平?jīng)雠_井下地電阻率年變特征及相關性分析

趙斐,張遠富

(甘肅省地震局平?jīng)鲋行牡卣鹋_，甘肅 平?jīng)?744000)

0 引 言

地電阻率法是通過觀測地球淺部介質的電學性質隨時間變化來進行預報地震的方法[1]。在我國地電阻率觀測通常采用地表對稱四極的布極方式，電流集中在表層，因此地表因素(如季節(jié)，降雨，地表水位及人為等)變化都會對觀測值產(chǎn)生影響[2-3]。經(jīng)過多年的發(fā)展，積累了大量的觀測數(shù)據(jù)和科學研究成果，其方法理論、觀測技術和觀測數(shù)據(jù)應用等方面也取得了很大進展，但多數(shù)成果理論基本都集中于地面電法觀測[4]。近年由于城市化進程加快和地表干擾的增多，多數(shù)地面地電阻率觀測受到了影響，嘗試開展井下地電觀測。井下地電阻率觀測近似全空間，可以有效的消除地表環(huán)境變化的影響，并且對地下基巖電阻率的變化有較靈敏的響應，從而提高了觀測值的可信度[5-6]。井下地電阻率觀測雖然避開了地表干擾，但平?jīng)雠_作為一個特例仍記錄到明顯的年變形態(tài)。由于地電阻率的“年變化”并不是“時間”引起的，變化規(guī)律并不能事先確定，如果在地電阻率觀測中檢測出地表電阻率變化及它對常規(guī)觀測的視電阻率的影響，確定地下深層視電阻率的變化，就能避免這種非孕震因素對預報工作，特別是短臨預報的“干擾”[7]。據(jù)此本文對平?jīng)鼍碌仉娮杪省⒔涤旰偷販赜^測資料進行了整理和分析，探討井下地電阻率年變化與降雨和地層溫度的相關關系。

1 平?jīng)雠_井下觀測系統(tǒng)簡介

平?jīng)鼍露鄻O距地電阻率觀測系統(tǒng)[8]位于平?jīng)鍪袥芎英窦夒A地上，距離市區(qū)約11 km。測區(qū)平坦開闊，原為耕地，現(xiàn)雜草覆蓋，周邊為村鎮(zhèn)。地下水埋深大體在(10～20)m之間，附近無明顯干擾源。地質構造屬于南北地震帶北段南部、六盤山斷陷帶東麓大斷裂帶的東側。臺基巖性：(0～7)m是亞砂土，其中表層有(2～3)m厚的黃土；(7～40)m為砂礫石；40 m以下至110 m為第三系的泥巖或砂泥巖；110 m以下為白堊紀地層，其上部為泥巖，下部為砂巖或砂礫巖。該觀測系統(tǒng)采用“L”形布極方式，包括水平測向和垂直測向，淺層水平觀測(地下2 m深度)1道、地下40 m水平觀測2道、地下60 m水平觀測1道、地下80 m水平觀測1道、地下100 m水平觀測2道、垂直觀測6道和驗證測量系統(tǒng)1道，共計14個測道。通道號、供電極、測量極和裝置系數(shù)對應情況見表1。整個觀測系統(tǒng)共使用7口井，其中南北向井孔間距150 m，東西向井孔間距80 m。南北向供電極距為450 m，測量極距為150 m，東西向供電極距為240 m，測量極距為80 m。對1、2、3和4號井進行垂直觀測，供電極距為60 m，測量極距為20 m。另外，4號井內(nèi)還有底部和長極距垂直兩個測道，供電極距分別為60 m 和120 m，測量極距分別為20 m 和40 m。地溫觀測系統(tǒng)位于4號井內(nèi)，布設4個地溫探頭，分別放置在井下10 m、30 m、70 m及150 m的位置，電極及地溫探頭布設情況如圖1。

圖1 電極和地溫探頭分布

表1 供電極、測量極布設情況和裝置系數(shù)

2 平?jīng)雠_井下地電阻率年變特征

平?jīng)雠_井下觀測系統(tǒng)于2013年底改造完成，2014年正式運行，至今已積累超過5年的基礎性觀測數(shù)據(jù)。多年來裝置系統(tǒng)運行穩(wěn)定，從未發(fā)生過故障，儀器運行良好，產(chǎn)出數(shù)據(jù)質量較高，連續(xù)率100%、完整率100%、年精度0.04%，各項指標均能達到地電觀測技術標準。井下100 m水平觀測南北向、東西向測道為主要測項，其它測道為實驗側項。從多年的觀測資料來看，各水平測道數(shù)據(jù)曲線形態(tài)十分接近，存在較規(guī)則的年變；各垂直測道的觀測數(shù)據(jù)曲線波動較小，年變形態(tài)不是十分明顯。因此本文僅選取2015～2018年井下100 m水平觀測南北向、東西向測道的觀測資料進行研究。從幾年的曲線年動態(tài)對比(圖2)來看，平?jīng)雠_井下地電阻率測值具有明顯的年變規(guī)律，具體表現(xiàn)為“夏低冬高”的形態(tài)，其中南北向測道的年變化較東西向測道更顯著(NS南北向測道平均年變幅度為0.76%，東西向測道平均年變幅度為0.37%)。據(jù)此表明平?jīng)鼍碌仉娮杪逝c地表季節(jié)性變化有很大關系，隨極距的增大關系越明顯。

值得注意的是從2017年開始兩個測道的測值明顯偏高，年變幅有增大的趨勢。針對此次變化，2017年6月28日中國地震臺網(wǎng)中心、甘肅省地震局和寧夏地震局的相關專家赴現(xiàn)場進行了聯(lián)合異常核實。經(jīng)調查，2016年底氣溫較往年略高，而春季氣溫回升速率較慢，表現(xiàn)出倒春寒。氣溫的反常變化本應引起2016年冬季地電阻率較往年有所降低，而春季其下降速率也應放緩，但實際觀測資料的變化幅度卻明顯增大。平?jīng)雠_測區(qū)位于河谷沖擊沉積區(qū)域，南北向測道北端供電極距涇水約200 m，且其西側上游4 km處存在一水庫，測區(qū)及附近無地下水開采，因此可以推測測區(qū)地下潛水位相對穩(wěn)定。臺站地區(qū)地處六盤山南麓，年降雨量豐富、空氣濕潤、淺層土層含水率相對穩(wěn)定，因此此次異常變化不是由淺層介質電阻率變化引起的。異常核實認為平?jīng)雠_自2016年7月后，出現(xiàn)的年變幅度大幅增加屬于趨勢性異常變化。

為進一步客觀分析平?jīng)鼍碌仉娮杪誓曜兓?guī)律，將原始觀測數(shù)據(jù)中大幅變化的突跳數(shù)據(jù)剔除再計算出日均值進行統(tǒng)計，結果見表2。可以看出：南北向測道高值波動范圍(64.55±0.18)Ω·m，多出現(xiàn)在2月底3月初，低值波動范圍(64.07±0.14)Ω·m，多出現(xiàn)在8月中旬。東西向測道高值波動范圍(41.31±0.09)Ω·m，多出現(xiàn)在3月底4月初，低值波動范圍(41.16±0.06)Ω·m，多出現(xiàn)在8月下旬，較南北向測道存在明顯的滯后現(xiàn)象。從平均年變化幅度來看，南北向測道為0.76%，東西向測道為0.37%，顯然南北向測道的年變化幅度是東西向測道的2倍有余。其實南北向測道的供電極距為450 m，東西向測道的供電極距僅為240 m，二者相差也接近2倍。據(jù)此不難解釋東西向測道高低值滯后以及年變幅度相差2倍的現(xiàn)象，主要是因為東西向測道探測到地表凍土層的范圍小，獲取表層視電阻率信息較小的原因。

表2 平?jīng)雠_井下地電阻率年變特征統(tǒng)計

3 相關性分析

3.1 方法簡介

地電觀測物理量與降水，地下水、水位升降等多種因素存在關聯(lián)關系或因果關系，線性相關分析的目的在于從地電觀測物理量中排除這些因素引起的干擾變化，從而有效提取與地震有關異常。設地電阻率觀測物理量時間序列為y={y1，y2,…,yN}，相關物理量時間序列為x={x1，x2,…,xN}，則{y }與{x}之間的線性相關關系用(1)式表示：

(1)

式中：

則二者的相關系數(shù)可利用公式(2)進行計算：

(2)

3.2 與降雨量的相關性分析

平?jīng)龅貐^(qū)降雨主要集中在每年的5～9月，2015～2018年的年降雨量分別為：452 mm、471 mm、454 mm和555mm，除2018年偏多其它幾年的降雨量相當。從圖3可以看出每年降雨量峰值多在7月，枯水期多在12月和次年的1月。而前面分析到井下地電阻率的高值多在3月，低值多在8月，存在一個月左右的滯后現(xiàn)象，這主要是因為降雨從地表到地下有一個緩慢下滲的過程。值得關注的是2016年從11月開始提前進入了枯水期，長達3個多月，與往年相比多了1個月左右。另外在相同時期測區(qū)表面附著植物(樹苗)被全部移除，加快了地表水分的蒸發(fā)，這可能是上述提到的2017年平?jīng)鼍碌仉娮杪蕼y值走高的原因。這在2018年也得到了很好的驗證，2018年6～8月短期累積降雨量達到了390 mm，由于地表植被稀疏從而雨水下滲速度加快，最后導致了井下地電阻率測值與往年同期相比下降速率明顯增大。

圖3 平?jīng)雠_井下地電阻率與降雨量對比

為了進一步量化平?jīng)鼍碌仉娮杪逝c降雨的相關性，選取2015～2018年的月均值數(shù)據(jù)，需要說明的是電阻率數(shù)據(jù)為月均值，降雨量為月累計降雨量，因為平?jīng)龅仉娮杪孰姌O埋設在井下100 m，單日或短期的降雨不會對它造成影響，所以本文沒有選取日值進行計算。另外考慮電阻率和降雨相比較存在滯后的現(xiàn)象，因此將降雨量的測值延后一個月與電阻率測值對齊進行相關系數(shù)的計算，結果見表3。從數(shù)值上來看，平?jīng)雠_井下地電阻率測值與降雨量的相關性較高，表現(xiàn)為負相關，即地電阻率的測值隨降雨量的增加而減小。其中南北向測道與降雨量的相關性高于東西向測道(南北向測道的均值為-0.857，東西向測道的均值為-0.792)，這與東西向測道極距小獲取表層視電阻率信息較少的原因相吻合。綜上研究表明：季節(jié)性降雨是平?jīng)雠_井下地電阻率產(chǎn)生年變化的主要影響因素。

表3 平?jīng)雠_井下地電阻率與降雨量、地溫相關系數(shù)統(tǒng)計

3.3 與地溫的相關性分析

平?jīng)雠_地溫觀測探頭置于4號井分別對10 m、30 m、70 m和150 m的地層溫度進行測量，儀器選用ZKGD-3000型地溫儀，該儀器支持長線(1 000 m)傳輸?shù)腞S485接口，采樣率為1次/分鐘，為了與電阻率做比較，同樣將分鐘值換算出月均值再進行分析。分別將南北向和東西向測道的地電阻率測值曲線與各層地溫數(shù)據(jù)曲線繪制到一起(圖4)進行對比分析，可以看出：(1)10 m和30 m層地溫曲線形態(tài)相似，表現(xiàn)為等周期正弦波動，屬于季節(jié)變化。表明30 m以上的地層溫度受地表溫度的影響較明顯；30 m地溫較10 m地溫存在明顯的滯后，表明熱源由地表緩慢向下傳導。(2)70 m和150 m層地溫數(shù)據(jù)曲線表現(xiàn)為趨勢下降，不同的是70 m地溫以對數(shù)形態(tài)下降，150 m地溫則以指數(shù)形態(tài)下降。表明70 m以下的地層溫度基本不受地表溫度的影響，熱源可能處于地層深部緩慢向上傳導。(3)井下地電阻率測值曲線與淺層地溫(10 m和30 m)變化形態(tài)十分相似，只是相位存在差異(10 m地溫提前，30 m地溫滯后)。表明井下地電阻率與淺層地溫相關性較好。(4)井下地電阻率測值曲線與深層地溫(70 m和150 m)變化形態(tài)截然不同，表明井下地電阻率與深層地溫的相關性較弱。

圖4 平?jīng)雠_井下地電阻率與地溫曲線對比

同樣為了量化分析井下地電阻率與地溫的關系，選取2015～2018年的月均值數(shù)據(jù)計算二者之間的相關系數(shù)，結果見表3?？梢钥闯觯壕碌仉娮杪逝c淺層地溫相關性較好，表現(xiàn)為正相關。當?shù)仉娮杪视^測極距減小時相關性減弱，如10 m層地溫與南北向測道的相關系數(shù)為0.839，而與東西向測道的僅為0.730。井下地電阻率與深層地溫的相關系數(shù)顯示為低度相關，如150 m層地溫與東西向測道的相關系數(shù)均值僅為0.373。需要說明的是地電阻率與地層溫度的相關性僅表征了它們的變化規(guī)律是否相似，二者沒有必然的聯(lián)系，和降雨量不同，地溫的升降不會直接影響地電阻率的變化。但二者結合起來進行研究能更好地揭示觀測場區(qū)地層的綜合物理屬性的變化規(guī)律。

4 結 論

通過上述分析和討論，本文得到如下主要結論：

(1)平?jīng)雠_井下地電阻率測值具有明顯的年變規(guī)律，具體表現(xiàn)為“夏低冬高”的形態(tài)。其中南北向測道的年變化較東西向測道更顯著，高值多出現(xiàn)在3月，低值多出現(xiàn)在8月，且東西向測道有滯后的現(xiàn)象。

(2)平?jīng)雠_井下地電阻率測值與降雨量的相關性較高，季節(jié)性降雨是導致其產(chǎn)生年變化的主要影響因素。且降雨對南北向測道的影響高于東西向測道，這主要是因為東西向測道極距小獲取表層視電阻率信息較少的原因。

(3)平?jīng)雠_井下地電阻率測值曲線與淺層地溫(10 m和30 m)變化形態(tài)十分相似，只是相位存在差異(10 m地溫提前，30 m地溫滯后)，相關性較好；與深層地溫(70 m和150 m)變化形態(tài)截然不同，相關性較弱。