地电阻率观测是我国地震监测的主要方法之一,在地震监测预报中发挥着重要作用。从1966年邢台地震后我国开始开展地震地电阻率观测,至今40多年来积累了大量的观测数据和科学研究成果,在方法理论、观测技术、观测数据应用等方面取得了很大发展,在国内外地震电磁学领域占有一定地位(赵洁等,2008)。天水台地电阻率在地震预测方面也发挥着重要的作用,如汶川8.0级地震前天水地电阻率NS道出现大幅异常(方炜,2009),震前42天测值突升,高值持续两个月才逐渐恢复到原来的状态,说明天水地电能够反映地震前兆信息,但是反映地震前兆信息的首要前提是有良好的观测环境。

目前,国内的地电阻率观测技术多采用对称四极法,其供电电极和测量电极的埋深为2 m左右,供电极距多为1 000～2 000 m,观测系统占地面积大,需要环境保护区的范围达2～5 km²,较大的保护区使部分地电台站观测环境保护的任务越来越重(田山等,2009; 聂永安等,2010)。随着地方经济的快速发展,地震观测环境逐渐遭到破坏,观测到的数据中干扰信息日益增多。天水地震台地电测区被天水甘泉物流园征用,观测资料受到严重干扰,在这种背景下,经过多次论证专家们认为在原测区可以尝试井下地电阻率观测方案。使地电台避免大的干扰,继续发挥重要的作用。

利用钻井的方式进行地电观测,有助于消除降雨、灌溉、金属管线等地表特定影响因素对观测数据造成干扰,对地表部分电磁环境干扰也有一定的抑制作用。我国山东等地在多年前就开始地电井下观测,1979年7月山东临沂台井下电阻率开始观测,4口观测井呈东西向等间距排列,间距为7 m,井深30 m,供电、测量电极均置于井底(王帮本等,1981; 孟庆武,阎洪朋,1991); 莒县、费县、苍山县地震局等也较早开展井下电阻率观测,其中莒县观测井井深209.27 m,供电电极分别在井中186 m 处和15 m 处,测量电极分别在井中150 m和50 m处; 苍山县井深162.29 m,费县井井深161.19 m,供电电极和测量电极全部放入井中,按一定极距布设电极(孙承德等,1996,1998); 临沂市的郯城县、沂南县、蒙阴县地震局目前仍在进行深井电阻率仪器观测(尹相好等,2010)。近年来我国各地开始建立系统化的电阻率台站,2010年1月红山基准台大柏舍地电台井下电阻率架设仪器并观测,4口观测井等间距排列,井深100 m,间距为20 m; 陕西合阳台于2011年7月开始地电深井观测,测道有东西向、南北向和垂直向,共7口井,其中一口井为东西、南北测道共用,垂直观测也设置在此井。每口井深120 m,供电极距120 m,测量极距为40 m,另外该深井项目还进行地电场观测。虽然有少数台站进行井下地电阻率观测,但目前仍处于探索阶段,没有直接经验可以借鉴,所以天水地电观测系统建设仍在摸索中。井下观测与地面观测相比,在安装施工方面存在许多困难,安装施工过程中发现的一些问题及解决途径有一定的参考价值,特别是井下综合观测、效能对比对同类观测、施工有着重要的参考意义,期望天水井下地电观测方案为干扰严重地区的地震地电观测提供一定的参考价值。

天水地电布极方案主要以地电阻率测项为主,采用井下观测方式成本高,为了有效利用资源,实现效能最大化,该项目同时设计地电阻率、大地电场和地温梯度的综合观测。笔者在本文中只讨论地电阻率观测。

天水井下观测区域位于天水甘泉物流园,地处崖湾村与白石村之间的永川河1、2级河谷阶地上,上覆第四系覆盖层,厚20～30 m,其下是第三系粘土层,厚约450～500 m,基底为古生界变质岩。海拔1 153 m,年平均湿度约63%,年平均温度18 ℃(张新基等,2005)。

项目设计的外场地建设方案为一次性施工,在场地规划、布极、布线方案中,以地埋设施的长久安全为首选,尽可能优选公路边和人行道,信号线采用全地埋方式布设,以蛇形弯曲布设为主。布极分布近似等边直角(81°)三角形,大致呈北南、东西、北东向分布。北南、东西向井孔间距100 m,北东向井孔间距130 m,共9口井。由于场地限制,NS、EW向井孔并非四点一线,但

图1 井孔位置分布图(黑粗线为信号线布设位置)
Fig.1 Distribution of borehole location(thick black lines stand for layout position of signal lines)

天水井下电阻率观测系统于2011年3月27日开始试运行,观测系统运行正常,观测数据良好,观测结果符合地电观测要求。本文选取2011年4～9月所有测道的数据进行对比研究(图3),EW,NS,NE道按不同观测方式可以测6组数据,6组数据相互比较,可以看出浅层观测电阻率变化幅度大,深层观测变化幅度小(图3a～c); 垂直观测变化幅度也较小(图3d); 同时用已知电阻进行测量来验证仪器是否工作正常(图3e)。总体来说从图3中可以看出深层电阻率没有年变,其它观测方式年变明显。

由于观测系统还在试运行阶段,目前仪器使用交流电,没有接入稳流源,无备用电源,图3中缺数是由停电造成的。谭大诚等(2005)研究表明,稳流源对地电阻率观测系统的影响主要有两方面:一是稳流仪输出电流的稳定性与测量数据的可靠性有直接关联; 二是稳流仪的设计采用高频开关技术以及各种提高可靠性的技术后能有效增强观测系统运行的可靠性。因此天水井下观测系统正式运行后,接入稳流仪会使测值的可靠性更高。

井下电阻率每天选定一个干扰相对干扰较小或无人为干扰时段的测值作为日测值,而传统地电阻率观测得到的是整点值,将整点值平均后作为日测值。从图3可看出井下地电阻率受干扰程度相对较小,浅层水平观测测值比其他观测方式测值变化幅度大。上供下测是由浅层供电极供电,深层测量极测量; 下供上测是由深层供电极供电,浅层测量极测量; 上AB供下AB测是浅层供电极供电,深层供电极测量; 下AB供上AB测是深层供电极供电,浅层供电极测量。天水井下电阻率测值变化幅度很小,观测以来EW,NS,NE道浅层电阻率最大变幅分别为1.6,1.88,0.14 Ω·m,深层电阻率最大变幅分别为0.02,0.03,0.37 Ω·m,其它观测方式电阻率变幅在0.06～0.3 Ω·m,说明井下观测能很好的抑制来自地面的干扰。

天水井下观测系统原有电阻率观测系统布极参数分别为,EW道:AB=900 m,MN=300 m;

N15°W道:AB=1 000 m,MN=333 m; N45°W道:AB=240 m,MN=40 m。电极与地面平行埋入2 m深土层,外线路为电缆架空。经过预处理后的电阻率测值曲线如图4所示。

由于原有的地电观测系统和目前的井下地电观测系统的极距和电极的深浅不一致,井下观测系统采用多测道观测方式,而原有电阻率只能观测三道,所以观测数据无法直接比较。只能将原有地电电阻率与井下浅层电阻率进行简单地比较。为了和井下电阻率比较,原有观测系统时段也选在4～9月,原有电阻率EW,NS,NE道电阻率变幅分别为1.56,0.46,5.72 Ω·m,从测值来看原

图3 天水井下电阻率日测值曲线(a)EW道;(b)NS道;(c)NE道;(d)垂直观测;(e)验证系统
Fig.3 Daily observational value curves of electrical resistivity in underground well at Tianshui Station(a)EW direction;(b)NS direction;(c)NE direction;(d)Vertical observation;(e)Verifying system

有观测系统预处理后的测值变化幅度比井下观测系统浅层观测方式测值范围要大。虽然井下观测系统无法与原有观测系统逐一比较,但是在理论上如果井下电极位置和供电极距选择合理,测值会较为理想。聂永安等(2010)通过算例数值计算结果表明,地下观测装置可以减小甚至消除地表环境变化对视电阻率观测结果的影响,而又能提高视电阻率对基岩电阻率变化响应的灵敏度。虽然井下观测系统测值变化幅度较原有观测系统小,但目前在映震能力方面还没有震例可供研究,目前在这方面还无法下结论哪套系统更具优势。井下电阻率观测系统的映震能力强弱只有等待观测较长时间并积累一些震例后才能得出结论。

图4 2011年4～9月天水电阻率日测值曲线(a)EW道;(b)N15°W道;(c)N45°W道
Fig.4 Daily observational value curves of electrical resistivity at Tianshui Station from Jan.,2010 to July,2011(a)EW direction;(b)N15°W direction; (c)N45°W direction

(1)天水地电观测系统已正常运行,系统产出的数据内在质量符合观测规范要求。此观测系统是一个新兴的项目,是地震观测环境受到严重破坏时创新性的尝试,是解决地震观测与经济建设之间矛盾的有效途径。该方法具有能大大缩小观测环境保护区范围,对地电阻率变化信息的测量响应程度高,以及对来自地表的干扰有较强抑制能力等优点,是未来地震地电观测的发展方向。

(2)对天水井下地电观测信号线进行全程地埋,使线路不容易受到损坏,也避免了雷击,观测人员不用像过去使用普通电阻率观测那样查线,减轻了负担,井下观测受外界环境干扰小。但这种方式也存在弊端,即一旦井下电极或线路出现故障,基本上无法进行维修。

(3)本文中只介绍了地电阻率观测,今后还可利用钻孔资源进行多测项多方位立体综合观测实验,实现效能利用最大化。本文对观测系统、观测方案及技术途径等的介绍能为以后井下观测系统建设提供参考。