地震地电阻率观测在我国已经开展了50多年，积累了大量的观测资料和科学研究成果，在理论方法研究及观测技术、观测数据应用等方面都取得了许多成绩^[1-2]，是我国地震监测预报的主要方法之一。经过长期探索和研究发现，井下地电阻率观测是一种行之有效的方法^[2-5]。随着地方经济的快速发展，地震观测环境遭受日益严重的破坏。近年，新建并通车的宝兰高铁距离测区仅600 m，对地表地电阻率观测造成极大的干扰，观测数据噪声较大。为保障台站地电阻率观测的连续性，经过专家多次论证，拟将原测区作为地电阻率建设场地并开展井下观测以减小地表干扰。

1 区域地质构造背景

通渭地电台位于通渭县田家坡村，台站地处温带半湿润型地区，年平均气温6.6 ℃，年平均降雨量431 mm。该台地处青藏块体东缘与鄂尔多斯地块和华南地块的交接地带，在武都南-通渭断裂带附近，地质构造复杂(图 1)。研究区属于剥蚀河谷堆积地形，表面第四系地层总厚度小于20 m，下覆第三系砂质泥岩及古生代变质岩。历史上通渭周边曾发生多次大震，最大为1718年通渭7.5级地震。

2 井下地电阻率观测设计方案

井下地电阻率观测对外场地建设的技术指标要求较高，实现难度大。与架空方式相比，深井高湿度、高压强环境下的地埋线路对绝缘指标的要求较高，电极与线路接头的绝缘处理及电极的焊接与埋设也十分关键。通渭台供电测量线路采用全地埋敷设，近NS、EW向大体呈L型布极，供电极距分别为380 m和550 m，新建观测井7口，安装深井电极18个，通过电极组合，共设2个水平测道和10个垂向测道。由于观测场地受地形等条件限制，其中NS向井孔并非四点一线，具体钻孔位置及分布如图 2所示。

2.1 钻井设计

通渭井下由7口钻井和18个观测装置组成。其中，钻井井孔直径20~25 cm，4号井深度为210 m，安装12个电极；其他钻井深度为100 m，各安装1个电极(图 2)，每个电极由1根独立的电缆直接引入测试箱。观测区地貌属于丘陵地带，钻井间存在一定高差。在土建施工之前，对观测场地作高密度电法测试，井下NS向在钻井(1号、2号、3号)进尺范围内未见坚硬岩石，均为黄土，底部含粉沙，相对EW向而言电性上属于低阻介质(NS向测道初测ρ_s约为13 Ωm)；井下共用钻井(4号)进尺范围内也未见坚硬岩石，以泥岩为主，但不排除含有少量水平层状粉沙，总体在电性分层上属于低阻层(ρ_s约为11~17 Ωm)；井下EW向钻井(5号、6号、7号)地下介质多为坚硬岩石，含有裂隙，属于高阻区(EW向测道初测ρ_s为182 Ωm)。观测场地电性结构各向异性明显，所以在水平方向布极时设计2个近似正交方向进行观测。

2.2 布极方式

通渭井下观测肩负着前兆监测和映震效能探索及验证的双重任务，针对该任务设立了3种观测装置，加上原有的地面装置，同一台站具备4种不同装置映震能力指标的对比条件。其中，构建3个井下水平向测道，优选后确定EW向及NW向2个测道，供电极距分别为380 m和550 m，测量极距均为100 m；1个长极距垂直向测道，测道序号12(图 3)，供电极距为162 m，测量极距为45 m；9个SA测道。SA是单孔深井直接分层视电阻率的代号，S为单孔深井，A为视电阻率，SA为源于大地电磁测深(MT)地下水平层状介质(电性分层)的前兆监测方案，单孔用12个电极布设为9个测道(图 3)。

2.3 观测方式

地电阻率多极距观测于20世纪70年代开始在国内外应用，发展到现在理论已较成熟，机理方面也具有优势^[6]。井下深部观测方法可以抑制和减小地电阻率受地表环境的干扰和地电阻率观测季节性年变的影响^[7]。通渭井下地电阻率观测采用ZD8M地电阻率多极距观测系统，该系统包括井下水平向观测2道及井下垂直向观测(SA单孔井下直接分层观测)10道，共计12个测道，测道序号、测道名称、供电极、测量极和装置系数见表 1。地电阻率数据为日值和时值，其中井下水平向两测道数据采样率为1次/h(时值)，井下垂直向10测道数据采样率为1次/d(日值)，选择在人为干扰最小的凌晨3~6点测量(3点测01~03号测道，4点测04~06号测道，5点测07~09号测道，6点测12号测道)。

2.4 技术措施

井下地电阻率观测的电极设计是关键技术之一，观测电极的材质和漏电防护技术直接决定了电极的使用寿命和观测质量。供电电极和测量电极均使用高纯度铅板，采用铅质铆钉制作成空心铅筒电极(将铅板卷在口径为15 cm的PVC管上)，铅筒电极的尺寸规格为：直径16 cm，高100 cm，铅板厚度5 mm。铅质电极使用寿命长，性能稳定，电极和电极接头在制作中进行了防腐蚀、防水侵、抗压等实验，理论使用寿命在20 a左右。供电电极和测量电极各用1条4 mm×2.5 mm铠装完整铜芯电缆线，18根地埋电缆依次从下端接入测试箱，接入顺序为红、绿、蓝、黄，其中红、绿芯线接电极，蓝、黄芯线在电极一端连通并作绝缘处理，为绝缘等指标的辅助测试线。在观测室内安装测试箱，全地埋电缆接入测试箱后与软线转换连接仪器，测试箱接线见图 4。井下电极埋设一般在铅筒上边缘3~4 cm处均匀开2~3个孔穿承重纤维绳，辅助电极放置于井下并防止下井时铅筒倾斜。

2.5 指标测试

对观测装置的绝缘指标、可靠性指标、通断指标及接地指标等进行了测试，结果见表 2。绝缘指标是指电极引线对大地的绝缘指标，在测试箱中利用兆欧表进行测试，并用蓝黄芯线替代电极引线，绝缘电阻≥5 MΩ为合格；可靠性指标是电极与电缆的连接指标，同样在测试箱中进行测试，利用数字万用表的欧姆档直接测量红绿芯线间的电阻，结果应不大于表格给定的数值；通断指标是判别井下地埋电缆通断的指标，测试同样在测试箱中进行，利用数字万用表欧姆档直接测量蓝黄芯线间的电阻，结果应不大于表格给定的数值；接地指标是指井下电极的接地电阻指标，在测试箱中利用接地电阻测试仪进行测试，结果≤30 Ω即为合格；工作性能指标是对井下装置状况的判别。

3 地面和井下观测对比分析

通渭井下地电阻率观测系统于2021-05-14开始试运行，观测初期由于电极沉降、极距优化等进行了为期3个月的连续测试，观测结果符合地电技术规范要求。为考察地电阻率曲线年变形态，本文选取2021-07-05~2022-07-05所有测道较为稳定的数据进行对比分析，按不同观测方式的原地面测道、井下水平向、井下垂直向和SA测道可测得14组数据，其中垂直向测道由于参数设置问题导致观测数据不连续未被采用，因此对其他13组数据进行对比分析。

3.1 观测数据对比分析 3.1.1 地面与井下地电阻率水平向观测数据变化率分析

为分析数据变化情况，将正式观测以来井下与地面同期数据作对比(图 5)，地面地电阻率观测(电极埋深3 m)布设2个测道(EW、NW向)，呈对称四极形式，供电和测量极距为1 100 m和330 m，EW、NW向地电阻率年均值分别为18.53 Ωm、49.72 Ωm，变幅分别为0.51 Ωm、0.45 Ωm，变化率为1%和2.4%；深井水平地电阻率观测(电极埋深100 m)中EW、NW向地电阻率年均值分别为79.35 Ωm、182.31 Ωm，变幅分别为0.414 Ωm、0.554 Ωm，变化率为0.5%和0.03%。由于井下观测层位为岩石，电阻率值较高，可避免因微小干扰引起的测值大幅变化，这也是设计之初的目标。可以看出，深井水平向观测结果的数据变化率要比地面小。

3.1.2 地面与井下地电阻率水平观测形态对比

为进一步分析地面与井下地电阻率观测数据变化，将同时段曲线进行对比分析。从图 5可以看出，地面水平NW、EW向观测年变曲线出现不同步变化，反映研究区各覆盖层埋设存在差异，具有年变形态；而井下100 m水平NW、EW向观测曲线变化形态相似，说明在地下某一深度不同方向地层岩石的电性差异较小，地电阻率变化趋势一致，无年变形态。从地面与井下观测曲线对比能够看出，井下观测能够抑制气象因素的影响，减小地表电磁干扰，且抗干扰能力明显优于常规地面观测。

3.1.3 井下地电阻率垂直向观测(SA单孔分层观测)对比分析

通渭台井下地电阻率垂直向观测(SA单孔分层观测)的原理源于大地电磁测深(MT)方法，即利用短极距多测道对地下目标层介质电性进行直接测量，获取区域地层真电阻率。系统共设9个测道，最浅电极距离地面48 m，最深电极距离地面210 m。从图 6可以看出，井下垂直向观测SA1~SA9测道曲线形态差异性较大，其中SA1测道供电测量处于4号井最浅部地层(A为48 m，M为63 m，N为75 m，B为90 m)，电阻率受浅地表、环境、气象等因素影响，与地面NW向测道曲线形态镜像对称，有年变形态。井下垂直向观测SA1~SA9测道地电阻率变幅分别为0.094 Ωm、0.203 Ωm、0.238 Ωm、0.084 Ωm、0.110 Ωm、0.057 Ωm、0.039 Ωm、0.189 Ωm、0.116 Ωm，由于均值在11.35~15.45 Ωm，变化率大多在0.7%以上，比水平向观测大。另外，井下垂直向观测SA1~SA9测道(分层观测)曲线形态差异较大，相邻层互无相关性，说明每个测道电极埋设深度和极距长短不同，受地面干扰的影响有大有小，表明分层观测中各层位介质电性结构存在差异。SA2和SA8测道曲线形态相似，测值变化较同步，无明显年变形态，2021-10-15开始数据出现连续大幅突跳现象，且持续时间长；SA4和SA9测道曲线形态基本一致，均呈缓慢下降再转折上升的变化规律，两测道转折时间相差1个月，且SA4测道从10-15开始数据出现连续震荡变化，SA9测道无变化，两测道均无明显年变形态；SA5和SA6测道曲线变化形态基本一致，均处于缓慢上升趋势，无明显年变形态；SA1和SA7测道曲线形态变化相当，都呈先下降后转折上升再下降的变化规律，无明显年变形态。经过分析和调查认为，SA1、SA2、SA4、SA5、SA6、SA7、SA8测道2021-10中旬出现的大幅度突跳(震荡)变化，可能是地面观测出现粗差等情况的人为补测，造成深井垂直向测量电极频繁充电，在下一测量时间来不及放电，导致数据突变。SA3和SA9测道无明显突跳变化，因电极埋设深度大，地面浅部供电不容易被充电；SA3测道供电测量在4号井底部(图 3)，电极埋设深度(A为165 m，M为180 m，N为195 m，B为210 m)和曲线变化形态与其他测道都不同，2021-07-01开始曲线呈缓慢下降趋势，但测值在09-02出现突跳，变化幅度达0.19 Ωm，11-12出现转折上升，11-29达到最大值16.34 Ωm，变幅为0.8%，之后于12-14折返下降，12-18发生了通渭M_S2.1地震，异常时间持续36 d，震后呈转平趋势，测值基本恢复正常。该地震震级虽然较小，但距离通渭台较近，测值变化是否与地震有关，需积累更多资料进行检验。

分析认为，分层观测中的目标层自45 m深度起，每15 m厚为1层，到195 m深度依次分为9层(SA1~SA9)，恰好能表述不同深度的电阻率随时间的变化情况。

3.2 不同观测层受降雨干扰分析

地下水位、降雨和气温是导致观测资料出现年变形态的重要因素。相对于地面观测，井下观测极距变小，距离地表更远，为统计降雨量与地电阻率在不同观测层的关系，选取降雨开始前3 h整点值均值作为降雨前高值，降雨结束后转折点整点值作为降雨后低值，两者差值即为降雨过程对地电阻率的即时影响幅度^[8]。从图 7可以看出，地面观测受降雨干扰较明显，而井下观测几乎不受降雨的影响。由于在地表100 m处深埋电极受气温影响较小，且电极长期在地下水中浸泡(该地区地下水位埋深在45 m左右)，所以受降雨的影响小。

3.3 均方差分析

地电阻率观测中均方差表示每小时观测值的离散程度，离散程度越大σ_n就越大，相反则越小，是衡量观测数据内在质量好坏的一种方法。对每日地面和井下水平向观测原始值(小时值)均方根误差σ_n≥0.1的测点进行统计(表 3)，结果显示，井下观测σ_n≥0.1的次数均小于地面观测，说明井下观测地电阻率相比地面观测离散程度小，观测精度有较大提高。

3.4 月精度分析

地电阻率观测数据小时值、日均值和月均值的均方差是综合衡量观测资料内在质量^[9]的关键指标。选取同时段、同测道、不同观测方式的地电阻率日均值均方差进行对比分析，可以看出，图 8(a)均方差在0.00~0.04之间变化，图 8(c)均方差在0.01~0.07之间变化，图 8(b)均方差在0.00~0.03之间波动，图 8(d)均方差在0.01~0.06之间波动；井下水平向观测EW向(图 8(a))与地面观测EW向(图 8(c))、井下水平观测NW向(图 8(b))与地面观测NW向(图 8(d))曲线对比发现，井下观测地电阻率日均值均方差变化明显优于原地面观测系统。对地面和井下观测月均值均方差进行统计(表 4，单位%)，计算得出井下观测的σ_n≤0.03，地面观测的σ_n≤0.1，说明井下观测系统受干扰小且观测精度高。

4 井下观测映震能力分析

本文采用归一化变化速率法作为一种中短期异常判定地电学无量纲处理方法，其原理是以一定的步长对日均值和月均值曲线作时间轴的斜率，并进行归一化处理^[10]。在计算变化速率时，不一样的滑动步长会导致异常分辨力出现明显差别，通过研究滑动步长一般取δ=8，用地电阻率速率值与“九五”攻关异常指标(±2.4)进行比较，超出此范围的值可视为异常^[11]。

2022-01-08青海门源发生M_S6.9地震，震中距离通渭地震台445 km，从归一化变化速率曲线可以看出，震前3个月井下水平观测EW、NW向测道均出现大于阈值的正负异常，且NW向测道(图 9(b))异常幅度大于EW向测道(图 9(a))异常幅度，EW向测道共出现7次正负交替变化异常，最大值为5.5，是异常指标的2倍；NW向测道共出现4次正负交替变化异常，最大值为7.8，是异常指标的3倍。门源地震后EW、NW向测道分别在2022-01下旬及2022-02中旬出现了1次正异常和2次正负交替变化异常，2个月后发生了03-26德令哈M_S6.0地震，震中距离通渭台795 km，该地震异常情况有待进一步研究。

5 结语

1) 通渭井下地电阻率观测系统已正式投入使用，产出的数据内在质量符合观测规范要求。该观测方法可消除因气象因素引起的浅地表地电阻率变化，对电磁环境的干扰有较强的抑制作用，是地震电磁学科发展的主要方向之一。

2) 通渭井下供电线缆采用全地埋方式，埋深在地下1.5 m左右，不容易受到人为损坏，也避免了雷击、风扰等干扰。井下地电观测比地面观测干扰小，能够大幅度减弱年变化幅度，提高观测场地信噪比。

3) 通渭井下地电阻率观测系统经过绝缘指标、可靠指标、通断指标、接地指标、状况判别指标等的测试和检验，可保证装置长期稳定运行，提升观测资料质量。

由于通渭井下地电阻率观测时间较短，尽管在青海门源M_S6.9地震前后出现正负交替变化，但其对附近地震是否有映震能力，还需积累更多资料进行验证。