河北大柏舍臺(tái)深井與淺層地電阻率觀測(cè)對(duì)比分析

喬子云，羅　娜，張國(guó)苓，賈立峰，白云剛，張　波

(1.河北省地震局，石家莊　050021；2.河北省地震局紅山基準(zhǔn)臺(tái)，河北 邢臺(tái)　054000；

3.河北省地震局秦皇島中心臺(tái)，河北 北戴河　066000)

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河北大柏舍臺(tái)深井與淺層地電阻率觀測(cè)對(duì)比分析

喬子云1，羅娜2，張國(guó)苓1，賈立峰1，白云剛3，張波2

(1.河北省地震局，石家莊050021；2.河北省地震局紅山基準(zhǔn)臺(tái)，河北 邢臺(tái)054000；

3.河北省地震局秦皇島中心臺(tái)，河北 北戴河066000)

摘要：介紹了河北大柏舍臺(tái)深井與淺層地電阻率的觀測(cè)概況，對(duì)其觀測(cè)精度、抗干擾能力、年變規(guī)律等進(jìn)行了對(duì)比分析。發(fā)現(xiàn)深井地電阻率在觀測(cè)精度、抗干擾等方面均優(yōu)于淺層地電阻率；深井地電阻率年變規(guī)律與淺層地電阻率有著較大差別，淺層地電阻率2個(gè)測(cè)道的年變化明顯，而深井地電阻率的年變不明顯。

關(guān)鍵詞：大柏舍臺(tái)；深井地電阻率；干擾；年變

0引言

隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)建設(shè)的快速發(fā)展，地震監(jiān)測(cè)中地電觀測(cè)方法受到人類活動(dòng)的干擾越來(lái)越嚴(yán)重，農(nóng)村種植業(yè)、養(yǎng)殖業(yè)的大面積興起，城市急劇膨脹，特別是鄉(xiāng)鎮(zhèn)的城市化擴(kuò)張，對(duì)地電觀測(cè)造成一定的影響。目前，淺層電阻率觀測(cè)中大部分的臺(tái)站由于測(cè)區(qū)較大，環(huán)境受到不同程度的干擾，有的臺(tái)站甚至遭到了破壞，尋求一種降低干擾因素的觀測(cè)系統(tǒng)迫在眉睫[1]。因此，井下地電阻率觀測(cè)成為目前的發(fā)展方向之一。

井下地電阻率觀測(cè)是將原本埋在地表的電極裝置深埋在地下一定深度，在地下水平向開展對(duì)稱四極的地電阻率觀測(cè)，以及垂直方向(同一井下電極埋深高度不同)的地電阻率觀測(cè)。這種觀測(cè)方式不但能有效抑制地表干擾對(duì)地電阻率觀測(cè)的影響，而且能有效化解地震觀測(cè)環(huán)境保護(hù)與當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展之間的矛盾[2]。2009年11月，在河北省地震局大柏舍臺(tái)開展了井下地電阻率觀測(cè)實(shí)驗(yàn)。該觀測(cè)系統(tǒng)2010年1月正式運(yùn)行，數(shù)據(jù)使用開始時(shí)間為2010年4月，2013年6月觀測(cè)儀器由數(shù)字化井孔電極觀測(cè)ATS-SR儀器更換為ZD8B數(shù)字地電儀，至今已積累了4年多的觀測(cè)資料。

1臺(tái)址條件及觀測(cè)概況

1.1　臺(tái)址條件

大柏舍地電臺(tái)位于華北平原南部，隆堯縣城南3 km處，測(cè)區(qū)內(nèi)地形平坦，無(wú)明顯高差，電極分布在農(nóng)田里；測(cè)區(qū)內(nèi)無(wú)明顯的大干擾源，工業(yè)游散電流和其它電磁信號(hào)的干擾源較小，布極區(qū)及附近無(wú)較大的河流、水渠和大積水坑，周圍無(wú)鐵路、地鐵、輕軌等路線經(jīng)過(guò)，布極區(qū)遠(yuǎn)離無(wú)線電和電視發(fā)射塔等設(shè)施。臺(tái)站處于寧晉凸起和巨鹿凹陷交接的隆南斷裂帶上(圖1)，據(jù)鉆探資料， 臺(tái)址第四系厚680 m， 在孔深720 m處是20 m的斷裂破碎帶[3]。另?yè)?jù)電測(cè)深資料，測(cè)區(qū)地表下淺層共有4個(gè)電性層，第1、第2層厚125 m．電阻率分別為70 Ω·m和25 Ω·m；第3層厚300 m，為亞砂土和亞粘土互層，電阻率較低，約為10～12 Ω·m[4]。

圖1　大柏舍地電臺(tái)區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造圖

1.2　觀測(cè)概況

大柏舍臺(tái)建于1966年邢臺(tái)大地震后，當(dāng)時(shí)由中國(guó)科學(xué)院地球物理研究所管理，后隸屬于紅山基準(zhǔn)臺(tái)，有土地電法、自然電位和電阻率等多項(xiàng)觀測(cè)項(xiàng)目，使用人工讀數(shù)的DDC-2B觀測(cè)系統(tǒng)。由于受環(huán)境干擾及其他原因，1989年對(duì)臺(tái)站進(jìn)行了整體搬遷，臺(tái)站位置往北遷移1 km。1991年完成臺(tái)站建設(shè)任務(wù)，1992年正式投入運(yùn)行，1997年地電阻率觀測(cè)在省內(nèi)率先進(jìn)行了數(shù)字化改造，試用ZD8A型數(shù)字化電阻率觀測(cè)儀，1999年升級(jí)為ZD8A-B型儀器。2000年年底，“九五”項(xiàng)目開始實(shí)施，對(duì)外線進(jìn)行了大規(guī)模的改造，把觀測(cè)系統(tǒng)所有的外線更換為絕緣線，外線路采用架空方式，2001年再次進(jìn)行數(shù)字化改造，觀測(cè)儀器更新為ZD8B型數(shù)字地電儀，大柏舍淺層地電阻率觀測(cè)采用對(duì)稱四極測(cè)量(圖2a)，布設(shè)有EW和NS 2條測(cè)線，供電極距1 500 m , 測(cè)量極距500 m，電極埋深為2.5～3.0 m；采樣率為時(shí)值。

2009年11月在大柏舍臺(tái)安裝并開展了深井地電阻率觀測(cè)，與淺層電阻率觀測(cè)進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)。使用儀器為廣州市迪康數(shù)控技術(shù)開發(fā)有限公司研發(fā)的ATS-SR深孔電極地電儀。井孔位置選在大柏舍臺(tái)南邊的農(nóng)田里，EW向排列，距臺(tái)站南圍墻9 m。觀測(cè)系統(tǒng)為水平、垂直2套觀測(cè)系統(tǒng)(圖2b)：水平方向4個(gè)電極，間距20 m，電極埋深100 m；垂直方向觀測(cè)系統(tǒng)使用東供電極井孔，井下電極深度分別為：40 m、60 m、80 m、100 m。該觀測(cè)系統(tǒng)2010年1月正式運(yùn)行，其中2010年3月、5月分別進(jìn)行了軟件和系統(tǒng)升級(jí)，2011年9月對(duì)主板進(jìn)行了更新，2013年6月觀測(cè)儀器更換為ZD8B數(shù)字地電儀，觀測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行比較穩(wěn)定，記錄資料真實(shí)可靠。數(shù)據(jù)使用開始時(shí)間為2010年4月，至今已積累了4年多的觀測(cè)資料。

a　淺層b　深井圖2　大柏舍臺(tái)深井與淺層地電阻率觀測(cè)電極布設(shè)示意圖

2深井與淺層地電阻率對(duì)比分析

2.1　觀測(cè)精度對(duì)比分析

采用每天形成日?qǐng)?bào)表中均方差的日均值除以地電阻率的日均值得到的比值，做全月的累加，累加后的比值再除以當(dāng)月觀測(cè)的天數(shù)，最后得到的這個(gè)值即為當(dāng)月觀測(cè)數(shù)據(jù)的精度，月精度的計(jì)算公式為

觀測(cè)精度計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1，可以看出2012年使用深孔地電儀ATS-SR時(shí)觀測(cè)值精度為0.16～0.38，2014年更換為ZD8B儀器后，垂直測(cè)道全年數(shù)值為0.04，在觀測(cè)系統(tǒng)不變的情況下，更換數(shù)采后觀測(cè)值變化較大，原因是：深孔地電儀ATS-SR為單向供電，容易引起電極極化，使得觀測(cè)精度較低；ZD8B觀測(cè)儀實(shí)行雙向供電，地電阻率變化比較穩(wěn)定，從而提高了觀測(cè)精度。

結(jié)果表明，深井地電阻率的觀測(cè)精度好于淺層地電阻率，深井地電阻率水平測(cè)道好于垂直測(cè)道，ZD8B地電儀觀測(cè)精度好于深孔地電儀ATS-SR。對(duì)于這種現(xiàn)象的物理解釋為：深井地電阻率由于線路地埋及電極埋深較大，供電極距較小，可以減少風(fēng)擾及地表降雨、地下灌溉等對(duì)地電阻率的干擾，精度明顯好于淺層地電阻率；深井地電阻率觀測(cè)垂直測(cè)道上面的2個(gè)電極分別位于40 m和60 m，而當(dāng)?shù)氐牡叵滤患s50 m，水位的年變波動(dòng)對(duì)地電阻率的影響很大，而水平測(cè)道的電極位于飽和水層，與水位的差距為50 m左右，供電電極距僅有60 m，因此水平測(cè)向受地下水位的影響較小，精度高一些。

表1　地電阻率觀測(cè)精度對(duì)比

2.2　抗干擾能力對(duì)比分析

2.2.1大風(fēng)干擾

根據(jù)大柏舍臺(tái)2010年淺層地電阻率觀測(cè)資料統(tǒng)計(jì)，全年淺層地電阻率觀測(cè)數(shù)據(jù)受到風(fēng)擾最多的月份為4月，4月共有8天為大風(fēng)天氣，風(fēng)擾造成多組幅度較大的數(shù)據(jù)突跳，突跳值比正常值(取1個(gè)月數(shù)據(jù)較好的幾天做平均值)相差2.3%～3.5%(圖3a)。而深井地電阻率觀測(cè)曲線波動(dòng)幅度較小，沒(méi)有突跳數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)變化平穩(wěn)(圖3b)，說(shuō)明大風(fēng)干擾對(duì)深井地電阻率基本沒(méi)有影響。

圖3　2010年4月大柏舍臺(tái)深井與淺層地電阻率風(fēng)擾對(duì)比圖

大柏舍臺(tái)淺層地電阻率觀測(cè)系統(tǒng)外線路采用架空方式，地電阻率測(cè)量容易受到大風(fēng)天氣的影響，大風(fēng)干擾地電阻率變化的途徑為：架空的測(cè)量線在遇到大風(fēng)天氣時(shí)，做不規(guī)則大幅度的擺動(dòng)，切割地磁場(chǎng)磁力線，在測(cè)量線路中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)[5]，造成數(shù)據(jù)觀測(cè)精度降低，出現(xiàn)多組較大幅度的突跳變化。大柏舍臺(tái)的深井觀測(cè)系統(tǒng)外線路采用地埋方式，基本不受大風(fēng)干擾。

2.2.2 農(nóng)田灌溉

淺層地電阻率電極埋設(shè)得較淺，一般在2 m左右。大柏舍臺(tái)淺層地電阻率電極都埋設(shè)在農(nóng)田中，每逢農(nóng)田灌溉時(shí)自然電位會(huì)發(fā)生較為明顯的變化。大柏舍淺層地電阻率全年受農(nóng)田灌溉干擾最多的是11月，故選用2010年11月的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。

圖4為2010年11月大柏舍臺(tái)淺層與深井地電阻率自然電位日均值變化曲線。從圖中可以看出，因農(nóng)田灌溉11月21—25日淺層電阻率EW測(cè)道自然電位差變化明顯，最大值與最小值相差約18 mV，25日以后數(shù)據(jù)開始恢復(fù)，原因是淺層電極埋設(shè)較淺，農(nóng)田灌溉使電極附近濕度明顯增大，造成自然電位發(fā)生非正常變化。深井地電阻率水平測(cè)道最大值與最小值相差約5 mV，垂直測(cè)道最大值與最小值相差約1.8 mV。通過(guò)對(duì)比分析，農(nóng)田灌溉對(duì)深井地電阻率自然電位基本沒(méi)有影響。

圖4　2010年11月大柏舍臺(tái)深井與淺層地電阻率自然電位日均值變化曲線

2.2.3地下水位

大柏舍臺(tái)位于河北平原區(qū)，對(duì)邢臺(tái)地區(qū)地下水位初步調(diào)查顯示，地下水埋深受農(nóng)業(yè)開采及降雨的影響有較為明顯的年動(dòng)態(tài)[6-7]。每年的3—6月，受冬小麥生育期階段的灌水影響，地下水得不到及時(shí)的補(bǔ)給，水位持續(xù)下降；7月雨季開始，地下水開采量減小，地下水位又開始回升，11月中旬，由于冬灌的影響，地下水位上升緩慢或有稍微的下降；次年的1—2月，由于農(nóng)業(yè)用水基本停止，地下水采量減少，同時(shí)受太行山前側(cè)向徑流的補(bǔ)給作用，2月底達(dá)到年內(nèi)的最高水位[8]。

通過(guò)對(duì)大柏舍臺(tái)周圍水井的調(diào)查，發(fā)現(xiàn)永興井距臺(tái)站較近，觀測(cè)資料較好。該井位于河北省隆堯縣柏舍鄉(xiāng)永興村北200 m，在臺(tái)站東南方向約4 km處，于1985年1月建井，井深52.7 m。我們從河北省水文水資源勘測(cè)局搜集了永興井2006—2014年的水位變化資料，把大柏舍臺(tái)淺層地電阻率2個(gè)測(cè)道和深井地電阻率2個(gè)測(cè)道，分別與永興井水位進(jìn)行對(duì)比分析(圖5)。經(jīng)計(jì)算得出，淺層地電阻率EW測(cè)道與地下水位的相關(guān)系數(shù)為0.88，NS測(cè)道為0.92，深井地電阻率水平測(cè)道為0.59，垂直測(cè)道為-0.70。說(shuō)明淺層地電阻率和深井地電阻率垂直測(cè)道與地下水位的相關(guān)性較好，地下水位對(duì)深井地電阻率垂直測(cè)道影響較大，對(duì)水平測(cè)道影響較小。

圖5　大柏舍臺(tái)淺層與深井地電阻率和地下水位關(guān)系

2.3　年變規(guī)律對(duì)比分析

從年變周期看，每年的3—6月，受冬小麥生育期階段的灌水影響，地下水得不到及時(shí)的補(bǔ)給，水位持續(xù)下降；7月雨季開始，地下水開采量減小，地下水位又開始回升，11月中旬，由于冬灌的影響，地下水位上升緩慢或有稍微的下降；次年的1—2月，由于農(nóng)業(yè)用水基本停止，地下水采量減少，同時(shí)受太行山前側(cè)向徑流的補(bǔ)給作用，2月底達(dá)到年內(nèi)的最高水位。這與地電阻率的季節(jié)性年變化有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。夏季地下水位比較低時(shí)，地電阻率較高；冬季地下水位較高，同時(shí)地電阻率達(dá)到最低值。

圖6為大柏舍臺(tái)深井與淺層地電阻率2011—2012年日均值變化曲線。選取2011年4月1日至2012年3月31日大柏舍深井和淺層地電阻率觀測(cè)的日均值數(shù)據(jù)，分別計(jì)算年變化幅度得出：深井電阻率水平測(cè)道年變化幅度為1.49%，垂直測(cè)道為1.76%；淺層電阻率NS測(cè)道為2.37%，EW測(cè)道為2.55%。通過(guò)年變規(guī)律對(duì)比分析，深井地電阻率年變規(guī)律與淺層地電阻率有著較大差別：淺層地電阻率2個(gè)測(cè)道的年變化明顯，每年的6—8月為年變高值時(shí)段，2—3月為年變低值時(shí)段；而深井地電阻率的年變不明顯。

圖6　大柏舍臺(tái)深井與淺層地電阻率年變對(duì)比圖

3結(jié)語(yǔ)與討論

1)在觀測(cè)精度上，深井地電阻率高于淺層地電阻率；深井地電阻率水平測(cè)道好于垂直測(cè)道；ZD8B地電儀觀測(cè)精度好于深孔地電儀ATS-SR。

2)在抗干擾方面，深井地電阻率抗干擾能力較強(qiáng)，特別是外界環(huán)境干擾，淺層地電阻率觀測(cè)受到外界干擾的因素很多，諸如：風(fēng)擾(觀測(cè)線路架空)、農(nóng)田灌溉、地下水位等。

3)深井地電阻率年變規(guī)律與淺層地電阻率有著較大差別，淺層地電阻率2個(gè)測(cè)道的年變化明顯，每年的6—8月為年變高值時(shí)段，2—3月為年變低值時(shí)段；而深井地電阻率的年變不明顯。

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Contrastive Analysis of Georesistivity in Deep-well and on

Ground at Dabaishe Station

QIAO Zi-yun1, LUO Na2, ZHANG Guo-ling1, JIA Li-feng1, BAI Yun-gang3, ZHANG Bo2

(1.Earthquake Administration of Hebei Province, Shijiazhuang 050021, China;

2. Hongshan Standard Seismic Station, Xingtai 054000, China;

3. Qinhuangdao Central Seismic Station, Beidaihe 066000, China)

Abstract:This article introduces the georesistivity observation in deep-well and that on ground at Dabaishe Station in Heibei province, analyzes the accuracy, anti-interference ability and the law of annual variation etc. The analysis shows that the observation accuracy and anti-interference ability observed in the deep-well are better than that of the ground observation, and furthermore the annual vibration of the georesisitivity observed on ground is remarkable, while that of the georesistivity observed at the deep-well is not.

Key words:Dabaishe station; deep-well georesistivity; interference; annual variation

作者簡(jiǎn)介：張素欣(1965—)，女，河北元氏人，正研級(jí)高工，主要從事地下流體和綜合地震預(yù)報(bào)研究．E-mail：zsx@eq-he.ac.cn

基金項(xiàng)目：河北省科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目“河北省重點(diǎn)地區(qū)殼幔結(jié)構(gòu)及地震監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)關(guān)鍵技術(shù)研究”(13275407D)；中國(guó)地震局震情跟蹤工作項(xiàng)目“河北及鄰區(qū)地震平靜背景及意義研究”(2015020109)

收稿日期:2015-06-09

doi:10.3969/j.issn.1003-1375.2015.04.009

中圖分類號(hào):P315.722

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號(hào):1003-1375(2015)04-0049-05