新沂臺(tái)地電阻率觀測(cè)實(shí)例的探討及意義

沈紅會(huì)，孫春仙，葉碧文

(江蘇省地震局，江蘇 南京 210014)

新沂臺(tái)地電阻率觀測(cè)實(shí)例的探討及意義

沈紅會(huì)，孫春仙，葉碧文

(江蘇省地震局，江蘇 南京 210014)

新沂臺(tái)三方向觀測(cè)的地電阻率結(jié)果很不一致，客觀地分析了造成這種不同的原因，指出了不同的年變往往是探測(cè)深度引起的，較深的探測(cè)深度具有更明顯年變化量，它受干擾更小，更具前兆意義。合理的電性結(jié)構(gòu)是場(chǎng)地選擇時(shí)必須考慮的問(wèn)題。

地電阻率；年變；方向性差異

引言

地電阻率觀測(cè)應(yīng)用于地震預(yù)測(cè)已經(jīng)幾十年了，在所有的前兆觀測(cè)中，該測(cè)項(xiàng)是一個(gè)相對(duì)成熟的觀測(cè)手段。對(duì)整個(gè)前兆觀測(cè)系統(tǒng)而言，其優(yōu)勢(shì)明顯，物理意義清楚，物理量明確。地電阻率觀測(cè)的是反映一定體積范圍內(nèi)的電阻率，在一定的裝置系數(shù)下就確定了觀測(cè)的物理量［1］。從長(zhǎng)期的試驗(yàn)和觀測(cè)結(jié)果來(lái)看，地電阻率的觀測(cè)系統(tǒng)不會(huì)因?yàn)樽兏鼉x器或電極而改變觀測(cè)結(jié)果，不同儀器和電極的觀測(cè)試驗(yàn)表明觀測(cè)結(jié)果是完全相關(guān)的。

圖1為南京臺(tái)鉛電極和pbcl2不極化電極的對(duì)比觀測(cè)曲線。從圖中可以看出不同電極觀測(cè)曲線的形態(tài)是一致的，其相關(guān)系數(shù)為0.98。另外，電阻率觀測(cè)系統(tǒng)有著完善的標(biāo)定檢查系統(tǒng)［2］，完全可以確定觀測(cè)的物理量為地下電阻率的真實(shí)變化，這些在前兆觀測(cè)中都是非常重要的。但在現(xiàn)實(shí)的觀測(cè)中，也存在一定的問(wèn)題，比如說(shuō)年變化。年變化一般認(rèn)為是表層的影響，但在具體的實(shí)例觀測(cè)中還是不一樣的。筆者處理了全國(guó)大部分地電臺(tái)站的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)有些臺(tái)的年變化是非常規(guī)則的，有些臺(tái)的卻很亂。年變化比較規(guī)則的臺(tái)站往往并不是受很淺層結(jié)構(gòu)的影響。對(duì)于那些年變規(guī)律不是很好的臺(tái)站，往往表層結(jié)構(gòu)或電場(chǎng)干擾的影響比較大。年變化不規(guī)則的臺(tái)站要分離異常往往也非常困難，而且很容易產(chǎn)生誤導(dǎo)的信息。

本文將通過(guò)分析江蘇省新沂臺(tái)觀測(cè)的三方向地電阻率觀測(cè)資料 （新沂臺(tái)三方向的觀測(cè)結(jié)果很不一致，給預(yù)報(bào)人員帶來(lái)了很多困惑），探討地電阻率觀測(cè)中的變化和相關(guān)問(wèn)題。

圖1 為南京臺(tái)鉛電極和pbcl2不極化電極的對(duì)比觀測(cè)曲線Fig.1 Comparison of the observation curves by lead electrode and pbcl2 non－polarizable electrode at nanjing station

圖2 新沂地電場(chǎng)地周圍構(gòu)造圖Fig.2 Structural map around Xinyi station

1 新沂臺(tái)電阻率觀測(cè)概況

新沂臺(tái)電阻率場(chǎng)地位于郯廬斷裂中段江蘇境內(nèi)的F5斷裂帶上 （如圖2所示），地下巖石為白堊紀(jì)王氏組紫紅色砂巖， 表層厚約 4 m。 共布有 NS、EW、NE三個(gè)觀測(cè)方向，各方向的供電極距為AB=1 000 m，測(cè)量極距為MN= 240 m。新儀臺(tái)地電阻率從1978年開始觀測(cè)，一直觀測(cè)至今，從 1978年至1990年之間因更換場(chǎng)地和儀器等原因，數(shù)據(jù)經(jīng)常出現(xiàn)突跳，而1999年以后場(chǎng)地內(nèi)因建蔬菜大棚 （采用了很多鐵材料，場(chǎng)地電位已重新分布），而導(dǎo)致觀測(cè)數(shù)據(jù)出現(xiàn)較大變化。因此本文選取觀測(cè)數(shù)據(jù)比較正常的1991年至1998年來(lái)分析，而場(chǎng)地周圍最顯著的地震是1995年蒼山地震。

2 新沂臺(tái)電阻率觀測(cè)資料及分析

圖3為新沂臺(tái)1991～1998年地電阻率三方向的觀測(cè)曲線。EW向 （圖3中）一直具有明確的年變規(guī)律，年變基本上還是比較規(guī)則，每年的低值和高值具有可比性。NS向 （圖3上）和NE向 （圖3下）最初幾年年變特征并不明顯，但1993年以后出現(xiàn)了變化，NS向1993年6、7、8三個(gè)月出現(xiàn)下降變化，1994～1996年5、6、7三個(gè)月出現(xiàn)上升變化，1997～1998年7、8、9三個(gè)月出現(xiàn)下降變化。而在同時(shí)期NE向除了1993年以外，從1994年開始也出現(xiàn)了較明顯的年變化特征。以上這些變化因?yàn)榘l(fā)生的時(shí)間段和每年的重復(fù)性基本上可以認(rèn)定為是年變，而不是前兆異常。這里就產(chǎn)生了這樣的問(wèn)題，同樣地點(diǎn)的三道觀測(cè)，年變結(jié)果卻不一樣，年變明確的EW向不但每年都有，而且相對(duì)較規(guī)則，而另外二道年變每年都有不同，這種情況在其它臺(tái)站也發(fā)現(xiàn)過(guò)。其本質(zhì)的問(wèn)題是不同方向探測(cè)的電性結(jié)構(gòu)不相同［3］，導(dǎo)致探測(cè)深度不同所致。很明顯NS向和NE向受表層的影響更大，EW向的探測(cè)深度要更理想一些。

圖3 新沂臺(tái)1991～1998年地電阻率三方向的觀測(cè)曲線Fig.3 Observation curves of earth resistivity in three directions at xinyi station during 1991～1998

圖4為新沂臺(tái)周圍的表層水位1994～1998年的五日均值 （缺1991～1993年的數(shù)據(jù)）。比較圖4和圖3，可以看出，水位資料和NE向非常相關(guān)，和NS向卻存在一定的負(fù)相關(guān)，而和EW向的相關(guān)性就比較差了。這些充分說(shuō)明NE向和NS向受表層水位的影響較大，而EW向受的影響很小。至于 NS向是負(fù)相關(guān)也很容易解釋，就是NS向的表層影響系數(shù)是負(fù)數(shù)。對(duì)于年變比較規(guī)則的測(cè)道決定年變化的影響因素往往是較深層的水位。在這里舉另一個(gè)臺(tái)的例子：江蘇江寧臺(tái)NS向布有多極距觀測(cè)，它的1 000 m長(zhǎng)極距觀測(cè)顯示每年的年變化非常規(guī)則，見圖5，筆者計(jì)算了其多極距觀測(cè)的反演，見圖6。其中第1層的底層為3.2 m，第2層的底層為33.2 m，第3層的底層為209 m，第4層為209 m以下。從圖中可以看出，第1層年變化達(dá)20%以上卻沒有影響到整個(gè)1 000 m的觀測(cè)結(jié)果，而且第1層年變化和整個(gè)1 000 m的觀測(cè)年變的形態(tài)也不一致。第2層到第3層的年變幅度和形態(tài)與整個(gè)1 000 m的年變比較一致，因此可以認(rèn)為年變化主要影響深度為幾十米到幾百米，而不是最表層的幾米，所以規(guī)則的年變往往反映較深的探測(cè)深度。新沂臺(tái)的EW向顯然也具備這個(gè)特征，因此EW向的觀測(cè)對(duì)應(yīng)地震前兆比其它測(cè)道更有意義?？紤]到新沂臺(tái)具備三個(gè)方向的觀測(cè)數(shù)據(jù)，下面從求解電阻率極值方向的角度來(lái)分析。

圖4 新沂臺(tái)表層水位五日均值曲線Fig.4 Five days mean value curve of the surface water level at Xinyi station

圖5 江寧臺(tái)NS向地電阻率觀測(cè)日變曲線Fig.5 Daily variation curve of resistivity in NS direction at Jiangning station

圖6 江寧臺(tái)NS向地電阻率的反演結(jié)果Fig.6 Inversion results of resistivity in NS direction at Jiangning station

2 電阻率極值方向

對(duì)于三方向觀測(cè)的地電阻率，可以求解地電阻率的有效極值方向［4］。在均勻各向異性半空間主軸坐標(biāo)系中，有

如果觀測(cè)的每道電阻率都能反映比較深部的電阻率的變化，那么ρ1的方位角а顯然應(yīng)保持每年的規(guī)則變化或變化很小。圖7顯示方位角а每年的變化較大，而年變特征接近于NE向電阻率變化，每年沒有明顯的規(guī)則性，這一點(diǎn)說(shuō)明方位角а受表層影響很大。也說(shuō)明觀測(cè)的有些道次受表層電阻率影響較大。最小電阻率方向接近NS向也說(shuō)明這一點(diǎn)。

圖7 新沂臺(tái)地電阻率三方向計(jì)算極值結(jié)果Fig.7 Results of the three directions extreme value calculation of ground resistivity at Xinyi station

一般來(lái)說(shuō)，電阻率大的方向的探測(cè)深度更深一點(diǎn)。從圖7也可以明顯看出這一點(diǎn)，最小電阻率ρ1的年變化不是非常規(guī)則，表示受表層影響較大，最大電阻率ρ2顯示具有很好的年變規(guī)則，和EW向比較接近，更具有預(yù)報(bào)意義。

3 蒼山地震前的變化

1995年9月20日發(fā)生的5.2級(jí)蒼山地震距離觀測(cè)場(chǎng)地約77 km，位于場(chǎng)地的西北方向，是場(chǎng)地周圍300 km范圍內(nèi)唯一的一個(gè)顯著地震。從以上的分析中可以看出，最大電阻率ρ2和EW向的觀測(cè)更有意義。下面以EW向和最大電阻率ρ2來(lái)看一下地震前觀測(cè)數(shù)據(jù)的變化。從原始觀測(cè)數(shù)據(jù)看，年變?cè)谏n山地震前的1年左右時(shí)間里，1994～1995的年變特征顯然與其它年份有所不同，基本上包括年變?cè)趦?nèi)的觀測(cè)值整體幅度有所下降。對(duì)圖3和圖7中的數(shù)據(jù)進(jìn)行傅里葉滑動(dòng)和二階多項(xiàng)式擬合處理后見圖8。傅里葉滑動(dòng)用于去年變周期，二階多項(xiàng)式用于去除短期的干擾變化。從圖中可以看出，在地震之前都出現(xiàn)了觀測(cè)數(shù)據(jù)大幅下降的過(guò)程，從應(yīng)變的角度講處于壓性狀態(tài)，而地震剛好發(fā)生在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)折時(shí)，也就是張性階段，完全符合震源變化的物理意義［5］。這也說(shuō)明EW向和最大電阻率ρ2方向具有一定的地震前兆觀測(cè)意義。而圖3中另外二道NS向和NE向顯然在地震前沒有明顯的震兆變化，相反由于表層電阻率的影響而導(dǎo)致數(shù)據(jù)經(jīng)常出現(xiàn)不規(guī)則的變化給前兆預(yù)測(cè)帶來(lái)困惑。

圖8 地電阻率傅里葉去年變和擬合結(jié)果曲線Fig.8 The fitting results of the earth resistivity with Fourier removing the annual variation

4 討論

（1）困擾地電阻率前兆分析的最大問(wèn)題是年變。在實(shí)際的觀測(cè)中，年變的表現(xiàn)也是不一樣的，不能簡(jiǎn)單認(rèn)為年變是表層電阻率引起的變化，不同的電性結(jié)構(gòu)引起的年變變化是不一樣的，很多雜亂的年變往往是與最表層的電阻率的變化有關(guān)，規(guī)則的年變往往影響深度要深的多。所以規(guī)則的年變的探測(cè)深度更深，更有預(yù)報(bào)意義，而且通過(guò)傅里葉變換或距平等方法容易把年變處理干凈。

（2）在地電阻率場(chǎng)地選擇時(shí)，可以利用電測(cè)深數(shù)據(jù)做反演，對(duì)觀測(cè)場(chǎng)地進(jìn)行分層處理，然后計(jì)算各層的響應(yīng)系數(shù)，盡量避免表層響應(yīng)系數(shù)高的臺(tái)站。地電阻率的探測(cè)深度是一個(gè)場(chǎng)地是否優(yōu)越的重要指標(biāo)。

［1］錢家棟，陳有發(fā)，金安忠.地電阻率法在地震預(yù)報(bào)中的應(yīng)用 ［M］.北京：地震出版社，1985.

［2］國(guó)家地震局科技監(jiān)測(cè)司.電磁觀測(cè)技術(shù) ［M］.北京： 地震出版社，1995.

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Abstract：The earth electrical resistivity observed in three direction at Xinyi station is very inconsistent.This paper analyzed the reasons of the differences objectively,and pointed out that detecting depth could cause a variety of annual variations.The deeper detecting depth is,the more obvious annual variation quantity is.It is less effected and more precursory significance. Reasonable electrical structure must be taken into account in field selection.

Keywords：Earth-resistivity;Annual variation quantity；Directional differences

Discussion and Significance on the Cases of the Electronic Resistivity Observation at Xinyi Station

SHEN Honghui,SUN Chunxian,YE Biwen
(Earthquake Adminstration Jiangsu Province,Nanjing 210014,China)

P315.24

A

1001-8662（2010）04-0041-07

2010-04-22

沈紅會(huì)，男，1972年生，高級(jí)工程師.主要從事地震預(yù)報(bào)工作. E-mail:shhmouse@sina.com.