河北大柏舍台深井与浅层地电阻率观测对比分析

乔子云，罗　娜，张国苓，贾立峰，白云刚，张　波

(1.河北省地震局，石家庄　050021；2.河北省地震局红山基准台，河北 邢台　054000；

3.河北省地震局秦皇岛中心台，河北 北戴河　066000)



河北大柏舍台深井与浅层地电阻率观测对比分析

乔子云1，罗娜2，张国苓1，贾立峰1，白云刚3，张波2

(1.河北省地震局，石家庄050021；2.河北省地震局红山基准台，河北 邢台054000；

3.河北省地震局秦皇岛中心台，河北 北戴河066000)

摘要：介绍了河北大柏舍台深井与浅层地电阻率的观测概况，对其观测精度、抗干扰能力、年变规律等进行了对比分析。发现深井地电阻率在观测精度、抗干扰等方面均优于浅层地电阻率；深井地电阻率年变规律与浅层地电阻率有着较大差别，浅层地电阻率2个测道的年变化明显，而深井地电阻率的年变不明显。

关键词：大柏舍台；深井地电阻率；干扰；年变

0引言

随着国家经济建设的快速发展，地震监测中地电观测方法受到人类活动的干扰越来越严重，农村种植业、养殖业的大面积兴起，城市急剧膨胀，特别是乡镇的城市化扩张，对地电观测造成一定的影响。目前，浅层电阻率观测中大部分的台站由于测区较大，环境受到不同程度的干扰，有的台站甚至遭到了破坏，寻求一种降低干扰因素的观测系统迫在眉睫[1]。因此，井下地电阻率观测成为目前的发展方向之一。

井下地电阻率观测是将原本埋在地表的电极装置深埋在地下一定深度，在地下水平向开展对称四极的地电阻率观测，以及垂直方向(同一井下电极埋深高度不同)的地电阻率观测。这种观测方式不但能有效抑制地表干扰对地电阻率观测的影响，而且能有效化解地震观测环境保护与当地经济和社会发展之间的矛盾[2]。2009年11月，在河北省地震局大柏舍台开展了井下地电阻率观测实验。该观测系统2010年1月正式运行，数据使用开始时间为2010年4月，2013年6月观测仪器由数字化井孔电极观测ATS-SR仪器更换为ZD8B数字地电仪，至今已积累了4年多的观测资料。

1台址条件及观测概况

1.1　台址条件

大柏舍地电台位于华北平原南部，隆尧县城南3 km处，测区内地形平坦，无明显高差，电极分布在农田里；测区内无明显的大干扰源，工业游散电流和其它电磁信号的干扰源较小，布极区及附近无较大的河流、水渠和大积水坑，周围无铁路、地铁、轻轨等路线经过，布极区远离无线电和电视发射塔等设施。台站处于宁晋凸起和巨鹿凹陷交接的隆南断裂带上(图1)，据钻探资料， 台址第四系厚680 m， 在孔深720 m处是20 m的断裂破碎带[3]。另据电测深资料，测区地表下浅层共有4个电性层，第1、第2层厚125 m．电阻率分别为70 Ω·m和25 Ω·m；第3层厚300 m，为亚砂土和亚粘土互层，电阻率较低，约为10～12 Ω·m[4]。

图1　大柏舍地电台区域地质构造图

1.2　观测概况

大柏舍台建于1966年邢台大地震后，当时由中国科学院地球物理研究所管理，后隶属于红山基准台，有土地电法、自然电位和电阻率等多项观测项目，使用人工读数的DDC-2B观测系统。由于受环境干扰及其他原因，1989年对台站进行了整体搬迁，台站位置往北迁移1 km。1991年完成台站建设任务，1992年正式投入运行，1997年地电阻率观测在省内率先进行了数字化改造，试用ZD8A型数字化电阻率观测仪，1999年升级为ZD8A-B型仪器。2000年年底，“九五”项目开始实施，对外线进行了大规模的改造，把观测系统所有的外线更换为绝缘线，外线路采用架空方式，2001年再次进行数字化改造，观测仪器更新为ZD8B型数字地电仪，大柏舍浅层地电阻率观测采用对称四极测量(图2a)，布设有EW和NS 2条测线，供电极距1 500 m , 测量极距500 m，电极埋深为2.5～3.0 m；采样率为时值。

2009年11月在大柏舍台安装并开展了深井地电阻率观测，与浅层电阻率观测进行对比实验。使用仪器为广州市迪康数控技术开发有限公司研发的ATS-SR深孔电极地电仪。井孔位置选在大柏舍台南边的农田里，EW向排列，距台站南围墙9 m。观测系统为水平、垂直2套观测系统(图2b)：水平方向4个电极，间距20 m，电极埋深100 m；垂直方向观测系统使用东供电极井孔，井下电极深度分别为：40 m、60 m、80 m、100 m。该观测系统2010年1月正式运行，其中2010年3月、5月分别进行了软件和系统升级，2011年9月对主板进行了更新，2013年6月观测仪器更换为ZD8B数字地电仪，观测系统运行比较稳定，记录资料真实可靠。数据使用开始时间为2010年4月，至今已积累了4年多的观测资料。

a　浅层b　深井图2　大柏舍台深井与浅层地电阻率观测电极布设示意图

2深井与浅层地电阻率对比分析

2.1　观测精度对比分析

采用每天形成日报表中均方差的日均值除以地电阻率的日均值得到的比值，做全月的累加，累加后的比值再除以当月观测的天数，最后得到的这个值即为当月观测数据的精度，月精度的计算公式为

观测精度计算结果见表1，可以看出2012年使用深孔地电仪ATS-SR时观测值精度为0.16～0.38，2014年更换为ZD8B仪器后，垂直测道全年数值为0.04，在观测系统不变的情况下，更换数采后观测值变化较大，原因是：深孔地电仪ATS-SR为单向供电，容易引起电极极化，使得观测精度较低；ZD8B观测仪实行双向供电，地电阻率变化比较稳定，从而提高了观测精度。

结果表明，深井地电阻率的观测精度好于浅层地电阻率，深井地电阻率水平测道好于垂直测道，ZD8B地电仪观测精度好于深孔地电仪ATS-SR。对于这种现象的物理解释为：深井地电阻率由于线路地埋及电极埋深较大，供电极距较小，可以减少风扰及地表降雨、地下灌溉等对地电阻率的干扰，精度明显好于浅层地电阻率；深井地电阻率观测垂直测道上面的2个电极分别位于40 m和60 m，而当地的地下水位约50 m，水位的年变波动对地电阻率的影响很大，而水平测道的电极位于饱和水层，与水位的差距为50 m左右，供电电极距仅有60 m，因此水平测向受地下水位的影响较小，精度高一些。

表1　地电阻率观测精度对比

2.2　抗干扰能力对比分析

2.2.1大风干扰

根据大柏舍台2010年浅层地电阻率观测资料统计，全年浅层地电阻率观测数据受到风扰最多的月份为4月，4月共有8天为大风天气，风扰造成多组幅度较大的数据突跳，突跳值比正常值(取1个月数据较好的几天做平均值)相差2.3%～3.5%(图3a)。而深井地电阻率观测曲线波动幅度较小，没有突跳数据，数据变化平稳(图3b)，说明大风干扰对深井地电阻率基本没有影响。

图3　2010年4月大柏舍台深井与浅层地电阻率风扰对比图

大柏舍台浅层地电阻率观测系统外线路采用架空方式，地电阻率测量容易受到大风天气的影响，大风干扰地电阻率变化的途径为：架空的测量线在遇到大风天气时，做不规则大幅度的摆动，切割地磁场磁力线，在测量线路中产生感应电动势[5]，造成数据观测精度降低，出现多组较大幅度的突跳变化。大柏舍台的深井观测系统外线路采用地埋方式，基本不受大风干扰。

2.2.2 农田灌溉

浅层地电阻率电极埋设得较浅，一般在2 m左右。大柏舍台浅层地电阻率电极都埋设在农田中，每逢农田灌溉时自然电位会发生较为明显的变化。大柏舍浅层地电阻率全年受农田灌溉干扰最多的是11月，故选用2010年11月的数据进行对比分析。

图4为2010年11月大柏舍台浅层与深井地电阻率自然电位日均值变化曲线。从图中可以看出，因农田灌溉11月21—25日浅层电阻率EW测道自然电位差变化明显，最大值与最小值相差约18 mV，25日以后数据开始恢复，原因是浅层电极埋设较浅，农田灌溉使电极附近湿度明显增大，造成自然电位发生非正常变化。深井地电阻率水平测道最大值与最小值相差约5 mV，垂直测道最大值与最小值相差约1.8 mV。通过对比分析，农田灌溉对深井地电阻率自然电位基本没有影响。

图4　2010年11月大柏舍台深井与浅层地电阻率自然电位日均值变化曲线

2.2.3地下水位

大柏舍台位于河北平原区，对邢台地区地下水位初步调查显示，地下水埋深受农业开采及降雨的影响有较为明显的年动态[6-7]。每年的3—6月，受冬小麦生育期阶段的灌水影响，地下水得不到及时的补给，水位持续下降；7月雨季开始，地下水开采量减小，地下水位又开始回升，11月中旬，由于冬灌的影响，地下水位上升缓慢或有稍微的下降；次年的1—2月，由于农业用水基本停止，地下水采量减少，同时受太行山前侧向径流的补给作用，2月底达到年内的最高水位[8]。

通过对大柏舍台周围水井的调查，发现永兴井距台站较近，观测资料较好。该井位于河北省隆尧县柏舍乡永兴村北200 m，在台站东南方向约4 km处，于1985年1月建井，井深52.7 m。我们从河北省水文水资源勘测局搜集了永兴井2006—2014年的水位变化资料，把大柏舍台浅层地电阻率2个测道和深井地电阻率2个测道，分别与永兴井水位进行对比分析(图5)。经计算得出，浅层地电阻率EW测道与地下水位的相关系数为0.88，NS测道为0.92，深井地电阻率水平测道为0.59，垂直测道为-0.70。说明浅层地电阻率和深井地电阻率垂直测道与地下水位的相关性较好，地下水位对深井地电阻率垂直测道影响较大，对水平测道影响较小。

图5　大柏舍台浅层与深井地电阻率和地下水位关系

2.3　年变规律对比分析

从年变周期看，每年的3—6月，受冬小麦生育期阶段的灌水影响，地下水得不到及时的补给，水位持续下降；7月雨季开始，地下水开采量减小，地下水位又开始回升，11月中旬，由于冬灌的影响，地下水位上升缓慢或有稍微的下降；次年的1—2月，由于农业用水基本停止，地下水采量减少，同时受太行山前侧向径流的补给作用，2月底达到年内的最高水位。这与地电阻率的季节性年变化有很好的对应关系。夏季地下水位比较低时，地电阻率较高；冬季地下水位较高，同时地电阻率达到最低值。

图6为大柏舍台深井与浅层地电阻率2011—2012年日均值变化曲线。选取2011年4月1日至2012年3月31日大柏舍深井和浅层地电阻率观测的日均值数据，分别计算年变化幅度得出：深井电阻率水平测道年变化幅度为1.49%，垂直测道为1.76%；浅层电阻率NS测道为2.37%，EW测道为2.55%。通过年变规律对比分析，深井地电阻率年变规律与浅层地电阻率有着较大差别：浅层地电阻率2个测道的年变化明显，每年的6—8月为年变高值时段，2—3月为年变低值时段；而深井地电阻率的年变不明显。

图6　大柏舍台深井与浅层地电阻率年变对比图

3结语与讨论

1)在观测精度上，深井地电阻率高于浅层地电阻率；深井地电阻率水平测道好于垂直测道；ZD8B地电仪观测精度好于深孔地电仪ATS-SR。

2)在抗干扰方面，深井地电阻率抗干扰能力较强，特别是外界环境干扰，浅层地电阻率观测受到外界干扰的因素很多，诸如：风扰(观测线路架空)、农田灌溉、地下水位等。

3)深井地电阻率年变规律与浅层地电阻率有着较大差别，浅层地电阻率2个测道的年变化明显，每年的6—8月为年变高值时段，2—3月为年变低值时段；而深井地电阻率的年变不明显。

参考文献：

[1]关华平，王西龙，白云刚．河北柏舍台深井电阻率观测研究[J]．国际地震动态，2012，402(6)：262．

[2]刘君，杜学彬，陈军营，等．地表与井下地电阻率观测数据分析[J]．地震，2015，35(1)：112-122．

[3]王志贤，彭远黔，张学民，等．大柏舍地电台映震能力初析[J]．东北地震研究，1997，13(3)：25-30．

[4]张学民．数字地电仪观测到的地电阻率年变化[J]．地震地磁观测与研究，2003，24(2)：69-74．

[5]钱家栋，陈有发，金安忠．地电阻率法在地震预报中的应用[M]．北京：地震出版社，1985．

[6]王贵玲，蔺文静，张发旺．太行山前平原地下水环境演化规律研究[J]．干旱区资源与环境，2004，18 (3)：74-77．

[7]李秀丽．邢台市地下水动态现状及初步分析[J]． 地下水, 2009, 31(5):40-41．

[8]张国苓，乔子云，贾立峰，等．隆尧地电阻率与地下水位关系分析[J]．地震地磁观测与研究，2013，34(5/6)：141-143．

张素欣，郭蕾，宫猛，等．晋冀蒙交界地区小震围空图像分析[J]．华北地震科学，2015，33(4):54-58.

Contrastive Analysis of Georesistivity in Deep-well and on

Ground at Dabaishe Station

QIAO Zi-yun1, LUO Na2, ZHANG Guo-ling1, JIA Li-feng1, BAI Yun-gang3, ZHANG Bo2

(1.Earthquake Administration of Hebei Province, Shijiazhuang 050021, China;

2. Hongshan Standard Seismic Station, Xingtai 054000, China;

3. Qinhuangdao Central Seismic Station, Beidaihe 066000, China)

Abstract:This article introduces the georesistivity observation in deep-well and that on ground at Dabaishe Station in Heibei province, analyzes the accuracy, anti-interference ability and the law of annual variation etc. The analysis shows that the observation accuracy and anti-interference ability observed in the deep-well are better than that of the ground observation, and furthermore the annual vibration of the georesisitivity observed on ground is remarkable, while that of the georesistivity observed at the deep-well is not.

Key words:Dabaishe station; deep-well georesistivity; interference; annual variation

作者简介：张素欣(1965—)，女，河北元氏人，正研级高工，主要从事地下流体和综合地震预报研究．E-mail：zsx@eq-he.ac.cn

基金项目：河北省科技支撑计划项目“河北省重点地区壳幔结构及地震监测预报关键技术研究”(13275407D)；中国地震局震情跟踪工作项目“河北及邻区地震平静背景及意义研究”(2015020109)

收稿日期:2015-06-09

doi:10.3969/j.issn.1003-1375.2015.04.009

中图分类号:P315.722

文献标志码:A

文章编号:1003-1375(2015)04-0049-05