用“剝皮法”處理騰沖地震臺視地電阻率資料*

楊玲英，毛先進(jìn)，孫自剛，鄒 平

(云南省地震局，云南昆明650224)

用“剝皮法”處理騰沖地震臺視地電阻率資料*

楊玲英，毛先進(jìn)，孫自剛，鄒 平

(云南省地震局，云南昆明650224)

用“剝皮法”處理了騰沖地震臺2002年1月至2008年8月視電阻率數(shù)字化觀測資料。結(jié)果表明:“剝皮法”反演計算速度快且穩(wěn)定;反演后的資料明確顯示深部電阻率存在明顯變化，這一變化與地表氣候及人文干擾無關(guān)，可能與2008年5月12日汶川8.0級地震有關(guān)。

剝皮法;視電阻率;等將地電結(jié)構(gòu);騰沖地震臺

0 引言

我國目前用于地震前兆監(jiān)測的視電阻率觀測系統(tǒng)，絕大多數(shù)只有一個極距，不具備測深功能，用這種觀測系統(tǒng)獲得的數(shù)據(jù)隨時間的變化，是在觀測范圍內(nèi)不同深度處電阻率變化的綜合反映，人們難以弄清楚視電阻率變化的實際原因。研究是否可以從這種觀測方式獲得的數(shù)據(jù)中區(qū)分表層和深部的電阻率變化是有意義的。

我國的前兆視電阻率觀測很早就實現(xiàn)了數(shù)字化整點時刻觀測，這些整點值組成的時間序列中包含了地下不同深度處的介質(zhì)電阻率隨時間變化的信息，目前人們只是將一天內(nèi)的整點值的平均作為日均值以消除隨機(jī)干擾，對這種資料的利用還不夠充分。

基于以上兩方面的原因，毛先進(jìn)和錢家棟(2001)以臺址下一維地電結(jié)構(gòu)為前提，針對我國絕大多數(shù)前兆地電阻率臺單極距觀測數(shù)據(jù)，提出了一種從這種觀測所獲得的視電阻率時間序列中識別表層和深部電阻率變化的方法，稱之為“剝皮法”，本文應(yīng)用此方法處理騰沖臺地電阻率數(shù)字化整點值觀測資料。

1 “剝皮”法原理簡述

為了從單極距觀測資料中區(qū)分表層和深部介質(zhì)電阻率變化，需做2個假定:

(1)假定臺址下電阻率分布分層均勻，即地電結(jié)構(gòu)是一維的，可分為n層;各層電阻率隨時間變化，但各層厚度不隨時間變化。

如果在分層數(shù)及層厚度都有差異的兩種地電結(jié)構(gòu)上，用一個相同的觀測裝置觀測到的視電阻率相同，我們稱這兩種地電結(jié)構(gòu)相互等效。對一個確定的觀測裝置，總能找到與實際的n層介質(zhì)結(jié)構(gòu)等效的二層結(jié)構(gòu)。筆者將可能受到氣候及人文干擾的淺部若干層視為第一層，之下各層視為第二層。第一層電阻率變化代表了實際地電結(jié)構(gòu)中受氣候及人文干擾的淺部各層中某一層或某些層的電阻率發(fā)生了變化，第二層電阻率變化則代表了不受氣候及人文干擾的深部各層中某一層或某些層的電阻率發(fā)生了變化。這種等效簡化，一方面減少未知數(shù)個數(shù)，與地球物理反演理論中盡可能利用先驗知識減少模型參數(shù)數(shù)目十分吻合 (楊文采，1997)，另一方面，如果能借助這種簡化較好地區(qū)分淺部和深部的變化，對于地震預(yù)報也是有益的。

等效地電結(jié)構(gòu)第一層的厚度是以該層之下不受氣候及人文干擾為原則，結(jié)合地質(zhì)、電測深曲線綜合確定，等效地電結(jié)構(gòu)第一、二層地電阻率則據(jù)前述等效原則確定。

(2)假定在連續(xù)3個觀測時刻界定的時間段內(nèi) (對于整點觀測，相當(dāng)于在2 h內(nèi))，等效地電結(jié)構(gòu)第一層和第二層電阻率的變化率為常數(shù)，即滿足線性變化。定性來看，在地震孕育而不是發(fā)生階段，地殼介質(zhì)形變較小，所導(dǎo)致的電阻率變化在幾小時內(nèi)線性變化是可以接受的。

在上述2個假定下，可以用最小二乘法求得等效地電結(jié)構(gòu)第一層和第二層電阻率的變化率，進(jìn)而求得等效結(jié)構(gòu)第一層和第二層的電阻率。

2 騰沖臺地電模型建立

騰沖地震臺位于騰沖縣城東面，距騰沖縣城2～3 km，地理位置為 25°01'47″N，98°31'13″E，海拔高度1 650 m，位于喜瑪拉雅褶皺帶上全新世活動的南北向騰沖火山斷裂帶附近，測區(qū)周圍地層為第四系堆積物，堆積物主要由沖積、沖洪積、沖湖積之砂礫石層、粘土層并夾泥炭、硅藻土等組成，基巖為下更新統(tǒng)安山巖類英安巖。測量電極布設(shè)在農(nóng)田里，電極埋設(shè)處多為草煤 (泥炭)，地勢較平坦，測區(qū)屬于騰沖盆地的中段，盆地呈南北向長條形，測區(qū)有兩條河溝從南到北流過。季節(jié)性干擾有農(nóng)忙季節(jié)農(nóng)田灌溉影響。地電測項映震能力較好 (云南省地震局，2005)。

基本觀測參數(shù):

EW向:AB=1 400 m，MN=400 m，K=3 533;

SN向:AB=1 400 m，MN=400 m，K=3 533。

圖1為騰沖臺電阻率測區(qū)電測深曲線，該測區(qū)EW、NS方向電阻率都是H型三層結(jié)構(gòu)，第一層(淺層)和第三層 (深層)電阻率都大于第二層(中間層);AB/2(可視為深度)為100 m是測深曲線的拐點，小于或大于此深度視電阻率逐漸升高。按照“剝皮”法的思路，將此結(jié)構(gòu)等效為兩層，取等效結(jié)構(gòu)第一層的厚度為100 m，得到EW、SN二個方向電阻率等效二層結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 騰沖臺電阻率測區(qū)EW、SN向電測深曲線Fig.1 Electrical sounding curves in EW and SN direction in resistivity measuring area of Tengchong Station

圖2 騰沖臺電阻率測區(qū)等效二層結(jié)構(gòu)Fig.2 Equivalent two-layer structure in resistivity measuring area of Tengchong Station

EW向電阻率等效二層結(jié)構(gòu)，h1=100 m;NS向電阻率等效二層結(jié)構(gòu)，h1=100 m

3 資料收集與分析處理

3.1 資料收集

“九五”數(shù)字化改造后，騰沖臺地電阻率測項實現(xiàn)了數(shù)字化觀測，從2001年8月起開始試觀測，從2002年1月起觀測資料較為穩(wěn)定、相對連續(xù)完整，因此筆者收集了騰沖臺2002年1月至2008年8月，共2 396 d的EW方向和NS方向的視電阻率整點觀測值。

3.2 “剝皮法”處理程序編制

按照“剝皮法”研究思路，針對騰沖臺地電阻率觀測資料時間長、數(shù)據(jù)多 (每個方向每年有365×24個觀測數(shù)據(jù))的特點，編制了可處理多年整點值資料的“剝皮法”地電阻率資料反演處理程序。

3.3 電阻率觀測資料處理與分析

用編制的“剝皮法”資料反演程序?qū)︱v沖臺2002年1月1日至2008年8月31日EW、SN兩個方向的視電阻率整點值資料進(jìn)行了處理，求得了等效二層地電結(jié)構(gòu)第一、二層電阻率的整點值時間序列，然后求得日平均值，如圖3所示。

筆者在資料處理后發(fā)現(xiàn)，“剝皮法”處理計算速度快，反演計算穩(wěn)定;反演后的資料 (圖3a)表明EW、SN兩個方向的深部電阻率在2005年10月至2008年6月期間同步出現(xiàn)了一個“快速上升—相對緩慢下降—恢復(fù)原來值”的變化過程，累計上升幅度達(dá)60%，在原始觀測資料 (圖4)中卻看不到這種變化，盡管淺部電阻率也發(fā)生了一些變化，如EW、SN兩個方向的電阻率2002年發(fā)生了較明顯的下降 (圖3b)，但經(jīng)“剝皮法”處理后明確顯示EW、SN兩個測向深部電阻率都存在明顯變化。據(jù)電阻率等效模型，深部電阻率變化發(fā)生在100 m深度以下，應(yīng)與地表氣候變化及人文干擾無關(guān)。由于深部電阻率變化量較大，筆者推測也許與2008年5月12日汶川8.0級大地震有關(guān)。

對用“剝皮法”處理后得到的等效二層地電結(jié)構(gòu)第一、二層電阻率的整點值時間序列做正演，其結(jié)果完全恢復(fù)了原始觀測值時間序列，這從一定程度上驗證了“剝皮法”的正確性和可行性。

圖3 騰沖臺視電阻率觀測資料“剝皮”法反演結(jié)果(a)深部電阻率反演結(jié)果;(b)淺部電阻率反演結(jié)果Fig.3 Inversion results of apparent resistivity observation data in Tengchong Station by stripping stratum method(a)Inversion results of resistivity in deep layers;(b)Inversion results of resistivity in shallow layers

圖4 騰沖臺視電阻率觀測值Fig.4 Observation value of apparent resistivity in Tengchong Station

4 結(jié)論與討論

(1)研究表明，“剝皮法”反演地電阻率資料計算過程速度快，反演計算穩(wěn)定，有整點值觀測資料就可進(jìn)行“剝皮法”分析處理。

(2)騰沖臺實際觀測資料處理表明，通過“剝皮法”處理能發(fā)現(xiàn)深部電阻率的變化，而利用原始觀測數(shù)據(jù)難以實現(xiàn)。

按照目前國內(nèi)大多數(shù)人的觀點，地震孕震過程中震源及附近巖石發(fā)生微破裂擴(kuò)容，地下水的滲入會使電阻率下降，然而錢家棟和陳有發(fā)(1989)進(jìn)行的一些巖石壓力試驗及國內(nèi)外一些7級以上地震前后電阻率變化情況表明，孕震過程也可能導(dǎo)致飽和巖石的電阻率上升，這與本文用“剝皮法”反演得到騰沖臺深部電阻率上升的結(jié)果是一致的。

毛先進(jìn)，錢家棟.2001.前兆地電阻率資料處理的“剝皮”法［J］.地震學(xué)報，23(6):72－76.

錢家棟，陳有發(fā).1989.地震地電學(xué)譯文集［M］.北京:地震出版社.

楊文采.1997.地球物理反演的理論與方法［M］.北京:地質(zhì)出版社.

云南省地震局.2005.地震監(jiān)測志［M］.北京:地震出版社.

Processing the Apparent Resistivity Data Recorded by Tengchong by“Peeling Method”

YANG Ling-ying，MAO Xian-jin，SUN Zi-gang，ZHOU Ping
(Earthquake Administration of Yunnan Province，Kunming 650224，Yunnan，China)

Using the“peeling method”，we processed the digital observational data of apparent resistivity from Jan.，2002 to Aug.，2008 in Tengchong Seismic Station.The results showed that the inversion process of“peeling method”possessed fast calculation speed and stable.Inversion result showed that there exited evident changes of resistivity in deep layers.Those changes weren't associated with the interference of climate change and humanity activities，and might be associated with Wenchuan MS8.0 earthquake in May 12，2008

peeling method;apparent resistivity;quivalent geoelectric structure;Tengchong Station

P319.3

A

1000－0666(2012)03－0416－04

2011－11－11.

國家科技基礎(chǔ)條件平臺重點項目“數(shù)字地震前兆觀測地電方法標(biāo)準(zhǔn)”(2004DEA71000)資助.