平?jīng)鲠轻寂_(tái)井下地電阻率觀測(cè)數(shù)據(jù)分析研究

趙 斐，張遠(yuǎn)富，李旭升

(甘肅省地震局平?jīng)鲋行牡卣鹋_(tái)，甘肅 平?jīng)?744000)

平?jīng)鲠轻寂_(tái)井下地電阻率觀測(cè)數(shù)據(jù)分析研究

趙 斐，張遠(yuǎn)富，李旭升

(甘肅省地震局平?jīng)鲋行牡卣鹋_(tái)，甘肅 平?jīng)?744000)

簡要介紹甘肅平?jīng)鲠轻寂_(tái)井下地電阻率觀測(cè)的地質(zhì)構(gòu)造背景、場(chǎng)地布設(shè)、觀測(cè)方式等基本情況，通過對(duì)井下水平與垂直觀測(cè)數(shù)據(jù)曲線的動(dòng)態(tài)變化、觀測(cè)精度等對(duì)比分析得出，井下地電阻率觀測(cè)年變化與地表有較大的差別，井下觀測(cè)大大削弱了年變幅度；垂直觀測(cè)較水平觀測(cè)數(shù)據(jù)變化平穩(wěn)、年變幅度較低；井下觀測(cè)系統(tǒng)能減少干擾，提高信噪比，緩解地電觀測(cè)與經(jīng)濟(jì)建設(shè)的矛盾，可作為地電觀測(cè)方式的新探索。

井下地電阻率；水平觀測(cè)；垂直觀測(cè)

0 引言

從1966年邢臺(tái)地震后，我國開始開展地電阻率觀測(cè)，至今已積累了大量的觀測(cè)數(shù)據(jù)和科學(xué)研究成果，在方法理論、觀測(cè)技術(shù)、觀測(cè)數(shù)據(jù)應(yīng)用等方面取得很大發(fā)展，在國內(nèi)外地震電磁學(xué)領(lǐng)域占有一定地位[1]。目前，我國地電阻率觀測(cè)的地表定點(diǎn)臺(tái)站多采用對(duì)稱四極電阻率觀測(cè)裝置，兩個(gè)供電電極和兩個(gè)測(cè)量電極排列在一條直線上，并對(duì)稱于中心點(diǎn)。臺(tái)站通常布設(shè)2～3個(gè)方向的測(cè)線，即NS、EW及NE或NW[2]。供電電極和測(cè)量電極埋深一般在地下2 m左右，供電極距一般在1 000 m左右[3]。地表地電阻率觀測(cè)在固定臺(tái)站的地表進(jìn)行，易受金屬管線、管網(wǎng)、城市軌道交通、超高壓輸電線路、地表雜散電流等干擾，影響觀測(cè)結(jié)果。近年來，占地面積大的地表地電阻率觀測(cè)方式又遇到地表環(huán)境影響的問題。因此，井下地電阻率觀測(cè)成為目前的發(fā)展方向之一[4]。通過深埋電極的地電阻率分析認(rèn)為，地下觀測(cè)裝置不僅可以減小甚至消除地表環(huán)境變化對(duì)觀測(cè)結(jié)果的影響，還能提高地電阻率對(duì)基巖電阻率變化響應(yīng)的靈敏度。井下地電阻率觀測(cè)是將原先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，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[5]。

平?jīng)鲠轻寂_(tái)地電阻率自1997年正式觀測(cè)以來，資料連續(xù)可靠。近幾年，隨著觀測(cè)環(huán)境遭到不同程度的破壞，資料受干擾情況明顯，為避免受較大的干擾，經(jīng)專家多次論證，決定在崆峒臺(tái)原址采用井下地電阻率觀測(cè)方案[6]。該項(xiàng)目同時(shí)設(shè)計(jì)地電阻率和地溫梯度的綜合觀測(cè)。目前，地震井下觀測(cè)方式還未得到廣泛公認(rèn)，因此，有必要對(duì)崆峒臺(tái)井下地電阻率觀測(cè)資料進(jìn)行分析，為井下地電觀測(cè)的開展提供借鑒。

1 測(cè)區(qū)地質(zhì)構(gòu)造背景和測(cè)區(qū)規(guī)劃

崆峒臺(tái)位于平?jīng)鍪嗅轻紖^(qū)崆峒鄉(xiāng)政府所在地寨子街的西側(cè)，距市區(qū)約11 km。地質(zhì)構(gòu)造上位于南北地震帶北段南部、六盤山斷陷帶東麓大斷裂的東側(cè)，即隴西旋卷構(gòu)造系向南收斂的區(qū)域。測(cè)區(qū)海拔1 357 m，年均濕度58%，年均氣溫16 ℃。

據(jù)1996年5月甘肅省地震局《平?jīng)龅仉娕_(tái)新址論證技術(shù)報(bào)告》，地電臺(tái)地下電性結(jié)構(gòu)如表1所示。

表1 平?jīng)鲠轻嫉仉娕_(tái)地下電性結(jié)構(gòu)表Table 1 The electrical structure of Kongtong geoelectric station in Pingliang

崆峒臺(tái)布極呈“」”形，南北向、東西向分布。南北向井孔間距150 m，東西向井孔間距80 m，共7口井。井孔位置及分布如第35頁圖1所示。

圖1 井孔位置及分布圖Fig.1 The position and distribution of observation hole

2 觀測(cè)系統(tǒng)介紹

井下地電阻率觀測(cè)與地表相同，均采用四極對(duì)稱觀測(cè)，將供電與測(cè)量電極全部放入深井中，按一定的極距布設(shè)電極[7]。崆峒井下多極距電阻率觀測(cè)系統(tǒng)采用地表與井下多種觀測(cè)方式，包括淺層水平觀測(cè)(地下2 m深度)1道,地下40 m水平觀測(cè)2道,地下60 m、80 m水平觀測(cè)各1道,地下100 m水平觀測(cè)2道、垂直觀測(cè)6道和驗(yàn)證測(cè)量系統(tǒng)1道，共計(jì)14個(gè)測(cè)道。深層和淺層電極埋設(shè)深度分別為160 m和2 m。NS向供電極距450 m，測(cè)量極距150 m；EW向供電極距240 m，測(cè)量極距80 m。對(duì)1、2、3和4號(hào)井進(jìn)行垂直觀測(cè)，1、2、3號(hào)井的供電極深60 m、測(cè)量極深20 m；4號(hào)井供電極深分別為113 m、60 m，測(cè)量極深分別為37.7 m、20 m。電極布設(shè)情況如第36頁圖2所示。

3 地表觀測(cè)與井下觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比

3.1 地電阻率相對(duì)均方差

第36頁表2為崆峒臺(tái)地表與井下地電阻率同時(shí)段各測(cè)向年相對(duì)均方根誤差對(duì)比，選取2014年1月1日至2015年12月31日的觀測(cè)數(shù)據(jù)，在此時(shí)段，以臺(tái)站為中心300 km范圍內(nèi)無5級(jí)以上地震發(fā)生。

從表2看出,井下水平NS、EW測(cè)道和垂直各測(cè)向年相對(duì)均方差均小于地表測(cè)道，說明井下觀測(cè)精度高于地表觀測(cè)；無論是地表觀測(cè)，還是井下水平、垂直各測(cè)向，年相對(duì)均方差值都非常低，原因是崆峒臺(tái)位于農(nóng)田保護(hù)區(qū)內(nèi)，地勢(shì)平坦，測(cè)區(qū)周圍地形開闊，環(huán)境穩(wěn)定，干擾小。

圖2 電極布極示意圖Fig.2 The electric pole distribution

表2 地表與井下地電阻率觀測(cè)年相對(duì)均方差對(duì)比表Table 2 The comparison of annual relative mean square deviation between surface and down-hole earth resistivity observation data

3.2 井下地電阻率水平觀測(cè)變化分析

為比較井下與地表地電阻率觀測(cè)的差異，選取2014—2015年兩者同時(shí)段的觀測(cè)曲線進(jìn)行對(duì)比分析。

水平觀測(cè)EW測(cè)道供電極距為240 m,測(cè)量極距為80 m；NS測(cè)道的分別為450 m、150 m。最淺電極離地表2 m，最深100 m。由第37頁圖3a及表3看出，地表觀測(cè)EW測(cè)道較井下40 m、100 m而言，測(cè)值變化范圍大(7.23～13.82 Ω·m)，井下觀測(cè)范圍小(0.17～0.30 Ω·m)；地表觀測(cè)年變幅7.88%，井下觀測(cè)為0.55%，說明井下觀測(cè)數(shù)據(jù)較地表變化平穩(wěn)，突跳點(diǎn)較少。3個(gè)測(cè)道變化形態(tài)基本一致，呈夏低東高的年變形態(tài)。從圖3b及表3看出,4個(gè)井下水平觀測(cè)NS測(cè)道變化形態(tài)基本一致，呈夏低東高的年變形態(tài)，測(cè)值變化范圍小(0.35～0.50 Ω·m)，年變范圍基本相當(dāng)，說明井下觀測(cè)測(cè)值變化平穩(wěn)，年變幅??；地表觀測(cè)易受各種因素的干擾，數(shù)據(jù)波動(dòng)幅度大，年變幅度大。此外，水平測(cè)道EW、NS 2015年測(cè)值整體水平高于2014年，原因是2014年井下觀測(cè)系統(tǒng)處于試運(yùn)行階段，觀測(cè)裝置未達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。除地表測(cè)道外，水平觀測(cè)NS測(cè)道年均變化幅度要高于EW測(cè)道，原因是NS測(cè)道供電、測(cè)量極距均大于EW測(cè)道。2015年1、2、10月地電阻率測(cè)值出現(xiàn)三處單點(diǎn)突跳，主要原因是冬季觀測(cè)室氣溫較低，穩(wěn)流電源工作性能降低所致(見圖3)。

3.3 井下地電阻率垂直觀測(cè)變化分析

崆峒臺(tái)井下地電阻率垂直觀測(cè)采用四極對(duì)稱，將供電與測(cè)量電極全部放入同一井中，電極埋深不同且處于不同的地層。相關(guān)研究表明，地電阻率垂直觀測(cè)由于電流能較遠(yuǎn)傳輸，并穿過不同的地層，因此測(cè)量范圍更廣，同樣觀測(cè)到的是全空間綜合視電阻率，對(duì)地表的干擾有較好的抑制[8]?？?—孔4垂直及孔4底部垂直觀測(cè)供電極距為60 m,測(cè)量極距為20 m，孔4長極距垂直觀測(cè)的供電極距為113 m,測(cè)量極距為37.7 m。由第38頁圖4及表4看出，6個(gè)垂直觀測(cè)測(cè)值無明顯年變形態(tài)，曲線整體呈逐年緩慢上升的態(tài)勢(shì)。除孔3外，其他5個(gè)垂直觀測(cè)變化形態(tài)基本一致，年變幅基本相當(dāng)?？?年變幅高于其他5個(gè)垂直測(cè)道近一倍左右，原因是2015年初連接孔3測(cè)量極的接頭出現(xiàn)松動(dòng)，造成干擾所致。由圖4看出，孔4井的三種測(cè)量方式中，長極距垂直測(cè)道較其他兩種的年變形態(tài)明顯，原因在于其測(cè)量和供電極距均大于其他兩種方式。

圖3 崆峒臺(tái)井下地電阻率水平觀測(cè)日均值曲線Fig.3 Daily mean value of down-hole earth resistivity horizontal observation at Kongtong seismic station

表3 2014—2015年崆峒臺(tái)井下地電阻率水平觀測(cè)變化幅度Table 3 The down-hole earth resistivity horizontal observation data change range at Kongtong seismic station from 2014 to 2015

井下垂直與水平觀測(cè)相比較，垂直觀測(cè)的6個(gè)測(cè)道年平均變幅為0.46%，水平觀測(cè)(地表觀測(cè)除外)的為0.65%。說明井下垂直觀測(cè)較水平觀測(cè)數(shù)據(jù)變化平穩(wěn)，年變形態(tài)不明顯，年變幅低。

3.4 雷電及降雨對(duì)井下地電阻率觀測(cè)的影響

崆峒臺(tái)氣象三要素儀器架設(shè)于2014年11月，選取2015—2016年的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。平?jīng)龅靥廃S土高原，丘陵溝壑地形居多，全年降水較少，雷電集中在6—9月。崆峒臺(tái)井下地電阻率外線路采用地埋方式，自觀測(cè)以來未發(fā)生過雷電干擾事件，可有效屏蔽雷電對(duì)測(cè)值的影響。

圖4 崆峒臺(tái)井下地電阻率垂直觀測(cè)日均值曲線Fig.4 Daily mean value of down-hole earth resistivity vertical observation at Kongtong seismic station

由圖5看出，短時(shí)降雨對(duì)井下地電阻率測(cè)值未構(gòu)成明顯的影響，隨著累計(jì)降雨的增加，測(cè)值呈緩慢下降態(tài)勢(shì)。累計(jì)降雨是通過地下水位的變化引起地電阻率測(cè)值的改變。臺(tái)站無地下水位輔助測(cè)項(xiàng)，不能作直觀分析，與地表觀測(cè)方式相比，井下觀測(cè)有效避免了降雨時(shí)外線漏電、地表滲漏造成的測(cè)值突跳和階躍變化。

圖5 2015—2016年崆峒臺(tái)井下100 m地電阻率水平觀測(cè)及降雨量日均值曲線Fig.5 The down-hole 100m earth resistivity horizontal observation data at Kongtong seismic station and daily mean value of rainfall from 2015 to 2016

4 結(jié)論

(1) 崆峒臺(tái)井下地電阻率采用多種觀測(cè)方式，同場(chǎng)地進(jìn)行地面水平觀測(cè)、井下水平和垂直觀測(cè)。前兩種采用對(duì)稱四極法，在電磁環(huán)境較復(fù)雜的觀測(cè)場(chǎng)地，是地電阻率觀測(cè)較為常用的方法。井下垂直觀測(cè)是一種偶極觀測(cè)方式，有助于數(shù)據(jù)變化的可靠性分析。

表4 2014—2015年崆峒臺(tái)井下地電阻率垂直觀測(cè)變化幅度Table 4 The down-hole earth resistivity vertical observation data change range at Kongtong seismic station from 2014 to 2015

(2) 井下和地表地電阻率兩種觀測(cè)裝置各有特點(diǎn)。在觀測(cè)精度上，井下觀測(cè)要高于地表；在抗干擾方面，特別是對(duì)布極區(qū)地表雜散電流類的干擾抑制能力較強(qiáng)，地表觀測(cè)日均值曲線突跳、階躍頻繁。在相同時(shí)段，同場(chǎng)地的井下觀測(cè)數(shù)據(jù)波動(dòng)幅度小，突跳點(diǎn)相對(duì)較少，數(shù)據(jù)較平穩(wěn)。

(3) 崆峒臺(tái)井下水平觀測(cè)數(shù)據(jù)不及垂直觀測(cè)平穩(wěn)，水平觀測(cè)年變形態(tài)明顯、年變幅大于垂直觀測(cè)。

(4) 崆峒臺(tái)井下地電阻率觀測(cè)暫未表現(xiàn)出明顯的映震能力，這可能與數(shù)據(jù)采樣率低有關(guān)。由于臺(tái)站觀測(cè)資料積累時(shí)間尚短，數(shù)據(jù)的分析應(yīng)用還需要一個(gè)探索的過程，但此觀測(cè)方式為地電阻率的裝置改進(jìn)提供了一種嘗試和參考。

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AnalysisofObservationDataofDown-holeEarthResistivityatKongtongSeismicStationinPingliang

ZHAOFei,ZHANGYuan-fu,LIXu-sheng

(PingliangCentralSeismologicalStationofGansuEarthquakeAgency,Pingliang,Gansu744000,China)

The geological structure background, site layout and observation mode of down-hole earth resistivity observation system of Kongtong seismic station are briefly introduced. Through the comparative analysis on the curve dynamic change and observation precision of down-hole horizontal and vertical data, it finds that the down-hole earth resistivity observation data's annual variation is different from that of surface, and the down-hole observation data greatly weakens the annual variation range. The vertical observation data is more smooth and its annual variation is smaller than that of horizontal observation data. The down-hole observation system can reduce the interference, improve the signal-to-noise ratio, and alleviate the contradiction between geoelectric observation and economic construction, so it may be a new way of geoelectric observation.

Down-hole earth resistivity; Horizontal observation; Vertical observation

1000-6265(2017)03-0034-06

2016-03-31

趙 斐(1982— ),男，甘肅省平?jīng)鋈恕?005年畢業(yè)于蘭州交通大學(xué)，工程師。

P315.73

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