井下地電阻率觀測中布極參數(shù)的確定方法

毛先進 段煒 莊儒新 楊玲英 趙晉民

摘要：為壓制地電阻率淺層干擾、突出深部以地震預報為目的的有用信息，選取了小江斷裂中段一個場點作為實例，研究了井下地電阻率前兆觀測中確定電極埋深、電極間距等布極參數(shù)的方法。結(jié)果表明：選擇井下電阻率觀測布極參數(shù)時要考慮影響系數(shù)和探測深度2個主要因素，即地下潛水位面以上各地層的影響系數(shù)應遠小于深部各層，探測深度范圍內(nèi)最底層（受孕震影響最大的層）的影響系數(shù)應遠大于其它各層，觀測系統(tǒng)的探測深度最好不小于已有震例指示的地電阻率觀測系統(tǒng)的探測深度。按照該方法選擇了所給場點的井下電阻率觀測布極參數(shù)，即電極埋深200m、供電極距1050m、測量極距350m，按對稱四極布置，可獲得最佳觀測效果。

關(guān)鍵詞：地電阻率觀測;布極參數(shù)確定方法;影響系數(shù);探測深度

中圖分類號：P315.3文獻標識碼：A文章編號：1000-0666（2019）01-0096-06

0引言

在國內(nèi)50余年的地電阻率前兆觀測中，1976年唐山7.8級、1988年瀾滄—耿馬7.6和7.2級、2008年汶川8.0級、2013年蘆山7.0級等多次大地震以及一些中強地震之前，震中區(qū)周圍300km范圍內(nèi)的地電阻率資料都出現(xiàn)過中期異常變化，這表明地電阻率是一種比較可靠的地震前兆（趙玉林，錢復業(yè)，1978;錢家棟等，1985，2013;桂燮泰等，1989;葉青等，2005;張學明等，2009;Luetal，1999;錢復業(yè)等，1980，1987;顧功敘，1981;張國明等，2001;杜學彬，2010）。但由于地下淺層介質(zhì)電阻率受季節(jié)變化的影響，數(shù)據(jù)變化具有多源性，實際工作中難以確定數(shù)據(jù)變化的真實原因，這可能是這些大震發(fā)生前未能做出短期或臨震預報的原因之一。因此尋求壓制與地震孕育無關(guān)的淺層變化（本文稱之為干擾）的觀測方法成為必然，井下地電阻率觀測是較為有效的方法之一。

近年來，我國陸續(xù)開展了井下地電阻率觀測的理論與試驗研究（王蘭煒等，2015），已有研究結(jié)果表明井下觀測優(yōu)于傳統(tǒng)的地表觀測（張磊等，2015;髙曙德，2016），是一種有前景的觀測方法。目前國內(nèi)開展了井下地電阻率觀測的臺站中，不同臺站的電極埋深和電極間距（簡稱為布極參數(shù)，用C表示，下同）有很大差別，觀測結(jié)果表明各臺站壓制淺層干擾的能力參差不齊。因此，如何確定布極參數(shù)有效壓制淺層干擾，從而有效獲取深部變化信息，是一個十分重要的問題。本文以小江斷裂中段附近一個場點為例，以有效壓制淺層干擾變化、獲取深部有用變化信息為目的，研究井下地電阻率觀測時最優(yōu)布極參數(shù)的確定方法。

1最優(yōu)布極參數(shù)確定原則

1.1影響系數(shù)

對于一維情形，假定地電阻率觀測區(qū)是水平層狀介質(zhì)，共n層，第i層電阻率為ρi，層厚為hi（i=1，2，…，n），且假定底層的層厚無限大，即hi→∞。在地表或地下四極對稱裝置觀測到的視電阻率ρs既是地下各層電阻率和層厚的函數(shù)，同時也是布極參數(shù)的函數(shù)，即：

式中：C代表布極參數(shù)。

假定各層只是地電阻率發(fā)生變化，層厚保持不變。由式（1）可以得到：

式中：Si=ρiρsfρi，稱為影響系數(shù)，它是在給定的布極參數(shù)下，第i層地電阻率變化率對觀測值變化率的貢獻權(quán)系數(shù)，由介質(zhì)電性參數(shù)和布極參數(shù)共同決定。

Seigel（1959）已證明影響系數(shù)之和等于1，某些層的影響系數(shù)之和增大，其余層的影響系數(shù)之和就會減小。由式（2）可見，通過控制影響系數(shù)在各層的分配就能壓制或突出某些層變化信息。近年來，關(guān)于水平層狀介質(zhì)、點源在地下或地表時各層介質(zhì)影響系數(shù)的計算方法已開展了逐步深入的研究（聶永安等，2009，2010;毛先進等，2014;解滔等，2016），為影響系數(shù)的計算打下了良好的基礎。

由于地下潛水位受大氣降雨、灌溉、抽水等因素影響而隨時間波動，因此潛水位面以上各層介質(zhì)含水量隨之波動，這些地層的地電阻率也發(fā)生波動，使觀測到的視電阻率發(fā)生變化，因這種變化與地震孕育無關(guān)而稱之為干擾;數(shù)十年的地電阻率觀測資料表明這種波動大致具有一年周期，但波形并不規(guī)則（杜學彬等，2017），僅用數(shù)學手段并不能很好地消除其影響;從地電阻率觀測目的看，這些層位的影響系數(shù)越小越好。有關(guān)研究（毛先進等，2014;解滔等，2016）表明，隨著電極埋深（布極參數(shù)之一）的變化，各層影響系數(shù)并非單調(diào)變化，而是呈現(xiàn)起伏變化。在一定的電極間距下，電極埋設在一定深度范圍內(nèi)時對淺層干擾具有放大作用，換言之，井下地電阻率觀測時布極參數(shù)須有所選擇。筆者認為，要達到有效壓制淺層干擾、有效獲取深部有用信息的目的，應當使“深部地層”的影響系數(shù)明顯大于易受干擾的淺部地層的影響系數(shù)。

1.2探測深度

直流電阻率觀測的依據(jù)是電流的體積效應，在井下觀測時，前述“深部地層”實際上是電流分布區(qū)域中靠下的部分，這一部分的深度多少合適，應該由其電阻率的變化能夠反映地震的孕育和發(fā)展過程并且能被觀測到來確定，因此涉及探測深度問題。

關(guān)于點源在地下或地表時的探測深度，我們采用趙和云和錢家棟（1982）給出的探測深度的定義，利用二維邊界積分方程法對幾種典型電阻率結(jié)構(gòu)做初步研究，得到了關(guān)于探測深度的一些有益的認識（毛先進等，2017）。本文研究針對的是一維電性結(jié)構(gòu)，因此采用相同的探測深度的定義，但點源電場的計算采用一維方法（葛為中，1994）。

我國（地表）直流地電阻率前兆觀測的供電極距一般為1000m，50余年的觀測經(jīng)驗表明，這樣的觀測裝置其探測深度范圍內(nèi)電阻率的變化是能夠反映大地震的孕育和發(fā)展過程，且能被觀測到的。對于這樣的裝置和較為常見的電阻率水平分層均勻結(jié)構(gòu)，下伏低阻與下伏高阻結(jié)構(gòu)探測深度分別約為550m與300m（毛先進等，2017），井下地電阻率觀測時最好不小于這樣的深度。同時，在電極埋深方面還應考慮建設成本和技術(shù)可行性。

2布極參數(shù)確定實例

2.1場點選擇

本文研究的場點位于小江斷裂帶中段西支附近（圖1）。小江斷裂帶北起巧家以北，南至建水東南，全長超過400km，其形成時代較早、發(fā)育歷史長，經(jīng)歷過多期構(gòu)造活動。新構(gòu)造時期以來，該斷裂活動表現(xiàn)為強烈的左旋走滑運動以及兩側(cè)斷塊垂直差異活動，沿斷裂地震活動強烈。這些活動表明斷裂附近有利于構(gòu)造應力積累，而應力積累過程中地下介質(zhì)的變形會導致其電阻率發(fā)生變化，因此選擇在小江斷裂帶中段開展壓制淺層非震變化、有效獲取深部構(gòu)造運動變化信息的井下地電阻率觀測方法研究是合適的。

2.2布極參數(shù)確定

通過電測深獲得場點的一維電阻率結(jié)構(gòu)，見表1。該場點按電阻率分為6層，為下伏低阻結(jié)構(gòu)，電測深測線方向為南北向。

該場點位于嵩明盆地，1～3層介質(zhì)厚度之和為28.1m。根據(jù)參考場點附近多個巖土工程勘察報告，該場點地下潛水位隨季節(jié)變化，雨季0.2m，旱季不超過10m，因此干擾（潛水位變化對介質(zhì)電阻率的影響）主要發(fā)生在1～3層，4～6層則不受影響。按照前述原則，確定布極參數(shù)時應使1～3層的影響系數(shù)之和盡量小，而4～6層影響系數(shù)之和則盡量大。

由于影響系數(shù)隨電極埋深的變化很復雜（毛先進等，2014;解滔等，2016），本文僅針對具體的電極埋深進行討論。

表2是電極埋深2m（我國大多數(shù)地面地電阻率觀測臺站的電極埋深）、不同電極間距條件下各層介質(zhì)的影響系數(shù)和探測深度計算結(jié)果，其中AB，MN分別為供電極距與測量極距，Si（i=1，2，…，6）為1～6層介質(zhì)影響系數(shù)。從表2可見，在8種大小不同的電極距中，1～3層介質(zhì)（干擾層）的影響系數(shù)隨AB增大而減小;干擾層之下的4～6層介質(zhì)的影響系數(shù)隨AB增大而增大，同時探測深度也隨AB增大而增大。當AB=150m時，1～3層介質(zhì)的影響系數(shù)之和為0.9031，4～6層的為0.0967，前者是后者的9.3倍，觀測數(shù)據(jù)的變化主要反應1～3層介質(zhì)的干擾;當AB=1200m時，1～3層介質(zhì)的影響系數(shù)之和為0.0704，4～6層的為0.9293，后者是前者的13.2倍，對壓制1～3層的干擾變化很有利，而且探測深度達到579.6m。但由于4～6層的影響系數(shù)分別為0.5727，0.2424，0.1142，觀測系統(tǒng)對底界面埋深只有66.1m的第4層最敏感，而對其探測深度范圍內(nèi)受孕震影響最大的第6層則不夠敏感;另外工業(yè)電磁干擾對地表觀測的影響是最大的。綜合來看，對于該場點，即使供電極距達到1200m，地表淺埋電極的觀測方式也難以達到地震前兆觀測的目的。

表3是電極埋深150m、不同電極間距條件下各層介質(zhì)的影響系數(shù)和探測深度計算結(jié)果。從表中可見，在8種大小不同的電極距中，第1～3層介質(zhì)（干擾層）的影響系數(shù)之和隨AB增大而增大，當AB=1200m時為0.0881，第4～6層介質(zhì)的影響系數(shù)之和最小，為0.9117，后者是前者的10.3倍，對1～3層的干擾變化有較好的壓制能力;當AB=150m時，第1～3層介質(zhì)的影響系數(shù)之和僅為0.002，第4～6層的為0.998，后者是前者的499.0倍，對壓制1～3層的干擾變化十分有利。

僅從影響系數(shù)看，表3中所有電極間距方案都可以考慮，然而不同方案的探測深度差異很大，當AB=150m時探測深度只有194.9m，遠達不到現(xiàn)有震例所指示的探測深度要求;只有最后2種方案達到探測深度不小于550m的要求。

表4是電極埋深200m、不同電極間距條件下各層介質(zhì)的影響系數(shù)和探測深度計算結(jié)果。與表2類似，8種大小不同的電極距下1～3層介質(zhì)的影響系數(shù)之和隨AB增大而增大，當AB=1200m時為0.0597，第4～6層介質(zhì)的影響系數(shù)之和最大，為0.9401，后者是前者的15.7倍，對1～3層的干擾變化有良好的壓制能力;當AB=150m時，第1～3層介質(zhì)的影響系數(shù)之和僅為0.0006，第4～6層的為0.9993，后者是前者的1665.5倍，對壓制來自于1～3層的干擾變化非常有利。

從影響系數(shù)看，表4中所有電極距方案都符合要求，然而不同方案的探測深度差異很大，當AB=150m時，第5層介質(zhì)的影響系數(shù)達到0.8528，采用這種布極方案，其觀測數(shù)據(jù)主要反映第5層的變化，相應的探測深度只有240.6m，盡管電極埋深200m，依然達不到已有震例指示的探測深度要求。只有最后3種方案符合探測深度不小于550m的要求。

綜合表3，4來看，從達到有效壓制淺層非震干擾、獲取深部有用信息的觀測目的，建設成本以及技術(shù)可行性等方面綜合考慮，該場點可選擇埋深200m、供電極距1050m、測量極距350m的對稱四極布置方案（表4），此時電阻率受地下水位影響最大的1～3層介質(zhì)影響系數(shù)之和為0.0566，4～6層影響系數(shù)之和為0.9432，后者為前者的16.7倍，有良好的壓制淺層干擾的能力，其探測深度為619.8m，完全滿足現(xiàn)有震例指示的地電阻率前兆觀測系統(tǒng)的探測深度要求，而且受孕震影響最大的第6層的影響系數(shù)達到0.7862，觀測數(shù)據(jù)的變化將能包含更多的有用信息。

3結(jié)論

壓制淺層干擾、有效獲取深部構(gòu)造運動信息是包括地電阻率的所有地震前兆觀測的目的。本文以小江斷裂北段嵩明盆地內(nèi)一個場點為例，計算并分析了不同布極參數(shù)條件下各層介質(zhì)的影響系數(shù)及觀測系統(tǒng)探測深度變化情況，對采用不同布極參數(shù)時壓制淺層干擾、獲取深部介質(zhì)電阻率變化信息的能力進行了分析，研究表明：

（1）對于給定的一維電阻率結(jié)構(gòu)和不同布極參數(shù)的觀測系統(tǒng)，可以首先用影響系數(shù)和探測深度這2個指標預判觀測效果，然后通過選擇合適的布極參數(shù)達到最佳觀測效果。

（2）分析表明，在確定井下電阻率地震前兆觀測系統(tǒng)的布極參數(shù)時，首先應考慮影響系數(shù)分布，即地下潛水位面以上各地層的影響系數(shù)之和應遠小于深部各層影響系數(shù)之和，同時還應使最下層（受孕震影響最大的層）的影響系數(shù)遠大于其它各層的影響系數(shù)，其次要考慮觀測系統(tǒng)的探測深度，最好不小于過去50余年已有震例指示的探測深度要求。