解滔 杜學(xué)彬 盧軍

1）中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心，北京市西城區(qū)三里河南橫街5號(hào) 100045

2）中國(guó)地震局蘭州地震研究所，蘭州 730000

0 引言

中國(guó)于1966年河北邢臺(tái)MS7.2地震后將物探視電阻率方法用于地震預(yù)測(cè)分析，此后由政府組織建設(shè)了大規(guī)模、長(zhǎng)期連續(xù)監(jiān)測(cè)的視電阻率觀測(cè)臺(tái)網(wǎng)。目前在中國(guó)主要活動(dòng)斷裂帶和人口密集的大中城市附近的地震活動(dòng)區(qū)共有70余個(gè)臺(tái)站擔(dān)負(fù)著常規(guī)的地震監(jiān)測(cè)任務(wù)。在近50年的連續(xù)監(jiān)測(cè)中多次記錄到了發(fā)生在臺(tái)網(wǎng)內(nèi)的中強(qiáng)地震（如1976年唐山MS7.8、松潘-平武 MS7.2、1998年張北 MS6.2、2003年大姚 MS6.2、民樂-山丹 MS6.1和 2008年汶川MS8.0等地震）前突出的視電阻率異常（錢復(fù)業(yè)等，1982、1990；Lu et al，1999；桂燮泰等，1989；高立新等，1999；葉青等，2005；張學(xué)民等，2009；杜學(xué)彬，2010），且對(duì)其中的某些地震三要素實(shí)施了1年尺度的時(shí)間預(yù)測(cè)（葉青等，2005）。

視電阻率觀測(cè)要在地震監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)中發(fā)揮作用離不開高質(zhì)量的基礎(chǔ)觀測(cè)資料，但是，近年來隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，部分臺(tái)站受到了嚴(yán)重干擾進(jìn)而影響了監(jiān)測(cè)效能，臺(tái)站數(shù)量從高峰期的近120個(gè)減少至目前的70余個(gè)，且現(xiàn)存臺(tái)站中的許多臺(tái)站也已受到干擾，使視電阻率觀測(cè)受到嚴(yán)重影響。理論和觀測(cè)實(shí)踐表明，供電極距越大，地表環(huán)境變化對(duì)觀測(cè)的影響越小。但是受觀測(cè)場(chǎng)地的限制，將供電極距延長(zhǎng)到可忽略地表干擾對(duì)觀測(cè)影響的長(zhǎng)度是難以實(shí)現(xiàn)的。為了抑制地表干擾，中國(guó)先后在郫縣臺(tái)（現(xiàn)成都）、山丹臺(tái)和江寧臺(tái)開展了多極距實(shí)驗(yàn)觀測(cè)，以期從觀測(cè)資料中分離出表層和地下不同深度介質(zhì)的電阻率變化，從而抑制表層干擾（趙和云等，1987；錢家棟等，1988；薛順章等，1994；王蘭煒等，2011）。與此同時(shí)，自 20世紀(jì)80年代陸續(xù)開展了一些井下視電阻率實(shí)驗(yàn)觀測(cè)（將電極埋入地層一定深度）（王邦本等，1981；蘇鸞聲等，1982；劉允秀等，1985；劉昌謀等，1994；田山等，2009；康云生等，2013），實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明井下觀測(cè)能較好地抑制因淺層潛水升降和含水率季節(jié)性增減所引起的視電阻率變化以及來自地表的干擾，在供電極距相對(duì)較小的情況下可以獲得可靠的深部介質(zhì)電阻率變化信息。近年來隨著觀測(cè)環(huán)境日趨惡化，井下觀測(cè)方法受到了重視，中國(guó)在8個(gè)臺(tái)站進(jìn)行了井下實(shí)驗(yàn)觀測(cè)，已展開相關(guān)的理論研究（聶永安等，2009、2010；解滔等，2012a、2012b），并擬建若干個(gè)井下臺(tái)站。

實(shí)施井下觀測(cè)的目的在于抑制地表的干擾和捕捉孕震信息，二者缺一不可.井下地電觀測(cè)投資大、且觀測(cè)裝置安裝需一次性成功，觀測(cè)極距和深度對(duì)井下觀測(cè)的影響很大.但目前實(shí)驗(yàn)觀測(cè)中的電極埋深、極距大小等是人為主觀估計(jì)的，因而針對(duì)每一個(gè)臺(tái)站特定的電性結(jié)構(gòu)合理地選擇電極埋深和觀測(cè)極距是急需解決的問題。視電阻率觀測(cè)影響系數(shù)理論表明，觀測(cè)的視電阻率變化可以表述成測(cè)區(qū)不同區(qū)域介質(zhì)電阻率變化的加權(quán)和（錢家棟等，1985、1998；Park et al，1991；Lu et al，2004），因此可依據(jù)不同觀測(cè)極距和不同電極埋深時(shí)各區(qū)域介質(zhì)對(duì)視電阻率的影響系數(shù)來評(píng)估井下觀測(cè)對(duì)地表干擾的抑制能力和對(duì)深部巖層電阻率變化的響應(yīng)能力。本文依據(jù)（聶永安等，2009、2010）給出的電位表達(dá)式，編寫了可以計(jì)算N層水平層狀均勻介質(zhì)中各層介質(zhì)影響系數(shù)隨觀測(cè)極距和電極埋深任意變化的程序.本文首先介紹視電阻率影響系數(shù)理論，然后以4層電性結(jié)構(gòu)為例，簡(jiǎn)要討論不同電性結(jié)構(gòu)中介質(zhì)影響系數(shù)因觀測(cè)極距和電極埋深的不同而呈現(xiàn)的復(fù)雜分布，以說明依據(jù)電性結(jié)構(gòu)合理選擇極距和埋深的必要性。然后提出通過各層影響系數(shù)的大小來評(píng)估井下觀測(cè)對(duì)地表及淺層干擾的抑制能力，并以天水臺(tái)為例說明用此方法選擇供電極距和電極埋深的過程，分析結(jié)果可為在不同電性結(jié)構(gòu)中實(shí)施井下地電觀測(cè)時(shí)選擇電極埋深和供電極距提供參考。

1 視電阻率影響系數(shù)理論

中國(guó)定點(diǎn)視電阻率觀測(cè)采用對(duì)稱四極觀測(cè)裝置，一個(gè)臺(tái)站一般布設(shè)2條相互垂直的測(cè)道或2條相互垂直加一條斜測(cè)道共3個(gè)測(cè)道，圖1為觀測(cè)裝置示意圖。如果將視電阻率測(cè)區(qū)劃分為任意的n塊區(qū)域，每一塊區(qū)域介質(zhì)電阻率為ρi，i＝1，2，…，n。在測(cè)區(qū)電性結(jié)構(gòu)確定、觀測(cè)裝置和極距以及布極位置確定時(shí)，視電阻率ρa(bǔ)是各分區(qū)介質(zhì)電阻率的函數(shù)（錢家棟等，1985、1998；Park et al，1991；Lu et al，2004）。

在多數(shù)情況下，各分區(qū)介質(zhì)電阻率在一定時(shí)間內(nèi)的相對(duì)變化非常小，Δρi／ρi?1，因此將式（1）作Taylor級(jí)數(shù)展開，二階及高階項(xiàng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于一階項(xiàng)，可忽略不計(jì)。視電阻率相對(duì)變化可以簡(jiǎn)單地表示為各分區(qū)介質(zhì)電阻率相對(duì)變化的加權(quán)和，即

圖1 對(duì)稱四極觀測(cè)裝置示意圖

式（2）中，Bi被稱之為影響系數(shù)，其表達(dá)式為

同時(shí)影響系數(shù) Bi滿足如下關(guān)系（Seigel，1959；Roy et al，1981；Wait，1981），即

測(cè)區(qū)介質(zhì)可以按任意大小劃分，用數(shù)值計(jì)算方法討論各區(qū)域介質(zhì)對(duì)視電阻率觀測(cè)的三維影響系數(shù)。這里主要討論各層介質(zhì)整體對(duì)觀測(cè)的影響，因而按照n層水平層狀結(jié)構(gòu)將測(cè)區(qū)劃分為水平層狀的n塊區(qū)域，采用解析表達(dá)式和二極裝置濾波器算法計(jì)算對(duì)稱四極裝置的視電阻率和相應(yīng)的影響系數(shù)（姚文斌，1989；O'Neill et al，1984）。

采用編寫的程序計(jì)算了Lu等（1999）文獻(xiàn)中寶坻臺(tái)電性結(jié)構(gòu)在地表觀測(cè)時(shí)的影響系數(shù)，表1給出了Lu等（1999）和本文計(jì)算的在極距AB／2＝500m時(shí)的影響系數(shù)，所得二者結(jié)果一致，說明本文計(jì)算方法是準(zhǔn)確的。

表1 寶坻臺(tái)影響系數(shù)對(duì)比

2 幾類電性結(jié)構(gòu)的影響系數(shù)分析

這里以4層水平層狀均勻介質(zhì)為例討論介質(zhì)影響系數(shù)在不同電性結(jié)構(gòu)下的復(fù)雜分布。臺(tái)站表層介質(zhì)電阻率季節(jié)性變化顯著，主要表現(xiàn)為視電阻率的年變化。4層電性結(jié)構(gòu)有8種組合，逐一討論圖件過多，不失一般性的在分析過程中設(shè)定第1層介質(zhì)電阻率不變，就下面3層H、K、A和Q型4種結(jié)構(gòu)討論各層介質(zhì)影響系數(shù)隨深度和供電極距的變化，同時(shí)也分析了同一地層模型中電極位于不同深度時(shí)的影響系數(shù)隨供電極距的變化，在所有的分析中都設(shè)定4個(gè)電極位于同一深度，采用視電阻率對(duì)稱四極觀測(cè)裝置。

2.1 KH型結(jié)構(gòu)

一維KH型電性結(jié)構(gòu)參數(shù)如表2所示，計(jì)算各層介質(zhì)影響系數(shù)隨深度變化時(shí)供電極距AB＝300m，MN＝100m，計(jì)算結(jié)果如圖 2（a）所示。在地表（H＝0m）觀測(cè)時(shí)第2、3層介質(zhì)影響系數(shù)較大，表層介質(zhì)影響系數(shù)最小，說明此時(shí)視電阻率變化主要反映中間兩層介質(zhì)電阻率變化。由地表至第1、2層分界面（H＝10m）過程中第1層介質(zhì)影響系數(shù)迅速減小，H在第2層介質(zhì)中增加時(shí)第1層介質(zhì)影響系數(shù)則增加，在約H＝30m時(shí)到達(dá)極值，相當(dāng)于表層的影響比埋深淺時(shí)加大，與第3、4層介質(zhì)影響系數(shù)相當(dāng)，隨后隨著電極深度增加，影響系數(shù)迅速減小。在H增加過程中第2層介質(zhì)影響系數(shù)整體呈下降變化，第4層介質(zhì)影響系數(shù)則呈上升變化，第3層介質(zhì)影響系數(shù)先增加而后迅速減小。在H約200m后第4層介質(zhì)影響系數(shù)接近于1，占據(jù)主導(dǎo)地位。隨著H的增加，上面三層介質(zhì)的影響系數(shù)迅速減小。

表2 KH型電性結(jié)構(gòu)

圖2 KH型電性結(jié)構(gòu)影響系數(shù)隨深度的變化（a）及影響系數(shù)隨觀測(cè)極距的變化（b）

計(jì)算各層介質(zhì)影響系數(shù)隨觀測(cè)極距變化時(shí)設(shè)定電極埋深H＝100m，位于第3層介質(zhì)中，計(jì)算結(jié)果示于圖2（b）。觀測(cè)極距較小時(shí)，視電阻率主要反映第3層介質(zhì)電阻率變化，隨著觀測(cè)極距增加，第3層介質(zhì)影響系數(shù)逐步減小，第4介質(zhì)影響系數(shù)增加，第1層和第2層則是先增加后減小。盡管隨著極距（AB／2）的進(jìn)一步增加，淺層介質(zhì)影響系數(shù)趨于0，但各層影響系數(shù)分布也與在地表觀測(cè)時(shí)的影響系數(shù)的分布趨于一致，失去了井下觀測(cè)的意義。

2.2 HK型結(jié)構(gòu)

一維HK型電性結(jié)構(gòu)參數(shù)如表3所示，計(jì)算各層介質(zhì)影響系數(shù)隨深度變化時(shí)供電極距AB＝300m，MN＝100m，計(jì)算結(jié)果示于圖3（a）。H從地表至第2、3層介質(zhì)分界面（H＝50m）過程中，各層介質(zhì)影響系數(shù)幾乎不變，第1、4層影響系數(shù)相當(dāng)，接近0.1，電極位于這一深度范圍較易受淺層干擾影響。在深度進(jìn)入第3層介質(zhì)后，第1、2和3層影響系數(shù)減小，第4層則增加，在埋深H約200m后第4層介質(zhì)影響系數(shù)占據(jù)主導(dǎo)地位。隨著埋深增加，第4層影響系數(shù)接近于1，上面3層介質(zhì)影響系數(shù)則迅速減小。

表3 HK型電性結(jié)構(gòu)

圖3 HK型電性結(jié)構(gòu)影響系數(shù)隨深度的變化（a）和影響系數(shù)隨觀測(cè)極距的變化（b）

設(shè)定電極埋深H＝100m，計(jì)算各層介質(zhì)影響系數(shù)隨觀測(cè)極距變化結(jié)果示于圖3（b）。各層介質(zhì)影響系數(shù)變化形態(tài)與圖2（b）大體相近，小極距時(shí)觀測(cè)裝置所在層位影響系數(shù)占主導(dǎo)地位，隨著觀測(cè)極距增加，第3層影響系數(shù)減小、第4層增加，第1、2層先增加后減小。在極距較大時(shí)第4層介質(zhì)影響系數(shù)占主導(dǎo)地位。

2.3 HA型結(jié)構(gòu)

一維HA型電性結(jié)構(gòu)參數(shù)如表4所示，計(jì)算各層介質(zhì)影響系數(shù)隨深度變化時(shí)供電極距AB＝300m，MN＝100m，計(jì)算結(jié)果示于圖 4（a）。各層介質(zhì)影響系數(shù)隨深度變化形態(tài)與圖3（a）大體相同，在電極埋深從地表至第2、3層介質(zhì)分界面（H＝50m）過程中，各層介質(zhì)影響系數(shù)幾乎不變，第1、4層影響系數(shù)相當(dāng)，接近0.1，第2層最大，第3層次之。在這一深度范圍內(nèi)觀測(cè)，較易受淺層電性結(jié)構(gòu)變化干擾。在電極埋設(shè)深度進(jìn)入第3層介質(zhì)后，第1、2和3層影響系數(shù)減小，第4層則增加，在埋深約200m后第4層介質(zhì)影響系數(shù)趨于1，占據(jù)主導(dǎo)地位。隨著埋深進(jìn)一步增加，上面三層影響系數(shù)迅速減小。

表4 HA型電性結(jié)構(gòu)

圖4 HA型電性結(jié)構(gòu)影響系數(shù)隨深度的變化（a）及影響系數(shù)隨觀測(cè)極距的變化（b）

計(jì)算影響系數(shù)隨觀測(cè)極距變化時(shí)將電極深度設(shè)定為H＝100m，計(jì)算結(jié)果示于圖4（b）。電極位于第3層，在極距較小時(shí)，視電阻率觀測(cè)主要反映這一層介質(zhì)的變化，其余各層影響系數(shù)很小。隨著觀測(cè)極距增加，第3層影響系數(shù)減小，第4層增加，第2、3層則先增加后減小。在大極距階段，第4層影響系數(shù)最大。

2.4 KQ型結(jié)構(gòu)

一維KQ型電性結(jié)構(gòu)如表5所示，計(jì)算各層介質(zhì)影響系數(shù)隨深度變化時(shí)供電極距AB＝300m，MN＝100m，計(jì)算結(jié)果示于圖5（a）。電極埋深在第1層介質(zhì)中變化時(shí)各層影響系數(shù)變化較小，第1層介質(zhì)影響系數(shù)約為0.1，第2、3層影響系數(shù)較大，第4層最小。隨著電極埋深增加，第1、3層影響系數(shù)先增加后減小，第2層先減小后增加再減小，第4層則一直增加。在電極埋深100m之前，上面3層介質(zhì)影響系數(shù)均較大，此時(shí)不能抑制淺層干擾。在埋深大于200m后，第4層影響系數(shù)占據(jù)主導(dǎo)地位并趨于1。隨著埋深的增加，上面3層介質(zhì)影響系數(shù)進(jìn)一步減小。各層介質(zhì)影響系數(shù)隨觀測(cè)極距變化示于圖5（b），計(jì)算時(shí)電極埋深 H＝100m。小極距觀測(cè)時(shí)第3層介質(zhì)影響系數(shù)接近于1，隨著極距增加，其影響系數(shù)減小，第4層影響系數(shù)逐漸增加，第1、2層介質(zhì)影響系數(shù)先增加后減小，在約 AB／2＞700m后第1、2層影響系數(shù)相繼出現(xiàn)負(fù)值（圖5（b）中虛線所示）。在大極距階段該型結(jié)構(gòu)淺層介質(zhì)影響系數(shù)小于前面分析的3類結(jié)構(gòu)，此時(shí)對(duì)淺層干擾有較好的抑制作用。

表5 KQ型電性結(jié)構(gòu)

圖5 KQ型電性結(jié)構(gòu)影響系數(shù)隨深度的變化（a）和影響系數(shù)隨觀測(cè)極距的變化（b）

2.5 電極埋深不同時(shí)影響系數(shù)隨極距的變化

采用表2電性結(jié)構(gòu)，電極位于地表（H＝0m）和100m時(shí)各層影響系數(shù)隨觀測(cè)極距變化分別示于圖6（a）和6（b）。從圖中可以看出，在地表觀測(cè)時(shí)隨著極距的增加，表層介質(zhì)影響系數(shù)的變化表現(xiàn)為減小→增加（負(fù)值絕對(duì)值）→減小→增加→再減小的過程，第2、3層則是先增加后減小，第4層是逐步增加，各層介質(zhì)先后依次占據(jù)主導(dǎo)地位。在觀測(cè)極距約 AB／2＜400m范圍內(nèi)，二者影響系數(shù)差異很大。觀測(cè)極距較小時(shí)，地表觀測(cè)淺層介質(zhì)影響系數(shù)較大，位于100m深度觀測(cè)其影響系數(shù)則較小。在極距AB／2＞400m后二者影響系數(shù)值和變化形態(tài)大體相近，說明隨著觀測(cè)極距的增加，深埋電極觀測(cè)的作用減弱。在這樣一個(gè)電性結(jié)構(gòu)下，如果按照目前井下實(shí)驗(yàn)觀測(cè)人為主觀地選定AB＝300m和H＝100m，井下觀測(cè)表層影響系數(shù)大于地表觀測(cè)，這樣的井下觀測(cè)系統(tǒng)對(duì)地表干擾的抑制作用不如地表觀測(cè)。

圖6 地表觀測(cè)時(shí)影響系數(shù)隨觀測(cè)極距的變化（a）和井下100m深度觀測(cè)時(shí)影響系數(shù)隨觀測(cè)極距的變化（b）

對(duì)上述4類簡(jiǎn)單電性結(jié)構(gòu)的分析可以看出，影響系數(shù)的分布十分復(fù)雜，對(duì)于更為復(fù)雜的電性結(jié)構(gòu)，影響系數(shù)分布則更為復(fù)雜，采用統(tǒng)一的或人為主觀給定的觀測(cè)極距和電極埋深是不可取的。對(duì)于某些電性結(jié)構(gòu)，在一定觀測(cè)極距和電極埋深情況下，井下觀測(cè)效果低于地表觀測(cè)（圖6），因此依據(jù)測(cè)區(qū)電性結(jié)構(gòu)合理地選擇供電極距和埋深是非常必要的。視電阻率的異常變化體現(xiàn)的是觀測(cè)裝置主要探測(cè)范圍內(nèi)介質(zhì)電阻率在孕震應(yīng)力作用下的變化。地表淺部松散覆蓋層對(duì)應(yīng)力具有吸收作用，測(cè)區(qū)內(nèi)淺層介質(zhì)電阻率并不反映遠(yuǎn)場(chǎng)應(yīng)力變化，而中、深層沉積層或基巖能有效傳遞應(yīng)力，這部分介質(zhì)電阻率能反映遠(yuǎn)場(chǎng)孕震應(yīng)力的變化，因此視電阻率觀測(cè)應(yīng)當(dāng)主要體現(xiàn)這部分信息。層狀模型理論分析將各層介質(zhì)內(nèi)部電阻率視為一整體，任意小范圍介質(zhì)電阻率變化代表了整個(gè)層位電阻率變化，但是淺部巖層存在不均勻性，各區(qū)域介質(zhì)電阻率變化同樣呈現(xiàn)不均勻性，這就要求增加觀測(cè)極距以加大探測(cè)范圍，從而觀測(cè)大體積范圍內(nèi)介質(zhì)電阻率變化，避免“一孔之見”的情況。井下觀測(cè)的目的在于抑制地表干擾和盡可能多地捕捉與孕震有關(guān)的電阻率變化信息，二者同等重要。在資料受干擾小且變化平穩(wěn)時(shí)，識(shí)別異常較為容易，單從這個(gè)角度而言，小極距裝置且電極埋深大于供電極距AB時(shí)幾乎可以忽略表層介質(zhì)變化對(duì)觀測(cè)的影響。但是小極距觀測(cè)只是體現(xiàn)裝置所在層位附近小體積范圍內(nèi)介質(zhì)電阻率變化，不能有效反映對(duì)孕震應(yīng)力傳遞更有效的深部巖層的信息，不利于孕震信息的獲取，因此極距需要適當(dāng)?shù)脑龃蟆５请姌O埋深固定時(shí)，隨著供電極距的增加，井下觀測(cè)的作用逐漸減弱并趨向于地表觀測(cè)。因而在保證地表影響系數(shù)不變的情況下，增大供電極距則需要更大的電極埋深。就目前井下實(shí)驗(yàn)觀測(cè)的工程投入和觀測(cè)系統(tǒng)穩(wěn)定性而言，電極埋深可接受范圍在250m左右。對(duì)多數(shù)測(cè)區(qū)而言，這一深度已進(jìn)入基巖內(nèi)部。據(jù)全國(guó)視電阻率臺(tái)站多年的觀測(cè)數(shù)據(jù)，淺層介質(zhì)影響系數(shù)絕對(duì)值低于0.5%左右的情況下觀測(cè)值較為平穩(wěn)，季節(jié)性年變化較小。隨著電極埋深的增加，觀測(cè)裝置逐步遠(yuǎn)離地表淺層局部電性異常體，同時(shí)巖層也存在一定的屏蔽效應(yīng)，視電阻率受地表的干擾將減小。因此確定井下視電阻率觀測(cè)極距和電極埋深的原則是：在允許的埋深范圍內(nèi)使供電極距AB足夠大，淺層影響系數(shù)足夠?。ㄈ绲陀?.5%），中、深層介質(zhì)影響系數(shù)足夠大。

3 天水臺(tái)井下觀測(cè)影響系數(shù)分析

3.1 天水臺(tái)目前的井下觀測(cè)

天水地電臺(tái)建于1970年，臺(tái)址位于天水市北道以南11km處。因2009年開始測(cè)區(qū)內(nèi)物流中心、森林武警支隊(duì)和林學(xué)院基建施工，觀測(cè)環(huán)境遭受嚴(yán)重破壞，于2010年開始實(shí)施井下觀測(cè)改造，有效觀測(cè)資料始于2012年1月。井下觀測(cè)采用對(duì)稱四極裝置，NS、EW測(cè)道供電極距AB＝300m，測(cè)量極距MN＝100m，NE測(cè)道供電極距AB＝390m，測(cè)量極距 MN＝130m，電極埋深均為 H＝100m，地表（H＝4m）觀測(cè) NS測(cè)道供電極距 AB＝1000m，測(cè)量極距 MN＝333m。地表NS測(cè)道2004～2007年資料和井下觀測(cè) NS測(cè)道2012～2014年資料分別示于圖7（a）和圖7（b）。春季降雨量開始增加、地表介質(zhì)含水率增加、電阻率降低后地表視電阻率觀測(cè)值上升。進(jìn)入秋季后降雨量減小，地表介質(zhì)電阻率上升，地表視電阻率觀測(cè)值下降，表現(xiàn)出“夏高冬低”的反常年變形態(tài)（圖7（a））。井下視電阻率觀測(cè)值年變形態(tài)則與地表觀測(cè)的年變形態(tài)相反，表現(xiàn)為“夏低冬高”（圖7（b）），且地表觀測(cè)年變幅度要大于井下觀測(cè)年變幅度。

圖7 天水臺(tái)地表觀測(cè)視電阻率資料（a）及井下100m深度觀測(cè)視電阻率資料（b）

天水臺(tái)測(cè)區(qū)電測(cè)深曲線示于圖8（a），大致可視為KH型。依據(jù)該電測(cè)深曲線在水平層狀均勻模型下反演的電性結(jié)構(gòu)如圖8（a）所示，第3層為厚度較大的低阻層，且底層介質(zhì)電阻率也很低。各層介質(zhì)影響系數(shù)隨深度變化如圖8（b）所示，由于第3層和底層低阻層的存在，電極埋深H＝100m時(shí)，第1、2層介質(zhì)影響系數(shù)較小，低于0.01，此時(shí)視電阻率觀測(cè)值主要體現(xiàn)第3層介質(zhì)電阻率變化，其次是第4層。在電極埋深增加的過程中，第1、2層介質(zhì)影響系數(shù)相繼有負(fù)值出現(xiàn)（圖8（b）中虛線部分）。

圖8 天水臺(tái)電測(cè)深資料（a）；天水臺(tái)影響系數(shù)隨深度的變化（b）；地表觀測(cè)時(shí)影響系數(shù)隨觀測(cè)極距的變化（c）；井下觀測(cè)時(shí)影響系數(shù)隨觀測(cè)極距的變化（d）

圖8（c）是地表（H＝4m）觀測(cè)時(shí)各層介質(zhì)影響系數(shù)隨觀測(cè)極距的變化，極距 AB／2超過70m后第1層介質(zhì)影響系數(shù)出現(xiàn)負(fù)值（圖8（c）中虛線部分）。圖8（d）是在深度H＝100m觀測(cè)時(shí)各層介質(zhì)影響系數(shù)隨觀測(cè)極距的變化，電極位于低阻的第3層，極距較小時(shí)，視電阻率觀測(cè)主要反映這一層介質(zhì)的變化。隨著觀測(cè)極距增加，第3層影響系數(shù)有所減小，第4層增加較快，第2、3層則先增加后減小，但影響系數(shù)值相對(duì)較小。在圖8（a）所示電性結(jié)構(gòu)下，用ρa(bǔ)s表示地表觀測(cè)的視電阻率，則天水臺(tái)視電阻率的相對(duì)變化值為

研究表明，視電阻率年變化主要是由淺層介質(zhì)電阻率季節(jié)性變化引起的。天水臺(tái)地表觀測(cè)時(shí)第1層介質(zhì)影響系數(shù)為負(fù)（式（5）），因而在降雨量增加、第1層介質(zhì)電阻率降低（Δρ1為負(fù)）時(shí)視電阻率觀測(cè)值ρa(bǔ)s上升；降雨量減少、第1層介質(zhì)電阻率升高（Δρ1為正）時(shí)觀測(cè)值ρa(bǔ)s下降。井下觀測(cè)時(shí)第1層介質(zhì)影響系數(shù)為正（式（6）），因而年變形態(tài)與地表觀測(cè)時(shí)相反。

天水臺(tái)第3層為低阻層，且厚度較大，底層也為低阻層，從式（5）、式（6）可以看出第 1層的影響系數(shù)很小。整體而言，天水臺(tái)地表觀測(cè)和井下觀測(cè)的年變化幅度都較小，同時(shí)地表觀測(cè)時(shí)第1層介質(zhì)影響系數(shù)絕對(duì)值要大于井下觀測(cè)時(shí)的影響系數(shù)，使得地表觀測(cè)的年變幅度要大于井下觀測(cè)。與地表觀測(cè)相比較而言，井下觀測(cè)第1、2層影響系數(shù)減小，說明井下觀測(cè)對(duì)淺層介質(zhì)電阻率變化干擾具有抑制作用。天水臺(tái)井下觀測(cè)第3層介質(zhì)影響系數(shù)大于地表觀測(cè)，第4層介質(zhì)影響系數(shù)則小于地表觀測(cè)。如果孕震作用主要引起底層介質(zhì)電阻率變化，那么天水臺(tái)現(xiàn)有小極距井下觀測(cè)的映震能力不如地表原來的大極距觀測(cè)，如果孕震作用主要引起第3層介質(zhì)電阻率變化，則井下觀測(cè)映震能力優(yōu)于地表觀測(cè)。但是整體而言，天水臺(tái)井下觀測(cè)受淺層干擾影響相對(duì)較小，便于資料分析和異常認(rèn)定，因此綜合認(rèn)為井下觀測(cè)效果要好于之前的地表觀測(cè)。

3.2 對(duì)天水臺(tái)井下觀測(cè)設(shè)計(jì)的討論

圖9是采用圖8（a）所示電性結(jié)構(gòu)計(jì)算的各層介質(zhì)影響系數(shù)隨觀測(cè)極距AB和電極埋設(shè)深度H的變化。在極距AB／2＝150m時(shí)，埋深100m以上第1層介質(zhì)影響系數(shù)變化梯度較大，100m以下影響系數(shù)很小但變化較為平緩。第2層介質(zhì)在小極距淺層觀測(cè)時(shí)影響系數(shù)能達(dá)到1%左右，其余情況影響系數(shù)都很小。在計(jì)算的觀測(cè)極距范圍內(nèi)，電極埋深在200m以內(nèi)，第3層介質(zhì)影響系數(shù)占主導(dǎo)地位，超過200m后第4層影響系數(shù)迅速增加并占主導(dǎo)地位。目前天水井下觀測(cè)裝置，第3層介質(zhì)電阻率的變化對(duì)觀測(cè)的影響最大。一般認(rèn)為孕震應(yīng)力主要引起深部介質(zhì)電阻率發(fā)生變化，觀測(cè)裝置應(yīng)兼顧反映深部介質(zhì)的變化，因此在AB一定的情況下裝置埋得越深越好?？紤]到目前的井下觀測(cè)技術(shù)，天水臺(tái)觀測(cè)裝置兼顧第3層和第4層介質(zhì)電阻率變化且適當(dāng)加大極距較為適宜，從圖9中可以看出，極距AB／2取150～200m，埋深H取170～220m能滿足需求。用ρa(bǔ)w表示井下視電阻率觀測(cè)值，ρa(bǔ)w的相對(duì)變化值為

4 討論

井下觀測(cè)的目的在于抑制地表干擾和突出由孕震引起的深部巖層介質(zhì)電阻率變化。本文采用水平層狀介質(zhì)模型討論各層介質(zhì)的影響系數(shù)，分析結(jié)果表明：不同電性結(jié)構(gòu)中實(shí)施井下觀測(cè)，各層介質(zhì)影響系數(shù)隨電極埋深和極距的不同表現(xiàn)出復(fù)雜變化。觀測(cè)極距固定時(shí)，影響系數(shù)并非都隨著電極埋深增加呈現(xiàn)單調(diào)變化，某些深度范圍內(nèi)對(duì)地表干擾具有放大作用。但是只要觀測(cè)深度足夠深，總是可以抑制地表干擾、突出深部信息。觀測(cè)裝置埋深固定時(shí)，影響系數(shù)隨觀測(cè)極距變化也較復(fù)雜，小極距時(shí)對(duì)電極所在層位電阻率變化反映較大，隨著極距增加，對(duì)深部信息的反映能力增加。觀測(cè)極距足夠大后，各層影響系數(shù)與地表觀測(cè)時(shí)趨于相近，井下觀測(cè)的作用越來越小。理想情況下觀測(cè)極距越小、電極埋設(shè)越深，就越能避免表層干擾和突出目標(biāo)層介質(zhì)電阻率變化。視電阻率觀測(cè)值是一定體積內(nèi)介質(zhì)電阻率的綜合反映，觀測(cè)極距越大，觀測(cè)值所反映的三維空間信息量就越大，反之則越小。各區(qū)域介質(zhì)電阻率非均勻變化時(shí)，小極距觀測(cè)可能會(huì)遺漏需要探測(cè)的信息，因此井下觀測(cè)還是需要較大的觀測(cè)極距。但隨著極距的增加，與地表觀測(cè)相比井下觀測(cè)的作用就越小。井下觀測(cè)電極埋設(shè)越深，投資越大，且電極埋設(shè)是一次性的，因此對(duì)每一個(gè)臺(tái)站，依據(jù)地下電性結(jié)構(gòu)合理地選擇觀測(cè)深度和盡可能大的極距既能抑制地表干擾又能監(jiān)測(cè)深部、大體積范圍的介質(zhì)電性變化是非常重要的。

圖9 天水臺(tái)第1層介質(zhì)影響系數(shù)隨觀測(cè)極距和埋深的變化（a）；第2層介質(zhì)影響系數(shù)隨觀測(cè)極距和埋深的變化（b）；第3層介質(zhì)影響系數(shù)隨觀測(cè)極距和埋深的變化（c）；第4層介質(zhì)影響系數(shù)隨觀測(cè)極距和埋深的變化（d）

本文僅就天水臺(tái)4層水平層狀介質(zhì)模型討論了如何利用影響系數(shù)隨電極埋深和觀測(cè)極距的分布來選擇合適的觀測(cè)極距和電極埋深，對(duì)于其它臺(tái)站也可以做同樣的分析，為觀測(cè)極距和電極埋深的選擇提供依據(jù)。計(jì)算地層介質(zhì)對(duì)視電阻率觀測(cè)的影響系數(shù)，可以分析由表層介質(zhì)電阻率季節(jié)性變化產(chǎn)生的視電阻率年變化，進(jìn)而在實(shí)施井下觀測(cè)時(shí)對(duì)其進(jìn)行抑制。井下觀測(cè)的意義在于：將電極深埋，使觀測(cè)裝置更接近需要探測(cè)的深部區(qū)域，一方面使觀測(cè)裝置遠(yuǎn)離地表干擾源，并且可以適當(dāng)?shù)販p小觀測(cè)極距，有利于抑制來自地表的干擾；另一方面更為直接地探測(cè)來自中深部的孕震信息。本文僅從一維影響系數(shù)的角度分析了井下視電阻率觀測(cè)對(duì)地表淺層季節(jié)性干擾影響的抑制能力，對(duì)于地表具體的局部電性異常體（例如金屬管線、建筑物、蓄水設(shè)施和灌溉渠道開挖等），若要更為準(zhǔn)確地評(píng)估其對(duì)觀測(cè)的影響，應(yīng)用三維影響系數(shù)分析或者建立三維模型進(jìn)行數(shù)值評(píng)估更符合實(shí)際情況（解滔等，2013a、2013b、2014、2015）。

5 結(jié)論

通過分析4種層狀電性結(jié)構(gòu)各層介質(zhì)影響系數(shù)隨電極深度和觀測(cè)極距的變化，發(fā)現(xiàn)影響系數(shù)的變化非常復(fù)雜。隨著觀測(cè)深度的增加，各層影響系數(shù)并非單調(diào)變化，在相同的觀測(cè)極距下，電極埋設(shè)在一定深度范圍內(nèi)時(shí)對(duì)地表介質(zhì)季節(jié)性干擾具有放大作用，但當(dāng)電極埋設(shè)足夠深之后總是能夠有效抑制地表淺層干擾，突出深部介質(zhì)電阻率變化信息。觀測(cè)極距較小時(shí)，視電阻率主要反映裝置所在層位介質(zhì)電阻率變化，隨著極距的增加，逐漸包含其他介質(zhì)層信息。裝置埋深一定時(shí)，隨著觀測(cè)極距的增加，井下觀測(cè)各層影響系數(shù)逐漸接近于地表觀測(cè)時(shí)的影響系數(shù)，井下觀測(cè)的作用減弱。為盡可能地記錄到與孕震有關(guān)的信息，觀測(cè)極距不能太小。因此設(shè)計(jì)井下觀測(cè)時(shí)需要結(jié)合臺(tái)站實(shí)際的電性結(jié)構(gòu)計(jì)算不同電極埋深和供電極距情況下的影響系數(shù)分布予以綜合評(píng)估，結(jié)合現(xiàn)有經(jīng)費(fèi)和技術(shù)條件，在保證有效抑制地表干擾和獲取深部信息的基礎(chǔ)上選擇合適的觀測(cè)極距和裝置埋設(shè)深度。

致謝：兩位匿名審稿專家對(duì)本文提出了寶貴的修改意見，作者表示衷心的感謝。