解滔 于晨 盧軍

中國地震臺網(wǎng)中心，北京 100045

0 引言

自1966年河北邢臺MS7.2地震以來，我國開始將物探電法勘探中的直流視電阻率方法引入到地震監(jiān)測中，選用具有最大信噪比的對稱四極裝置，采用固定極距和位置的方式進(jìn)行規(guī)范化和規(guī)模化的定點(diǎn)臺站連續(xù)觀測，并稱其為“地電阻率”。在50多年的連續(xù)觀測過程中，記錄到了多次大地震前突出的地電阻率中短期異常變化(錢復(fù)業(yè)等，1982；錢家棟等，1985、2013；趙玉林等，2001；汪志亮等，2002；Du，2011；解滔等，2018)，并對一些地震進(jìn)行了年尺度或更短時(shí)間的中短期預(yù)測(汪志亮等，2002；葉青等，2005)。與地震有關(guān)的異常表現(xiàn)為年尺度的持續(xù)性下降或上升變化，近震中區(qū)以下降型異常為主(Du，2011)，不同方向異常呈現(xiàn)出與震源主壓應(yīng)力軸方位有關(guān)的各向異性變化(趙玉林等，1995；錢復(fù)業(yè)等，1996；杜學(xué)彬等，2007)，異常的下降/上升形態(tài)與震源機(jī)制解給出的臺站所處位置的擠壓/拉張應(yīng)變性質(zhì)有關(guān)，在臺網(wǎng)相對較密的區(qū)域，異常起始時(shí)間由震中向外圍逐漸延遲，異常幅度逐漸衰減(錢復(fù)業(yè)等，1982；趙玉林等，2001)，鄰近震中的臺站能夠完整地記錄到震前中期下降—短期加速下降—準(zhǔn)同震階躍—震后恢復(fù)的異常變化過程(Du，2011；解滔等，2018)。這些異?，F(xiàn)象說明地電阻率異常與地震之間具有清晰的物理力學(xué)機(jī)制。

要使地電阻率能在地震監(jiān)測中發(fā)揮作用，離不開高質(zhì)量的觀測數(shù)據(jù)和足密度的觀測臺網(wǎng)。在早期的觀測中，臺站測區(qū)的電磁背景受到的干擾程度低。但是，隨著城鎮(zhèn)化和農(nóng)村經(jīng)濟(jì)建設(shè)的快速發(fā)展，部分臺站受到了破壞性的干擾進(jìn)而停測，臺站數(shù)量從高峰期的近120個(gè)減少至目前的80余個(gè)，且現(xiàn)有臺站中的部分臺站受到地表干擾，嚴(yán)重影響觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量。為突出深部介質(zhì)電阻率變化和抑制年變化，我國地電工作者自20世紀(jì)80年代以來在河北、山東和廣東陸續(xù)開展了一些井下地電阻率實(shí)驗(yàn)觀測(王幫本等，1981；蘇鸞聲等，1982；劉允秀等，1985；劉昌謀等，1994)。但在早期的井下觀測中，由于電極埋設(shè)、線路敷設(shè)等工藝技術(shù)不成熟以及與地下電性結(jié)構(gòu)有關(guān)的理論分析尚不完善等，至21世紀(jì)初，早期建設(shè)的10多個(gè)井下觀測臺站中僅廣東河源臺持續(xù)觀測至今。隨著地表大極距、多方位地電阻率觀測遇到的環(huán)境干擾日趨惡化，2008年以來全國地電臺網(wǎng)技術(shù)管理部門和地電學(xué)科專家積極推動(dòng)井下地電阻率實(shí)驗(yàn)觀測，目前已在全國陸續(xù)建設(shè)了14個(gè)井下實(shí)驗(yàn)觀測臺站(康云生等，2013；王蘭煒等，2015；高曙德，2016)。與此同時(shí)，基于臺址地下電性結(jié)構(gòu)的井下觀測理論解析計(jì)算、有限元數(shù)值計(jì)算和影響系數(shù)分析方法也日趨完善(聶永安等，2009、2010；解滔等，2012、2016；毛先進(jìn)等，2014)。理論分析和實(shí)驗(yàn)觀測結(jié)果表明，井下觀測能較好地抑制淺層潛水位升降、含水率季節(jié)性增減和地表電性異常體對觀測產(chǎn)生的影響。現(xiàn)行地表觀測采用大極距的方式，供電極距AB通常在1000m左右，雖然其在正在開展的井下實(shí)驗(yàn)觀測中有所減小(多數(shù)為300～600m)，但測區(qū)范圍仍然較大。由于測區(qū)面積較大，場地勘選和獲取困難，尤其是在以山地和丘陵為主要地貌特征且地震多發(fā)的南北地震帶，導(dǎo)致了目前臺站稀疏和臺網(wǎng)分布不均勻的現(xiàn)狀；另一方面，由于占用的土地面積較大且相對平整，測區(qū)內(nèi)農(nóng)業(yè)和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)導(dǎo)致的干擾也難以避免。地震監(jiān)測的目的是服務(wù)于保障人民生命財(cái)產(chǎn)安全和國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)，不能因?yàn)閷τ^測數(shù)據(jù)質(zhì)量的要求而阻礙測區(qū)附近的經(jīng)濟(jì)建設(shè)。因此，如果能在有效記錄到地震異常的基礎(chǔ)上大幅減小測區(qū)占地面積，則地電阻率面臨的2個(gè)主要困難都可得到有效的解決，這將有助于開展足密度的組網(wǎng)成場觀測，從而更好地服務(wù)于地震監(jiān)測。

成都臺距2008年汶川MS8.0地震震中35km，NE測道地電阻率在震前記錄到了清晰的中短期異常變化，且其異常的可靠性和成因機(jī)制也得到了充分的討論(Du，2011；錢家棟等，2013、2018；Lu et al，2016)。本文將結(jié)合成都臺實(shí)際的電性結(jié)構(gòu)，采用層狀介質(zhì)地電阻率解析計(jì)算方法(O’Neill et al，1984；姚文斌，1989；聶永安等，2009)和有限元數(shù)值方法(解滔等，2013；解滔等，2016)，就小極距井下觀測方式對地表干擾的抑制能力和異常信息反映能力進(jìn)行討論，分析開展具有全空間性質(zhì)的小極距井下地電阻率觀測的可行性。

圖 1 無限長金屬導(dǎo)線干擾源相對于地電阻率觀測裝置的空間位置示意圖

1 小極距井下觀測

圖 2 無限長金屬導(dǎo)線隨距離的變化對觀測產(chǎn)生的干擾幅度的變化(a)平行于測道方向(起算距離為5m)；(b)垂直于測道方向(起算距離為10m，電極位置未計(jì)算)

在觀測系統(tǒng)正常穩(wěn)定的情況下，干擾源可歸結(jié)為2類：一類具有電流源性質(zhì)，如測區(qū)附近的工農(nóng)業(yè)漏電；另一類為引起電性結(jié)構(gòu)改變的局部電性異常體，其中，金屬管線是對觀測干擾最為顯著的一類干擾源，干擾形態(tài)和幅度與金屬管線的規(guī)模和相對于觀測裝置的位置有關(guān)。考慮最為簡單的情況，我們在半無限均勻介質(zhì)模型下采用有限元方法計(jì)算無限長金屬導(dǎo)線隨距離的變化對觀測產(chǎn)生的干擾幅度的變化，其中，金屬導(dǎo)線的位置分為平行于測道和垂直于測道兩種情況(圖1)。金屬導(dǎo)線的干擾幅度與其橫截面積有關(guān)，在長度和位置相同時(shí)，干擾幅度隨橫截面積的增加而增大，在橫截面積大于1cm2之后趨于穩(wěn)定(解滔等，2016)。模型中介質(zhì)電阻率為50Ω·m，供電極距AB為1000m，測量極距MN為300m，導(dǎo)線橫截面積為10cm2，長度為10AB，電阻率為9.78×10-8Ω·m。圖2 為無限長金屬導(dǎo)線隨距離的變化對觀測產(chǎn)生的干擾幅度的變化。導(dǎo)線平行于測道時(shí)的計(jì)算結(jié)果如圖2(a)所示，隨著距離的增加，干擾幅度逐漸減小，在距離超過1000m時(shí)，干擾幅度降至1‰以下。導(dǎo)線垂直于測道時(shí)的計(jì)算結(jié)果如圖2(b)所示，此時(shí)的距離為導(dǎo)線相對于裝置中心點(diǎn)的距離，但未計(jì)算導(dǎo)線位于電極位置時(shí)的情況。導(dǎo)線越靠近電極時(shí)干擾幅度越大，當(dāng)導(dǎo)線距離超過AB/2時(shí)，隨著距離的增加，干擾幅度逐漸減小，當(dāng)與供電電極向外方向的距離超過500m時(shí)，干擾幅度降至1‰以下。目前地電阻率的觀測精度優(yōu)于3‰，無限長金屬導(dǎo)線干擾幅度低于1‰的距離可作為觀測裝置對干擾源的避讓距離。對于單一測道，沿垂直于測道方向的避讓距離為AB，沿測道方向的距離為AB/2。觀測中通常沿中心點(diǎn)布設(shè)2～3個(gè)不同方向的測道，因此，為使觀測受電性異常體的干擾降低至可忽略的水平，地表觀測臺站測區(qū)的環(huán)境保護(hù)面積至少為2AB×2AB。

井下觀測是通過增加觀測裝置與測區(qū)干擾源的距離來對干擾進(jìn)行抑制，從以上的分析并結(jié)合均勻介質(zhì)中觀測的對稱性可以看出，對于水平測道，埋深H需要大于AB；對于垂直測道，最上端電極埋深需要大于AB/2。直觀上而言，裝置埋深越大，探測范圍越深，越有利于記錄到構(gòu)造應(yīng)力引起的介質(zhì)電阻率變化。但隨著鉆井深度的增加，臺站建設(shè)費(fèi)用也急劇增加。此外，為盡可能減少對原有介質(zhì)電性結(jié)構(gòu)的破壞，鉆井過程中不能嵌入任何形式的套管，鉆井越深，地層壓力越大，施工時(shí)間也越長，井壁坍塌的風(fēng)險(xiǎn)隨之增加。結(jié)合單臺建設(shè)成本，目前井下觀測深度在150m以內(nèi)較為合適。地電阻率是對一定體積內(nèi)介質(zhì)電阻率的綜合反映，為此觀測極距也不能太小，以使觀測具有一定的體積平均效應(yīng)。本文主要對AB=100m的小極距井下觀測進(jìn)行討論，對于水平測道，布極方式可選擇與地表觀測一樣相對于同一中心點(diǎn)對稱的方式(圖3(a))，也可以選擇等邊三角形共用供電極的方式(圖3(b))，以節(jié)約鉆孔經(jīng)費(fèi)。觀測中可以增加垂直測道，但垂直測道與最近的水平測道電極之間的距離應(yīng)大于AB/2。

圖 3 小極距井下觀測布極方式(a)水平測道共中心點(diǎn)對稱分布；(b)水平測道等邊三角形分布

2 干擾抑制能力

圖 4 地電阻率測區(qū)漏電干擾分析(a)測區(qū)漏電位置示意圖；(b)測區(qū)漏電對地表觀測、大極距井下和小極距井下觀測的干擾幅度

地電阻率觀測中，除了工農(nóng)業(yè)漏電和測區(qū)局部電性異常體這2類干擾源之外，地表淺層介質(zhì)電阻率受降雨和溫度季節(jié)性變化影響對觀測產(chǎn)生的年變化并不屬于地震異常信息，這里也將其視為一種干擾源。下面將對比地表觀測和大極距井下觀測，分析小極距井下觀測對這三類影響因素的抑制能力。

2.1 漏電干擾抑制能力

以半無限均勻介質(zhì)來討論測區(qū)游散電流對觀測的影響，介質(zhì)電阻率為50Ω·m，地表觀測極距AB=1000m，測量極距MN=300m；大極距井下觀測極距AB=300m，測量極距MN=100m，裝置埋深120m；小極距井下觀測極距AB=100m，測量極距MN=30m，裝置埋深120m。井下觀測與地表觀測裝置走向一致，且中心點(diǎn)在地表的投影與地表觀測中心點(diǎn)重合(圖4(a))。游散電流Id位于地表，強(qiáng)度為供電電流I的10%。以地表裝置中心點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，游散電流位置沿測道方向在-500m至500m之間變化，計(jì)算游散電流對三套觀測裝置的影響幅度如圖4(b)所示，小極距井下觀測受到的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于地表大極距觀測，也小于大極距井下觀測。因此，小極距井下觀測能有效抑制測區(qū)游散電流類干擾。另一方面，采用小極距的觀測方式，觀測系統(tǒng)外負(fù)載降低，在相同供電電流的情況下，能有效增加測量電極之間的電位差，提高觀測數(shù)據(jù)的信噪比。

2.2 電性異常體干擾抑制能力

圖 5 測區(qū)內(nèi)金屬導(dǎo)線對地電阻率觀測的影響(a)成都臺電測深曲線和NE方向?qū)訝铍娦越Y(jié)構(gòu)；(b)金屬導(dǎo)線相對觀測裝置的位置示意圖

表 1金屬導(dǎo)線對地表觀測、大極距井下和小極距井下觀測的影響幅度

觀測方式AB/mMN/m裝置埋深/m無導(dǎo)線有導(dǎo)線影響幅度/%大極距地表736226048.916941.0381-16.11大極距井下30010012050.061349.7078-0.71小極距井下1003012043.981843.9427-0.09

2.3 年變化抑制能力

圖 6 井下觀測對年變的抑制能力分析(a)表層介質(zhì)電阻率季節(jié)性周期變化；(b)地表大極距觀測年變化；(c)大極距井下觀測年變化；(d)小極距井下觀測年變化

3 信息反映能力

地電阻率是對地下探測范圍內(nèi)介質(zhì)電阻率的綜合反映，深度方向探測范圍與觀測極距AB的尺度相當(dāng)(趙和云等，1982；杜學(xué)彬等，2008)，結(jié)合觀測的對稱性，水平方向探測范圍也大致相當(dāng)(解滔等，2015)。測區(qū)探測范圍內(nèi)介質(zhì)的空間尺度相對于大尺度的區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場，可簡化為均勻受力的一個(gè)點(diǎn)。因此，適當(dāng)?shù)販p小觀測極距和探測體積，仍然可以反映出區(qū)域應(yīng)力對測區(qū)介質(zhì)電阻率的影響。觀測極距減小后，深度方向探測范圍也隨之減小，更多地反映近地表介質(zhì)的影響。但是，考慮到淺表松散浮土層應(yīng)力傳遞能力較低，小極距井下觀測的主體探測范圍應(yīng)反映更為致密的地層，可通過加大電極埋深的方法，以增加探測范圍的深度。但總體而言，由于電極埋設(shè)深度有限，小極距井下觀測的深度探測范圍仍然小于目前的大極距觀測。淺表浮土層以下的介質(zhì)主要為含孔(裂)隙流體較多的沉積層，應(yīng)力承載能力小于基巖，在相同的應(yīng)力作用下會(huì)發(fā)生更為顯著的變形，引起介質(zhì)電阻率的變化。

(1)

(2)

(3)

式中，ρa(bǔ)sL、ρa(bǔ)wL和ρa(bǔ)wS分別表示地表大極距、大極距井下和小極距井下觀測的地電阻率。

圖 7 成都臺地電阻率地表觀測和井下觀測影響系數(shù)(a)地表觀測時(shí)影響系數(shù)隨觀測極距的變化；(b)井下觀測(深度為120m)時(shí)影響系數(shù)隨觀測極距的變化

從圖7(a)和式(1)可以看出，對于地表觀測，在各層介質(zhì)電阻率變化幅度相同時(shí)，第4層介質(zhì)對觀測值變化的貢獻(xiàn)程度約為95%。震例和理論分析認(rèn)為地電阻率異常是由探測范圍內(nèi)深部介質(zhì)電阻率變化引起的(錢復(fù)業(yè)等，1982；錢家棟等，1985)，因而可以認(rèn)為成都臺在汶川地震前的異常變化來源于第4層介質(zhì)的電阻率變化(Lu et al，2016)。地表觀測NE測道的異常下降幅度為7%，通過式(1)中的影響系數(shù)推測第4層介質(zhì)電阻率下降幅度約為7.37%。結(jié)合圖7(b)、式(2)和式(3)中第4層介質(zhì)的影響系數(shù)，推測大極距井下觀測和小極距井下觀測的異常下降幅度分別約為7.01%和7.30%。

通過汶川地震前成都臺地電阻率以上2種異常變化來源方式的計(jì)算可以看出，具有全空間性質(zhì)的小極距井下觀測方式依然可以記錄到震前地表觀測和大極距井下觀測所能記錄到的異常變化。

4 討論

地電阻率是測區(qū)探測范圍內(nèi)介質(zhì)電阻率的綜合反映，異常變化主要反映構(gòu)造應(yīng)力作用下裂隙擴(kuò)展/閉合引起的介質(zhì)電阻率變化(Mjachkin et al，1975)。含水巖石實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，主壓應(yīng)力加載過程中地電阻率呈現(xiàn)下降變化，多數(shù)巖石臨近破裂時(shí)加速下降，破裂后恢復(fù)上升(張金鑄等，1983)，與主壓應(yīng)力垂直的方向變化幅度最大，平行方向最小，斜交方向介于二者之間，表現(xiàn)出與應(yīng)力方向有關(guān)的各向異性變化(陳大元等，1983)，野外原地實(shí)驗(yàn)結(jié)果給出的變化形態(tài)以及各向異性變化特征與實(shí)驗(yàn)室結(jié)果一致(趙玉林等；1983)，許多大地震前近震中區(qū)域臺站的異常變化形態(tài)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致(Du，2011)，這說明地電阻率異常與地震孕育過程存在力學(xué)機(jī)制上的聯(lián)系。力武常茨通過對26個(gè)6級以上地震進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，認(rèn)為地殼的極限應(yīng)變平均值為(4.7±1.9)×10-5(錢復(fù)業(yè)等，1998)。通常情況下，電阻率變化對介質(zhì)應(yīng)變的放大系數(shù)為n×103(Brace et al，1968)，據(jù)此推算，大地震前近震中臺站測區(qū)介質(zhì)電阻率可出現(xiàn)5%左右的變化。地電阻率觀測在深度方向的探測范圍與供電極距相當(dāng)，從三維影響系數(shù)分析的角度來看，在各區(qū)域介質(zhì)具有相同變化幅度的情況下，距測道或電極越近的層位對觀測的貢獻(xiàn)越大(解滔等，2015)。由于地電阻率的深度探測范圍較淺，震前能記錄到異常變化說明孕震晚期應(yīng)力的影響已經(jīng)能達(dá)到距地表100m左右的深度(錢家棟等，2018)，因而采用極距100m左右的全空間小極距井下觀測能夠記錄到地震引起的異常變化。

地震破裂區(qū)域在震前出于閉鎖狀態(tài)，其變形特征在空間上構(gòu)成應(yīng)變場分布，為更好地反映出震前應(yīng)變場分布特征，需要在震中周圍布設(shè)一定密度的觀測臺網(wǎng)。1976年唐山MS7.8地震之前，震中150km范圍內(nèi)運(yùn)行有14個(gè)地電阻率臺站，其中9個(gè)臺站出現(xiàn)了年尺度的趨勢性下降異常，1個(gè)臺站出現(xiàn)上升異常，且由震中向外圍方向異常起始時(shí)間出現(xiàn)延遲，異常幅度出現(xiàn)衰減，揭示出孕震晚期亞失穩(wěn)階段應(yīng)變加速積累并由震中向外擴(kuò)散的現(xiàn)象，且震中附近的昌黎臺、馬家溝臺在臨震階段記錄到了加速下降變化(趙玉林等，1978)。唐山地震震源機(jī)制解為走滑型，出現(xiàn)下降異常的臺站位于壓縮區(qū)，出現(xiàn)上升異常的臺站位于拉張區(qū)，而未出現(xiàn)明顯異常的臺站位于應(yīng)變不明顯的震源機(jī)制解界線附近(錢復(fù)業(yè)等，1982)。

地表地電阻率觀測需要相對平整的場地，采用AB=1000m左右的大極距觀測方式時(shí)所需場地面積太大，測區(qū)內(nèi)潛在干擾因素太多，難以保障高質(zhì)量數(shù)據(jù)的持續(xù)性觀測。隨著城鎮(zhèn)化建設(shè)的推進(jìn)和農(nóng)村經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，土地的潛在價(jià)值日益增加，即便是在華北地區(qū)，想要新建大極距的地表觀測臺站也十分困難。在以山地和丘陵為主要地貌特征的南北地震帶，大極距觀測方式的組網(wǎng)成場布局更是無法實(shí)現(xiàn)，而這也是目前地電阻率觀測面臨的現(xiàn)狀。采用小極距井下觀測方式，能有效抑制來自測區(qū)地表的干擾，保障臺站高質(zhì)量的持續(xù)性觀測。由于大幅度減小了測區(qū)占地面積，一方面可以有效避讓臺站附近的干擾源，另一方面使得場地的勘選和獲取更為容易，將有助于地電阻率觀測的組網(wǎng)成場布局。在多個(gè)臺站出現(xiàn)異常時(shí)可以相互印證，通過分析不同臺站異常的出現(xiàn)時(shí)間、幅度、形態(tài)、空間范圍和各向異性變化，可以對未來地震發(fā)生的地點(diǎn)、震級和時(shí)間做出更好的判斷，從而更好地服務(wù)于地震監(jiān)測預(yù)測。

5 結(jié)論

本文采用地電阻率解析計(jì)算方法和有限元數(shù)值分析方法，對開展具有電流全空間的小極距井下地電阻率觀測的可行性進(jìn)行了理論分析。計(jì)算表明：小極距井下觀測方式能有效抑制測區(qū)游散電流對觀測的影響，提升觀測數(shù)據(jù)的信噪比；能有效抑制測區(qū)電性異常體產(chǎn)生的干擾，保障數(shù)據(jù)的長期穩(wěn)定性；也能有效抑制淺層介質(zhì)電阻率季節(jié)性變化產(chǎn)生的影響，使異常識別更為直觀。結(jié)合汶川地震前成都臺NE測道的異常變化和臺站電性結(jié)構(gòu)，分析認(rèn)為小極距井下觀測能記錄到地表大極距觀測和井下大極距觀測所能記錄到的異常變化。小極距井下觀測大幅度減小了測區(qū)占地面積，使得具有一定密度的地電阻率組網(wǎng)成場觀測成為可能，進(jìn)而使地電阻率這一測項(xiàng)在地震監(jiān)測預(yù)測中能發(fā)揮更好的作用。

致謝：中國地震局預(yù)測研究所趙家騮研究員、甘肅省地震局杜學(xué)彬研究員和天津市地震局聶永安研究員對小極距井下觀測提出了許多有益的建議，審稿專家提出了詳細(xì)和中肯的修改意見，在此一并表示衷心的感謝。