利用水動(dòng)態(tài)深井進(jìn)行井下地電場(chǎng)觀測(cè)的可行性分析

孟 凱

（臨沂市地震局，山東 臨沂 276000）

利用水動(dòng)態(tài)深井進(jìn)行井下地電場(chǎng)觀測(cè)的可行性分析

孟 凱

（臨沂市地震局，山東 臨沂 276000）

自然電場(chǎng)是一種物理意義比較明確，變化機(jī)理相對(duì)明晰的地球物理場(chǎng)，其布極測(cè)量也較為簡(jiǎn)便。 通過(guò)深井進(jìn)行井下自然電位觀測(cè)，在相同測(cè)量條件下，比深井電阻率觀測(cè)更容易避開(kāi)地表因素干擾層。利用水動(dòng)態(tài)深井網(wǎng)點(diǎn)進(jìn)行自然電位觀測(cè)，不需要增加大的人力和財(cái)力投入，不影響同一口井內(nèi)的高精度水溫測(cè)量，如果將物理意義不同的水位、水溫和自然電位同用一井，形成綜合觀測(cè)網(wǎng)，對(duì)地震預(yù)報(bào)尤其是短臨跟蹤預(yù)報(bào)更具有積極意義。

深井布極；自然電場(chǎng)；電阻率；地表干擾層；地電異常；蒼山MS5.2地震

0 引言

地電觀測(cè)，尤其是自然電位觀測(cè)，因其測(cè)量方法技術(shù)簡(jiǎn)便，在60年代到70年代曾作為除地下水觀測(cè)之外的重要地震前兆觀測(cè)手段，廣泛應(yīng)用于群測(cè)群防工作中。專業(yè)地電臺(tái)站也是采用地表布極的方法進(jìn)行地電阻率及自然電位測(cè)量。但實(shí)踐證明，地表埋設(shè)電極的觀測(cè)結(jié)果受地表多種干擾因素影響，難以識(shí)別震兆信息。

為解決地表干擾因素影響問(wèn)題，1979年臨沂地電臺(tái)率先開(kāi)展了避開(kāi)地表干擾的水平向井底布極的地電觀測(cè)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)表明觀測(cè)資料的年變干擾消失[1]， 且對(duì)300 km范圍內(nèi)發(fā)生的MS＞5.0地震和100 km范圍內(nèi)發(fā)生的ML＞4.0地震均有明顯的異常反映[2-3]。由于城市化進(jìn)程的加快等諸多原因，該項(xiàng)觀測(cè)最終于1999年停止。

自1989年起，臨沂地震部門(mén)在沂南、費(fèi)縣、郯城、蒼山等縣，利用水文地質(zhì)部門(mén)的觀測(cè)用井進(jìn)行交流電供電方法的地電阻率觀測(cè)，并納入監(jiān)測(cè)網(wǎng)點(diǎn)管理。對(duì)這些測(cè)點(diǎn)觀測(cè)資料的整理分析發(fā)現(xiàn)，該方法盡管儀器簡(jiǎn)易，測(cè)出的物理量值得商榷，但在1995年9月20日該區(qū)蒼山5.2級(jí)地震發(fā)生前，各測(cè)點(diǎn)觀測(cè)資料均有明顯的異常反映，說(shuō)明利用單口深井垂向布極的地電觀測(cè)方法是可行的。后來(lái)，由于管理不善、觀測(cè)環(huán)境改變、儀器損壞、對(duì)該觀測(cè)方法存疑、以及數(shù)字化高精度水位水溫儀安裝運(yùn)行后，測(cè)量電阻率的人工供電對(duì)高精度水溫測(cè)量產(chǎn)生影響等諸多原因，除費(fèi)縣測(cè)點(diǎn)外，其它測(cè)點(diǎn)相繼停測(cè)。

目前在山東省地震重點(diǎn)防御區(qū)，已基本實(shí)現(xiàn)了每縣至少有一個(gè)深井測(cè)點(diǎn) （高精度水位、水溫觀測(cè)儀），形成水動(dòng)態(tài)深井觀測(cè)網(wǎng)。因此，可以利用水動(dòng)態(tài)深井觀測(cè)網(wǎng)點(diǎn)，進(jìn)行深井自然電位觀測(cè)，形成深井水位、水溫和自然電位同時(shí)觀測(cè)的地震前兆觀測(cè)網(wǎng)。

1 深井地電場(chǎng)觀測(cè)的基本原理與方法

在礦產(chǎn)資源勘探水文地質(zhì)勘測(cè)等領(lǐng)域，利用鉆井進(jìn)行電法測(cè)井，是以地——井方式布極，固定地表電極，移動(dòng)井內(nèi)電極，測(cè)量自然電位隨井深的變化，或者通過(guò)人工供電測(cè)量地層電阻率隨井深的變化，借以劃分巖、礦層及其厚度，判斷含水位置和含水性以及解決其他各種地質(zhì)問(wèn)題。

將物探電法測(cè)井移植到地震監(jiān)測(cè)中，是通過(guò)單井井內(nèi)固定電極，避開(kāi)地表因素干擾層，測(cè)量干擾層之下的自然電位或地電阻率隨時(shí)間的變化，獲取與地震孕育→發(fā)生過(guò)程相關(guān)的信息。

電阻率測(cè)量是測(cè)量在人工電場(chǎng)影響范圍內(nèi)介質(zhì)有限體積內(nèi)的電阻率隨時(shí)間的變化。單井垂向布極及人工電場(chǎng)電流密度分布由圖1所示，當(dāng)人工電場(chǎng)影響范圍涵蓋地表低阻年變干擾層時(shí)，其所測(cè)電阻率結(jié)果就會(huì)受到地表年變干擾因素的影響，只有選擇避開(kāi)地表因素干擾層影響的合理的布極，將人工電場(chǎng)影響范圍控制在地表因素干擾層之下，才能避開(kāi)地表干擾層影響。

圖1 單井垂向布極人工電場(chǎng)示意圖Fig.1 Diagram of artificial electric field of vertical electrode layout in a single well

自然電場(chǎng)是一種物理意義比較明確、變化機(jī)理相對(duì)明晰的地球物理場(chǎng)。自然電場(chǎng)是在一定的物化條件下自行產(chǎn)生的地下電場(chǎng)。自然電場(chǎng)的產(chǎn)生與地下水的運(yùn)動(dòng)有關(guān)，由于水具有易流動(dòng)性、不可壓縮性，在微弱應(yīng)力作用下，地下水就要發(fā)生遷移，地下水的定向遷移，地表水的滲透，均可形成離子導(dǎo)體的自然電流。在地震孕育、巖體受力變形及破裂的過(guò)程中，含水圍巖的應(yīng)力——應(yīng)變變化會(huì)造成地下水的運(yùn)動(dòng)和地下水物理性質(zhì)和化學(xué)成分產(chǎn)生變化，就能形成自然電場(chǎng)和自然電流的變化。因此，可通過(guò)深井進(jìn)行避開(kāi)地表水的滲透、地表溫度等因素（地表干擾因素產(chǎn)生的自然電場(chǎng)）影響之下的井內(nèi)布極，來(lái)實(shí)現(xiàn)在地震孕育→發(fā)生過(guò)程中因地下水的的運(yùn)動(dòng)而引起地下自然電場(chǎng)（自然電位）變化的觀測(cè)。

深井自然電位觀測(cè)因不需要布設(shè)供電電極進(jìn)行人工供電，更容易實(shí)施避開(kāi)地表干擾層影響的井下布極，且不影響同一井內(nèi)的高精度水溫觀測(cè)。

2 深井地電觀測(cè)結(jié)果及對(duì)地震的異常反映

臨沂地電臺(tái)是山東最早的地電觀測(cè)臺(tái)。為解決地表埋設(shè)電極測(cè)量地電阻率方法的年變干擾問(wèn)題，1979年開(kāi)始進(jìn)行了井深30 m、等間距（7 m）的水平向井底布極的電阻率觀測(cè)試驗(yàn)，為避免因人工供電對(duì)自然電位測(cè)量的影響，在供電測(cè)量電阻率之前，先對(duì)自然電位進(jìn)行觀測(cè)。

圖2、3給出了臨沂臺(tái)深井地電自開(kāi)始觀測(cè)到停止觀測(cè)期間自然電位和電阻率變化曲線，以及距100 km范圍內(nèi)發(fā)生的ML＞4.0級(jí)地震和300 km范圍內(nèi)的MS＞5.0級(jí)地震，從圖2、3可看出，在這些地震發(fā)生前電阻率和自然電位均有異常反映。由于震級(jí)大小不同、與該臺(tái)間距離、構(gòu)造背景的不同以及震源力學(xué)性質(zhì)的不同，因而對(duì)地震的異常反映就會(huì)有所不同，甚至有很大差別。因自然電位與電阻率的物理意義不同、形成機(jī)理不同，對(duì)震源力學(xué)過(guò)程的響應(yīng)程度也不可能完全一致，自然電位與電阻率的異常形態(tài)也就不會(huì)完全一致或相同。莒南ML4.1級(jí)、ML4.4級(jí)和蒼山ML4.4級(jí)地震，電阻率反映出形態(tài)特征相似的趨勢(shì)異常；距震中76 km的棗莊ML4.3級(jí)地震，電阻率反映出短臨異常。自然電位在棗莊ML4.3級(jí)、新泰ML4.1級(jí)、莒南ML4.1級(jí)和ML4.4級(jí)地震前反映出基本相似的上升-回降-又趨平穩(wěn)的變化形態(tài)。對(duì)于距震中較近的蒼山ML4.3級(jí)地震，在電阻率由趨勢(shì)下降轉(zhuǎn)折上升的同時(shí)，自然電位出現(xiàn)了下降-回升-又下降的波動(dòng)變化。對(duì)于菏澤MS5.9級(jí)地震和射陽(yáng)MS5.1級(jí)地震，菏澤地震屬走滑型地震[4]，自然電位和電阻率在震前26天同步出現(xiàn)了急劇下降又急劇回升的變化；射陽(yáng)地震屬錯(cuò)斷型地震[5]，震前2個(gè)月電阻率出現(xiàn)下降變化；震前2天自然電位出現(xiàn)急劇下降變化。

圖2 100 km范圍內(nèi)ML＞4.0地震前臨沂臺(tái)深井電阻率和自然電位五日均值曲線Fig.2 Five-day mean value curve of resistivity and geoelectric potential of deep well in Linyi station within 100 km before ML＞4.0 earthquake

圖3 300 km范圍內(nèi)MS＞5.0地震前臨沂臺(tái)深井電阻率和自然電位日均值曲線[2]。Fig.3 Daily mean value curve of resistivity and geoelectric potential of deep well in Linyi station within 300 km before MS＞5.0 earthquake

由臨沂臺(tái)深井電阻率和自然電位月均值曲線（圖4）可見(jiàn)，1988年莒南ML4.1級(jí)地震發(fā)生前，雖然在1979—1987年期間，臨沂臺(tái)周邊先后發(fā)生了1980年12月棗莊ML4.3級(jí)、1983年11月菏澤MS5.9級(jí)、1985年6月25日新泰ML4.1級(jí)、1987年2月江蘇射陽(yáng)MS5.1級(jí)地震，且這些地震發(fā)生前電阻率和自然電位均有異常變化，但電阻率曲線一直呈趨勢(shì)下降變化，自然電位則基本呈平穩(wěn)變化。莒南ML4.1級(jí)地震發(fā)生后，電阻率曲線由震前的長(zhǎng)期下降轉(zhuǎn)為上升再下降，之后呈平緩的趨勢(shì)變化。在此背景上，1994年7月再次出現(xiàn)下降，達(dá)極小值后又隨即上升，之后又再度下降，1995年9月20日蒼山5.2級(jí)地震發(fā)生在低值處。與此同時(shí)，自然電位測(cè)值也從1988年開(kāi)始，在長(zhǎng)期平穩(wěn)變化的背景上呈現(xiàn)出逐步明顯的波動(dòng)起伏變化，一直持續(xù)到1994年8月后變化基本平穩(wěn)。蒼山5.2級(jí)地震前24天，自然電位和電阻率同時(shí)出現(xiàn)了急劇下降，震后又同時(shí)急劇回升的短臨異常[2]（圖3）。由此可見(jiàn)，對(duì)于距該臺(tái)23 km的蒼山5.2級(jí)地震，震前臨沂臺(tái)深井自然電位不僅能反映出與深井電阻率在時(shí)間上相一致的短臨異常，同樣也能反映出與電阻率異常變化形態(tài)雖不完全一致，但時(shí)間卻非常一致的長(zhǎng)期異常，并且，長(zhǎng)期異常的出現(xiàn)與地震活動(dòng)異常增強(qiáng)（1988年7月莒南ML4.1、1989年5月莒南ML4.4、1990年8月蒼山ML4.4級(jí)地震的連續(xù)發(fā)生）和孕震空區(qū)開(kāi)始形成時(shí)間（圖4縱向虛線Ⅰ）相一致，電阻率出現(xiàn)極小值之后轉(zhuǎn)折上升，同時(shí)自然電位由逐漸明顯的波動(dòng)起伏之后又趨平穩(wěn)這又與孕震空區(qū)的解體時(shí)間（圖4縱向虛線Ⅱ）相一致，自然電位出現(xiàn)的波動(dòng)起伏變化還與b值曲線（ML≥2.0）形態(tài)基本一致[2]。

圖4 臨沂臺(tái)深井自然電位和電阻率月均值曲線[2]Fig.4 Monthly mean value curve of natural potential and resistivity of deep well in Linyi station

1998年開(kāi)始，在臨沂的郯城、費(fèi)縣、沂水、沂南等縣利用水文地質(zhì)部門(mén)的水動(dòng)態(tài)觀測(cè)用井，采用交流供電，單井垂向布極的電阻率測(cè)量，形成了深井電阻率前兆觀測(cè)網(wǎng)。對(duì)這些測(cè)點(diǎn)觀測(cè)資料的分析表明，在蒼山5.2級(jí)地震前，位于蒼尼、沂沭兩大斷裂上的蒼山、郯城和沂水測(cè)點(diǎn)于震前26個(gè)月同步出現(xiàn)異常；位于兩大斷裂之間的費(fèi)縣測(cè)點(diǎn)和臨沂臺(tái)于震前17個(gè)月同步出現(xiàn)異常；有數(shù)條斷裂與震中相隔的沂南和莒縣測(cè)點(diǎn)于震前13個(gè)月同步出現(xiàn)異常。異常突變峰值于震前2年首先在兩大斷裂交匯部位的郯城測(cè)點(diǎn)出現(xiàn)，然后又以7個(gè)月和8個(gè)月的時(shí)間間隔在沂沭帶上的沂水、莒縣測(cè)點(diǎn)依次出現(xiàn)（圖5、6）。短臨異?，F(xiàn)象也很豐富（圖7），近發(fā)震斷裂的蒼山和費(fèi)縣測(cè)點(diǎn)，分別出現(xiàn)了以大致相等的時(shí)間間隔的峰值逐步衰減至平穩(wěn)的短臨異?，F(xiàn)象。距震中較近的測(cè)點(diǎn)和較遠(yuǎn)的測(cè)點(diǎn)短臨異常分別于震前111天和8天出現(xiàn)，其他測(cè)點(diǎn)在震前17～57天出現(xiàn)?？梢?jiàn)，這些測(cè)點(diǎn)在蒼山5.2級(jí)地震前出現(xiàn)的異常反映，與測(cè)點(diǎn)與震中間構(gòu)造背景、所處的構(gòu)造點(diǎn)位、距離等有關(guān)。

3 電極布置與干擾分析

從圖5可看出，對(duì)于單井垂向布極的測(cè)點(diǎn)，除沂南測(cè)點(diǎn)和莒縣測(cè)點(diǎn)電阻率曲線顯示出較好的年變形態(tài)外，其它測(cè)點(diǎn)對(duì)地表年變干擾沒(méi)有明顯反映。由圖1所示，若井內(nèi)頂部——供電電極放置過(guò)淺或放置在干擾層內(nèi)，其流經(jīng)地表低阻層的人工電流對(duì)MN間電位差測(cè)量結(jié)果的影響會(huì)依然存在，這便是沂南和莒縣測(cè)點(diǎn)出現(xiàn)規(guī)律年變的原因。如莒縣測(cè)點(diǎn)，井深209 m，供電電極AB分別置放于井口地表土層下4.4 m和井內(nèi)186 m的位置，測(cè)量電極MN分別置于井內(nèi)15 m和150 m的位置[6]，即頂部供電電極A距地面4.4 m，AB=181.6 m，頂部測(cè)量電極M距地面15 m，AM=10.6 m，MN=135 m。顯然，供電A極和測(cè)量M極埋藏過(guò)淺，供電A、B極距和測(cè)量M、N極距過(guò)大，人工電場(chǎng)影響范圍已涵蓋了地表因素干擾層，因而所測(cè)電阻率結(jié)果受到地表降水、地表溫度變化等干擾影響而呈規(guī)律年變形態(tài)。又如費(fèi)縣測(cè)點(diǎn)，井深161 m，供電電極分別置放于40 m和100 m的位置，測(cè)量電極分別置放60 m和80 m處，因其供電電極A極埋藏在干擾層之下，供電、測(cè)量極距布置合理，其測(cè)量結(jié)果就沒(méi)有年變顯示。這表明，利用單口深井在井內(nèi)垂向布極，要布極適當(dāng)、合理，才能避開(kāi)地表年變干擾影響。

圖7給出了費(fèi)縣測(cè)點(diǎn)2005—2013年自然電位和電阻率對(duì)比觀測(cè)曲線，可看出，由于城市化進(jìn)程的加快，造成觀測(cè)環(huán)境的惡化，導(dǎo)致該測(cè)點(diǎn)電阻率曲線呈現(xiàn)出年變形態(tài)，但自然電位卻沒(méi)有明顯的年變顯示。這說(shuō)明，因?yàn)樽匀浑妶?chǎng)和電阻率的物理意義不同，形成機(jī)理不同，在同樣的測(cè)量條件下，測(cè)量電阻率的人工電場(chǎng)已受到干擾層因素影響，而測(cè)量電極置于干擾層之下的自然電位觀測(cè)，能夠避開(kāi)上部干擾層內(nèi)干擾因素影響。

4 結(jié)語(yǔ)

深井電阻率觀測(cè)，是通過(guò)深井井內(nèi)合理布極將人工供電場(chǎng)影響范圍控制在干擾層之下的電阻率觀測(cè)，雖能避開(kāi)地表因素干擾，但財(cái)力投入成本高，且電阻率的供電測(cè)量對(duì)同井內(nèi)的高精度水位水溫觀測(cè)會(huì)產(chǎn)生影響，不適宜在同一深井內(nèi)開(kāi)展多測(cè)項(xiàng)前兆綜合觀測(cè)時(shí)使用。

圖5 蒼山MS5.2級(jí)地震前各深井測(cè)點(diǎn)電阻率和臨沂臺(tái)深井電阻率及自然電位五日均值曲線Fig.5 Five-day mean value curves of resistivity of each deep well，deep well resistivity and geoelectric potential of Linyi station before Cangshan MS5.2 earthquake

深井自然電場(chǎng)（自然電位）觀測(cè)，是通過(guò)深井井內(nèi)布極，避開(kāi)上部干擾因素（所產(chǎn)生的自然電流）影響的地下觀測(cè)。由于自然電場(chǎng)與電阻率形成機(jī)理不同，在同樣的觀測(cè)條件下，自然電位測(cè)量更容易避開(kāi)地表層因素干擾。并且，因?yàn)椴恍枰╇姡粫?huì)對(duì)同一口井內(nèi)的高精度水溫測(cè)量造成影響，因?yàn)橹恍枰粚?duì)測(cè)量電極，可將其一測(cè)量電極放置于井內(nèi)最大深度，同時(shí)，也給選擇合理電極置放位置和測(cè)量極距留下了空間，這就更能夠容易避開(kāi)上部干擾層的影響，進(jìn)而達(dá)到最佳測(cè)量效果。

近幾年來(lái)，配有高精度水位水溫?cái)?shù)字儀器的水動(dòng)態(tài)地震前兆深井觀測(cè)網(wǎng)點(diǎn)在各地均有建立，因此，利用水動(dòng)態(tài)深井網(wǎng)點(diǎn)進(jìn)行深井自然電位觀測(cè)，對(duì)現(xiàn)有數(shù)字化水位水溫儀進(jìn)行改進(jìn)提升，增加自然電場(chǎng)的信息采集，并提高自然電位測(cè)量精度。如果將物理意義不同的水位、水溫和自然地電場(chǎng)這三項(xiàng)地震前兆觀測(cè)手段應(yīng)用于同一口井，進(jìn)而形成綜合觀測(cè)深井網(wǎng)，將對(duì)地震預(yù)報(bào)尤其是短臨跟蹤預(yù)報(bào)具有積極的意義。

圖6 各深井測(cè)點(diǎn)電阻率日均值曲線Fig.6 Daily mean value curve of resistivity of each deep well stations

圖7 費(fèi)縣測(cè)點(diǎn)深井自然電位和電阻率比測(cè)日值曲線Fig.7 Daily value curve of natural potential and resistivity of deep well in Feixian

[1]王幫本，劉永蘭，李驗(yàn)軒.深井電阻率與地震預(yù)報(bào)[J].地震研究， 1981， 4（4）： 51-56.

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A Feasibility Study on Geoelectric Field Observation by Using Water Dynamic Deep Well Stations

MENG Kai
（Linyi Earthquake Agency， linyi 276000， China）

Natural electric field is a geophysical field which has definite physical meaning and relatively clear change mechanisms.Its electrode layout measurement is also comparatively simple.Compared with deep well resistivity observation，the use of deep wells to observe natural potential is easier to avoid surface disturbance layer under the same measurement condition.Apart from that,it doesn't need massive investment of manpower and financial resource and it doesn't affect high-accuracy water temperature measurement in a deep well.If water level,water temperature and natural potential with different physical meanings are measured in the same well forming an integrated observation network， which will have a positive influence on earthquake prediction，especially short-term and impending earthquakes.

Deep well electrode layout； Natural electric field； Resistivity； Surface disturbance layer；Geoelectric anomaly；Cangshan MS5.2 earthquake

P315.7

A

1001-8662（2017）03-0103-07

10.13512/j.hndz.2017.03.015

孟凱.利用水動(dòng)態(tài)深井進(jìn)行井下地電場(chǎng)觀測(cè)的可行性分析[J].華南地震，2017，37（3）：103-109.[MENG Kai.A Feasibility Study on Geoelectric

Field Observation by Using Water Dynamic Deep Well Stations[J].South China journal of seismology，2017，37（3）：103-109.]

2016-11-10

山東省地震局合同制項(xiàng)目（14Y41）

孟 凱（1983-），男，助理工程師，主要從事地震監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)工作。

E-mail：33909652@163.com.