地基施工對(duì)天水深井地電阻率觀測(cè)的干擾

張麗瓊 高曙德 竇喜英

1）中國(guó)甘肅730000 蘭州地球物理國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站

2）中國(guó)蘭州730000 甘肅省地震局

0 引言

自1966 年邢臺(tái)7.2 級(jí)地震以來(lái)，地電阻率觀測(cè)在中國(guó)地震監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)領(lǐng)域的應(yīng)用已有50 多年，積累了大量理論和實(shí)踐成果，但隨著城市化和地區(qū)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，軌道交通（地鐵）、蔬菜大棚、地埋鋼纜等設(shè)施建設(shè)，使得測(cè)區(qū)地表電性結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，對(duì)地電阻率觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量造成嚴(yán)重影響，增大了監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)的辨識(shí)難度（錢復(fù)業(yè)等，1982；錢家棟等，1985；杜學(xué)彬等，2008，2010；衛(wèi)定軍等，2009）。20 世紀(jì)80 年代，為了有效抑制測(cè)區(qū)地表淺層干擾，提出深井觀測(cè)，并逐步開展降低觀測(cè)系統(tǒng)干擾的研究工作。已有研究結(jié)果表明，深井觀測(cè)能有效抑制地電阻率觀測(cè)中因地下水位變動(dòng)、地表溫度變化和季節(jié)性降雨引起的年變現(xiàn)象（王幫本等，1981；蘇鸞聲，1982；張磊等，2015；梁浩東等，2017）。

高曙德等（2015）在天水地電臺(tái)深井地電阻率觀測(cè)實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，在深4 m 地層敷設(shè)電極，觀測(cè)到明顯的正弓年變形態(tài)，而在深100 m 地層敷設(shè)電極，年變形態(tài)基本消除，表明深井觀測(cè)可有效抑制地表電磁環(huán)境干擾，也基本消除了降雨、灌溉、金屬管線等地表特定因素對(duì)地電觀測(cè)數(shù)據(jù)的干擾。2018 年7 月底，天水井下地電阻率觀測(cè)系統(tǒng)NW 向出現(xiàn)高頻擾動(dòng)現(xiàn)象，文中對(duì)此進(jìn)行一系列排查工作，發(fā)現(xiàn)觀測(cè)儀器、線路及電極、氣象三要素均正常，而在該臺(tái)附近大樓施工中，地基開挖使用了大量鋼架，結(jié)合該臺(tái)電測(cè)深曲線及巖性資料，利用有限元方法進(jìn)行定量分析，為天水深井地電阻率觀測(cè)資料變化提供判定依據(jù)。

1 天水井下地電阻率觀測(cè)裝置

天水地電臺(tái)（下文簡(jiǎn)稱天水臺(tái)）為國(guó)家基本臺(tái)，始建于1970 年，位于甘肅省天水市麥積區(qū)馬跑泉鎮(zhèn)崖灣村，觀測(cè)區(qū)域?yàn)檠聻炒搴桶资逯g的永川河Ⅰ級(jí)、Ⅱ級(jí)河谷階地。該臺(tái)地下介質(zhì)表層為第四系覆蓋層，厚度約20—30 m；第二層為第三系粘土層，厚度約450—500 m；基底為古生界變質(zhì)巖。臺(tái)站地處祁呂賀蘭山字型前弧內(nèi)緣褶帶與隴西華家?guī)X—天水旋迴?cǎi)迬?fù)合部位，地勢(shì)西北高、東南低。自2008 年6 月以來(lái)，臺(tái)站觀測(cè)受到的干擾日益嚴(yán)重。2011 年深井地電阻率觀測(cè)項(xiàng)目建設(shè)工作啟動(dòng)，擬建設(shè)9 口深井，井深100 m；1 月，深井鉆孔施工和儀器架設(shè)完成；10 月12 日，井下地電阻率觀測(cè)正式開始。

天水臺(tái)地電阻率觀測(cè)系統(tǒng)采用對(duì)稱四極裝置，電極呈近似等腰直角三角形水平向敷設(shè)，大致呈NS（沿編號(hào)7、8 方向）、EW（沿編號(hào)8、9 方向）、NW（沿編號(hào)7、9 方向）向分布，其中NS、EW 向供電極距為300 m，測(cè)量極距為100 m，NW 向供電極距為390 m，測(cè)量極距為130 m（王蘭煒等，2014）。該臺(tái)布極示意見圖1，其中編號(hào)1—9 電極為地表電極，埋深4 m；編號(hào)11—19 電極為井下電極，埋深為100 m。電測(cè)深曲線為QH 型（圖2）。

圖1 天水臺(tái)井下地電阻率觀測(cè)系統(tǒng)布極示意Fig.1 Schematic diagram of electrodes layout of underground resistivity observation system of Tianshui station

圖2 天水臺(tái)電測(cè)深曲線Fig.2 Apparent resistivity sounding curve of Tianshui station

2 干擾出現(xiàn)及異常判定

2.1 干擾出現(xiàn)

2018 年7 月底，天水電阻率NW 向出現(xiàn)高頻擾動(dòng)現(xiàn)象。9 月10 日，天水臺(tái)電阻率異常現(xiàn)場(chǎng)核實(shí)顯示，儀器、儀器標(biāo)定、接地電阻等均正常。對(duì)測(cè)區(qū)環(huán)境調(diào)研發(fā)現(xiàn)，位于測(cè)區(qū)西北約80 m（17 號(hào)電極距離最近）的天水林業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院綜合大樓建設(shè)施工，總建筑面積49 836.77 m2，地上11 層，地下1 層，建筑高度47.25 m。該工程地基深約10 m，于2018 年5 月底開挖，共1 200 根樁基，場(chǎng)地大量鋼鐵設(shè)備堆積。截至2018 年9 月，樓層已建造至第3 層，施工狀態(tài)較為穩(wěn)定（圖3）。

圖3 大樓施工現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研Fig.3 Building construction site survey

2.2 異常初判

據(jù)以往震例，對(duì)于臺(tái)站周邊發(fā)生的多次中強(qiáng)地震，天水深井地電阻率均記錄到較為突出的前兆異常，如：2013 年蘆山MS7.0、岷縣—漳縣MS6.6 和2017 年九寨溝MS7.0 地震，3 個(gè)測(cè)向的整點(diǎn)值數(shù)據(jù)同步出現(xiàn)震前高頻擾動(dòng)現(xiàn)象，且變幅均大于0.03 Ω·m（杜學(xué)彬等，2013；陳雪梅等，2013；曾文浩等，2015）；2016 年門源MS6.4 地震EW、NW 測(cè)向日均值同步出現(xiàn)高值異常。2006—2018 年南北地震帶預(yù)測(cè)效能評(píng)估顯示，天水臺(tái)地電阻率R值為0.96，R0=0.84，R值評(píng)分效果較好。

大樓施工僅對(duì)天水臺(tái)井下地電阻率觀測(cè)系統(tǒng)NW 測(cè)向造成影響，表現(xiàn)為NW 向出現(xiàn)短期高頻擾動(dòng)，與該測(cè)向自然電位差進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果見圖4，可見：電阻率曲線7 月下旬開始出現(xiàn)高頻擾動(dòng)，時(shí)間持續(xù)至8 月底，而自然電位差曲線7 月10 日開始轉(zhuǎn)折上升，7月底下降恢復(fù)，轉(zhuǎn)折變化時(shí)間較地電阻率稍有提前，與電阻率變化不同步，表明自然電位差與地電阻率變化在時(shí)間上并不對(duì)應(yīng)（圖4）。

圖4 NW 測(cè)道地電阻率與自然電位差觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比Fig.4 Comparison of resistivity and self-potential difference observation data

尹相好等（2010）認(rèn)為，自然電位差和地電阻率同時(shí)發(fā)生異常變化時(shí)，異常的可信度較高，且異常出現(xiàn)時(shí)間與地震發(fā)生具有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。錢家棟（1993）從物理成因上解釋，在地震發(fā)生前，由于應(yīng)力的積累，地下介質(zhì)會(huì)發(fā)生變化，裂隙的膨脹和發(fā)展以及地下流體的共同作用可能會(huì)造成自然電位差和地電阻率同時(shí)發(fā)生變化。據(jù)此認(rèn)為，天水臺(tái)井下地電阻率觀測(cè)系統(tǒng)NW 向高頻擾動(dòng)與構(gòu)造活動(dòng)的關(guān)聯(lián)性較低，需進(jìn)一步定量分析地基施工及大量鋼架使用對(duì)電阻率觀測(cè)造成的影響。因此，結(jié)合該臺(tái)電測(cè)深曲線及巖性資料，利用有限元方法，模擬鋼筋混凝土框架對(duì)地電阻率觀測(cè)的影響。

3 地基施工的定量分析

施工大樓位于測(cè)區(qū)NW 向，距天水臺(tái)17 號(hào)電極約80 m。理論上，施工對(duì)深井地電阻率觀測(cè)數(shù)據(jù)的影響較小，但該區(qū)域介質(zhì)電性結(jié)構(gòu)受施工的影響不容忽視。根據(jù)地電阻率三維影響系數(shù)分布理論（錢家棟等，1985；趙和云等，1987；Park et al，1991），地基開挖區(qū)域充滿空氣，空氣是高阻體，電阻可近似視為無(wú)窮大，使電阻率測(cè)值上升，而鋪設(shè)的地基由鋼架混凝土構(gòu)成，在NW 向的17 號(hào)、19 號(hào)電極間形成一個(gè)高阻體，與原有土層介質(zhì)相比，該區(qū)域電阻率升高。以上2 個(gè)因素均對(duì)NW 向地電阻率升高產(chǎn)生一定影響，需進(jìn)一步對(duì)地基施工影響進(jìn)行定量分析。

3.1 穩(wěn)恒電流場(chǎng)有限元方法

采用直流電對(duì)稱四極裝置定點(diǎn)觀測(cè)場(chǎng)地地電阻率變化，向A、B電極供電，測(cè)量M、N電極電勢(shì)差，根據(jù)Maxwell 方程組和電荷守恒定律，將此過(guò)程視為穩(wěn)恒電流場(chǎng)，電勢(shì)分布滿足Possion 方程（Lowry et al，1989），公式如下

式中，V是由電流源I產(chǎn)生的電位，σ是介質(zhì)電導(dǎo)率，δ(x,y,z)是Dirac delta 函數(shù)。

有限介質(zhì)空間的全部邊界為Γ，一部分邊界沒有電流流出，滿足Neumann 邊界條件記為Γs，其余邊界記為Γv，滿足Dirichlet 邊界條件。因此式（1）滿足邊界條件Γ=Γv+Γs，其中n為邊界指向區(qū)域外的法線方向，。應(yīng)用虛功原理可得到穩(wěn)恒電流場(chǎng)Possion 方程的有限元弱解形式為

式中，Ω為計(jì)算區(qū)域，φ為任意的虛位移函數(shù)，在滿足Dirichlet 邊界條件的邊界上，虛位移函數(shù)φ=0。由于模型在水平和垂直方向上的尺度不可能是無(wú)限的，對(duì)于一個(gè)固定尺寸的模型，當(dāng)供電極距AB大于一定的值后，對(duì)無(wú)窮遠(yuǎn)邊界施加Dirichlet 邊界條件時(shí)，計(jì)算得到的地電阻率值將小于實(shí)際值，而對(duì)無(wú)窮遠(yuǎn)邊界施加Neumann 邊界條件時(shí)，計(jì)算得到的地電阻率值將大于實(shí)際值。因此，模型經(jīng)單元離散化、施加電流源和邊界條件后可對(duì)單元節(jié)點(diǎn)上的電位進(jìn)行有限元數(shù)值求解，得出電位分布，獲得測(cè)量電極間的電勢(shì)差，進(jìn)而依據(jù)對(duì)稱四極裝置系數(shù)計(jì)算地電阻率（Dey et al，1979；Li et al，2005；解滔等，2014）。

3.2 地基施工對(duì)NW 向地電阻率觀測(cè)的影響

天水臺(tái)地電阻率測(cè)區(qū)地下介質(zhì)電性結(jié)構(gòu)比較均勻，當(dāng)?shù)鼐讕r性柱狀圖（圖5）資料顯示，地下介質(zhì)覆蓋層第1 層為黃土，下面3 層基本為不同形狀砂泥巖、灰?guī)r及泥巖互層等。解滔等（2013）分析認(rèn)為，地表局部區(qū)域的電性結(jié)構(gòu)變化僅對(duì)測(cè)線附近地電阻率觀測(cè)產(chǎn)生顯著影響。因此，為深入分析施工對(duì)天水深井地電阻率觀測(cè)的影響，利用水平層狀介質(zhì)理論，結(jié)合實(shí)際電測(cè)深曲線及不同觀測(cè)極距下地電阻率值，與電測(cè)深原始觀測(cè)值對(duì)比，可知兩者數(shù)據(jù)基本一致，因此該電測(cè)深曲線計(jì)算值滿足天水臺(tái)深井地電阻率物理建模的計(jì)算要求。

圖5 天水臺(tái)鉆孔剖面及NW 向電測(cè)深計(jì)算值Fig.5 Stratigraphic column for the Tianshui station and observed resistivity sounding data of NW direction

在地基施工中，鋼架可視為電阻率較低的金屬導(dǎo)線，鐵介質(zhì)電阻率為9.78×10-8Ω·m，工型鋼軌的橫截面積約0.002—0.3 m2，即使金屬導(dǎo)線電阻率較低，在地電阻率測(cè)線附近小范圍內(nèi)仍會(huì)產(chǎn)生定量干擾。由于施工方位固定，金屬導(dǎo)線對(duì)地電阻率觀測(cè)的影響與其電阻率和橫截面積有關(guān)，一般橫截面積＞1×10-3m2時(shí)干擾幅度趨于穩(wěn)定，文中鋼軌橫截面積取為0.01 m（2何世根等，2000）選用solid5 三維8 節(jié)點(diǎn)電磁場(chǎng)耦合實(shí)體單位，自由度為電壓。考慮地基中鋼架互相交差搭建，因此所有計(jì)算基于同一模型和網(wǎng)格剖面，建模時(shí)選取簡(jiǎn)單的4 條鋼架為基礎(chǔ)，鋼架與大地設(shè)置為接觸模式，賦予每條鋼架不同的電阻率，將其在土層和金屬之間轉(zhuǎn)換，鋼架簡(jiǎn)化為4 條導(dǎo)線L1、L2、L3、L4，計(jì)算導(dǎo)線串聯(lián)時(shí)對(duì)地電阻率觀測(cè)的影響。

解滔等（2016）認(rèn)為，當(dāng)模型厚度H＞2AB，模型水平邊界尺寸D＞6AB時(shí)，可以滿足模型計(jì)算要求。實(shí)際極距AB=0.39 km、MN=0.13 km。當(dāng)模型最底層厚度H4=0.8 km 時(shí)，地電阻率值隨模型水平邊界D變化，基本上在D＞2.4 km 時(shí)不隨D值增大而變化[圖6(a)]，因此本研究中模型取D=3 km；在水平尺寸為3×3 km2、H4＞0.8 km 時(shí)，地電阻率值不隨H值增大而變化[圖6(b)]，因此本文模型第4 層厚度H4取為0.9 km，則三維有限元模型大小為3×3×0.9 km3。

圖6 地電阻率變化(a)隨水平邊界尺寸D 的變化；(b)隨底層厚度H4 的變化Fig.6 The variation of geoelectric resistivity

計(jì)算結(jié)果表明，4 條單獨(dú)導(dǎo)線若不連通，則對(duì)地電阻率的影響可忽略不計(jì)；當(dāng)4 條導(dǎo)線串聯(lián)時(shí)，計(jì)算模擬值為7.550 2 Ω·m。2018 年6 月底NW 向深井地電阻率實(shí)際測(cè)值為7.49 Ω·m（均值），計(jì)算模擬值則比實(shí)際測(cè)值上升0.063 8 Ω·m，而7—9 月NW 向地電阻率實(shí)際觀測(cè)值為7.54 Ω·m（均值），相較于6 月底實(shí)測(cè)值上升0.05 Ω·m，此后，隨著綜合樓施工趨于穩(wěn)定，地電阻率觀測(cè)數(shù)據(jù)逐漸恢復(fù)穩(wěn)定狀態(tài)。

因此，將地基鋼架結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為4 條相互串聯(lián)的金屬導(dǎo)線，雖與實(shí)際復(fù)雜情況存在差異，但地電阻率NW 向數(shù)據(jù)模擬結(jié)果與實(shí)際觀測(cè)值較為一致，且高頻擾動(dòng)異常與地基施工時(shí)間具有一致性，認(rèn)為地電阻率高頻擾動(dòng)為該綜合樓施工中地基開挖影響所致，且從干擾持續(xù)時(shí)間看，僅在施工初期受到干擾。

4 結(jié)論及討論

在天水林業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院綜合樓施工期間，天水臺(tái)NW 向地電阻率高頻擾動(dòng)與地基開挖具有時(shí)間同步性。大樓地基含大量鋼架混凝土結(jié)構(gòu)，開挖區(qū)域可近似視為電阻無(wú)窮大，在NW 向的17 號(hào)、19 號(hào)電極間形成一個(gè)高阻體，電阻率高于各層地電阻率值，因此觀測(cè)值出現(xiàn)高頻擾動(dòng)現(xiàn)象。將鋼架混凝土結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為相互串聯(lián)的金屬導(dǎo)線，利用三維有限元模型進(jìn)行模擬計(jì)算，結(jié)果顯示，計(jì)算模擬值與實(shí)際測(cè)值接近。因此確定，金屬結(jié)構(gòu)框架會(huì)使天水臺(tái)NW 向地電阻率上升。具體影響比數(shù)值模擬情況復(fù)雜。

人類的生產(chǎn)、生活及城市化建設(shè)的推進(jìn)，對(duì)地電阻率觀測(cè)的影響日益嚴(yán)重。干擾產(chǎn)生的不確定信息與震前的孕震信息相混合，增加了地電阻率異常分析難度。據(jù)以往資料，因干擾的存在，地表（淺層）地電阻率觀測(cè)數(shù)據(jù)一直受到影響（解滔等，2013；張國(guó)苓等，2017）。甘肅省地震局自2011 年起在甘東南地區(qū)（天水、武都、平?jīng)觯┙ǔ? 個(gè)井下地電阻率觀測(cè)點(diǎn)。數(shù)據(jù)顯示，深井地電阻率觀測(cè)可以較好地抑制淺層潛水位升降、含水率季節(jié)性增減等對(duì)觀測(cè)產(chǎn)生的影響。由本次地基施工對(duì)深井地電阻率觀測(cè)的干擾分析可知，干擾影響時(shí)間較短，且在施工進(jìn)入穩(wěn)定階段后結(jié)束。

深井地電阻率觀測(cè)在不斷建設(shè)和推廣，目前井下地電阻率數(shù)據(jù)質(zhì)量評(píng)價(jià)依然參考地面觀測(cè)規(guī)范。今后需積累深井地電阻率觀測(cè)實(shí)例，探討不同干擾源對(duì)井下地電阻率的影響，包括影響數(shù)值、時(shí)間及后期恢復(fù)程度等，總結(jié)井下資料的變化形態(tài)和幅度，發(fā)現(xiàn)異常變化的新指標(biāo)和新評(píng)價(jià)方法，以期為震前地球物理異常研究提供可靠依據(jù)。