0 引言

1966年邢台7.2级地震发生后，我国将地电阻率手段引入地震观测，逐渐建立起覆盖东北、华北、南北地震带和天山地震带等中强地震易发区的地电台网。长期观测及实践证明，在许多大震、中强地震发生前，地电阻率存在中期和短临异常。地电阻率观测是地震中短期预测的有效方法，观测系统在地震监测和预报中具有重要作用（钱复业等，1982；桂燮泰等，1989；杜学彬等，2007；杜学彬，2010；高曙德等，2010）。由于当前大多数地电阻率台站供电极距在1 km左右，测量极距在300 m左右，探测深度仅几百米，易受到观测环境干扰，因此在利用地电阻率开展地震预测研究时，进行异常特征甄别和产生原因分析，显得尤为重要。

自20世纪80年代开始，我国地震学者结合地下电性结构，对地电阻率观测出现的异常变化开展了一系列定量研究，如：金安忠（1981）通过水平层状模型，计算得到地电阻率正常年变幅与台址电性剖面等之间的定性、定量关系；赵和云等（1985）讨论了水平层状介质中不同深度对地表ρ_s变化的响应特性，并提出响应系数概念；钱家栋等（1986）给出水平分层介质视电阻率的高精度计算公式及误差等。上述研究引入简化假设，将方程和边界条件简化为可处理的问题。由此可见，基于电法勘探、反演等手段获取的层状电性结构模型是定量研究电阻率异常变化的基础，也是异常核实工作开展的核心环节。

宝昌地震台（下文简称宝昌台）地电阻率测项1980年投入观测，在1989年大同5.9级、1998年张北6.2级等地震前出现明显的异常变化（高立新等，1999；高立新，2000；戴勇等，2009；徐锡泉等，2014），具有较好的映震效果。近年来随着经济发展、城镇化建设，宝昌台测区及周边观测环境遭到破坏，干扰幅度越来越大，地球物理异常往往被干扰变化所湮没，异常核实成为今后重点开展工作。文中通过电测深和高密度电阻率法反演结果，结合水文综合地质图，确定适合宝昌台地电测区层状电性结构模型，为开展宝昌台地电阻率异常变化定量研究提供基础。

1 台站观测背景 1.1 地质环境

宝昌台位于内蒙古锡林郭勒盟太仆寺旗宝昌镇，担负着内蒙古中部、首都圈以及晋冀蒙交界地区的地震监测、预报任务。宝昌台地处低山丘陵地带，覆盖层较浅，下伏基岩深度71.5 m，基岩岩性为长石、石英斑岩。台站周边区域地质构造见图 1。

宝昌台区域地质构造属内蒙地轴东段，为四级构造单元，距离最近的断裂构造为川井-赤峰断裂。该断裂带形成于古生代，属前第四纪断裂，早期为挤压性质，后期略显张性，位于内蒙地轴与内蒙华力西晚期褶皱带过渡带，是华北断块区北部边界断裂，西起川井，向东经化德、康保、围场、赤峰、敖汉旗，到达开原以东，全长约1 000 km。断裂以南内蒙地轴隆起作用占主导地位，广泛出露前寒武纪变质岩系，断裂以北地槽区沉降剧烈，发育巨厚地槽型沉积。中生代继承性沉降，强度有所减弱。自新生代以来，断层活动明显减弱，仍控制两侧差异运动，而北部桑根达来-浑善达克盆地则缓慢下沉。早期第三系沉积部分可见，南部的阴山EW向隆起区缓慢抬升继续遭受剥蚀，但海拔高度差异幅度减弱。自第四纪以来，断层运动特征差异不明显，断层两侧第四系沉积不发育（王亚娟，2002；内蒙古自治区地震局，2006；王蕊，2009；杨秀俊，2009）。

1.2 电法探测

宝昌台地电阻率测量外线路采用架空模式，布极方位NS、EW向，2测道供电极距AB均为0.560 km，测量极距MN均为0.080 km，K值均为3.014 km，电极埋深均为3.5 m，埋设方式为立式。2018年4月23日，宝昌台地电测区相继开展高密度电阻率法和电测深测量，测量线路基本沿地电阻率NS、EW测道布设，且电测深观测点位于高密度电阻率法中心点位置，具体布极方式见图 2。

2 测量方法 2.1 高密度电法

高密度电阻率法工作原理与传统电阻率法基本相同，基于岩土体电性差异，推断地下不同电阻率的地质体的赋存情况，根据测量视电阻率分布划分地层并确定异常地层。高密度电阻率法是基于地下介质间的电导率有较大差异的特点进行工作，电场分布满足

$ {\nabla ^2}U = \frac{{ - 1}}{\sigma }\delta (x - {x_0})\delta (y - {y_0})\delta (z - {z_0}) $

(1)

式中：(x₀，y₀，z₀)为源点坐标；(x，y，z)为场点坐标；δ为与距离有关的函数；I为电流；σ为电导率。若x≠x₀，y≠y₀，z≠z₀，仅考虑无源空间，式（1）变为拉普拉斯方程

$ {\nabla ^2}U = 0 $

(2)

在复杂条件下不能求得拉普拉斯方程的解析解，实际应用中主要采用各种数值模拟方法予以解决，如：二维地电模型使用点源二维有限元法、三维地电模型使用有限差分法等。

高密度电阻率法数据采集系统由主机、多通道电极转换器、电极系统3部分组成。工作流程如下：多通道电极转换器通过电缆控制电极系统各电极的电源与测量状态；主机通过通讯电缆和供电电缆向多通道电极转换器发出工作指令，向电极供电，并接收和存贮测量数据，经通讯软件将原始数据发送到计算机；计算机将数据转换为处理软件所需数据格式，并通过相应处理模块执行失真率、地形校正等预处理，绘制视电阻率等值线图；根据视电阻率变化特征，将地质解释与钻探和地质调查数据相结合，绘制物探成果解释图（邓超文，2007）。

2.2 电测深法

电测深法包括电阻率测深和激发极化测深。按电极的排列关系，电阻率测深可以分为四极对称、三极测深、偶极测深和环形测深等4种方法。通过增加供电电极AB极距大小，测量同一点但不同AB极距的视电阻率值，研究该测深点下不同深度的地质断面。电测深法大多采用对称四极探测方法。

受岩土层成分或结构等因素的影响，不同的岩土层具有不同的电阻率值，将直流电通过接地电极供入地下，建立稳定的人工电场，观察地标某一点垂直方向电阻率的变化，了解岩层的分布特征。均匀各向同性岩层中的电流分布，A极、B极为供电电极，M极、N极为测量电极，电流I通过A极、B极向地下提供，在M极和N极之间测量电位差ΔV，通过公式（3）计算获得该点（M极、N极之间）的视电阻率值。在实践中，测量点处的视电阻率值可通过以下公式获得

$ \rho = K \cdot \frac{{\Delta V}}{I} $

(3)

式中，K为装置系数，计算公式如下

$ K = \frac{{2{\rm{ \mathsf{ π} }}}}{{\frac{1}{{AM}} - \frac{1}{{AN}} - \frac{1}{{BM}} - \frac{1}{{BN}}}} $

(4)

式中，AM、AN、BM、BN为电极距。

在实际工作中，地层既不同性又不均匀，所测电阻率为视电阻率ρ_s值。

3 地电阻率测量 3.1 高密度电阻率法测量

采用高密度电阻率法，得到NS向、EW向实测数据，经反演模型得到二维电阻率剖面及相对应的电性结构成果解释，见图 3、图 4（单位电极距为10 m）。该高密度电阻率法反演结果仅显示宝昌台地电测区地表以下2.5-101 m范围内剖面电阻率分布特征，可见地下电阻率基本呈现水平分布特征，可划分3层电性结构，每一地层均较为连续、稳定，且层二为含水层。

NS向、EW向电性断面（图 3，图 4）显示：①层一在距地表深度2.5-8 m范围内，其中NS向电阻率值约为154.0-352.0 Ω·m，EW向电阻率值约为89.3-267 Ω·m，且均随深度增加而减小；②层二在距地表深度8-70 m范围内，其中NS向电阻率值约为19.4-102 Ω·m，EW向电阻率值约为94.6-17.3 Ω·m，均整体偏小；③层三在距地表深度70-101 m范围内，其中NS向电阻率值约为67.2-352.0 Ω·m，EW向电阻率值约为89.3-796 Ω·m，且均随深度增加而增大。

3.2 电测深测量

电测深曲线类型根据地电断面电性特点划分，分为2层、3层和多层曲线。

（1）当测量地表水平且地下仅一种介质时，电测深视电阻率曲线表现为直线。

（2）当地下为水平双层介质时，有2种类型的电测深视电阻率曲线：①G型（ρ₂ > ρ1）；②D型（ρ₂ < ρ₁）。

（3）当地下为水平3层介质时，有4种类型的电测深视电阻率曲线，即：①H型曲线：中间层电阻率比上下层低（ρ₁ > ρ₂ > ρ₃）；②K型曲线：中间层电阻率比上下层高（ρ₁ < ρ₂ > ρ₃）；③A型曲线：岩层电阻率由上向下依次增大（ρ₁ > ρ₂ > ρ₃）；④Q型曲线：岩层电阻率由上向下依次减小（ρ₁ > ρ₂ > ρ₃）。

（4）水平4层介质电测深曲线有8种类型，如：前3层为H型（ρ₁ > ρ₂ > ρ₃），后3层为K型（ρ₁ > ρ₂ > ρ₃），则称为HK型，依此类推，有HA、KQ、KH、AA、AK、QQ、QH型等（傅良魁，1957；李震源等，1983）。

2018年4月，在宝昌台地电测区，沿NS向、EW向开展垂向直流电测深测量，所得电测深曲线见图 5。结果显示，宝昌台地电测区电性结构属于KH型，从定性角度分析，地电测区地下可分为4层电性结构。

4 电性结构模型建立

结合高密度电阻率法测量结果（图 3，图 4）及测区ZK42号钻孔柱状图（图 6），对电测深观测结果（图 5）进行反演，获得宝昌台地电测区水平层状电性结构模型。

4.1 初始模型建立

宝昌台地电测区高密度电阻率法反演结果显示，该台地下电阻率主要呈水平分布特征，在距地表深度2.5-110 m范围内可分为3层（未反映地表深度为0-2.5 m范围内电阻率分布特征），且中间层为含水层，电阻率明显低于上下层。电测深结果显示，宝昌台地电测区NS和EW向电测深曲线为KH型，电性断面可分为4层。将2种电法结果进行对比发现，电测深4层电性层中后3层电阻率特征与高密度电阻率法反演结果一致。综合分析认为，宝昌台地电测区电性层可分为4层水平层，且第1层位于地表以下2.5 m以内。ZK42号钻孔柱状图（图 6）显示：第1层为含砾的粉细砂层，厚1.2 m，层底深度1.2 m；第2层为砂碎石，厚2.59 m，层底深度3.79 m。结合岩性层深度特征认为，将初始模型第1层层厚初步定为1.2 m，根据电测深观测结果，该层NS向电阻率初步定为77 Ω·m，EW向电阻率初步定为196 Ω·m。依次分析，确定第2层初始厚度为6 m，NS向电阻率初步定为119 Ω·m，EW向电阻率初步定为223 Ω·m；第3层初始厚度为64 m，NS向电阻率初步定为34 Ω·m，EW向电阻率初步定为39 Ω·m；第4层初始厚度为无穷大，NS向电阻率初步定为110 Ω·m，EW向电阻率初步定为150 Ω·m。

4.2 电性结构反演

采用尝试法反演宝昌台地电测区电性结构模型，观测值与正演结果残差最小模型为反演的最优模型，即为本研究最终确定模型。按照该原则，得到反演的最终结果，见表 1，可知：第1层初始厚度为1 m，NS向电阻率为70 Ω·m，EW向电阻率为196 Ω·m；第2层初始厚度为6 m，NS向电阻率为150 Ω·m，EW向电阻率为239 Ω·m；第3层初始厚度为64 m，NS向电阻率为28 Ω·m，EW向电阻率为34 Ω·m；第4层初始厚度为无穷大，NS向电阻率为980 Ω·m，EW向电阻率为1 280 Ω·m。

4.3 电性结构确立

根据以上反演结果，结合ZK42号钻孔柱状图（图 6），可知宝昌台地下介质为水平4层电性结构模型，其中：第1层为细砂层，电性层厚度为1 m；第2层为砂碎石层，电性层厚度为6 m；第3层为含水层，电性层厚度为64 m；第4层为石英斑岩层，电性层厚度为∞，电阻率达10³数量级，与石英斑岩电阻率大相符。

4 结论与讨论

通过对宝昌台地电阻率观测场地进行高密度电阻率法、电测深法联合测量，并结合当地钻孔资料，得到以下结论。

（1）宝昌台地下电性结构分为4层，电阻率值均表现出较为连续、稳定的特征，其中：第1层厚1 m；第2层厚6 m，电阻率值随着深度增加而增大；第3层为含水层，厚64 m，电阻率随深度增加呈减小趋势；第4层层厚∞，电阻率随深度增加而增大。

（2）2种方法所得地层结构与钻孔资料相吻合。根据钻孔资料，本地区地下水位约8 m，7 m以下至约71 m为厚度约64 m的低阻层，调查宝昌镇水文地质、水位和钻孔等资料，并结合本次2种测量结果，确定该低阻层为含水层。地表以下约71 m往下为基岩地层，地层更加致密，含水量较小，随深度加大，电阻率呈逐渐增大趋势。另外，在地表以下1.2 -8.54 m处为厚度约7.34 m的砂碎石层，应为造成2种测量方法在地表至地下8 m以内表现出电阻率较高值的原因。

宝昌台地电阻率观测场地电阻率分层清晰，每层电阻率变化连续、稳定，且电阻率特征明显，可为今后地电阻率异常提取、异常识别及观测精度提高，提供完备且信度较高的数据基础。