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    水平兩層均勻介質(zhì)中井下電阻率觀測(cè)信噪比的理論計(jì)算①

    2012-01-27 01:11:28杜學(xué)彬鄭國(guó)磊陳軍營(yíng)譚大誠(chéng)安張輝范瑩瑩
    地震工程學(xué)報(bào) 2012年1期
    關(guān)鍵詞:電阻率介質(zhì)斷面

    解 滔,杜學(xué)彬,2,鄭國(guó)磊,陳軍營(yíng),2,譚大誠(chéng),2,安張輝,2,范瑩瑩,劉 君

    (1.中國(guó)地震局蘭州地震研究所,甘肅 蘭州 730000;2.中國(guó)地震局地震預(yù)測(cè)研究所蘭州科技創(chuàng)新基地,甘肅 蘭州 730000)

    0 引言

    我國(guó)地震地電阻率觀測(cè)的定點(diǎn)臺(tái)站普遍采用多方位的對(duì)稱(chēng)四極電阻率觀測(cè)裝置,供電電極和測(cè)量電極埋深一般為地下1.5m左右,供電極距AB=600~2 400m,多數(shù)臺(tái)站AB=1 200m左右。對(duì)于不同的臺(tái)址電性結(jié)構(gòu),在=1 200m的條件下,其地下探測(cè)深度或探測(cè)范圍為數(shù)百米或更深不等[1-3]。由于地電阻率對(duì)地下介質(zhì)結(jié)構(gòu)的不均勻性反應(yīng)敏感,且是多方位、大極距的地下介質(zhì)體的體積探測(cè),在地電臺(tái)網(wǎng)內(nèi)或附近發(fā)生的大震、中等地震前記錄了突出的地電阻率中期~短臨階段的異常[3-12],且對(duì)臺(tái)網(wǎng)內(nèi)發(fā)生的一些強(qiáng)地震實(shí)施了中期預(yù)測(cè)[13]。許多震例研究表明,地電阻率方法是地震監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)的最有效方法之一。

    近年來(lái)隨著城市化進(jìn)程、工農(nóng)業(yè)和交通運(yùn)輸電氣化發(fā)展和生命線工程建設(shè),地表大極距的地電阻率觀測(cè)其環(huán)境干擾日趨嚴(yán)重。這些干擾大致分為兩類(lèi):金屬管網(wǎng)類(lèi)干擾(包括金屬管線、鐵軌、高速公路護(hù)欄、鐵絲網(wǎng)、高壓線路接地、灌溉渠道等)和游散電流類(lèi)干擾(包括測(cè)區(qū)工農(nóng)業(yè)用電漏電、直流運(yùn)輸系統(tǒng)干擾等)。目前來(lái)看,可選擇兩個(gè)途徑抑制兩類(lèi)干擾:一是按地電觀測(cè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范[14-17]的要求遠(yuǎn)距離避開(kāi)干擾源,二是從觀測(cè)技術(shù)入手抑制干擾影響。關(guān)于后者,自上世紀(jì)90年代以來(lái),在我國(guó)地電學(xué)科的發(fā)展中已積累了大量有益的工作[18-22]。近年來(lái),實(shí)施了井下地電阻率觀測(cè)實(shí)驗(yàn),將供電、測(cè)量電極深埋在地下鉆孔中的一定深度以抑制地表干擾的影響[24-26],同時(shí)也發(fā)展了小極距地電阻率觀測(cè)。聶永安等[27-28]推導(dǎo)了水平N 層均勻介質(zhì)中點(diǎn)電源位于地表和任意一層介質(zhì)中時(shí)各層的電位分布表示式,計(jì)算了三層介質(zhì)模型下地電阻率井下觀測(cè)對(duì)地表和基巖電阻率變化的響應(yīng)能力。參考上述研究,同時(shí)考慮到地震地電阻率對(duì)地下大體積介質(zhì)體積變化的探測(cè),本文仍立足于大極距觀測(cè)裝置,用水平兩層均勻介質(zhì)近似地下介質(zhì),把對(duì)稱(chēng)四極觀測(cè)裝置的供電、測(cè)量電極置于地表、地下不同深度,而把地表干擾電流源置于地表距離觀測(cè)裝置中心O點(diǎn)不同距離,然后分別計(jì)算干擾電流對(duì)不同深度電阻率觀測(cè)的影響。本文研究結(jié)果對(duì)井下電阻率觀測(cè)實(shí)驗(yàn)中,在何種臺(tái)站電性結(jié)構(gòu)下電極埋深有參考意義,有益于最大程度的抑制地表干擾電流的影響,并減小投資費(fèi)用(電極埋深的鉆孔費(fèi)用)。

    1 理論模型

    設(shè)介質(zhì)模型為兩層水平均勻介質(zhì),如圖1所示。第一層介質(zhì)的厚度為h1,電阻率為ρ1,第二層為半無(wú)限介質(zhì),電阻率為ρ2。A、B為供電電極,與地表相距h0;M、N為測(cè)量電極,供電電極和測(cè)量電極可以位于各自不同的深度。考慮三種情況下供電電流在測(cè)量電極M、N間產(chǎn)生的電勢(shì)差:①A、B在地表供電,M、N在地表、第一層介質(zhì)和第二層介質(zhì)中時(shí)的電勢(shì)差;②A、B在第一層介質(zhì)中供電,M、N在地表、第一層介質(zhì)和第二層介質(zhì)中時(shí)的電勢(shì)差;③A、B在第二層介質(zhì)中供電,M、N在地表、第一層介質(zhì)和第二層介質(zhì)中時(shí)的電勢(shì)差。在四極裝置下,測(cè)量電極M、N之間的電勢(shì)差ΔUMN如下:

    圖1 水平兩層均勻介質(zhì)中四極裝置供電示意圖Fig.1 Supply current on the surface of the homogeneous medium with two horizontal layers.

    地電阻率計(jì)算公

    當(dāng)測(cè)區(qū)有干擾電流輸入時(shí),干擾電流會(huì)在測(cè)量電極M、N間產(chǎn)生附加電勢(shì)差ΔU′MN,并疊加在供電電勢(shì)差ΔUMN上,進(jìn)而影響到地電阻率測(cè)量。假定干擾電流I′從地表C點(diǎn)輸入(圖1),得到干擾電流I′在M、N之間產(chǎn)生的干擾電勢(shì)差

    根據(jù)ΔUMN和ΔU′MN可求得干擾電流產(chǎn)生的電勢(shì)差對(duì)供電電流產(chǎn)生的電勢(shì)差的影響:

    2 干擾電流源影響計(jì)算

    本文應(yīng)用聶永安等[27-28]推導(dǎo)出的電勢(shì)分布表達(dá)式計(jì)算干擾電流產(chǎn)生的電勢(shì)差對(duì)供電電流產(chǎn)生的電勢(shì)差的影響ε。如圖1所示,用分別表示O點(diǎn)與A、B在地表投影點(diǎn)的距離分別表示O點(diǎn)與M、N在地表投影點(diǎn)的距離。令=/2=L/2=a=s。給定介質(zhì)層參數(shù)ρ1、ρ2、h1以及h0、L、a、s、I、I′,就可以計(jì)算水平兩層均勻介質(zhì)模型中各種電極埋深情況下的ε隨ρ2/ρ1、s和深度z的變化。

    2.1 ε隨ρ2/ρ1 的變化

    據(jù)絕大多數(shù)地電阻率臺(tái)站觀測(cè)裝置參數(shù),設(shè)裝置參數(shù)為:L=500m;a=150m。設(shè)干擾電流源參數(shù)s=400m,I′=0.02I;臺(tái)址電性層參數(shù)h1=150 m,ρ2/ρ1∈[10-5,105]。計(jì)算結(jié)果繪圖時(shí)橫軸ρ2/ρ1采用對(duì)數(shù)坐標(biāo)。

    2.1.1 在地表供電時(shí)

    在地表供電,取h0=0,測(cè)量電極M、N分別置于z=0m、100m、250m深度時(shí)ε隨ρ2/ρ1變化的計(jì)算結(jié)果示于圖2。由圖2可見(jiàn),ε~ρ2/ρ1有4個(gè)特點(diǎn):①在地表和第一、第二層介質(zhì)中測(cè)量,ε隨ρ2/ρ1增大是減小的,且在ρ2/ρ1>0.01和ρ2/ρ1<10的范圍顯著減小,在這個(gè)范圍以外隨ρ2/ρ1的減小或增大趨于穩(wěn)定值。顯然,在ρ2/ρ1>10地電斷面中,增大測(cè)量電極埋設(shè)深度沒(méi)有多大意義。②ρ2/ρ1>1(G型斷面)的地電斷面中的ε值比ρ2/ρ1<1(D 型斷面)的斷面中的ε值小,即地表供電時(shí),無(wú)論在地表還是在井下測(cè)量,兩層斷面情況下ρ2>ρ1的斷面比ρ2<ρ1的斷面克服地表干擾電流的效果好。特別是在約ρ2/ρ1<0.1的情況下,干擾電流I′在地表、第一層介質(zhì)中的M、N之間引起的電勢(shì)差干擾已大于干擾電流比值ε1(=I′/I),即ε>ε1。③在ρ2/ρ1相同的情況下,在地表和第一層介質(zhì)中觀測(cè),同一干擾電流測(cè)量所產(chǎn)生的影響差別不大,在第一層介質(zhì)中測(cè)量時(shí)比在地表測(cè)量略微小一些。④在第二層介質(zhì)中測(cè)量時(shí),干擾電流產(chǎn)生的影響比在地表和第一層介質(zhì)中測(cè)量時(shí)小很多,同時(shí)有ε<ε1。特別是在ρ2/ρ1≥1的斷面中ε≈ε1/2,即干擾電勢(shì)差比值接近干擾電流比值的一半。

    圖2 在地表供電ε隨ρ2/ρ1的變化Fig.2 The changes ofεversusρ2/ρ1change when supplying current on the surface.

    2.1.2 在第一層介質(zhì)中供電時(shí)

    取圖1中h0=50m,測(cè)量電極M、N分別置于z=0m、30m、100m、250m深度時(shí)ε隨ρ2/ρ1變化的計(jì)算結(jié)果示于圖3。由圖3得到4方面的認(rèn)識(shí):①在地表和第一、第二層介質(zhì)中測(cè)量,ε隨ρ2/ρ1的變化大致與地表供電的情況類(lèi)似。②在ρ2/ρ1>1時(shí),在地表和第一、第二層介質(zhì)中測(cè)量ε與在地表供電時(shí)大致相同。③在ρ2/ρ1<1時(shí),在地表和第一層介質(zhì)中測(cè)量ε比在地表供電時(shí)略大,且在ρ2/ρ1<0.01的情況下,ε趨于相對(duì)較大的值比在地表供電時(shí)大一些。④在第二層中測(cè)量,ε與在地表供電時(shí)的情況大致相同,比在地表、第一層中測(cè)量時(shí)的ε小得多??偟膩?lái)看,在第一層介質(zhì)中供電,在地表和第一、第二層介質(zhì)中測(cè)量與在地表供電時(shí)相比不占優(yōu)勢(shì)。

    圖3 在第一層介質(zhì)中供電ε隨ρ2/ρ1的變化Fig.3 The changes ofεversusρ2/ρ1change when supplying current in the first layer.

    2.1.3 在第二層介質(zhì)中供電時(shí)

    圖4 在第二層介質(zhì)中供電ε隨ρ2/ρ1的變化Fig.4 The changes ofεversusρ2/ρ1change when supplying current in the second layer.

    在第二層介質(zhì)中供電,取h0=250m。圖4分別表示測(cè)量電極置于z=0m、100m、200m、300m深度時(shí)的計(jì)算結(jié)果。由圖可見(jiàn),在第二層介質(zhì)中供電與在地表、第一層介質(zhì)中供電的情況差別很大,表現(xiàn)在3個(gè)方面:①在ρ2/ρ1<1的地電斷面中,在地表和第一層中測(cè)量時(shí)干擾電流的影響很大,且ε隨ρ2/ρ1的減小而迅速增大,在ρ2/ρ1→0時(shí)ε→∞(圖中為了表示ε值較小的部分,未畫(huà)出ε>0.1的部分)。②在地表和第一層中測(cè)量,約在ρ2/ρ1>10時(shí)ε趨于穩(wěn)定值,且干擾電流的影響小于干擾電流的比值,即ε<ε1。③在第二層中測(cè)量,ε隨ρ2/ρ1值的增加而減小,尤其是約ρ2/ρ1>1 000時(shí),ε趨于零,即此時(shí)地表干擾電流產(chǎn)生的影響趨于零。由此可得到以下認(rèn)識(shí):與在地表和第一層介質(zhì)中供電相比較,如果在地表和第一層介質(zhì)中測(cè)量,則在第二層介質(zhì)中供電是不可取的,干擾電流的影響太大;在ρ2/ρ1值很大的斷面中,在第二層介質(zhì)中供電和測(cè)量能使地表干擾電流的影響減小到零,即ε→0。

    2.2 ε隨s的變化

    在實(shí)際情況中干擾電流位置C和電流強(qiáng)度I′是不確定的,I′與ε是比例常數(shù)問(wèn)題,而C點(diǎn)到O點(diǎn)的距離s與ε的關(guān)系較復(fù)雜。文中分別計(jì)算了在地表供電、測(cè)量和在第二層介質(zhì)中供電、測(cè)量時(shí)ε隨s的變化。設(shè)C點(diǎn)與對(duì)稱(chēng)四極觀測(cè)裝置在同一剖面內(nèi)(圖1),計(jì)算時(shí)參數(shù)設(shè)為:L=500m;a=150m;h1=150m;z=0m 和200m;I′=0.02I;ρ2/ρ1=0.6;0m≤s≤1 500m。

    2.2.1 地表供電、測(cè)量時(shí)

    在地表供電,取h0=0,圖5(a)是在地表測(cè)量時(shí)ε隨s的變化。為清楚表示ε值較小的部分,圖中未繪出在150m≤s≤200m范圍的ε值。由圖可見(jiàn),約在200m<s<300m的范圍內(nèi)ε衰減很快。計(jì)算時(shí)注意到,s接近于150m時(shí)ε很大;s接近O點(diǎn)時(shí),ε→0。s→150m是干擾電流位置趨于測(cè)量極M、N位置,s→0m時(shí)干擾電流位置趨于O點(diǎn)。計(jì)算結(jié)果中的ε吻合國(guó)家地震局科技監(jiān)測(cè)司[29]給出的在均勻介質(zhì)中的ε。

    2.2.2 在第二層介質(zhì)中供電、測(cè)量時(shí)

    在第二層介質(zhì)中供電時(shí)取h0=250m,圖5(b)是在第二層介質(zhì)中測(cè)量時(shí)ε隨s的變化。同樣為清楚表示ε值較小的部分,圖中未繪出在150m≤s<200m范圍的ε。由圖可見(jiàn),在s相同的情況下,在第二層介質(zhì)中供電、測(cè)量比在地表供電、測(cè)量其ε值小得多,約在s>800m范圍ε已很小了,說(shuō)明在第二層介質(zhì)中供電、測(cè)量對(duì)地表干擾電流的抑制能力很強(qiáng)。如果在計(jì)算中取ρ2/ρ1>1,在s大于一定距離后ε會(huì)更小。計(jì)算時(shí)也注意到,s→150m和s→0 m時(shí),ε值類(lèi)似地表供電、測(cè)量時(shí)的情形。這兩種情況是干擾電流接近井下測(cè)量極M、N和裝置中心O點(diǎn)在地面的投影位置。

    圖5 在地表觀測(cè)時(shí)ε隨s變化Fig.5 The changes ofεversus s when supplying current on surface and in the second layer and measuring on the surface.

    2.3 ε隨z的變化

    計(jì)算了供電電極A、B置于地表和第二層介質(zhì)中時(shí)ε值隨測(cè)量電極深度z的變化。計(jì)算中假定干擾電流C點(diǎn)與對(duì)稱(chēng)四極觀測(cè)裝置在同一剖面內(nèi)。計(jì)算參數(shù)?。篖=500m;a=150m;h1=150m;s=400m;I′=0.02I;ρ2/ρ1=0.1和10以及0≤z≤500 m。

    2.3.1 地表供電時(shí)

    在地表供電,取h0=0,圖6(a)是ε隨z的變化,在ρ2<ρ1和ρ2>ρ1兩種斷面中ε的變化是不同的。在ρ2/ρ1=10時(shí)ε值小于ρ2/ρ1=0.1時(shí)的ε值;在ρ2<ρ1的斷面中,隨z增大,ε在第一層介質(zhì)(z≤150m)中衰減快,在第二層介質(zhì)中(z>150m)衰減慢;在ρ2>ρ1的斷面中,隨z增大,ε在第一層介質(zhì)中衰減慢,在第二層介質(zhì)中衰減快。說(shuō)明測(cè)量電極M、N在ρ2>ρ1的斷面中隨z增大更能減小表層干擾電流的影響。

    2.3.2 在第二層介質(zhì)中供電時(shí)

    在第二層介質(zhì)中供電,取h0=250m。圖6(b)是ε隨深度z的變化。在兩個(gè)斷面中ε的變化與地表供電測(cè)量的情況(圖6(a))類(lèi)似,在第二層介質(zhì)中供電,在第一層介質(zhì)中測(cè)量時(shí)ε比在地表供電大得多,但是在第二層介質(zhì)中測(cè)量時(shí),在一定深度后ε比在地表供電小得多。說(shuō)明在第二層介質(zhì)中供電測(cè)量能更大程度的減小地表干擾電流的影響。

    圖6 在不同深度測(cè)量z時(shí)ε的變化Fig.6 The changes ofεversus z when supplying current on surface and in the second layer respectively and measuring at different depth z.

    3 結(jié)論

    (1)在點(diǎn)電源兩層地電斷面的地表和地下供電、測(cè)量的電勢(shì)差計(jì)算中,地表干擾電流的影響量有明顯差異,影響量取決于地電斷面類(lèi)型和參數(shù)以及供電電極、測(cè)量電極的埋深和避開(kāi)干擾源的距離,并不是深埋電極都能顯著壓制地表干擾電流源產(chǎn)生的干擾。

    (2)固定供電電極和測(cè)量電極時(shí),在ρ2>ρ1的斷面中觀測(cè)時(shí)的ε值較在ρ2<ρ1的斷面中觀測(cè)的ε值小,說(shuō)明ρ2>ρ1的斷面更能抑制來(lái)自地表的干擾。在ρ2/ρ1≈0.01~10的范圍內(nèi),ε隨著ρ2/ρ1增大而迅速減小,在此范圍外ε值變化相對(duì)平緩。

    (3)隨著供電電極和測(cè)量電極的埋深的增加,ε減小,這個(gè)現(xiàn)象在ρ2<ρ1的斷面中比在ρ2>ρ1斷面中顯著,特別是供電電極和測(cè)量電極深埋到第二層,隨測(cè)量電極埋深的增加,ε將減小到很小。在ρ2<ρ1的斷面中,供電電極深埋位于第二層,而在地表、第一層中測(cè)量是最不可取的。

    (4)在地表、第二層中供電和測(cè)量,地表干擾電流位置離裝置中心點(diǎn)超過(guò)一定距離后,ε值很小,特別在ρ2>ρ1的斷面中供電和測(cè)量,干擾源超過(guò)一定距離后ε→0;干擾源位置接近裝置中心點(diǎn)時(shí),ε→0,而干擾源位置接近測(cè)量電極M、N時(shí),ε很大。

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