測結(jié)果帶來一定影響［3］。為了研究抽水灌溉活動對地電阻率觀測的影響，我們在寶雞臺地電阻率觀測場地內(nèi)進行了機井抽水實驗；同時開展了周邊大范圍內(nèi)抽水灌溉影響的調(diào)查與研究。本項實驗有助于認識地電阻率觀測環(huán)境影響。

1 地下水位與地電阻率的關(guān)系

地震的孕育、地下水變化和地電阻前兆變化三者之間具有一定的因果關(guān)系［4］。地震地電阻率觀測理論源自于電法勘探理論，地下介質(zhì)電阻率變化可以用阿契定律（Archie＇s law）來表述：

式中ρ表示介質(zhì)電阻率；α為無量綱系數(shù)；φ為介質(zhì)孔隙度；m為經(jīng)驗常數(shù)，與介質(zhì)孔隙結(jié)構(gòu)有關(guān)，通常取值為1.3～1.9；ρW為孔隙水的電阻率；S為水飽和度；n為常數(shù)，與介質(zhì)有關(guān)，通常取值為2；文獻［5］給出了各向異性介質(zhì)中視電阻率變化ΔρS／ρS與飽和水裂隙電阻率ρf、骨架電阻率ρo（一般ρo／ρf）和裂隙率v之間的本構(gòu)關(guān)系：

式中ΔρS⊥／ρS⊥是垂直微裂隙優(yōu)勢走向方向的視電阻率變化，ΔρS‖／ρS‖是平行微裂隙優(yōu)勢走向方向的視電阻率變化［5］。根據(jù)式（2），低阻的地下水直接影響了地下介質(zhì)的視電阻率變化。

一般來說，地下水位升高（一般由降雨或灌溉引起）會造成觀測區(qū)表層電阻率減小，但是，由于地下介質(zhì)一般為多層結(jié)構(gòu)，表層電阻率對視電阻率的影響與觀測區(qū)的電性結(jié)構(gòu)有關(guān)。在表層電阻率下降時，視電阻率可能是增大的，也可能是減小的［6］。地下介質(zhì)中的水主要有承壓水和地表潛水。承壓水的變化一般反映的是儲水腔體應(yīng)力的變化（例如有固體潮變化），它不反映介質(zhì)含水量的變化，因此不會引起介質(zhì)電阻率的變化。地表潛水位的變化直接改變觀測區(qū)表層介質(zhì)電阻率。目前我國地電阻率觀測臺站的供電極距在1 000m左右、測量極距是供電極距的1／3左右，在這種觀測裝置下表層電阻率對視電阻率有一定的影響，大量抽取地表水可能造成地電阻率觀測數(shù)據(jù)變化［7］。

2 寶雞臺址條件

寶雞臺建于1995年10月，位于渭河東西向斷裂與固關(guān)－縣功NW向斷裂的交匯部位，地電阻率觀測布極區(qū)在秦嶺北麓一級階地上，測區(qū)內(nèi)地勢較為平坦，布極區(qū)最大高差不超過2m，地下水位埋深在5m以內(nèi)。共布設(shè)三個測道，采用對稱四極觀測裝置，供電極距900m，測量極距300m（圖1）。臺址地下差異不大，各測道介質(zhì)電性參數(shù)大體相近，電測深曲線類型為KQQ型。

圖1 寶雞臺地電阻率觀測布極圖（點畫線為潛水位等值線）Fig.1 Sketch of Baoji geo－resistivity pole collocation.

3 短期抽水實驗

在寶雞臺地電阻率測區(qū)內(nèi)選擇了三口灌溉井進行抽水實驗，分別位于 M1極北80m（1號井）、N1極北50m（2號井）和B1極北50m（3號井）。三口井深均為6m，井徑2m。采用口徑為4寸的潛水泵連續(xù)抽水，每口井的出水量為60m3／h。

實驗共進行四天，每天連續(xù)抽水10個小時。第一天在1號井內(nèi)抽水，所抽井水排向測區(qū)以外；第二天至第三天在1、2號井同時抽水，所抽井水向測區(qū)內(nèi)灌溉；第四天在3號井內(nèi)抽水，所抽井水向供電極附近灌溉。在抽水過程中每十分鐘記錄一次動水位數(shù)據(jù)，用ZD8B地電儀每半小時觀測一次地電阻率。從測量數(shù)據(jù)來看，幾口井由于類型相同，抽水時水位變化情況基本一致：由于幾口井深度都較淺，井內(nèi)存水均系地表水，所以可以看到在一開始抽水時井水位迅速下降，20分鐘下降3m左右；之后降速趨緩，水位基本穩(wěn)定在5m左右（圖2）。

圖2 1號井抽水過程中的水位變化Fig.2 Curve of water level of No.1well in the pumping process.

為了分析抽水過程中周圍地下水位變化情況，在1號井西60m處找了一口井，每半小時測量一次水位。測量結(jié)果表明周圍地下水位隨抽水過程緩慢下降，平均每小時下降0.1m左右（圖3）。

圖3 抽水過程中的周圍地下水位變化Fig.3 Curve of groundwater level of surrounding area in the pumping process.

從地電阻率測量數(shù)據(jù)結(jié)果來看沒有明顯變化（圖4）。分析認為局部短期抽水沒有產(chǎn)生影響的原因可能是：

（1）抽水區(qū)原來處于過飽和狀態(tài)，短期抽水土壤含水仍是處于飽和狀態(tài)，其電阻率沒有變化；

（2）短期局部抽水雖改變了基本區(qū)域的電阻率，但此局部區(qū)域與整個被觀測的勘探體相比影響太?。ㄟ@是地電阻率觀測與其他觀測方法相比的優(yōu)越性），因此電阻率觀測值變化不大。

圖4 寶雞臺2010年1月地電阻率整點值（三個測向）Fig.4 Hour＇s curves value of Baoji geo－resistivity in January 2010（in three directions）.

4 大范圍抽水灌溉的影響分析

圖5 寶雞臺地電阻率與水位變化曲線圖（2000－01－01－2009－12－31）Fig.5 Curves of geo－resistivity and groundwater level at Baoji station （2000－01－01－2009－12－31）.

寶雞臺地電阻率測區(qū)大部分是果園區(qū)，自2000年起果園內(nèi)陸續(xù)開掘了十余口灌溉用大口井，井深6～8m，井口徑2～3m。隨著灌溉井數(shù)量的增加，抽水灌溉面積和抽水量逐年增加，每年5－7月觀測區(qū)內(nèi)大面積長時間大量抽水灌溉，地下水位下降明顯，地電阻率觀測資料有明顯變化，見圖5。

2004年以后，測區(qū)內(nèi)又新增了幾口同類大口井，抽水灌溉活動更加頻繁。從圖5中可以看出，近幾年寶雞臺地電阻率觀測曲線年變幅明顯增加：2000－2004年三道地電阻率年變幅基本不超過1%，但近幾年都在1%以上，2009年NS測道的年變幅甚至達到1.78%。

分三個不同時間段計算三個測道地電阻率日均值與測區(qū)地下水位的相關(guān)系數(shù)，結(jié)果見表1。從相關(guān)性上看，NS、N45°E測道地電阻率變化與地下水位變化為正相關(guān)，EW測道地電阻率變化與地下水位變化為負相關(guān)，其中NS測道和EW測道相關(guān)性顯著，尤其是近幾年相關(guān)性更顯著，表明了測區(qū)地下水長期補給和抽水主要影響了NS測道、EW測道的地電阻率變化。

表1 寶雞臺地電阻率與地下水位相關(guān)系數(shù)

5 討論與認識

性［8］。本次實驗結(jié)果說明，類似于寶雞臺臺址結(jié)構(gòu)的臺站其表層短時間的地下水位變化以及局部灌溉對地電阻率觀測沒有明顯影響。第二種情況中，測區(qū)內(nèi)多口井長期抽水的出水量與地電阻率變化相關(guān)，說明了大量抽水對地電阻率變化有影響，在觀測資料分析中應(yīng)足夠重視這種環(huán)境變化對視電阻率觀測的影響。

從兩個方面分析了測區(qū)地下水動態(tài)變化的影響。第一是在測區(qū)進行短時間的抽水、排放實驗；第二是測區(qū)多口井大面積、長時間抽水引起的地下水位變化與對電阻率觀測的影響。第一種實驗中，測區(qū)短時間抽水、并向測區(qū)排放／不排放，抽水量已達到60m3／h，并且向電極附近灌溉。實驗結(jié)果表明，這種短期行為的抽水、灌溉對地電阻率觀測沒有明顯的影響。抽水機井的井深6m，主要影響的是測區(qū)局部范圍表層介質(zhì)的電阻率。寶雞臺地電阻率觀測供電極距／2＝450m，理論上該臺探測深度為數(shù)百米，抽水過程中地電阻率不發(fā)生明顯變化，說明該臺探測深度遠大于本含水層下界面埋深。這個結(jié)果在今后的地電阻率觀測資料分析中很有應(yīng)用意義。通常地電阻率出現(xiàn)異常變化，人們更多的聯(lián)系觀測場地的微小環(huán)境變化，造成異常判定的不確定

［1］杜學彬.在地震預報中的兩類視電阻率變化［J］.中國科學（D輯），2010，40（10）：1321－1330.

［2］肖武軍，關(guān)華平.汶川8.0級地震以及其它大震前的地電阻率異常特征［J］.西北地震學報，2009，31（4）：349－354.

［3］王鐵城，毛桐恩，等.地下水對地電前兆影響的實驗研究［J］.地震，1997，17（2）：157－161.

［4］田山，鄭文俊，關(guān)華平，等.地電阻率年變化與氣象因素及水位的關(guān)系［J］.地震，2000，20（4）：45－49.

［5］杜學彬，李寧，葉青，等.強地震附近視電阻率各向異性變化的原因［J］.地球物理學報，2007，50（6）：1802－1810.

［6］杜學彬，錢家棟，陳軍營，等.地電阻率臺址條件研究［J］.地震，2007，27：19－27.

［7］馬欽忠，錢家棟.邊界元法在地電預報地震中的研究與應(yīng)用［J］.西北地震學報，2004，26（1）：18－23.

［8］毛先進，李志祥，楊玲英.臺址下表層介質(zhì)電阻率變化對視電阻率觀測值影響特征的初步研究［J］.地震研究，2003，26（4）：338－342.