深井地电阻率观测的几个技术问题

<正>近年由于城市化进程的加快和地表人为干扰的增多,部分大极距的地面地电观测受到了严重的影响,数据质量下降,中国地震局在部分有干扰的地电台站开展井下地电观测。主要解决:1井下多深可以避开地表的干扰和潜水的变化,观测数值主要反映地是探测目标层地电阻率变化;2当测量目标层介质的电性发生变化时,设计的观测系统能否记录下地电阻率变化。井下地电观测系统的建设主要思路:非均匀各向     

水平两层均匀介质中井下电阻率观测信噪比的理论计算

在点电源水平两层均匀介质模型下计算了在不同地电断面中观测时地表干扰电流源对观测的影响。得到:地表干扰电流源对地电阻率观测电势差的影响取决于地电断面类型和参数、供电电极和测量电极的埋深以及避开干扰源的距离。本文研究结果对实施井下电阻率观测中台址电性结构选择、电极埋深、干扰源避让有参考意义。     

井下地电阻率观测的探测深度初步研究

对井下地电阻率观测的探测深度进行了研究,计算了均匀半空间和给定结构参数的水平层状介质模型在不同装置电极埋深下的探测深度,分析了探测深度与装置电极埋深和介质电阻率结构之间的关系,得到如下结果:①与地表观测相比,在供电极距为1 km左右时,探测深度随装置电极埋深的增大而增大,且增大的速度与装置电极埋深密切相关;当装置电极埋深h < 100 m时,探测深度的增大速度远小于装置电极埋深h≥100 m时. ②当装置电极埋深h < 50 m时,与地表观测相比探测深度增加很小,不超过10 m;当装置电极埋深相同时,供电极距越大,与地表观测相比探测深度增加得越小. ③对于水平层状电阻率均匀分层结构,在装置电极埋深相同的情况下,下伏低阻结构的探测深度显著大于下伏高阻结构.本文的研究结果表明,为了观测到深部电阻率的变化情况,首先需要查明测区电性结构,再进行综合分析,以确定井下地电阻率观测的装置电极埋深,其结果为深部电阻率变化研究提供了理论基础.      

地铁对井下地电阻率观测的影响分析——以江宁台为例

南京江宁台距地铁S1、S7、S9号线最近距离均小于3.2 km,地铁对地电阻率观测造成很大影响。本文结合部分地铁测试方案,分析了该台2016—2018年井下地电阻率观测数据,初步探讨其正负脉冲型突跳、上升、下降变化的机理,并比较地表和井下地电观测的数据最大变化幅度。结果表明:井下短极距观测能够减轻地铁干扰,当地铁线路增加时,干扰也相应增加,地铁试运行对地电观测的干扰通常强于正式运营     

通州台井下地电阻率测深初步分析

2020年7月12日唐山古冶 M_S5．1地震发生前,井下小极距地电阻率出现快速下降-折返的变化,变化形态、异常时长符合地电阻率孕震机理变化,但下降幅度远远小于地表大极距地电阻率孕震过程的变化幅度.因此,文章基于通州台地下电性结构和装置系统,采用数值分析方法,分析地表和井下小极距地电阻率的探测深度.结果表明,当底层电性变化区域介质电阻率发生某种减小时,通州台地表和井下小极距地电阻率装置系统地电阻率观测值会下降,下降的幅度随着深部介质电阻率变化区域上界面向上的扩展而增大.相比地表观测,井下小极距电阻率观测能更显著地接收到深部电阻率变化信号,对孕震有更强的反映能力.     

小极距井下地电阻率观测对地表环境影响的抑制分析——以北京地区台站为例

地震地电阻率是观测中强地震孕震过程中微变形或微破裂变化的方法之一。近年来发展起来的小极距井下地电阻率观测,不仅能够抑制地表环境干扰,还能够缓解地表地电阻率占地面积大的困扰。基于北京地区延庆台、平谷台和通州台小极距井下地电阻率观测,通过与同场地地表地电阻率对比观测和数值模拟计算,分析了地表铁质干扰、季节变化、降水和潜水等因素对地电阻率观测的影响。结果显示,与同场地地表地电阻率相比,小极距井下地电阻率对地表自然环境因素的影响有较好的抑制能力,增强了观测效能。     

井下地电阻率观测影响系数分析——以江宁地震台为例

采用水平层状均匀介质中点电源位于任意深度时的电位解析表达式,以江宁台3层电性结构为例,分析了井下对称四极地电阻率观测时各层影响系数随深度、极距的变化,并结合探测深度探讨了实施井下观测时影响系数在选择供电极距和电极埋深时的作用。结果表明,对于"K"型电性结构,江宁台井下观测对地表、浅层干扰有较强的抑制作用,其短极距观测对地表、浅层干扰的抑制能力显著优于长极距观测;长极距观测在电极埋深H小于100m时对地表介质季节性的干扰具有放大作用;浅层影响系数一定时,电极埋深和供电极距需同时增加;江宁台井下观测供电极距AB/2取100～150m、电极埋深H为250m较为合理。     

深井地电观测技术在地震监测中的应用探讨

天水地震台井下地电观测与常规的地面观测相比,减少干扰、提高信噪比,在近三年的地电阻率观测中,观测精度无超过0.5%数据,数据的内在质量较好.2013年4月10日开始,NS、EW道井下(100 m)观测的地电阻率出现了波动变化,持续11天后距该台550 km的四川芦山发生了M_S7.0级地震,5月4号芦山地震余震相对减少后,地电阻率资料的波动变化也同步终止;2013年6月11日18时开始,天水台地电阻率再次出现异常波动变化,7月22日距该台156 km发生岷县-漳县M_S6.6级地震.采用天水地电台井下不同时段(凌晨2点和全天)和不同深度(6 m和100 m电极)观测的地电阻率数据对比分析这两次地震前后地下介质的电性变化,深部记录到明显的异常变化;用小波(db4)分解发现在芦山M_S7.0和岷漳M_S6.6级地震前视电阻率的细节部分的形态是连续的振荡,尺度部分出现了趋势性似"漏斗"变化形态,与过去强震震例形态具有相似性、重复性.深井地电观测技术的应用,减小了地面离散电流影响,直接观测探测层介质的电性变化,是探索预报地震的新思路、新方法.     

深埋电极的地电阻率观测研究

首先研究了四极观测系统装置系数与电极埋深的关系;然后给出了点电流源在3层地壳模型的地表和第二层时,电源所在层的电位的解析表达式;最后将天津宝坻地区的电性结构简化成一个3层模型,计算给出了当地表层和基岩中的电阻率出现变化时,在地表和基岩上层开展四极地电阻率观测结果与供电极距和深度的关系.     

井下地电阻率观测中布极参数的确定方法

为压制地电阻率浅层干扰、突出深部以地震预报为目的的有用信息,选取了小江断裂中段一个场点作为实例,研究了井下地电阻率前兆观测中确定电极埋深、电极间距等布极参数的方法。结果表明:选择井下电阻率观测布极参数时要考虑影响系数和探测深度2个主要因素,即地下潜水位面以上各地层的影响系数应远小于深部各层,探测深度范围内最底层(受孕震影响最大的层)的影响系数应远大于其它各层,观测系统的探测深度最好不小于已有震例指示的地电阻率观测系统的探测深度。按照该方法选择了所给场点的井下电阻率观测布极参数,即电极埋深200 m、供电极距1 050 m、测量极距350 m,按对称四极布置,可获得最佳观测效果。     

An analysis of the seasonal variation of disturbance in georesistivity

Four types of disturbances in the seasonal variation in georesistivity are presented in the light of specific circumstances in China. As the results of theoretic calculation for the models and in comparison of the calculated results with the seasonal variations observed at 40 georesistivity stations, the following points are found: (1) The seasonal variation in georesistivity is caused by the change in resistivity of the surface layer, especially by the annual variation of phreatic level when the sounding depth is too shallow. This is one of the disturbances and thus has no relation to the origin of earthquake. The feature and amplitude of the seasonal variation depend on the types of disturbance models, geoelectric cross sections and sounding depth. (2) The seasonal variation in georesistivity usually has the same sign as that of the change in resistivity of shallow layer and thus the normal seasonal change appears. However, as far as the K or Q types of geoelectric cross sections are concerned, the abnormal seasonal variation in georesistivity starts to appear with a certain electrode spacing, when the interference layer is located in the first layer. (3) Both abnormal and normal seasonal variations in georesistivity will be smaller than 2% when the sounding depth is greater than 300 m. Therefore, the seasonal variations can be removed or restrained when the location of observation has been properly chosen or the electrode spacing is enlarged enough to obtain a sufficient sounding depth.     

陕西周至地电台地电阻率年变特征分析

本文基于测深反演结果, 通过数值模拟定性分析了地下水位和降雨对周至地电台地电阻率观测的影响; 同时利用褶积算法定量分析了降雨对该台NS向和NE向地电阻率观测的短期影响和长趋势影响.结果表明, 周至地电台地电阻率年变主要由地表薄层介质电阻率季节变化引起, 受地下水位变化影响不明显. 降雨对NS向和NE向地电阻率观测值的影响在短期内与观测结果一致, 表现为增加; 但长期趋势则与观测结果呈负相关关系.根据数值模拟分析认为, 这种变化与降雨及其渗透深度有关.分析结果与实际观测结果一致, 为正确认识周至地电台地电阻率观测与异常判定提供合理的理论依据.      

新沂地震台地电阻率反向年变分析

结合新沂地震台电测深曲线、 测区地质剖面资料, 建立了三维非均匀层状介质有限元模型. 以第一层介质电阻率变化模拟表层介质电阻率随季节性降雨的变化, 在模型中计算了3个测道的地电阻率年变化形态. 计算结果表明, EW和N45°E测道地电阻率随表层介质电阻率的增减同向增减, 而NS测道地电阻率则与表层介质电阻率变化相反. 该结果符合新沂台3个测道实际观测的年变形态．      

河北兴济地电阻率干扰定量分析

结合电测深曲线、 岩性资料建立三维水平层状结构物理模型, 利用有限元法定量计算挖土水坑蓄水量和砖厂建设对兴济N60°W向地电阻率观测的影响。 研究结果显示, 测区内挖土水坑位于影响系数为负的区域, 夏季水位高时为低阻体, 冬季无水时为高阻体, 蓄水量的季节性变化导致N60°W向地电阻率具有冬低夏高的反向年变。 砖厂厂房由砖混结构改建为钢架结构, 位于测区影响系数为负的区域, 局部形成的低阻体引起N60°W测向地电阻率的趋势上升变化。     

新城子井下地电阻率观测影响系数分析

以新城子观测站地电阻率为研究对象,结合新城子观测站电测深资料通过影响系数理论用水平层状介质模型对比分析地表、井下地电阻率两种手段的观测效果,对新城子地电阻率观测各层影响系数随深度和极距的变化分析新城子井下地电阻率观测布极的合理性。其结果反应为新城子地电阻率井下观测设计较为合理,减少场地资源的同时对地表和浅层干扰有更好的抑制作用,对深层的映震能力优于地表观测,分析结果可为类似台址电性结构中实施井下地电阻率观测提供参考。     

偶极接地线对地电阻率影响的数值模拟

针对我国地震监测预报中地电阻率定点连续观测中存在的偶极接地线的干扰问题, 本文将台站区域地层简化为3层均匀介质模型, 将接地线等效为偶极接地的电阻体, 建立了接地线干扰地电阻率观测的耦合物理模型. 通过有限元分析软件ANSYS模拟分析不同电性断面情况下接地线对地电阻率观测的影响, 同时分析这种干扰的产生机理, 并结合实际观测中存在的干扰问题作了对比验证分析. 结果表明: ① 接地线使得供电电极产生的地下对称性电场分布发生局部调整, 从而影响地电阻率观测; ② 接地线对地电阻率观测的影响主要取决于线缆的位置及方位角的大小; ③ 适当增大电极埋深可以减小其对地电阻率观测的影响; ④ 电性结构的差异性决定干扰变化幅度的大小. 本文结果对相关台站地电阻率观测异常分析落实及干扰源避让和观测系统改造具有参考意义.      

平凉台井下地电阻率观测影响系数分析

根据地电阻率影响系数理论,以平凉台4层电性结构为例,分析了井下对称四极地电阻率观测影响系数随深度和极距的变化。结果表明:对于固定的观测极距,影响系数与电极埋深之间的关系复杂;通过计算各层影响系数的大小,认为平凉台井下观测对地表及浅层干扰有较好的抑制作用,其分析结果可为在类似台址电性结构中实施井下地电阻率观测时选择电极埋深和供电极距提供参考。     

APPARENT RESISTIVITY TEMPORAL VARIATION CHARAC-TERISTICS AFFECTED BY THE FIXED DISTURBANCE SOURCE ON SURFACE OF MEASURING AREA

Current leakage,metallic conductor,and local anomalous resistivity body are main disturbance sources which affect the successive observation of apparent resistivity in stations,besides the observing system failure.We construct a finite element model using a 3-layered horizontal medium to discuss the dynamic characteristics of disturbances caused by metal conductor and local anomalous resistivity body in the measuring filed.The numerical results show that low resistivity source which is located in areas where the sensitivity coefficient is positive will cause decline on apparent resistivity observation.While low resistivity source will cause increase when it is located in areas where the sensitivity coefficient is negative.Disturbance caused by high resistivity source is opposite to the one from low resistivity source.The general dynamic feature of disturbance is that the disturbance amplitude increases as the resistivity of shallow layer decreases,while the amplitude declines when the shallow layer's resistivity increases.For the measuring direction which has normal annual variation form,low resistivity source which is located in area where the sensitivity coefficient is positive will increase the annual variation amplitude,while it will reduce annual amplitude when it is in a negative sensitivity coefficient area.Annual amplitude changes caused by high resistivity source are opposite to the changes caused by low resistivity source.For the measuring direction which has abnormal annual variation form,dynamic annual feature is opposite to the one in direction of normal annual variation form.If the dynamic feature is opposite to the annual variation and disturbance amplitude is also greater than annual amplitude,the annual variation will change direction.Disturbance amplitude from metallic conductor is affected by the resistivity and cross-section area,the lower of the resistivity and the larger of the cross-section area,the greater of the disturbance amplitude.     

电测深曲线的遗传算法反演

电测深曲线作为地下介质电阻率和深度的非线性函数，其解具有高度的非唯一性．常规的基于局部线性化的最优化反演方法易使解估计陷入局部极大值中，而且严重地依赖初始模型的选择．遗传算法作为一种全局最优化方法，对初始模型的依赖性大为减弱，且不易陷人局部极大值之中，从而能有效地解决这类非线性最优化问题．本文首次将遗传算法用于电测深解释并对实测曲线进行反演，效果很好，显示了遗传算法独特的优越性．