地电阻率小偶极装置观测的特性

文 雯，毛先进

（云南省地震局, 昆明 650224）

地电阻率前兆观测中采用的观测装置大体有两种，即对称四极装置和偶极装置[1]（观测的结果称为视电阻率）。中国地震观测中多年来基本采用对称四极装置，供电极距在1 000 m左右，研究表明这种尺度的对称四极装置在多次M≥7大地震前都观测到了较为明显的前兆异常[2-7]。然而地下潜水位变化、降雨等会导致地表下浅层介质电阻率的变化，从而对观测形成干扰。前苏联、美国、日本在实验观测中多采用偶极装置[8]，其偶极距为数公里到数十公里，国内亦有学者开展过偶极距数公里的偶极装置观测实验[9]。这种大偶极距的观测具有探测地壳深部地电阻率变化的能力，在中、强地震前曾观测到易于识别的视电阻率异常变化[8-9]。然而大偶极距观测需要数十至数万安培的供电电流，花费昂贵且环境与安全保护范围很大，难以长期维持。

合适的观测方法应是既能有效压制近地表层干扰、反映较深地层的电阻率变化，又能经济、安全地观测运行。从利用对称四极装置和大偶极装置各自的优点、克服各自困难的思路出发，本文研究小偶极装置（指偶极距数百米的赤道偶极装置）与对称四极装置在压制浅部地层干扰、反映下部地层电阻率变化能力以及观测信号强度等方面的差异性，为台站建设及改造中选择地电阻率观测装置提供参考。

图1a 是对称四极装置平面图，4个电极排列在一条直线上且测量偶极MN与供电偶极AB的中心点O、O′重合；
图1b中测量偶极MN中心点O′与供电偶极AB中心点O的连线OO′垂直于AB及MN，当偶极距OO′≫AB和MN时，图1b称为赤道偶极偶极装置。

图1 观测装置平面图

考虑到不加大观测环境范围，又能与对称四极装置相比较，本文中将赤道偶极装置的偶极矩OO′取0.5AB。由于偶极距较小，称之为小偶极装置。

影响系数、观测信号强度等是反映观测系统特性的2个重要指标[10-11]，下面对其做简要介绍。

2.1 影响系数

假定地电阻率观测区介质电阻率分层均匀，共n层，第i层电阻率与厚度为ρi与hi，i=1,2, ..... ,n。用四极装置观测到的视电阻率ρs既是地下各层电阻率和厚度的函数，同时也与观测装置密切相关，即

式中：C代表观测装置，其实质是供电偶极与测量偶极之间的相对位置关系。

不妨假定各层只是电阻率变化，厚度保持不变。由式（1）可以得到

式中：Si称为影响系数，是在给定的布极参数下，第i层电阻率变化率对观测值变化率的贡献权系数。

2.2 观测信号强度

观测信号强度是指测量极M、N之间的电位差，其决定了信噪比。对于给定的观测场地，电位差取决于观测装置和供电电流强度，本文计算对比小偶极装置与对称四极装置（图1）在观测信号强度方面的差异。因信号强度与供电电流强度成正比，下文中给出的是供电电流为1 A时测量极间的电位差。

地电阻率结构因场地而异，本文选择国内几个典型台站，利用电阻率转换函数[13]计算出电阻率，并求出影响系数Si和观测信号强度，研究小偶极装置与对称四极装置在影响系数及信号强度方面的差异性。

1）成都台

成都台NE测向视电阻率在汶川8.0级大地震前曾出现2年多的趋势性下降异常[5,7]。该台NE测向地电结构为4层，各层电阻率依次为80 Ω·m、520 Ω·m、210 Ω·m、43 Ω·m，各层厚度依次为2 m、9 m、45 m[14]，对称四极装置AB/MN为736 m/226 m，小偶极装置的偶极距取0.5AB。表1为成都台NE测向对称四极与小偶极装置观测特性计算结果。

表1 成都台NE测向小偶极与对称四极装置观测特性计算结果

从表1可见，与对称四极装置相比：采用小偶极装置时，易受干扰的第1、2层的影响系数的绝对值都有明显减少，分别减少了|(0.010 3-0.043 8)/0.043 8×100%|=76.4%和|(0.001 4-0.003 4)/0.003 4×100%|=59.5%(计算方法下同)，第4层的影响系数则增加了4.8%，这对于压制第1、2层的干扰是很有意义的，也有利于获取下部电阻率变化。

信号强度方面，供电电流为1 A时（下同）小偶极与对称四极装置的电位差分别为8.3 mV及28.7 mV，根据我国地电阻率前兆观测规范中电压分辨力≤0.01 mV的要求[15]，在现有观测仪器技术水准下，采用小偶极装置观测时信号强度是足够的。

2）甘孜台

甘孜台NE及NW两个测向视电阻率在汶川8.0级大地震前均出现2年多的趋势性下降异常[5]。以NE测向为例，地电结构为4层，各层电阻率依次为180 Ω·m、215 Ω·m、540 Ω·m、25 Ω·m，各层厚度依次为3 m、7 m、41 m[16]，对称四极装置AB/MN为500 m/140 m，小偶极装置的偶极距取0.5AB。表2为甘孜台NE测向计算结果。

表2 甘孜台NE测向小偶极与对称四极装置观测特性计算结果

从表2可见，与对称四极装置相比，采用小偶极装置时，易受干扰的第1、2层的影响系数的绝对值分别减少了43.6%和40.1%，而第4层的影响系数则增加了105.9%。因此，小偶极装置压制第1、2层干扰和获取下部地层电阻率变化信息的能力显著优于对称四极装置。

信号强度方面，小偶极与对称四极装置的电位差分别为8.1 mV及54.5 mV，根据中国地电阻率前兆观测规范中电压分辨力≤0.01 mV的要求[15]，在现有观测仪器技术水准下，采用小偶极装置观测时信号强度是足够的。

3）宝坻台

与唐山台类似，宝坻台NS及EW两个测向视电阻率在唐山7.8级大地震前亦曾观测到约3年的持续性下降[1]，在视电阻率从最低值回升过程中发生主震。该台地电结构为4层，各层电阻率依次为35 Ω·m、10 Ω·m、39 Ω·m、270 Ω·m，各层厚度依次为2 m、2 m、280 m[14]，对称四极装置AB/MN为1 000 m/200 m，小偶极装置的偶极距取0.5AB，表3为计算结果。

表3 宝坻台小偶极与对称四极装置观测特性计算结果

从表3可见，与对称四极装置相比，采用小偶极装置时，易受干扰的第1、2层的影响系数略有增加，分别增加10.0%和9.6%，压制第1、2层的干扰略有不利；
由于第1、2层厚度之和只有4 m，其下的第3层（厚度280 m）的浅部可能受干扰，该层的影响系数减少了8.6%，这对于压制第3层的干扰略为有利；
第4层的影响系数则增加了57.4%，这表明获取下部地层电阻率变化能力优于对称四极装置。

信号强度方面，小偶极与对称四极装置的电位差分别为6.7 mv及15.4 mv，根据中国地电阻率前兆观测规范中电压分辨力≤0.01 mV的要求[15]，在现有观测仪器技术水准下，采用小偶极装置观测时信号强度是足够的。

4）昌黎台

昌黎台NS及EW两个测向视电阻率在唐山7.8级大地震前亦曾观测到2年多的持续性下降[1]，在视电阻率从最低值回升过程中发生主震。该台地电结构为4层，各层电阻率依次为45 Ω·m、90 Ω·m、55 Ω·m、1 300 Ω·m，各层厚度依次为6 m、24 m、85 m[17]，对称四极装置AB/MN为1 000 m/200 m，小偶极装置的偶极距取0.5AB，表4为计算结果。

表4 昌黎台小偶极与对称四极装置观测特性计算结果

从表4可见，与对称四极装置相比：采用小偶极装置时，易受干扰的第1、2层的影响系分别减少了5.6%和5.7%，对压制第1、2层干扰略为有利，第4层的影响系数增加了35.8%，获取下部电阻率变化信息的能力有一定提高。

信号强度方面，小偶极与对称四极装置的电位差分别为26.1 mV及 56.7 mV，根据中国地电阻率前兆观测规范中电压分辨力≤0.01 mV的要求[15]，在现有观测仪器技术水准下，采用小偶极装置观测时信号强度是足够的。

5）唐山台

唐山台NS及EW两个测向视电阻率在唐山7.8级大地震前曾观测到3年多的趋势性下降异常[1]，在视电阻率从最低值回升过程中发生主震。该台地电结构为4层，各层电阻率依次为23 Ω·m、16 Ω·m、44 Ω·m、51 Ω·m，各层厚度依次为3.0 m、2.3 m、11.0 m[14]，对称四极装置AB/MN为1 000 m/200 m，小偶极装置的偶极距取0.5AB，表5为计算结果。

表5 唐山台小偶极与对称四极装置观测特性计算结果

从表5可见，与对称四极装置相比，采用小偶极装置时，易受干扰的第1、2层的影响系数分别减少了53.6%和55.9%。由于第1、2层厚度之和只有为5.3 m，其下的第3层（厚度11 m）可能受干扰，该层的影响系数减少了52.9%，这表明压制第1、2及3层干扰的能力明显优于对称四极装置；
第四层影响系数略有增加，表明在获取下部地层电阻率变化信息能力方面与对称四极装置基本相当。

信号强度方面，小偶极与对称四极装置的电位差分别为4.6 mV及13.5 mV，根据中国地电阻率前兆观测规范中电压分辨力≤0.01 mV的要求[15]，在现有观测仪器技术水准下，采用小偶极装置观测时信号强度是足够的。

6）腾冲台

腾冲台EW测向视电阻率在1998年澜沧-耿马7.6级大地震前亦曾观测到2年多的持续性下降[1]，同样在从视电阻率最低值回升过程中发生主震。根据该台电测深资料[18]的反演结果，该台地电结构为3层，各层电阻率依次为132 Ω·m、69 Ω·m、127 Ω·m，各层厚度依次为18 m、84 m，对称四极装置AB/MN为1 400 m/400 m，小偶极装置的偶极距取0.5AB，表6为计算结果。

表6 腾冲台小偶极与对称四极装置观测特性计算结果

从表6可见，与对称四极装置相比，采用小偶极装置时，易受干扰的第1层的影响系数减少了41.8%，对压制第1层干扰较为有利，第3层的影响系数增加了12.2%，获取下部电阻率变化信息的能力有一定提高。

信号强度方面，小偶极与对称四极装置的电位差分别为11.0mV及32.5mV，根据中国地电阻率前兆观测规范中电压分辨力≤0.01mV的要求[15]，在现有观测仪器技术水准下，采用小偶极装置观测时信号强度是足够的。

众所周知，对于电性非均匀的地下电性结构，采用不同观测装置及不同电极距时观测到的视电阻率是不同的。地电阻率前兆观测目的是监视地下介质电阻率的时间变化，因此不同观测装置及不同电极距在定点长期观测中的效果可能不同。目前国内地电阻率前兆观测中绝大多数采用对称四极装置，在电极距相同时，是否有性能更好的观测装置可以选择，需要比较研究对称四极与其他装置观测性能的差异。

本文研究的几个台站中，电阻率结构既有下伏低阻型（成都台与甘孜台）和下伏高阻型（宝坻台与昌黎台），也有均匀型（本文指基底与上部各层电阻率较为接近的类型，如唐山与腾冲台），这些台站的电性结构具有较好的代表性。对于这些台站，从影响系数与人工信号强度来看，研究显示对称四极与小偶极装置具有如下差异。

1）对下伏低阻型结构，小偶极装置观测时浅部地层影响系数比对称四极装置显著降低，下部地层的影响系数增加且增加幅度与电阻率结构关系密切（本文中，成都台增加5%而甘孜台增加105%）。与对称四极装置相比，在压制浅部干扰、获取下部地层电阻率变化能力方面小偶极装置明显优于对称四极装置。

2）对下伏高阻型结构，小偶极装置压制浅层干扰的能力与对称四极装置相当，但获取下部地层电阻率变化的能力明显优于对称四极装置。

3）对于均匀型结构，在压制浅层干扰的能力上，小偶极装置明显优于对称四极装置，而获取下部地层电阻率变化能力与对称四极装置基本相当或有一定提高。

4）无论哪一类电阻率结构，小偶极装置的信号强度都明显低于对称四极装置，但在现有观测仪器技术水准下，采用小偶极装置观测时信号强度是足够的。

以上差异表明，在压制浅层干扰、反应下部介质电阻率变化方面，小偶极装置优于对称四极装置，而优势程度与电性结构有关。