葉 青，王 曉，杜學(xué)彬，解 滔，范 曄，周振貴，劉高川

1.中國地震臺(tái)網(wǎng)中心，北京 100045 2.中國地震局蘭州地震研究所，蘭州 730000 3. 安徽省地震局，合肥 230031

0 引言

地電阻率觀測方法是引入物探電阻率方法[1]，經(jīng)過改良后用于地震預(yù)報(bào)實(shí)驗(yàn)觀測。地電阻率觀測對象的物理含義明確，巖(土)石標(biāo)本受壓至破裂過程中電阻率變化的物理機(jī)理清晰[2-5]，觀測技術(shù)成熟[6-10]，觀測系統(tǒng)長期穩(wěn)定，觀測數(shù)據(jù)曲線能呈現(xiàn)清晰的異常變化形態(tài)[11-15]。在50多年的觀測中，記錄到了大地震前顯著且清晰的異?，F(xiàn)象(如：1976年唐山MS7.8[16]、松潘—平武MS7.2[17]，1988年瀾滄—耿馬MS7.6[18]，1998年張北MS6.2[19]，2003年大姚MS6.2[20]、民樂—山丹MS6.1[21]，2008年汶川MS8.0[22]，2013年蘆山MS7.0[23]、岷縣漳縣MS6.6地震[24]等)，且觀測的異常形態(tài)與實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)[25]、野外原地實(shí)驗(yàn)結(jié)果和理論模型[26]十分吻合。

自1966年邢臺(tái)MS7.2地震發(fā)生以來，由政府組織建設(shè)了大規(guī)模、長期連續(xù)監(jiān)測的地電阻率觀測臺(tái)網(wǎng)。它是我國地震地球物理觀測的重要組成部分，在我國的地震中期、短期預(yù)測中發(fā)揮著重要的作用，多次記錄了中強(qiáng)地震前突出的地電阻率異常，且對其中的某些地震三要素實(shí)施了1年時(shí)間尺度的預(yù)測[27-32]。地電阻率作為一種較可靠的地震前兆觀測方法，已經(jīng)被地震監(jiān)測、預(yù)報(bào)廣泛使用[33-34]，但由于地表觀測裝置所需觀測場地面積太大[35-36]、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，勘選[37]符合觀測規(guī)范的觀測場地也越來越困難，尤其是在地震多發(fā)且以山地為主要地貌特征的川滇地區(qū)，長極距觀測方式的組網(wǎng)布局更是無法實(shí)現(xiàn)。觀測場地選擇的困難已經(jīng)成為制約地電阻率這一映震能力優(yōu)異的觀測手段可持續(xù)發(fā)展的首要因素。目前，在中國主要活動(dòng)斷裂帶和人口密集大中城市附近的地震活動(dòng)區(qū),共有80余個(gè)臺(tái)站擔(dān)負(fù)著常規(guī)的地震監(jiān)測任務(wù)。但隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，這些臺(tái)站中仍有一部分受到各種電磁環(huán)境的干擾。

為了減小或者消除來自地表的雜散電流干擾或者降雨、淺層水位造成的地表地電阻率變化引起的干擾，以獲得可能的深部地震或構(gòu)造運(yùn)動(dòng)信息[38-39]，采用井下觀測的方式嘗試減輕這些干擾。相對于地表地電阻率觀測，井下地電阻率觀測仍然采用對稱四極或者不對稱方法，以水平或者井下垂直觀測等方式，通過將電極裝置埋設(shè)在地下一定深度來觀測地電阻率。

本文對井下地電阻率觀測的發(fā)展、井下觀測對地表雜散電流和金屬管線的抑制作用，以及季節(jié)性變化引起的年變化與布極關(guān)系等實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果進(jìn)行了總結(jié)，并且對井下地電阻率的映震效能進(jìn)行評估分析，為井下地電阻率觀測的建設(shè)和研究提供參考。

1 井下地電阻率觀測發(fā)展

我國用于地震觀測的井下地電阻率最早開始于20世紀(jì)80年代的實(shí)驗(yàn)觀測，當(dāng)時(shí)采用的儀器和地表觀測一樣，用DDC-2A型電子自動(dòng)補(bǔ)償儀測量電位差，用安培表讀取供電電流，屬于人工觀測[40]。文獻(xiàn)[41-42]記載山東臨沂、莒縣進(jìn)行的井下地電阻率觀測曾記錄到距臺(tái)站300 km范圍內(nèi)的多次地震，并記錄到“趨勢下降-轉(zhuǎn)折回升”的異常變化現(xiàn)象，與報(bào)道的地表地電阻率異常特征相似。但莒縣、費(fèi)縣等的觀測裝置采用單孔水井單裝置的垂直觀測；臨沂臺(tái)的裝置采用同一方向水平面上布設(shè)4口井的方法觀測地電阻率，其電極埋深僅30 m。這些僅是嘗試性的觀測，其觀測結(jié)果同時(shí)還與不同地區(qū)地下電性結(jié)構(gòu)的差異有關(guān)，再加上當(dāng)時(shí)的布極方式、裝置系數(shù)的計(jì)算等不成熟，致使當(dāng)時(shí)的實(shí)驗(yàn)研究不夠深入，給不出明確的發(fā)展建議；另一方面，當(dāng)時(shí)的觀測環(huán)境干擾還不是很多。因此，至90年代末期山東、天津用于實(shí)驗(yàn)的井下地電阻率均停止觀測。

隨著沿海地區(qū)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，地震觀測環(huán)境干擾越來越嚴(yán)重。廣東新豐江河源又重新開展了深井觀測實(shí)驗(yàn)，當(dāng)時(shí)采用單向供電的C-ATS型觀測儀器[43]，觀測不穩(wěn)定。隨著觀測技術(shù)的發(fā)展，河源臺(tái)[44]于2013年進(jìn)行了改造，采用了數(shù)字化的雙向供電ZD8M型儀器，提高了觀測精度。河北大柏舍臺(tái)[45]2010年左右為了監(jiān)測C-ATS儀器的穩(wěn)定性和觀測裝置布極的設(shè)計(jì)方式，也開展了水平和垂直布極的模式進(jìn)行實(shí)驗(yàn),一直持續(xù)到現(xiàn)在。這兩個(gè)臺(tái)站的建設(shè)為井下觀測提供了不少可以借鑒的關(guān)鍵技術(shù)。但兩個(gè)臺(tái)站所在的地區(qū)基本不屬于地震多發(fā)地帶，因此在中國“十五”觀測網(wǎng)絡(luò)項(xiàng)目建設(shè)時(shí)期，處于南北地震帶的甘肅[46-47]、陜西等地也開始開展井下地電阻率的實(shí)驗(yàn)觀測。此時(shí)已經(jīng)從模擬觀測到網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化的智能儀器，裝置系統(tǒng)的設(shè)計(jì)也采用了比較成熟的地表觀測的布極方式[48]，一般是正交2個(gè)方向或者增加一個(gè)斜向進(jìn)行。以甘肅天水臺(tái)(圖1)、平?jīng)雠_(tái)(圖2)為代表的裝置設(shè)計(jì)方式，還增加了多層觀測和中心井垂直觀測的綜合布極方式，其目的為對比觀測不同層位地下介質(zhì)地電阻率的變化情況。這些臺(tái)站在2013年岷縣漳縣[49]、2013年四川蘆山[50]、2017年九寨溝[51-52]、2018年寧強(qiáng)等地震前都記錄到較好的地震前兆異常信息。因此，在2018年的國家小型基建項(xiàng)目中，為提高首都圈地區(qū)的地震監(jiān)測能力，國家開展了“冬奧會(huì)保障晉冀蒙監(jiān)測能力提升項(xiàng)目”[53]，提出了在地表地電阻率觀測站進(jìn)行同場地深井短極距實(shí)驗(yàn)觀測的模式，進(jìn)行了8個(gè)井下地電阻率實(shí)驗(yàn)觀測，截至目前包含“冬奧保障項(xiàng)目”已經(jīng)建成并試運(yùn)行了5個(gè)臺(tái)站(表1最后5個(gè))，全國共有25個(gè)臺(tái)站進(jìn)行井下觀測(表1)。

A1、A2、A3、B1、B2、B3.供電電極；M1、M2、M3、N1、N2、N3.測量電極。

A1、A2、B1、B2.供電電極； M1、M2、N1、N2.測量電極。

2 實(shí)驗(yàn)研究成果

對井下地電阻率的實(shí)驗(yàn)研究可以總結(jié)如下幾個(gè)方面：井下地電阻率對地表雜散電流和金屬管線的抑制；季節(jié)性變化引起的地電阻率年變化現(xiàn)象與裝置布極的關(guān)系；映震效能。

2.1 井下觀測對地表雜散電流和金屬管線的抑制作用

地表雜散電流類干擾包括觀測區(qū)內(nèi)工農(nóng)業(yè)用電漏電、軌道交通系統(tǒng)運(yùn)行漏電干擾等[54]。有學(xué)者研究認(rèn)為地表干擾電流的影響有明顯差異，取決于地電斷面類型、工作參數(shù)[55]、供電電極、測量電極的埋深和避開干擾源的距離等因素。研究認(rèn)為[56]深埋電極可以抑制一部分地表雜散電流的干擾。地鐵運(yùn)行時(shí)的漏電是一種典型的雜散電流干擾，以江蘇江寧臺(tái)為例。江寧臺(tái)原地表觀測南北向供電極距1 000 m，電極埋深3 m(2018年底停測)。目前井下實(shí)驗(yàn)觀測有兩個(gè)南北向測道，南北向長供電極距1 000 m，電極埋深200 m，短供電極距200 m，電極埋深200 m。此臺(tái)站目前受南京市5條線路的城市地鐵運(yùn)行干擾，距離測區(qū)最近1.5 km，地鐵每日最早5:00運(yùn)行，最晚23:00停運(yùn)。圖3a顯示了江寧臺(tái)南北向不同供電極距2021年3月6日至7日的井下地電阻率曲線。3月6日0:00—4:00地鐵停運(yùn)時(shí)段相對5:00—23:00地鐵運(yùn)行時(shí)段，長極距地電阻率變化率達(dá)3.800%，而短極距地電阻率變化率為0.006%，短極距地電阻率變化率遠(yuǎn)小于長極距；這說明縮短供電極距，在同等電極埋深下，井下觀測可以減小干擾幅度。但地鐵運(yùn)行時(shí)段長、短極距井下地電阻率均方差分別為0.91和0.33 Ω·m，依據(jù)技術(shù)規(guī)范[57]，仍是超差的。從動(dòng)態(tài)曲線上看，短極距井下地電阻率地鐵運(yùn)行時(shí)段變化動(dòng)態(tài)仍大于停運(yùn)時(shí)段。圖3b是江寧臺(tái)南北向2016年3月6日至7日地表地電阻率曲線，電阻率均值為129.5 Ω·m，而井下長極距電阻率兩日均值為99.5 Ω·m(圖3a)，井下背景值比地表背景值減小33%，地表觀測受淺層電阻率變化的影響較嚴(yán)重，而電極深埋抑制了淺層電阻率變化的影響。地鐵運(yùn)行時(shí)段地表地電阻率的均方差超過1.50 Ω·m，長極距井下地電阻率的均方差為0.91 Ω·m，也可以看出，井下觀測比地表觀測精度提高40%。

表1 國家地震地電臺(tái)網(wǎng)井下地電阻率觀測一覽表

綜上分析，井下深埋電極在相同測區(qū)條件下可以大幅度抑制雜散電流的干擾，降低噪聲幅度，但距離地鐵站近的觀測站并不能完全抑制直流軌道交通這樣特殊的雜散電流干擾。隨著我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，各大城市地鐵、輕軌線路也逐漸增多，因此要更加有效地抑制此類固定的較大電流的干擾，采用交流井下地電阻率觀測也是當(dāng)前亟待考慮的一個(gè)發(fā)展方向，既可以抑制干擾，也可以解決部分地區(qū)占地面積受限的問題。

金屬管網(wǎng)(線)是另外一種容易對地電阻率觀測造成干擾的靜態(tài)干擾源，它對觀測的干擾幅度受自身電阻率和橫截面積的影響，管線電阻率越低，干擾幅度越大，有效橫截面積越大，干擾幅度越大[56]。文獻(xiàn)[56]利用有限元模擬方法對內(nèi)蒙古寶昌臺(tái)地電阻率受測區(qū)周邊地埋鋼纜線干擾的定量計(jì)算表明，不同表層土壤凍土階段的干擾幅度不盡相同，完全融解的土壤階段受干擾程度最大，并且與實(shí)際觀測值相符。筆者研究了幾種不同金屬管線的干擾形態(tài)和幅度，以江蘇南京臺(tái)為例。該臺(tái)站地表和井下地電阻率同場地觀測，2017年4月27日距離該測區(qū)30 m左右沿東西向建設(shè)多個(gè)高壓鐵塔，而地電阻率距南北向供電極坑10 m左右各建設(shè)了1個(gè)高壓鐵塔，每個(gè)鐵塔上經(jīng)過一根避雷導(dǎo)線接地，接地線通過大地聯(lián)通導(dǎo)線，對電阻率測區(qū)形成了金屬導(dǎo)線的外部環(huán)境改變。圖4是南京臺(tái)地表和井下地電阻率2017年4月15日至5月6日的地電阻率小時(shí)值(地電阻率儀每小時(shí)采集1個(gè)數(shù)值)曲線?？梢钥吹剑耗媳毕?月27日地表地電阻率臺(tái)階變化為2.46 Ω·m，井下地電阻率臺(tái)階變化為1.26 Ω·m，井下干擾幅度減少50%；東西向4月27日地表地電阻率臺(tái)階變化為1.01 Ω·m，井下地電阻率臺(tái)階變化為0.93 Ω·m，井下干擾幅度減少8%。南北向比東西向減少的幅度大約提高42%。這是因?yàn)闁|西向鐵塔在地電阻率東西向測線平行的外側(cè)，距離測區(qū)稍遠(yuǎn)，鐵塔所形成導(dǎo)線的偶極場對地電阻率供電來說是對稱的，抵消了一部分干擾，并且井下電極的埋深只有50 m，并不是特別深，對于較長供電極距的設(shè)計(jì)方式來說，兩個(gè)地電阻率干擾幅度相當(dāng)是可能的。而南北向附近僅有2個(gè)鐵塔，靠近供電極的一測，當(dāng)?shù)仉娮杪使╇姇r(shí)并不能抵消偶極場產(chǎn)生的影響，而且形成的導(dǎo)線長度較短，因此干擾幅度相差較大。這與文獻(xiàn)[56]的結(jié)論相一致，干擾幅度與鐵塔的數(shù)量和避雷導(dǎo)線接地的范圍有關(guān)，并且與避雷導(dǎo)線和電阻率的測線方向也有關(guān)。此外研究還發(fā)現(xiàn)當(dāng)金屬管線形成固定的干擾后，測區(qū)降雨時(shí)井下電阻率的干擾幅度會(huì)小于地表電阻率的干擾幅度，這也與所形成的避雷導(dǎo)線的長度及避雷導(dǎo)線的接地范圍有關(guān)。

a. 2021年3月6日--7日，井下；b. 2016年3月6日--7日，地表。ρ. 地電阻率。

a. 南北向；b. 東西向。

2.2 季節(jié)性變化引起的地電阻率年變化與布極的關(guān)系

地電阻率年變化是季節(jié)性降雨[58-60]、淺層水位變化等改變了淺層介質(zhì)電阻率而引起的。文獻(xiàn)[61]認(rèn)為，不同的地下介質(zhì)結(jié)構(gòu)除了影響地電阻率年變化形態(tài)外，根據(jù)不同的裝置系統(tǒng)布設(shè)，對地電阻率年變化幅度的影響也不盡相同。通過多年的實(shí)踐觀測，研究了幾種典型不同供電裝置井下地電阻率的年變化幅度與布極的關(guān)系，進(jìn)一步印證了不同臺(tái)站位置和裝置布極呈現(xiàn)不同的地電阻率年變化形態(tài)和幅度。以表2所示的5個(gè)臺(tái)站為例。地表觀測供電極距均大于1 000 m，其年變化幅度都比井下的大，呈現(xiàn)的地電阻率年變化動(dòng)態(tài)為“夏高冬低”或者“夏低冬高”。井下觀測供電極距大于等于電極埋深的天水臺(tái)、江寧臺(tái)(圖5)表現(xiàn)出“夏低冬高”的變化形態(tài)，且江寧南北向長極距地電阻率年變化幅度比南北向短極距地電阻率年變化幅度大0.6%；供電極距小于等于電極埋深的通州、延慶、新城子地電阻率年變化動(dòng)態(tài)基本不明顯，地電阻率年變化幅度與天水、江寧臺(tái)變化相當(dāng)。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，供電極距(大于200 m)大于電極埋深的井下地電阻率年變化形態(tài)多為正常的“夏低冬高”形態(tài)，主要原因?yàn)殡S著夏季降雨量的增加，表層介質(zhì)含水率升高，地表介質(zhì)電阻率降低，故引起視電阻率觀測值降低；而冬季降水量減少，表層介質(zhì)電阻率上升[62-63]，視電阻率觀測值升高。而供電極距(小于200 m)小于等于電極埋深的臺(tái)站，大多年變動(dòng)態(tài)不明顯，并且變化幅度很小(表2)。圖6為新城子臺(tái)多年日均值動(dòng)態(tài)曲線，其形態(tài)比較平穩(wěn)；而江寧臺(tái)(圖5)南北向、東西向均呈現(xiàn)明顯的峰谷年變化形態(tài)。由此可見，不同臺(tái)站的井下最大地電阻率年變化幅度差異顯著，且年變化形態(tài)也存在差別，這也說明了不同區(qū)域、不同臺(tái)站其地下電性結(jié)構(gòu)及表層影響的不同等原因表現(xiàn)出了年變化的復(fù)雜性。

表2 井下與地表地電阻率年變化幅度對比一欄表

a. 南北向長極距；b. 南北向短極距；c. 東西向。

a. 南北向；b. 東西向。

2.3 映震效能

為分析井下地電阻率的映震效能，研究了目前全國25個(gè)井下地電阻率觀測站在震前的變化現(xiàn)象和映震效能。表3列出了具映震效能臺(tái)站的井下地電阻率變化情況。從表3中可以看出，運(yùn)行時(shí)間較長的平?jīng)觥⑻焖?、昌吉觀測站，在幾次6級(jí)以上較大地震前不同方向出現(xiàn)大幅度突跳或抖動(dòng)現(xiàn)象和先下降后上升的現(xiàn)象，震中距56～550 km范圍內(nèi)不等，這種不同方向出現(xiàn)異常變化的現(xiàn)象與站點(diǎn)斷層構(gòu)造[11]方向和地電阻率的各向異性[35]有關(guān)。蘭州觀測站布極方式為垂直觀測，在阿左旗5.8級(jí)地震前呈現(xiàn)地電阻率先下降后上升的變化特點(diǎn)。海安、河源在一些4級(jí)地震前的100 km震中距范圍內(nèi)也記錄到先下降后上升的異常現(xiàn)象。這與文獻(xiàn)[49, 64-65]在一定范圍內(nèi)記錄的震前變化現(xiàn)象吻合。以上出現(xiàn)異常的觀測站，均屬于供電極距大于電極埋深的布極方式。而供電極距小于等于電極埋深的震例為2020年7月12日唐山古冶地震前和2021年4月16日的灤州地震前，通州臺(tái)井下地電阻率出現(xiàn)先下降后上升的異?，F(xiàn)象[66]，但異常變化幅度較小。2021年5月22日青海瑪多7.4級(jí)地震前，甘孜臺(tái)地電阻率也發(fā)生趨勢下降后上升的異常現(xiàn)象。分析甘孜臺(tái)井下地電阻率小時(shí)值曲線(圖7)可以看出，甘孜臺(tái)北東向、北西向動(dòng)態(tài)曲線存在明顯的“夏低冬高”年變化現(xiàn)象。北東向自2018年1月至2020年8月趨勢下降，相對于該時(shí)段平均值下降相對變化率達(dá)2.8%，2020年9月以后趨勢上升；北西向自2018年1月至2019年9月趨勢下降，相對于該時(shí)段平均值下降相對變化率達(dá)1.1%，2019年10月以后趨勢上升。這種變化現(xiàn)象符合表3中大部分震前地電阻率的“先下降后上升”的異常特征。

表3 井下地電阻率映震效能一覽表

圖8為利用歸一化月速率方法處理的甘孜臺(tái)地電阻率月均值數(shù)據(jù)所得曲線。該方法經(jīng)過去傾、去年變化后，把一段時(shí)間的電阻率數(shù)據(jù)分成若干個(gè)子序列，對子序列進(jìn)行線性回歸后，求其曲線斜率和相關(guān)系數(shù)，最后構(gòu)成整個(gè)序列的初始變化速率，再對初始變化速率進(jìn)行方差趨于1、均值趨于0的處理，最終得到歸一化變化速率序列。一般根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值，地電阻率歸一化變化速率異常閾值為±2.4[67-68]。自2018年以來，甘孜臺(tái)北東向歸一化速率在2019年底和2021年初存在超出閾值的現(xiàn)象，北西向歸一化速率在2020年底和2021年初出現(xiàn)超出閾值的現(xiàn)象，與文獻(xiàn)[69]所述地表電阻率的異常變化形態(tài)吻合。

a. 北東向；b. 北西向。

a、b. 北東向；c、d. 北西向。

此外，井下短極距地電阻率異常與地表地電阻率普遍認(rèn)為大于1%的變化即為異常信息的認(rèn)知有所區(qū)別[67, 70]。例如冬奧保障會(huì)試驗(yàn)項(xiàng)目均采用測量極距小于電極埋深的裝置設(shè)計(jì)方式，在2020年7月12日的唐山5.1級(jí)地震中通州臺(tái)觀測到的異常變化幅度為千分之幾[66]。由于臺(tái)站地下電性結(jié)構(gòu)的不均勻性，地電阻率對地下變形微裂隙變化的響應(yīng)能力也不同。因此筆者認(rèn)為，建臺(tái)前仔細(xì)勘查地下介質(zhì)的巖性結(jié)構(gòu)和電性結(jié)構(gòu)，合理設(shè)計(jì)觀測裝置布極和井下施工作業(yè)技術(shù)細(xì)節(jié)[71-78]，都是獲得高質(zhì)量井下地電阻率觀測結(jié)果需要研究和考慮的。

通過表3的分析發(fā)現(xiàn)，在25個(gè)井下地電阻率觀測中，排除地震少發(fā)區(qū)或者剛剛建成的觀測站，能映震的臺(tái)站占比約57%。在12次中強(qiáng)地震中，這些臺(tái)站中出現(xiàn)先下降后上升現(xiàn)象的有8次，占66.7%，出現(xiàn)高頻抖動(dòng)或者突跳的有5次，占41.7%，說明井下地電阻率對中強(qiáng)地震具有一定的映震效能，大部分異?，F(xiàn)象符合地電阻率的震前變化機(jī)理[29, 32]。

3 結(jié)論與展望

1)通過觀測裝置深埋的方式可以有效抑制由非構(gòu)造因素引起的地表淺層介質(zhì)電阻率變化對觀測的干擾，如雜散電流、金屬管線等。井下地電阻率雖然可以抑制一部分地鐵干擾，但干擾源距離觀測站較近時(shí)并不能完全抑制。

2)井下地電阻率觀測可以減小由于季節(jié)性變化引起的地電阻率年變化幅度，在一定的斷層附近具有較好的映震效能。從觀測結(jié)果來看，井下觀測可以有效提高觀測精度，地電阻率的變化也相對穩(wěn)定，異常變化幅度也相應(yīng)減小。

3)近年來隨著觀測技術(shù)和計(jì)算技術(shù)的進(jìn)步，我國地震監(jiān)測、預(yù)報(bào)從經(jīng)驗(yàn)預(yù)報(bào)向物理預(yù)報(bào)發(fā)展，井下地電阻率觀測系統(tǒng)的建立和應(yīng)用將會(huì)受到越來越多的重視。但由于地下介質(zhì)的復(fù)雜性，井下建設(shè)技術(shù)和數(shù)據(jù)分析面臨挑戰(zhàn)，在這種情況下，加強(qiáng)建設(shè)實(shí)踐、完善井下裝置施工技術(shù)和合理的裝置布極設(shè)計(jì)顯得十分重要。