四0四多極距地電阻率年變化特征分析

張彩艷,閆 勛,雷功明,張貴文,劉 帥,程 鵬

(1.中國(guó)地震局蘭州地震研究所,甘肅 蘭州 730000;2.甘肅蘭州地球物理國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站,甘肅 蘭州 730000)

0 引言

目前,我國(guó)地震臺(tái)布設(shè)用于地震監(jiān)測(cè)的地電阻率測(cè)線絕大多數(shù)是單一極距觀測(cè)裝置測(cè)線。這種單一極距裝置觀測(cè)得到視電阻率是地下各層介質(zhì)電阻率的綜合反映,無(wú)法反映出地下不同深度介質(zhì)的電阻率[1]。相應(yīng)的,依據(jù)單一極距裝置的觀測(cè)數(shù)據(jù)變化也無(wú)法直觀地得到該變化是受哪一深度范圍內(nèi)介質(zhì)電阻率變化的影響。目前我國(guó)多數(shù)臺(tái)站的地電阻率觀測(cè)裝置位于地表,許多臺(tái)站因淺層介質(zhì)電阻率的季節(jié)性變化呈現(xiàn)出年變化形態(tài),且年變化特征受臺(tái)址不同電性結(jié)構(gòu)的控制。因淺層介質(zhì)電阻率易受氣象因素的影響,這使得地電阻率觀測(cè)值呈現(xiàn)出比較復(fù)雜的背景變化,不能直觀地反映淺表層以下介質(zhì)電阻率的真實(shí)變化情況[2]。因此,地電學(xué)科嘗試開(kāi)展了地電阻率多極距觀測(cè),其核心思想是利用不同極距的觀測(cè)所反映的深度范圍不同,進(jìn)而通過(guò)反演獲取不同深度范圍介質(zhì)電阻率的變化,為研究介質(zhì)電阻率與地震或非地震的物理因素之間的關(guān)聯(lián)提供依據(jù),為識(shí)別干擾影響和提取地震異常信息提供重要的技術(shù)手段[3]。

1 臺(tái)站概況

四0四地電阻率臺(tái)是甘肅局地電臺(tái)網(wǎng)唯一一個(gè)企業(yè)臺(tái)站,觀測(cè)數(shù)據(jù)連續(xù)、可靠。該臺(tái)站位于甘肅省河西走廊中部,距離阿爾金主控?cái)嗔褞Ъs26 km,各斷裂活動(dòng)特征均以走滑為主。從構(gòu)造變形角度,青藏高原東北緣是由NEE向的阿爾金主控?cái)嗔褞?、NWW向的廣義海原斷裂以及近EW向的東昆侖斷裂帶三條大型邊界斷裂圍成的相對(duì)獨(dú)立的活動(dòng)地塊,塊體內(nèi)部發(fā)育有鄂拉山斷裂、日月山斷裂等右旋剪切構(gòu)造帶以及逆沖為主的祁連山匯聚帶(圖1)[4],從區(qū)域構(gòu)造上處于祁連山NW向構(gòu)造帶、北山EW向構(gòu)造帶及阿拉善弧形構(gòu)造帶三大構(gòu)造單元的過(guò)渡地帶。四0四臺(tái)布極區(qū)附近有活動(dòng)斷裂通過(guò),周圍出露的主要有上新統(tǒng)疏勒河組(Ns)及下更新統(tǒng)玉門組(Q1y)地層。臺(tái)址附近地表主要為第四系沖洪積礫石層、各類砂層等。

圖1 四0四臺(tái)及周邊斷層分布圖Fig.1 Distribution map of 404 stations and surrounding faults

四0四臺(tái)的電性結(jié)構(gòu)可以簡(jiǎn)單地分為3層。雖然每一層電性結(jié)構(gòu)存在一定的局部非均勻性(橫向變化),但為了等效為地電阻率多極距觀測(cè)的水平層狀電性均勻,對(duì)每一個(gè)隔離系數(shù)(深度因子)所對(duì)應(yīng)的深度層(同一對(duì)供電和測(cè)量極距)的視電阻率進(jìn)行平均,獲得探測(cè)區(qū)域內(nèi)較為合理的電測(cè)深曲線(圖2),且EW和NS兩個(gè)方向差異較小。測(cè)區(qū)地下整體上可劃分為3層。

圖2 四0四臺(tái)地電阻率測(cè)區(qū)電測(cè)深曲線Fig.2 Electric sounding curve of resistivity measuring area of 404 station

臺(tái)站所在地區(qū)氣候干燥,年降水量為126 mm,年蒸發(fā)量為1 634 mm。降雨多在夏季,且降雨量很小,地表淺層浸潤(rùn)深度不到5 cm,且水分很快就被蒸發(fā)。地下水主要受祁連山融雪補(bǔ)給,測(cè)區(qū)附近水位約20 m。為此,結(jié)合電測(cè)深數(shù)據(jù)和地下水位,測(cè)區(qū)地下電性結(jié)構(gòu)如表1所列。

表1 四0四臺(tái)地電阻率測(cè)區(qū)電性結(jié)構(gòu)Table 1 Electrical structure of the resistivity measurement area of 404 station

2 觀測(cè)系統(tǒng)介紹

四0四臺(tái)地電阻率原有觀測(cè)分別在NS、EW兩個(gè)方向布設(shè)單一極距的觀測(cè)裝置[圖3(a)]。其中NS測(cè)道供電極距A1B1=791 m,測(cè)量極距M1N1=234 m,裝置系數(shù)K=1 922 m;EW測(cè)道供電極距A3B3=732 m,測(cè)量極距M3N3=188 m,裝置系數(shù)K=2 079 m。2016年沿EW測(cè)道新增架設(shè)多極距觀測(cè)裝置,共計(jì)4個(gè)測(cè)道,布極方式如圖3(b)所示。其中,第一道供電極距A13B14=732 m,測(cè)量極距M15N16=188 m,裝置系數(shù)K=2 091 m;第二測(cè)道供電極距A01B08=400 m,測(cè)量極距M02N07=80 m,裝置系數(shù)K=1 508 m;第三測(cè)道供電極距A02B02=400 m,測(cè)量極距M04N05=15 m,裝置系數(shù)K=323 m;第四測(cè)道供電極A03B06=40 m,測(cè)量極距M04N05=15 m,裝置系數(shù)K=72m[5]。

圖3 四0四臺(tái)地電阻率原布極圖及多極距觀測(cè)系統(tǒng)Fig.3 Original polar map and multi-separation array earth resistivity observation system of 404 station

3 多極距觀測(cè)數(shù)據(jù)分析

3.1 降雨影響分析

首先,利用多項(xiàng)式擬合降雨對(duì)地電阻率數(shù)據(jù)的干擾。假定降雨量數(shù)據(jù)為x,引起的相應(yīng)的地電阻率變化量為y,則其多項(xiàng)式擬合關(guān)系為:

yx=a1xn+a2xn-1+…+anx+an+1

(1)

式中:ai(其中i=1,2,3,…,n+1)為多項(xiàng)式系數(shù),使其能較好地?cái)M合地電阻率受降雨干擾的數(shù)據(jù)變化曲線。通過(guò)擬合的多項(xiàng)式計(jì)算的地電阻率變化量與實(shí)際地電阻率變化量及殘差如圖4所示。計(jì)算其相關(guān)系數(shù),ρ1=0.296 9,ρ2=0.141 5,ρ3=0.250 5,ρ4=0.462 5,其相關(guān)系數(shù)較低,而實(shí)際變化量與擬合變化量擬合殘差絕對(duì)值分布范圍較大,擬合結(jié)果較差(圖4)。

3.2 溫度對(duì)地電阻率的影響分析

四0四臺(tái)測(cè)區(qū)位于戈壁灘,多極距觀測(cè)數(shù)據(jù)年變化顯著,由于該區(qū)域降雨集中在夏季且降雨量小(圖4),而蒸發(fā)量非常大,地表淺層含水率低,可以推測(cè)基本處于穩(wěn)定狀態(tài)。因此,四0四臺(tái)站地電阻率年變化主要受溫度控制,夏季降雨也會(huì)對(duì)年變化產(chǎn)生一定的影響。

圖4 原始變化量曲線與擬合變化量曲線對(duì)比圖Fig.4 Comparison between original and fitted variation curves

地表淺層溫度變化是由大氣溫度變化引起的,溫度影響幅度隨深度增加而減小,滿足以下規(guī)律[6]:

(2)

式中:T0是溫度變化幅度;κ是介質(zhì)熱擴(kuò)散率,對(duì)于地表土層,取κ=0.004 9 cm2/s;ω是溫度變化角頻率,對(duì)于年變化而言,ω=2ωa;z是深度。從四0四氣象站(距離臺(tái)站約3 km)的地溫觀測(cè)數(shù)據(jù)可知,地表溫度月均值最高約32 ℃,最低約-13 ℃,年均溫度約9.5 ℃。冬季凍土層厚度約1.5 m,1.6 m以下地溫觀測(cè)顯示溫度長(zhǎng)年高于冰點(diǎn)(圖5)。由于土壤熱傳導(dǎo)系數(shù)低,隨著深度增加土壤溫度變化出現(xiàn)相位滯后。

圖5 四0四氣象站土壤溫度觀測(cè)數(shù)據(jù)Fig.5 Soil temperature observation data of 404 meteorological stations

據(jù)實(shí)驗(yàn)室結(jié)果,在室溫變化范圍內(nèi)含水巖石電阻率隨溫度變化可由如下關(guān)系式表示:(TapxoBa,1963):

(3)

式中:α是溫度系數(shù),一般取α=0.025 ℃;ρ18 ℃是18 ℃時(shí)巖石的電阻率,這里取表1電性結(jié)構(gòu)第一層介質(zhì)電阻率,即ρ18 ℃=122 Ω·m。則在日變化溫度影響下淺層介質(zhì)電阻率隨深度變化如圖6(b)所示。由此可見(jiàn),年溫差能引起地表淺層介質(zhì)等效電阻率大幅度的變化,在由冬季轉(zhuǎn)春季溫度上升時(shí),淺層介質(zhì)電阻率下降;而由夏季轉(zhuǎn)秋季夜間溫度下降時(shí),淺層介質(zhì)電阻率上升[7]。

圖6 溫度年變化隨深度變化及土壤電阻率隨深度年變化Fig.6 Annual variation of temperature and soil resistivity with depth

為分析年溫度變化對(duì)不同極距地電阻率年變化的影響,將測(cè)區(qū)電性結(jié)構(gòu)第一層再次劃分為兩層,第一層厚度8 m,將受溫度變化的影響,第二層厚度12 m,其余兩層參數(shù)和表1相同。分別計(jì)算ωt=(0,1,2,…,12π)/12時(shí)不同深度介質(zhì)的電阻率,并計(jì)算不同觀測(cè)極距下對(duì)應(yīng)的地電阻率年變化(圖7)[6]。為更好地展現(xiàn)出年變化,如圖7(a)中計(jì)算了兩年的月均值曲線。AB=732 m和40 m的觀測(cè)整體呈現(xiàn)出夏低冬高的正常年變形態(tài),而AB=400 m和80 m的觀測(cè)整體呈現(xiàn)出夏高冬低的反常年變形態(tài),且不同極距年變化之間存在一定的相位偏移,這與實(shí)際觀測(cè)結(jié)果一致[圖7(b)]。值得注意的是,對(duì)于AB=40 m的模擬計(jì)算視電阻率值和實(shí)際觀測(cè)差異較大,可能原因是地表淺層存在橫向不均勻性,而該小極距的觀測(cè)位于相對(duì)低阻的位置,因?yàn)樵搶?shí)際觀測(cè)值也與圖1的電測(cè)深解釋結(jié)果不符。

4 問(wèn)題討論

通過(guò)不同極距年變化模擬計(jì)算視電阻率值和實(shí)際觀測(cè)數(shù)據(jù)分析差異較大,地電阻率出現(xiàn)的冬天低值、夏天高值的反常年變化主要的原因可能有三種,其中最主要的是在特殊地電斷面上,由于表層介質(zhì)電性變化對(duì)地電阻率測(cè)量以反向貢獻(xiàn)所致,這是表層電阻率變動(dòng)引起地下電流密度非線性變化在特殊地電斷面上的反映。當(dāng)臺(tái)站表層巖土受溫度變化影響而出現(xiàn)夏低冬高的電阻率變化時(shí),在某些特殊的地電斷面上用一定極距的四極裝置觀測(cè)到與表層相反的地電阻率變化,這種反常年變化完全是由臺(tái)址的特殊電性結(jié)構(gòu)所決定的[8]。

(1) 進(jìn)行電測(cè)深時(shí)的中心點(diǎn)和實(shí)際多極距觀測(cè)的中心點(diǎn)可能不重合,淺層通常存在較大的橫向不均勻性,電測(cè)深曲線的前支反映的局部范圍內(nèi)淺層介質(zhì)電阻率,很可能不是多極距觀測(cè)中小極距觀測(cè)區(qū)域淺層介質(zhì)的電阻率;

(2) 在做電測(cè)深時(shí),淺層電阻率是通過(guò)小極距的觀測(cè)獲取的,且在一年中不同時(shí)節(jié)進(jìn)行觀測(cè)時(shí)淺層電阻率本身就會(huì)存在較大的差異。

5 結(jié)論

(1) 四0四地電阻率結(jié)合氣象站降雨量數(shù)據(jù),利用多項(xiàng)式擬合對(duì)地電阻率數(shù)據(jù)的干擾分析,計(jì)算了地電阻率變化量與實(shí)際地電阻率變化量及殘差值。發(fā)現(xiàn)計(jì)算相關(guān)系數(shù)結(jié)果較低,實(shí)際變化量與擬合變化量擬合殘差絕對(duì)值分布范圍較大,擬合結(jié)果較差。因此,降雨并不會(huì)造成ρs反常年變化;

(2) 通過(guò)四0四氣象站土壤溫度觀測(cè)數(shù)據(jù)分析,干旱降水量較少的地區(qū)淺層地電阻率年變化主要受溫度控制。因此地表淺層溫度是造成反常年變的首要原因。

(3) 分析研究結(jié)果還表明,四0四多極距地電阻率觀測(cè)數(shù)據(jù),AB=40 m模擬計(jì)算視電阻率值和實(shí)際觀測(cè)數(shù)據(jù)存在較大差異,原因是地表淺層存在橫向不均勻性。

由于四0四多極距地電阻率觀測(cè)資料積累時(shí)間短,今后需要繼續(xù)加強(qiáng)多極距數(shù)據(jù)分析研究。