引言

地震的孕育和发生会导致地电阻率发生明显的异常变化（杜学彬，2010；陈军营等，2015；杜学彬等，2015；郭安宁等，2015；彭玉柱等，2015）。自1966年邢台地震后，地电阻率作为一种前兆参量在我国地震监测预报工作中一直发挥着重要的作用。然而，随着经济的飞速发展，地电阻率观测环境受到了严重的破坏，地电阻率观测数据的质量也随之降低。为了减少或者消除各种人文因素带来的影响，一些地震电阻率的观测方法被重新进行试验，其中多极距观测方法是比较重要的一种，例如赵和云和钱家栋（1987）利用水平层状介质模型及其响应系数理论对四川郫县台1984年5种不等极距的实测资料进行反演，得到更为直观的各层视电阻率曲线；钱家栋和赵和云（1988）以及钱家栋等（2007）对国内台站的观测结果也表明多极距观测系统有利于更好地研究电阻率异常随时间的演化过程；王兰炜等（2011）采用ZD8MI 电阻率多极距观测系统在山丹地震台的试验观测情况显示，该地区浅层和深层地电阻率变化存在较大差异，并由此得出多极距观测系统有助于干扰的排除和地震电阻率机理的研究。此外，也有部分研究人员利用井下观测的方式进行地电阻率研究，例如孟庆武和阎洪朋（1991）利用深井电阻率观测的方式对临沂台的地电阻率进行监测，并得到电阻率异常更为明显的结果；王兰炜等（2014，2015）的观测结果也表明井下观测可以减少地表干扰的影响，提高观测精度。就本文研究的江宁地电台而言，地表观测装置的地电阻率观测数据在地铁运行时段较地铁非运行时段的信噪比显著降低。为了降低地铁运行对地电阻率观测值的干扰，本文进行了井下观测试验。观测结果表明，在同一观测方向上，井下与地表观测装置的观测值存在明显差异。尽管这种差异可能是由两种观测方式采用了不同的观测极距致使探测深度和范围产生差异所造成，但还有待证实。

为了探究造成地表与井下地电阻率观测值之间差异的原因，本文拟首先对江宁地电台的电性结构进行探测；然后根据探测结果，建立江宁地电台的等效水平层状电性结构模型，最后，利用建立的模型计算地表和井下观测装置下的视电阻率值，并与相应观测装置下的观测值进行对比分析，以期对地下电性结构产生原因进行解释。

1.   江宁地电台简况

1.1   地质简况

江宁地电台位于南京市江宁区南部，靠近南京市溧水区。研究区内地貌属秦淮河冲积平原，地形开阔平坦；无大河、深沟及其它大型水体，仅有规模较小的灌溉沟渠和小池塘，深度较浅，常年蓄水，水位变化较小；地下水位埋深浅，属于平原地区潜水类型。通过分析钻孔资料可知，观测区内第四系覆盖层厚度小于20 m；下伏全风化—中风化凝灰岩层，厚度约为40 m；深至约200 m处为弱—微风化凝灰岩层。江宁地电台位于溧水中生代火山岩盆地内，近场区内发育有南京—湖熟断裂、方山—小丹阳断裂和茅山断裂（图1）。

南京—湖熟断裂是第四纪中更新世活动断裂（熊振等，2011），历史上该断裂附近曾发生过5次破坏性地震：公元499年8月4日和公元548年10月27日南京M4¾和M5¼地震、1679年12月26日溧阳M5¼地震以及1974年4月12日和1979年7月9日溧阳上沛M_S5.5和M_S6.0地震，该断裂北东盘的小震活动明显强于南西盘（熊振等，2011；王恩宁，黄震芳，1993）。方山—小丹阳断裂在燕山运动时期活较为动强烈，上新世早期又复活，引起了方山、斧山玄武岩喷发（薛怀民等，2015）。沿该断裂有小震活动，自1984年以来，每一二年均有小震发生。茅山断裂晚第三纪以来有活动，是全新世一条重要的活动断裂（王斌等，2008），在该断裂附近曾发生过多次地震，例如1839和1974年M5.5，1977年M_S4.1和1979年M_S6.0地震（王恩宁，黄震芳，1993；王斌等，2008；刘建达等，2009）。

图  1  江宁地电台位置和近场区主要断裂示意图

Figure  1.  Location of Jiangning geoelectric station and main faults in its adjacent regions

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1.2   地电阻率观测

江宁地电台最初只有地电阻率地表观测系统，观测装置分别为南北向（供电极距AB=1 000 m，观测极距MN=300 m；AB=100 m，MN=16 m）和东西向（AB=1 000 m，MN=300 m）。由图2所示的2017年4月的地表大供电极距的地电阻率观测结果表明：在地铁运行时段的地电阻率观测数据受到明显的干扰，在运行时段6:00—23:00的地电阻率观测值相对于停运时段0:00—5:00，尤其是1:00—3:00时段的低电阻率值的波动幅度明显增大（图2c和图2d）；图2a和2b中观测值的均方根误差在地铁运营时段比非运营时段整体上至少增大了1倍，其中南北向基本上从小于0.5 Ω·m增大到大于1.0 Ω·m，东西向则基本上增大到3.0 Ω·m以上。由于每天1:00—3:00时段的均方根误差相对较低，南北向和东西向观测值的平均均方根误差分别为0.072 Ω·m和0.12 Ω·m，分析研究时采用观测的平均值代表各观测装置下的观测值。

为了降低地铁干扰的影响，在江宁地电台进行井下观测试验。观测装置分别为南北向（AB=1000 m，MN=200 m；AB=200 m，MN=50 m）和东西向（AB=200 m，MN=50 m）；电极埋深（井深）为200 m；与地表观测装置一样，取2017年4月每天1:00—3:00时段的观测平均值作为各观测装置下的观测值。

地表观测装置测得南北向（两组供电和观测极距）和东西向观测平均值分别约为128.26 Ω·m （图2c），24.53 Ω·m （图2e）和101.64 Ω·m （图2d），井下观测平均值分别约为98.99 Ω·m （图2h），162.94 Ω·m （图2f）和130.25 Ω·m （图2g）。可以看出，相同供电极距和观测极距下，井下观测南北向的观测值（图2f）明显大于东西向的值（图2g），与地表观测结果（图2c，2d）一致。而在相同测量方向上，对比图2c与2h和2d与图2g可得：南北向的井下观测装置（AB=1 000 m，MN=200 m）的观测值明显低于地表观测装置（AB=1 000 m，MN=300 m）的观测值，东西向井下观测装置（AB=200 m，MN=50 m）的观测值明显高于地表观测装置（AB=1 000 m，MN=300 m）的观测值。

图  2  2017年4月江宁地电台地电阻率观测值及其均方根误差

Figure  2.  Georesistivity observations and their root-mean-squares errors at Jiangning station during April of 2017

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2.   江宁地电台电性结构探测与模型的建立

2.1   电性结构探测

2016年4月，根据江宁地电台观测区域的实际情况，布设了两条电阻率层析成像（高密度电阻率法）测线，分布如图3所示：一条测线L_NW-SE走向为NW-SE，起止的坐标为（31.719 4°N，118.887 7°E）和（31.714 7°N，118.902 5°E），长约1 530 m；另一条测线L_NS走向为近NS向，起止坐标为（31.705 3°N，118.891 4°E）和（31.719 7°N，118.893 4°E），长约1 670 m。测线数据采集使用德国DMT公司制造的RESECS II直流电法仪。该仪器属于分布式观测系统，每个通道最多可以控制960个电极。为了抑制随机干扰，采用80次叠加测量和抗电干扰能力相对较强的温纳α观测装置（Zhu et al，2017 ）。两条测线的电极间距均为6 m。测线L_NW-SE的电极为256个，测线L_NS为280个。利用Garmin公司Vista型手持GPS对每个电极位置进行定位，其基准地图为WGS84。所得测线L_NW-SE和L_NS的视电阻率剖面如图4所示。

在江宁地电台测区内的近东西和南北向共有11个钻孔，其分布位置见图3，钻孔深度约为200 m，但是只有钻孔QZ₁和QZ₂的柱状图记录完整。钻孔QZ₁的岩性柱状图显示：探测区域的岩性分布由浅至深分别为粉质黏土、全风化凝灰岩、强风化凝灰岩、中风化凝灰岩和微风化凝灰岩，中、强风化凝灰岩层底部埋深约为40 m （表1）。

本文以图4所示的测线L_NW-SE和L_NS的视电阻率剖面作为初始模型，利用骄佳技术公司的RTomo 6.0软件反演获得了相应的电阻率图像，如图5所示。对比图4与图5，可以看出反演电阻率图像中代表中、强风化层的分界面的深度与该层真实分界面埋深（40 m）非常接近，因此反演的电阻率图像中的典型结构分层深度基本上可以代表江宁地电台的地质分层深度。

由图5可以看出，在200 m以内，可以将探测区域分为：浅表覆盖层①，其岩性为粉质黏土和全风化的凝灰岩层；强风化层②，其岩性为中、强风化的凝灰岩；弱风化层③和微风化层④，其岩性为弱、微风化的凝灰岩。它们之间具有非常明显的分界面，而且层内的电性结构基本均匀，但其的层厚不均一，存在明显的变化。在200 m，特别是250 m更深的区域，电性结构并没有继承200 m以浅的分层均匀特征，而是具有强烈的横向变化，并且存在明显的低电阻率区域。对比图5a与图5b可以看出，微风化层④中，L_NS的电阻率值基本上高于测线L_NW-SE的电阻率值，这与图4所示的视电阻率剖面相一致。

图  3  测线布设和钻孔分布图

Figure  3.  Layout of resistivity measuring lines and boreholes distribution

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2.2   电性结构模型

为了解释地表和井下观测装置所获取的观测值，本文尝试建立江宁地电台的等效的水平层状电性结构模型。对测线L_NW-SE进行84个测量极距对的数据采集，供电极距AB分别为18，36，…，1 512 m，对应的测量极距MN分别为6，12，…，504 m；对测线L_NS进行了91个测量极距的数据采集，供电极距AB分别为18，36，…，1 638 m，对应的测量极距MN分别为6，12，…，546 m。所得两测线的电测深曲线如图6所示，可见L_NW-SE的视电阻率值基本在40—110 Ω·m之间，L_NS的值基本处于15—130 Ω·m之间。两条测线的视电阻率曲线均具有K型特征，换言之，根据该探测结果，可以将江宁地电台的电性结构等效为3层水平层状结构，且每层的电阻率值具有ρ₁＜ρ₂＞ρ₃ （ρ_i为第i层的电阻率值，i=1，2，3）的关系。

图  4  测线L_NW-SE （a）和L_NS （b）的视电阻率剖面图

Figure  4.  The apparent resistivity sections of the measuring lines L_NW-SE （a） and L_NS （b）

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图  5  测线L_NW-SE （a）和L_NS （b）的反演电阻率剖面

Figure  5.  The inverted resistivity images of measuring lines L_NW-SE （a） and L_NS （b）

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表  1  钻孔QZ₁的岩性描述

Table  1.  Lithology revealed by borehole QZ₁

钻孔深度/m	岩性	描述		钻孔深度/m	岩性	描述
1.80	粉质黏土	可塑，切面稍光滑，韧性和干强度中等，表层20 cm为素填土，含植物根系		12.00	强风化 凝灰岩	坚硬，凝灰质结构，块状构造，岩芯较破碎，呈碎裂状
6.20	粉质黏土	硬塑，切面光滑，韧性和干强度高		37.36	中风化 凝灰岩	坚硬，凝灰质结构，块状构造，岩芯较完整，呈柱状
10.30	全风化 凝灰岩	岩石分化成黏土状，夹少量强风化碎块		197.06	微风化 凝灰岩	坚硬，凝灰质结构，块状构造，岩芯较完整，呈柱状

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图  6  测线L_NW-SE和L_NS的电测深曲线及相应的解释模型曲线

Figure  6.  Resistivity sounding curves and their interpreted results of measuring lines L_NW-SE and L_NS

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综合分析图5电阻率层析成像结果和图6电测深结果，可以推断出江宁地电台的电性结构为：第一层厚度约为30 m，第二层厚度约为230 m。与表1中的钻孔记录进行对比可知，第一层电性结构包含了粉质黏土和全风化的凝灰岩层，第二层包含强风化和微风化的凝灰岩层。测线L_NW-SE的电性结构为：第一层的电阻率值为10—30 Ω·m；第二层为30—250 Ω·m；第三层为100—200 Ω·m （图5a），因此，L_NW-SE的初始电性结构模型参数可取值为：第一层厚度30 m，电阻率20 Ω·m；第二层厚度230 m，电阻率为140 Ω·m；第三层电阻率150 Ω·m。测线L_NS的电性结构为：第一层的电阻率值为10—30 Ω·m；第二层为30—300 Ω·m；第三层为100—250 Ω·m （图5b）。因此，L_NS的初始电性结构模型参数可取值为：第一层的厚度30 m，电阻率20 Ω·m；第二层的厚度230 m，电阻率165 Ω·m；第三层的电阻率175 Ω·m。

根据电测深数据解释的正演计算方法（姚文斌，1989；程志平，2007）和自动迭代解释的阻尼最小二乘法程序（姚文斌，1989）对图6所示的两测线测量值进行解释，获得的最佳模型参数列于表2。两测线L_NW-SE和L_NS的模型计算值对观测值拟合的均方根误差分别为3.31 Ω·m和6.04 Ω·m。为了提高计算精度，在利用模型参数正演计算某一观测装置的视电阻率时，采用了韦柳椰等（2006）的测量极距MN≠0的视电阻率计算公式和姚文斌（1989）提供的理论对称四极装置的约翰逊滤波器。

表  2  电性结构的最佳模型参数

Table  2.  Optimal model parameters of electrical structure

测线	层序号	层厚/m	电阻率/(Ω·m)
	1	29.40	39.29
LNW-SE	2	220.94	143.06
	3	∞	60.39
	1	24.56	18.71
LNS	2	203.42	274.52
	3	∞	54.79

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3.   地震电阻率观测值的解释

根据江宁地电台的等效水平电性结构模型（表2），可计算出地表和井下观测装置的理论视电阻率值，将其与观测值进行对比分析，便可探讨造成地表与井下观测装置观测值差异的原因。

对地表观测装置下观测到的视电阻率，可以采用电测深数据解释的正演计算方法（姚文斌，1989；程志平，2007）来进行计算。而本文所用的地表观测装置分别为南北向（AB＝1 000 m，MN＝300 m；AB＝100 m，MN＝16 m）和东西向（AB＝1 000 m，MN=300 m），相应的观测值分别约为128.26 Ω·m （图2c）、24.53 Ω·m （图2e）和101.64 Ω·m （图2d）。在此采用表2所示的解释测线L_NW-SE和L_NS测量值的最佳模型参数来分别计算东西向和南北向观测装置的理论视电阻率值，结果显示南北向（AB＝1 000 m，MN＝300 m）为127.92 Ω·m，南北向（AB＝100 m，MN=16 m）为34.20 Ω·m和东西向（AB＝1000 m，MN＝300 m）为104.18 Ω·m。对比观测结果可得，理论值相对于观测值的百分比偏差（绝对值）分别为0.27%，39.42%和2.50%。由此可见，对于地表大供电极距观测装置，理论计算结果与观测值相差很小（＜3%）。

对于井下观测装置下的视电阻率的计算，采用葛为中（1994）的地下点源正演计算公式。对电位积分的数值计算采用与地表观测装置相同的线性滤波器，即提供的理论对称四极装置的约翰逊滤波器（姚文斌，1989），MN≠0时的视电阻率计算公式（韦柳椰等，2006）。由于在江宁地电台的地震电阻率井下观测中，电极埋深200 m，观测装置分别为南北向（AB＝1 000 m，MN＝200 m；AB＝200 m，MN＝50 m）和东西向（AB＝200 m，MN＝50 m），相应的地电阻率观测值分别为约98.99 Ω·m （图2h），162.94 Ω·m （图2f）和130.25 Ω·m （图2g）。利用表2中的最佳电性结构模型参数，计算出相应观测装置的视电阻率分别为94.41 Ω·m，160.52 Ω·m和124.56 Ω·m，与观测值的百分比偏差（绝对值）分别为4.63%，1.49%和4.37%。由此可见，井下观测的电阻率值也可以利用江宁地电台电性结构来进行合理的解释。

4.   讨论与结论

为了降低地铁对江宁台地电阻率观测的干扰，在江宁地电台进行了井下地电阻率观测试验。然而，地表与井下观测值的显著差异给地电阻率观测人员对观测结果的理解、分析及解释带来了困惑。为了探寻造成这种差异的原因，本文利用电阻率层析成像和电测深探测结果建立了江宁地电台的等效水平层状电性结构模型，并利用建立的模型计算了地表和井下观测装置下的视电阻率。通过对比分析每一个观测装置的观测值和模型计算值，合理地解释了地表大供电极距观测装置与井下观测装置的观测结果差异，为理解和解释江宁地电台地表和井下地电阻率观测值提供了依据。

电阻率层析成像探测结果（图4和图5）表明，江宁地电台的电性结构呈非水平层状，因此，水平层状电性结构模型不能完全反映江宁地电台的真实电性结构，这可能是导致地表小供电极距观测装置（AB＝100 m，MN＝16 m）的观测值与模型计算值存在显著差异的原因。若要进一步探讨这个问题，则需建立江宁地电台二维甚至三维电性结构模型。

地电阻率研究中，可能会试验和采用越来越多的地震电阻率观测方式来降低甚至消除各种电磁干扰对地电阻率观测的影响，会面临与江宁地电台因不同观测方式而导致观测值出现明显差异的情况，本文的思路和方法可以为其提供参考和借鉴。

中国地震局地壳应力研究所王兰炜研究员提供了观测数据，对数据进行了详细的解释，南京市江宁区地震办公室赵庆福为本文提供了钻孔资料，并在电阻率层析成像和电测深数据采集过程中提供了帮助和支持，审稿专家为本文提出了建设性的意见和建议，作者在此一并表示感谢。