昌黎地電臺(tái)多極距觀測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

佟　鑫，郭建芳，周劍青，張思遠(yuǎn)

(河北省地震局秦皇島中心臺(tái)，河北 北戴河　066100)

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昌黎地電臺(tái)多極距觀測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

佟鑫，郭建芳*，周劍青，張思遠(yuǎn)

(河北省地震局秦皇島中心臺(tái)，河北 北戴河066100)

摘要：基于對(duì)昌黎地電臺(tái)地下介質(zhì)的一維電性結(jié)構(gòu)模型，分析了不同深層介質(zhì)的響應(yīng)系數(shù)、多極距布設(shè)方式及理論探測(cè)深度。結(jié)果表明：當(dāng)MN分別取1/3 AB、1/4 AB、1/5 AB時(shí)，各層的響應(yīng)系數(shù)變化趨勢(shì)非常一致；據(jù)初始電性結(jié)構(gòu)模型分析，4個(gè)不同深層中第3層的電阻率測(cè)值貢獻(xiàn)率最高，達(dá)到70%，因此，在設(shè)計(jì)多極距觀測(cè)布極時(shí)主要考慮第3層的貢獻(xiàn)，該層的供電極距對(duì)取300～500 m較合適，第3層最大貢獻(xiàn)率為60%，當(dāng)供電極距對(duì)不超過1 000 m時(shí)，第4層貢獻(xiàn)率僅為20%；根據(jù)不同深層介質(zhì)響應(yīng)系數(shù)分布情況和臺(tái)站實(shí)際觀測(cè)條件限制，多極距布設(shè)方式為5種，分別為1 000 m、500(或400)m、400(或300)m、125 m、30 m。5種布極的理論探測(cè)深度在14～96 m，此結(jié)果由昌黎臺(tái)介質(zhì)的電性結(jié)構(gòu)所決定。

關(guān)鍵詞：電性結(jié)構(gòu)模型；響應(yīng)系數(shù)；多極距布極探測(cè)深度；昌黎臺(tái)

0引言

昌黎臺(tái)在1975年海城MS7.3地震、1976年唐山MS7.8大震等觀測(cè)到了突出的地電阻率異常[1]，唐山老震區(qū)及周邊自1976年大地震以來未發(fā)生過6級(jí)以上地震。華北東部及東北地區(qū)自2010年以來發(fā)生了數(shù)次MS4～5級(jí)地震，且震級(jí)逐年增大，其中以2012年5月唐山MS4.8，2013年5月、10月吉林5級(jí)震群活動(dòng)最為顯著。而備受關(guān)注的唐山老震區(qū)在我國西、南部中強(qiáng)地震活躍、毗鄰各國強(qiáng)震多發(fā)的時(shí)期，維持了近3年的4級(jí)地震平靜、3級(jí)地震偏少的狀態(tài)。近期研究也證明：唐山斷裂處于孕震時(shí)期，其中灤縣—樂亭斷裂在NWW向主壓應(yīng)變場(chǎng)中[2]，值得關(guān)注。

昌黎臺(tái)地電阻率多年來一直作為華北片區(qū)、首都圈及唐山地區(qū)中強(qiáng)震監(jiān)測(cè)的重點(diǎn)臺(tái)站，是河北省地震局和中國地震局分析預(yù)報(bào)工作的重點(diǎn)監(jiān)測(cè)手段之一，但主要以地電阻率時(shí)間序列上提取趨勢(shì)異常為重點(diǎn)。因多數(shù)前兆觀測(cè)受干擾影響，無法顯現(xiàn)真實(shí)的年變動(dòng)態(tài)及異常特征，故而多數(shù)人采用不同數(shù)學(xué)方法提取異常。鑒于此，該臺(tái)于2015年開始實(shí)施地電阻率多極距觀測(cè)實(shí)驗(yàn)，反演計(jì)算不同深度地電阻率動(dòng)態(tài)變化的方法，研究地下分層介質(zhì)電阻率變化對(duì)地電阻率地震前兆信息的貢獻(xiàn)，并結(jié)合地下水觀測(cè)研究地電阻率變化的機(jī)理。本文重點(diǎn)對(duì)地電阻率多極距觀測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)問題做分析和整理。

早期我國地電阻率觀測(cè)臺(tái)站的布極方式多為單測(cè)道(或正交雙測(cè)道)單極距觀測(cè)，采用對(duì)稱四極裝置，得到的視電阻率變化是觀測(cè)范圍內(nèi)位于不同深度層電阻率的綜合反映。年變特征主要受淺層水位及季節(jié)變化導(dǎo)致淺部地電阻率發(fā)生顯著變化的影響[3-4]，而深部地電阻率變化則是我們需要的與映震有關(guān)的信息。為了得到有價(jià)值的地震信息，早期有些臺(tái)站采用多極距觀測(cè)的方法獲得等效(真)電阻率[5-6]，采用深埋電極裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究[7-8]：聶永安等通過計(jì)算水平層狀介質(zhì)電源激勵(lì)解析解的方式，從理論上研究了3層結(jié)構(gòu)在地表和基巖中對(duì)稱四級(jí)電阻率觀測(cè)結(jié)果與裝置深度、供電電極之間的關(guān)系[9-10]；解滔等對(duì)井下電阻率觀測(cè)中地表電流的干擾進(jìn)行了計(jì)算分析，為如何在壓制地表電流干擾影響的同時(shí)選擇臺(tái)址電性結(jié)構(gòu)和電極埋深、確定干擾源避讓距離等方面提供參考[11]。另外，電阻率層析成像技術(shù)也在相關(guān)領(lǐng)域獲得新的研究[12]。

對(duì)于多極距觀測(cè)系統(tǒng)而言，了解不同層位的響應(yīng)系數(shù)很關(guān)鍵，其能反映各深層的視電阻率對(duì)觀測(cè)值的貢獻(xiàn)大小。本文重點(diǎn)對(duì)昌黎臺(tái)的地下電性結(jié)構(gòu)層做響應(yīng)系數(shù)分析，從而擬定多極距觀測(cè)的合理布設(shè)方式，同時(shí)對(duì)探測(cè)深度也做淺析。

1臺(tái)站概述

昌黎地電臺(tái)始建于1972年，該臺(tái)位于河北省東部沿海地區(qū)，NE走向的寧河—昌黎深斷裂位于測(cè)區(qū)東約5 km處，西側(cè)約20 km和65 km處為NW走向的灤縣—樂亭斷裂和NE走向的唐山斷裂。第四系覆蓋層厚70 m ，含水層發(fā)育，總厚度20～30 m，基巖風(fēng)化厚度8 m，主要開采20 m 和30 m兩含水層，含水層巖性為粗砂和中砂。下伏基巖為燕山期花崗巖，電性條件屬2層電性斷面。上覆第四系為低阻層，ρ2大體在幾到幾百歐姆·米，下伏基巖為高阻層，ρ2大體在幾千至數(shù)萬歐姆·米。據(jù)歷史鉆孔資料及層析二維圖像，2個(gè)高阻層在10～40 m和130 m深度以下，分別對(duì)應(yīng)于含水量甚少的膠泥層和花崗巖層；在40～130 m深度段的低阻層則是富含地下水的中粗砂層[13]。臺(tái)站地勢(shì)平坦，西側(cè)1.5 km處有深部承壓熱礦水，水位和水溫高，礦化度大，屬CaNa水型，近年來開采較多。西側(cè)、南側(cè)數(shù)公里范圍內(nèi)分布著較多的粉絲廠和淀粉廠。近年來，EW測(cè)向的西電極附近也分布多家粉絲廠，對(duì)測(cè)區(qū)環(huán)境有一定影響。昌黎臺(tái)所處地質(zhì)環(huán)境及斷層分布如圖1所示。

圖1　昌黎臺(tái)空間分布圖

1997年7月開始采用數(shù)字地電儀ZD8B觀測(cè)，背景場(chǎng)改造更換為ZD8M觀測(cè)，布極方式為2個(gè)相互垂直的測(cè)道NS、EW，AB/2=500 m，NS向測(cè)量極距MN=250 m，EW向測(cè)量極距MN=200 m。鉛板電極接地良好，外線路采用屏蔽絕緣銅線觀測(cè)。

2響應(yīng)系數(shù)的計(jì)算

對(duì)于電性剖面參數(shù)已知的臺(tái)站，為確定多極距觀測(cè)的最佳布極方式，首先應(yīng)計(jì)算各層介質(zhì)的響應(yīng)系數(shù)Si隨觀測(cè)極距的變化情況。昌黎臺(tái)初始電性結(jié)構(gòu)模型為4層，第1層h1=6 m,ρ2=45 Ω·m；第2層h2=24 m,ρ2=90 Ω·m；第3層h3=85 m,ρ3=55 Ω·m；第4層h4=∞,ρ4=1 300 Ω·m[14-15](圖2)。電測(cè)深曲線為KH型。

圖2　昌黎臺(tái)初始電性結(jié)構(gòu)模型示意圖

以水平層狀介質(zhì)及其響應(yīng)系數(shù)理論作為昌黎臺(tái)觀測(cè)資料反演的基本理論和模型，計(jì)算公式參見文獻(xiàn)[2]。對(duì)于理想的n層水平介質(zhì)，利用四極對(duì)稱裝置觀測(cè)時(shí)，得到的地電阻率相對(duì)變化量Δρs/ρs由公式：Δρs/ρs=s1×Δρ1/ρ1+s2×Δρ2/ρ2+…+sn×Δρn/ρn決定，s1，s2,…sn為響應(yīng)系數(shù)，各層系數(shù)之和為1，每層介質(zhì)對(duì)Δρs/ρs的貢獻(xiàn)量取決于介質(zhì)本身的電阻率變化量和這一深度上的響應(yīng)系數(shù)。響應(yīng)系數(shù)大，介質(zhì)電阻率變化對(duì)地表觀測(cè)值影響也大；響應(yīng)系數(shù)小，對(duì)地表觀測(cè)值的影響也越小。它實(shí)際上反映了四極對(duì)稱裝置在某種電性結(jié)構(gòu)介質(zhì)上的探測(cè)能力，其曲線就是水平層狀介質(zhì)不同深度對(duì)地表觀測(cè)電阻率變化的響應(yīng)特征曲線[16]。

經(jīng)計(jì)算，得到昌黎臺(tái)不同極距情況下各層響應(yīng)系數(shù)隨極距的變化情況(圖3)。

3裝置布設(shè)

主要包括：

1)極距個(gè)數(shù)。要反演計(jì)算n層電阻率值，觀測(cè)資料的數(shù)據(jù)應(yīng)該等于或大于n[17]。一般來說，地電臺(tái)站實(shí)際電性結(jié)構(gòu)和理想的水平層狀模型有一定差異，因此，對(duì)于n層介質(zhì)來說，極距個(gè)數(shù)應(yīng)為n+1或n+2。昌黎臺(tái)電性結(jié)構(gòu)模型為4層，結(jié)合實(shí)際觀測(cè)環(huán)境，極距個(gè)數(shù)設(shè)計(jì)為5個(gè)。

圖3　昌黎臺(tái)地下介質(zhì)響應(yīng)系數(shù)分層曲線

2)極距長(zhǎng)度分為供電極距AB和測(cè)量極距MN。電阻率隨供電極距逐漸增大，探測(cè)深度也越深，因此AB的取值范圍與響應(yīng)系數(shù)密切相關(guān)。從圖2可以看出，對(duì)于昌黎臺(tái)來說，MN取AB/3、AB/4、AB/5的各層的響應(yīng)系數(shù)的變化趨勢(shì)是非常一致的。對(duì)于多極距觀測(cè)，主要是捕捉或反映更深層的電阻率變化情況。當(dāng)供電極距不大于1 000 m時(shí)，第4層的響應(yīng)系數(shù)小于0.2，即對(duì)觀測(cè)到的視電阻率的貢獻(xiàn)不可能超過20%；而對(duì)于第三層來說，響應(yīng)系數(shù)最高值在AB=300～400 m，當(dāng)AB大于300 m時(shí)，則其貢獻(xiàn)可以達(dá)到70%，因此，在設(shè)計(jì)觀測(cè)極距時(shí)最主要是要顧及到第3層的貢獻(xiàn)；第2層響應(yīng)系數(shù)最高值在AB=100 m左右，最高貢獻(xiàn)率60%。為了使觀測(cè)裝置也能反映淺部的變化，短極距選擇時(shí)可考慮1～2個(gè)。另外，實(shí)施中充分考慮了當(dāng)?shù)丨h(huán)境的復(fù)雜性和多變性，既能利用原有裝置系統(tǒng)，又能合理埋設(shè)新的觀測(cè)裝置。當(dāng)響應(yīng)系數(shù)曲線極值點(diǎn)附近與直線偏離較大時(shí)，相應(yīng)的極距應(yīng)選在對(duì)應(yīng)于響應(yīng)系數(shù)曲線極值點(diǎn)附近的線性度較好的一段曲線上；當(dāng)響應(yīng)系數(shù)曲線極值點(diǎn)附近與直線偏離較小時(shí)，極距可選在響應(yīng)系數(shù)曲線極值點(diǎn)上[17]。5個(gè)極距長(zhǎng)度分別設(shè)計(jì)為：

NS向①AB=30 m，MN=6 m；②AB=125 m，MN=30 m；③AB=400 m，MN=80 m；④AB=500 m，MN=125 m；⑤AB=1 000 m，MN=250 m。

EW向①AB=30 m，MN=6 m；②AB=125 m，MN=30 m；③AB=300 m，MN=80 m；④AB=400 m，MN=125 m；⑤AB=1 000 m，MN=200 m。其中，2個(gè)測(cè)向1 000 m的極距布設(shè)利用原有裝置。

實(shí)際地電臺(tái)站進(jìn)行多極距布設(shè)時(shí)，多受到觀測(cè)環(huán)境和建筑設(shè)施的影響，為了方便施工和維護(hù)工作，在節(jié)約費(fèi)用的基礎(chǔ)上，充分考慮好布極方法是十分重要的，尤其提取貢獻(xiàn)層較大的電阻率時(shí)，對(duì)反演精度有一定影響。

4探測(cè)深度計(jì)算

關(guān)于地電阻率探測(cè)深度的定義，經(jīng)查文獻(xiàn)資料，認(rèn)為其與物探電法中的探測(cè)深度含義有本質(zhì)區(qū)別。較早文獻(xiàn)有：1938年Evjen[18]認(rèn)為物探中探測(cè)深度的目的，在于將地表的觀測(cè)值與某個(gè)具體深度聯(lián)系起來，使測(cè)量參數(shù)與地質(zhì)目標(biāo)最相關(guān)，探測(cè)深度h與供電極距AB的關(guān)系最佳，為h=AB/9；1969年，AdelARZ和DallasBJ[19]在地下水勘探中，根據(jù)對(duì)多層電測(cè)深曲線的分析，認(rèn)為介于AB/3～AB/4之間；而現(xiàn)在教學(xué)中的探測(cè)深度一般選擇AB/4 ～AB/6；1982年，趙和云等[20]定義視電阻率探測(cè)深度為：在一定的地電斷面條件下,用一定的裝置(包括裝置的類型和裝置系數(shù)2個(gè)方面)探測(cè)時(shí),所具有探測(cè)深部介質(zhì)電阻率變化的能力；1986年，傅良魁[21]定義：在給定的各種主觀、客觀條件下，通過對(duì)電或電磁場(chǎng)信息的收錄、處理和分析研(正演，反演)，以查明探測(cè)目標(biāo)的最大深度，主要影響因素包括主觀、客觀兩大方面等多種復(fù)雜情況。

該定義對(duì)現(xiàn)實(shí)觀測(cè)介質(zhì)多層分布的復(fù)雜性有較好的說服力，且當(dāng)測(cè)量極距對(duì)與供電極距對(duì)互換時(shí)，公式的物理意義仍較清晰。公式推導(dǎo)過程中，采用的電流密度jMN和面電流分布IMN稱之為“等效”值，本身沒有物理意義。對(duì)于昌黎臺(tái)N=4層的復(fù)雜情況，由于電流在界面處可能出現(xiàn)很大的躍變，因此jMN應(yīng)當(dāng)分別在不同層內(nèi)計(jì)算，這樣推導(dǎo)過程十分復(fù)雜；加之實(shí)際各層介質(zhì)隨著深、淺層水位等復(fù)雜情況的變化，其實(shí)際探測(cè)深度會(huì)發(fā)生不同程度的變化，理論推導(dǎo)公式的物理意義已經(jīng)不大。本文為了簡(jiǎn)化計(jì)算得到近似深度值，可將4層介質(zhì)大致看成2層，以基巖上層面為分界線，第1層h1=115m,ρ2=63.3Ω·m，h2=∞, ρ2=1 300Ω·m探測(cè)深度公式詳見文獻(xiàn)[20]。計(jì)算結(jié)果見表1。

表1　昌黎臺(tái)多極距對(duì)探測(cè)深度計(jì)算結(jié)果

5結(jié)論

利用昌黎臺(tái)初始電性結(jié)構(gòu)模型，對(duì)不同深層地下介質(zhì)的響應(yīng)系數(shù)進(jìn)行計(jì)算分析。當(dāng)MN取AB/3、AB/4、AB/5時(shí)，各層響應(yīng)系數(shù)的變化趨勢(shì)非常一致；當(dāng)供電極距不大于1 000 m時(shí)，第4層的響應(yīng)系數(shù)小于0.2，即對(duì)觀測(cè)到的視電阻率的貢獻(xiàn)不可能超過20%；而對(duì)于第3層來說，只要當(dāng)AB大于300 m，則其貢獻(xiàn)可以達(dá)到70%，是多極距觀測(cè)裝置中主要考慮的布設(shè)方式；第2層貢獻(xiàn)率最高不會(huì)超過60%。

昌黎臺(tái)多極距觀測(cè)裝置的布極個(gè)數(shù)設(shè)計(jì)為5個(gè)。各供電極距長(zhǎng)度選取時(shí)充分考慮了測(cè)區(qū)環(huán)境及建筑設(shè)施，為了方便施工和維護(hù)工作，在現(xiàn)有觀測(cè)裝置的前提下，依據(jù)不同深層介質(zhì)響應(yīng)系數(shù)不同的特點(diǎn)，采取了較為合理的布極方式進(jìn)行鋪設(shè)，盡最大可能捕捉到貢獻(xiàn)率較高的介質(zhì)層電阻率變化特征。5種布極方式計(jì)算出的探測(cè)深度在14～96 m左右，主要由介質(zhì)電性結(jié)構(gòu)決定，它取決于如下條件：①被探測(cè)地質(zhì)體本身的因素，如：大小、形狀、埋深及與圍巖的電阻率差別；②供電電極距(AB)的大?。虎塾^測(cè)精度；④地形和不均勻體的干擾；⑤外來電場(chǎng)的干擾。另外，不同的計(jì)算方法可能略有差異，對(duì)此問題的探討將另文敘述。

昌黎臺(tái)初始電性結(jié)構(gòu)模型的建立，為以后相關(guān)研究奠定了基礎(chǔ)，但不一定是最佳電性結(jié)構(gòu)模型，需要在以后的多極距觀測(cè)基礎(chǔ)上做大量實(shí)驗(yàn)研究和反演計(jì)算。研究中，我們可以利用初始電性結(jié)構(gòu)模型計(jì)算獲得視電阻率，將其與相應(yīng)的觀測(cè)極距對(duì)下獲得的實(shí)際觀測(cè)值相減，獲得電阻率殘差；然后進(jìn)行反演，獲得模型參數(shù)的調(diào)整量；再與初始電性結(jié)構(gòu)模型的參數(shù)相加，即可獲得新的初始電性結(jié)構(gòu)模型參數(shù)。如此反復(fù)，直至獲得滿足條件的最佳模型參數(shù)[22]。

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The Design of Multi-separation Array Observation System of Changli Geoelectricity Station

TONG Xin, GUO Jian-fang*, ZHOU Jan-qing, ZHANG Si-yuan

(Qinhuangdao Central Seismic Station of Earthquake Administration of Hebei Province, Qinhuangdao 066100, China)

Abstract:This study analyze the response coefficient, theoretical apparent resistivity of different deep medium and the depth of probe based on 1-dimension model of electrical structure in Changli station. The results show that when MN is 1/3AB, 1/4AB, 1/5AB respectively, the variation trends of response coefficient of each layer are very consistent. Because the contribution rate of third layer which achieved 70 percent is highest in four layers of different depth, the contribution rate of the third layer is the dominant factor in arranging the electrodes for multi-spacing system in apparent resistivity observation. When the scale of electrode distance of the third layer is from 300 to 500 meters, the results are best. The third layer contribution rate is no more than 60%. When the electrode distance is less than 1000 meters, the contribution rate of the forth layer is just 20 percent. According to the distribution of the response coefficient of the deep layer and the actual observation conditions of the station, the multi-separation array layout is 5 kinds: AB=1 000 m, 500(or 400)m, 400(or 300)m, 125 m, 30 m, the detecting depths is around 14-96 m, the results rely on the electrical structure of medium under the Changli station.

Key words:initial electrical structure; response coefficient; multi-separation array layout; Changli geoelectricity station

doi:10.3969/j.issn.1003-1375.2016.01.011

中圖分類號(hào):P315.75

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號(hào):1003-1375(2016)01-0065-05

作者簡(jiǎn)介：佟鑫(1987—)，男，吉林白城人，助理工程師，從事電磁監(jiān)測(cè)、分析預(yù)報(bào)和儀器維修工作.E-mail:278507679@qq.com*通訊作者：郭建芳(1977—)，女，河北昌黎人，高級(jí)工程師，從事前兆臺(tái)網(wǎng)數(shù)據(jù)處理及分析預(yù)報(bào)工作.E-mail: gjfzyy76@sina.com

基金項(xiàng)目：中國地震局科技星火計(jì)劃“昌黎臺(tái)地電阻率多極距觀測(cè)實(shí)驗(yàn)與地下水位關(guān)系研究”(XH15005Y)

收稿日期:2015-06-22

佟鑫，郭建芳，周劍青，等．昌黎地電臺(tái)多極距觀測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J]．華北地震科學(xué)，2016，34(1):65-69.