通州臺井下地電阻率測深初步分析

崔博聞,王同利,李 然,胡毅濤,王麗紅,李菊珍

(北京市地震局,北京 100081)

0 引言

自1966年邢臺發(fā)生MS7.2 地震后,地震科研工作者將定點地震地電阻率觀測中的物探視電阻率方法進行改進,并應(yīng)用于地震常規(guī)監(jiān)測中。在55年的連續(xù)監(jiān)測中,它記錄到了發(fā)生在臺網(wǎng)監(jiān)測范圍內(nèi)的多次中強地震,如1976 年唐山MS7.8、松潘—平武MS7.2,1998 年張北MS6.2,2008 年汶川MS8.0,2017年九寨溝MS7.0和2020年古冶MS5.1等中強地震前的異常[1-8]。

通州地震臺坐落于北京市通州區(qū)東南西集鎮(zhèn)侯各莊村,距離夏墊斷層約2 km。該臺位于華北平原北端,大廠凹陷的西南邊緣。北京及鄰區(qū)斷裂分布情況見圖1。通州地電阻率自1970年7月開始正式觀測,在北京及周邊地區(qū)的地震監(jiān)測中發(fā)揮著重要的作用,并對該區(qū)域中強地震有很好的映震效果,尤其是對首都圈中東部唐山地區(qū)。通州臺距離唐山約120 km,對1976年唐山MS7.8等華北地區(qū)的中強地震前都出現(xiàn)過顯著的異常變化[1,8],積累了不少該區(qū)域內(nèi)中強震的震例經(jīng)驗。

圖1 北京及鄰區(qū)斷裂分布圖Fig.1 Distribution of faults in Beijing and its adjacent areas

近年來地表地電阻率的觀測環(huán)境干擾越來越嚴(yán)重,為了抑制和減小環(huán)境因素的影響,我國地震科學(xué)工作者進行了大量研究和試驗,而井下或深埋電極的地電阻率觀測方法是提高觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量的一種有效方法[9-10]。杜學(xué)彬等[11]分析了強震附近對稱四極裝置地電阻率觀測的探測深度,其結(jié)果顯示對于各向異性介質(zhì),在強震孕震晚期和震中附近可檢測到較深部地殼介質(zhì)的電阻率變化。為了減小乃至消除來自表層的干擾以獲得可能的深部地震或構(gòu)造運動信息,研究者已經(jīng)逐漸認識到開展井下地電阻率前兆監(jiān)測的必要性,并陸續(xù)開展了相關(guān)試驗與理論研究[10,12-14]。

隨著城市建設(shè)的發(fā)展,通州臺地表地電阻率測區(qū)環(huán)境干擾增強,嚴(yán)重影響著觀測數(shù)據(jù)的質(zhì)量。2019年,通州臺在冬奧會保障晉冀蒙監(jiān)測能力提升項目的支持下,同場地新建井下小極距地電阻率觀測裝置,地表和井下觀測裝置均采用四極對稱裝置定點觀測。

1 基本介紹

1.1 觀測系統(tǒng)

通州地電阻率自觀測以來,經(jīng)歷過3次搬遷,多次裝置系統(tǒng)改造,現(xiàn)有地表地電阻率和井下小極距地電阻率同場地觀測。圖2顯示通州臺地表和井下小極距地電阻率觀測裝置布極方式及相對位置,其中地表觀測的供電極距AB=1 800 m,測量極距MN=400 m,電極埋深H=2 m,裝置電纜采用地埋方式。井下小極距地電阻率供電極極距AB=80 m,測量極距為MN=20 m,井下水平測道電極埋深H=100 m,裝置電纜同樣采用地埋方式,垂直測道中心點與水平測道電極埋深相同,為近似全空間觀測。井下小極距地電阻率從布極方式、裝置系統(tǒng)建設(shè)工藝等都有很好的改進,較好地抑制了地表環(huán)境干擾和隨季節(jié)變化的年變,清晰準(zhǔn)確地反映較深部介質(zhì)地電阻率的變化過程。

圖2 通州地表和井下地電阻率裝置布極圖Fig.2 Electrode layout for ground and deep-well geological resistivity observation in Tongzhou station

1.2 觀測數(shù)據(jù)分析

通州地表地電阻率在1976 年唐山MS7.8地震發(fā)生前,EW、NS兩個測道均出現(xiàn)了前兆異?，F(xiàn)象。原觀測裝置布設(shè)在現(xiàn)觀測裝置區(qū)的西南約2 km處,距離唐山MS7.8地震震中約 120 km,如圖3(b)所示。NS測道在1973年年中開始出現(xiàn)下降變化,持續(xù)至1976年1月底,下降幅度2.8%,1976年2月開始折返上升至MS7.8地震的發(fā)生。EW測道和NS測道同期變化,但下降幅度較小,僅為1.3%,折返轉(zhuǎn)折時間基本相同。1976年唐山MS7.8 地震的發(fā)震斷裂為 NNE走向的唐山斷裂,主震主壓應(yīng)力方位近 EW向,主震的震源機制解為走滑型[15]。NS測道與主壓應(yīng)力方向近于垂直,而EW測道與主壓應(yīng)力方向近于平行,兩個方向的異常變化有明顯的各向異性[16]。但近年來環(huán)境干擾嚴(yán)重,且首都環(huán)線公路橫跨測區(qū)通過,導(dǎo)致觀測數(shù)據(jù)噪聲和年變幅度較大,2020年古冶地震前后沒有出現(xiàn)明顯的前兆現(xiàn)象。

圖3 2020年古冶MS5.1和1976年唐山MS7.8地震前后通州地電阻率數(shù)據(jù)變化Fig.3 Change of Tongzhou geological resistivity data before and after the 2020 Guye MS5.1 and 1976 Tangshan MS7.8 earthquakes

通州井下小極距地電阻率開始觀測于2020年1月15日,NE、NW測道在2020年4月出現(xiàn)下降變化,其中NE測道至唐山古冶MS5.1地震發(fā)生前下降0.04 Ω·m,變化幅度約為0.1%,地震后持續(xù)下降到2020年11月后轉(zhuǎn)平;NW測道下降至6月初轉(zhuǎn)平,6月底折返上升,7月15日左右轉(zhuǎn)平,下降0.015 Ω·m,變化幅度約為0.05%,7月12日古冶MS5.1地震發(fā)生在回升階段。NW測道在古冶地震前后出現(xiàn)的快速下降-轉(zhuǎn)折回升現(xiàn)象,完全符合地電阻率孕震機理的變化過程[17],且震中距離臺站130 km左右,因此異常變化為古冶地震前兆的可能性較大,如圖3(a)所示。根據(jù)文獻[1]中震級和下降時間經(jīng)驗公式(1)計算,地震震級約為4.95～5.4,和古冶地震的震級相當(dāng)。

M=0.5+2.5lg(T)

(1)

唐山古冶5.1級地震發(fā)生在唐山斷裂和灤縣—樂亭斷裂的交匯區(qū)域,位于1976年唐山MS7.8地震的余震區(qū)內(nèi),二者相距約15 km。古冶地震的震源機制解為走滑型,最大主壓應(yīng)力方向約為101°。通州臺NE、NW和EW測道與最大主壓應(yīng)力方向之間的夾角分別為70°、50°和10°[18]。震前NE測道下降幅度最大,NW測道次之,EW測道變化幅度最小,呈現(xiàn)出明顯的各向異性變化。

通州井下小極距地電阻率觀測在古冶MS5.1地震前異常變化的形態(tài)、時長和地表地電阻率的孕震變化過程基本一致,但井下小極距地電阻率異常變化幅度遠遠小于地表地電阻率的異常變化幅度。針對這種現(xiàn)象,本文采用數(shù)值模擬的方法,以地電阻率變化與測區(qū)內(nèi)部介質(zhì)(真)電阻率變化的物理理論為依據(jù),計算地表和井下小極距觀測區(qū)域地下深部介質(zhì)電阻率變化的程度以及其上界面逐步(向上)擴展,對通州井下小極距地電阻率的探測深度進行討論分析。

2 地電阻率探測深度

2.1 物理基礎(chǔ)

在地震地電阻率監(jiān)測中,一個觀測臺站通常固定布設(shè)2～3個不同測道的觀測裝置,例如NS、EW、NE或NW測道,以小時采樣方式進行長期觀測。如果將地電阻率測區(qū)劃分為任意的N塊區(qū)域,每一塊區(qū)域介質(zhì)電阻率為ρi(i=1,2,…,n)。地電阻率影響系數(shù)理論表明,當(dāng)測區(qū)電性結(jié)構(gòu)、觀測裝置和極距以及布極位置確定時,各個測點裝置系統(tǒng)所測得的隨時間變化的視電阻率ρs是各分區(qū)介質(zhì)真電阻率與地下介質(zhì)電性結(jié)構(gòu)的影響系數(shù)的函數(shù),即地電阻率的相對變化可以表述成測區(qū)不同區(qū)域介質(zhì)電阻率相對變化的加權(quán)和[19-20]?？梢杂上率絹肀磉_:

(2)

式中:n表示測點下方分區(qū)均勻介質(zhì)的分區(qū)總數(shù);i是介質(zhì)分區(qū)的序號;ρs表示地表裝置系統(tǒng)所測到的某時刻的視電阻率;S(i)為每個區(qū)域的地電阻率影響系數(shù),它與測區(qū)地下介質(zhì)的電性結(jié)構(gòu)以及地表裝置系統(tǒng)參數(shù)有關(guān);ρ(i)為每一個區(qū)域同時刻觀測臺站的電阻率值。

觀測區(qū)域地下介質(zhì)電阻率隨時間的變化可以通過地電阻率裝置測量視電阻率隨時間的變化來獲取,測量結(jié)果受測區(qū)地下電性結(jié)構(gòu)和觀測裝置影響。地震地電阻率定點觀測(或稱“臺站”)裝置系統(tǒng)布設(shè)固定,裝置參數(shù)也固定不變,視電阻率隨時間的變化就是介質(zhì)電性結(jié)構(gòu)參數(shù)隨時間變化的函數(shù)。介質(zhì)電性結(jié)構(gòu)隨時間的變化是由地震孕育過程的應(yīng)力變化所導(dǎo)致,即分析觀測區(qū)電阻率時間變化特征就能獲得周邊中強地震的孕震過程[21-22]。

2.2 數(shù)值模擬

Zhao等[23]將有限差分法數(shù)值模擬法改進為有限差分法三維直流電阻率建模,并利用精確的和近似的狄利克雷邊界條件實際計算。結(jié)果表明,在精確邊界條件下,采用改進的有限差分法得到的視電阻率平均百分比誤差均小于0.5%。對于垂直接觸和埋球模型,近似邊界條件引起的誤差小于0.01%。錢家棟等[24]以測區(qū)地表地電阻率變化與測區(qū)內(nèi)部介質(zhì)電阻率變化的物理理論為依據(jù),模擬了測區(qū)底層在汶川地震孕震過程中出現(xiàn)的一個電性變化區(qū)域,計算了該區(qū)域電阻率變化的過程以及上界面逐步向上擴展對成都臺NE向地電阻率變化的影響,解釋了汶川地震前成都地表地電阻率震前的下降變化。

我們用三維有限元數(shù)值模擬方法討論通州臺井下地電阻率和地表觀測探測地球深部地震信號的有效性。由于北京及周邊地區(qū)中強地震的震源深度一般為5～20 km,因此假設(shè)地電阻率測量的介質(zhì)電性信號變化來自地下10 km的深部,即模擬孕震震源的位置。首先按照通州臺電測深將臺址周邊地下電性結(jié)構(gòu)分為4層(圖4),其中H0代表地表部分,H1、H2、H3代表地下不同電阻率層,每層為均勻體,模擬計算過程中設(shè)定剪切應(yīng)力力偶為大小相等,方向相反。模擬過程中假設(shè)孕震區(qū)距離臺站100 km,唐山地區(qū)到通州臺之間的地下電性結(jié)構(gòu)采用均勻分層,應(yīng)變衰減采用等速率,孕震過程中電阻率呈現(xiàn)下降變化,模擬環(huán)境采用承載應(yīng)力超過破裂應(yīng)力1/2階段時,微裂隙的發(fā)育引發(fā)1/2的含水飽和度100%的土層和1/2的巖石的電阻率大幅度下降。在孕震初期,介質(zhì)電阻率變化引起通州臺附近地下10 km處有一個均勻的凹凸體被周圍無震蠕滑介質(zhì)所環(huán)繞,在外力作用下,凹凸體因受力不均勻而變形并逐漸聚集變大向周圍傳播,從而造成周邊介質(zhì)電阻率的變化,即代表震源區(qū)域的深部介質(zhì)電阻率受孕震的影響而改變。隨著孕震期間的應(yīng)力積累,介質(zhì)電阻率的變化范圍由小變大、由深部向淺表延伸,通州地電阻率觀測裝置接收到這種變化后引起觀測數(shù)據(jù)的變化。根據(jù)電阻率孕震機理,這種改變首先導(dǎo)致電性結(jié)構(gòu)底層ρ4的某一區(qū)域的電阻率值減小,影響區(qū)域的上界面假設(shè)為H∞,隨著深部電阻率變化信號的增大,H∞界面從深部上移,底層ρ4電性變化部位隨之增大,電阻率值減小的區(qū)域逐步擴大,底層ρ4的上界面逐漸向上擴展,引起ρ4區(qū)域變化,進而導(dǎo)致ρ3和ρ4之間的分層線變化H3界面上移,ρ3區(qū)域的介質(zhì)電阻率變化,依次逐步導(dǎo)致整個地下介質(zhì)電阻率的變化,臺站地電阻率儀測量的視電阻率發(fā)生變化,通過式(2)計算的介質(zhì)電阻率也發(fā)生了變化。我們試算了地表地電阻率(H=2 m)和井下小極距地電阻率(H=100 m)在深部介質(zhì)電阻率變化而導(dǎo)致的對應(yīng)視電阻率的變化(圖5)。

圖4 通州地電阻率孕震過程數(shù)據(jù)變化的電性模型Fig.4 Electrical model for the change of geological resistivity data at Tongzhou station during earthquake preparation

圖5 地表、井下電阻率和地下電性上界面變化的關(guān)系Fig.5 Relationship among ground and deep-well geological resistivity and the change of upper interface

圖5顯示了當(dāng)?shù)叵陆橘|(zhì)電阻率變化上界面從地下200 m一直延伸到地表時,通州臺井下小極距和地表地電阻率觀測的相對變化。圖中根據(jù)邊界條件和探測經(jīng)驗，假設(shè)地下電性相對變化20%時，地下介質(zhì)電阻率變化的上界面到達距離地表200 m的深度，地表地電阻率可以觀測到這種變化。而井下小極距地電阻率則能接收到地下電性相對變化2%的變化。當(dāng)?shù)叵陆橘|(zhì)電阻率變化的上界面到達距離地表50 m的深度時,地表和井下地電阻率觀測能接收到的信號則基本相近。

3 井下地電阻率的響應(yīng)分析

孕震過程是地下應(yīng)力-應(yīng)變場的演化過程,地電阻率觀測對應(yīng)變有很敏感的響應(yīng),因此地電阻率在地震研究工作中優(yōu)勢較大。地震大多數(shù)都是來自地球的深部,北京及周邊的中強地震的震源深度80%都發(fā)生在地下5～20 km范圍。不同裝置系統(tǒng)探測孕震信號的能力不同,而影響系數(shù)在電阻率綜合測量值中的占比是表征裝置系統(tǒng)探測能力的一個重要指標(biāo)。趙和云[25]分析了水平層狀介質(zhì)中不同深度對地表ρs變化的響應(yīng)特征,研究表明地下介質(zhì)對地表觀測變化的影響隨著深度的增加而逐漸增加,在一定深度上達到極大值,之后又隨著深度增加而較小。圖6分析了通州井下地電阻率和地表地電阻率的對深部介質(zhì)電阻率變化的響應(yīng)情況,分析過程中假設(shè)地表環(huán)境變化很小,忽略不計,其中B1、B2、B3和B4分別對應(yīng)圖6中ρ1～ρ4不同電阻率層的影響系數(shù)。從圖6(a)可以看出,對于井下地電阻率觀測裝置,電極埋深越深,地電阻率觀測值中包含地下深部的電阻率信號越多,淺部的電阻率信號越少。通州井下地電阻率觀測裝置電極埋深100 m能更清晰地響應(yīng)深部的變化,尤其在H≥10 m時淺部的響應(yīng)逐步減小,而深部的響應(yīng)則隨著電極的埋深更加凸顯出來。在H≥100 m時,淺部的信號衰減10-3,即地電阻率觀測值中主要來自深部的信息,淺表的信息可以忽略不計,也就是說通州井下地電阻率觀測裝置受測區(qū)地表環(huán)境干擾、季節(jié)變化等的影響很小。從圖6(b)可以看出,地表地電阻率隨著極距的增大,觀測值中包含深部的電阻率信號越多。在AB/2=900 m時,地電阻率測量到的基本上都是深部的信息,淺表的信號衰減到10-2,即≤1%的變化。

圖6 通州地電阻率觀測影響分析Fig.6 Influence analysis of geological resistivity observation at Tongzhou station

式(2)和(3)即為通州地電阻率觀測裝置在地表(H=0 m)和井下(H=100 m)的各個分層區(qū)域的電阻率估算值。

(2)

(3)

式中：ρaw、ρbw和Δρaw、Δρbw表示地表總電阻率和變化；ρ1、ρ2、ρ3、ρ4和Δρ1、Δρ2、Δρ3、Δρ4表示不同分層的電阻率和變化。

綜合分析認為,通州井下小極距比地表大極距地電阻率觀測更容易反映深部介質(zhì)電阻率的變化情況,大大減小了地表環(huán)境干擾對觀測的影響,且井下小極距能夠清晰分辨出深部介質(zhì)電阻率小于1%的變化。樊曉春等[26]對比了江蘇江寧臺的井下長極距和短極距的地電阻率對地表、淺層干擾有較強的抑制作用,其短極距觀測對地表、淺層干擾的抑制能力顯著優(yōu)于長極距觀測;長極距觀測在電極埋深H<100 m 時對地表介質(zhì)季節(jié)性的干擾具有放大作用。

井下小極距電阻率觀測方式采用了深埋電極的井下觀測方式[27-28],有效降低了地表淺層介質(zhì)電阻率因季節(jié)性降水和溫度變化等環(huán)境因素引起的年變影響,觀測數(shù)據(jù)背景變化形態(tài)更為平穩(wěn),且來自深部的介質(zhì)電阻率信號更容易辨別。通州井下小極距地電阻率NW測道2020年4月下旬出現(xiàn)快速下降,6月20日開始折返上升,7月19號數(shù)據(jù)變化恢復(fù)到4月前的狀態(tài),7月12日唐山古冶MS5.1地震發(fā)生在折返上升階段,異常持續(xù)時間為70天左右。NW測道在唐山古冶5.1級地震前后出現(xiàn)的下降-折返回升變化,其異常形態(tài)完全符合地電阻率孕震機理的變化過程,為古冶地震前兆的可能性較大,也符合我們此數(shù)值理論的結(jié)論,即井下小極距地電阻率相比地表地電阻率能探測到更微小的孕震變化。通州臺同場地觀測的地表地電阻率沒有出現(xiàn)明顯地變化(圖7),可能原因是孕震區(qū)應(yīng)力積累引起介質(zhì)電阻率變化較小,且首都環(huán)線公路橫跨測區(qū)通過,導(dǎo)致觀測數(shù)據(jù)噪聲和年變幅度較大,地表觀測環(huán)境干擾影響嚴(yán)重等。運用此數(shù)值模擬理論分析結(jié)果,我們對比了通州地表(圖7)和井下小極距地電阻率[圖3(a)]在2021年4月12日灤州MS4.3地震前的數(shù)據(jù)變化,從圖中可以看出,井下小極距地電阻率在灤州地震前EW測道出現(xiàn)下降-折返變化,而地表地電阻率則沒有同期異常變化,也顯現(xiàn)出井下小極距地電阻率相對地表地電阻率觀測有較強的地下應(yīng)力應(yīng)變變化的探測能力,尤其是對中等地震的探測能力。

圖7 通州地表地電阻率數(shù)據(jù)變化(2020—2021年)Fig.7 Change of ground geological resistivity observation data at Tongzhou station (2020—2021)

4 結(jié)果和討論

錢復(fù)業(yè)等[29]研究表明,地表地電阻率由于季節(jié)影響具有一定的年度變化,且不同臺站年變化幅度不同。地表地電阻率在強震前一般會出現(xiàn)下降變化或下降-折返變化,變化幅度往往大于1%認為是有效的地震前兆現(xiàn)象。通過我們對通州地電阻率數(shù)值模擬結(jié)果顯示,地表觀測裝置能夠清晰地探測到地下深部介質(zhì)電阻率大于1%的變化,1976年7月28日唐山MS7.8地震前,通州地表地電阻率從1974年開始出現(xiàn)下降變化,截至地震前,兩個測道下降幅度均在1%～3%之間,臺站距離震中距離為135 km,變化幅度、異常時長都符合地震地電阻率映震機理的變化,且當(dāng)時通州地表地電阻率觀測環(huán)境干擾稀少,從臺站裝置系統(tǒng)探測能力、臺站地質(zhì)構(gòu)造情況等方面分析,通州地電阻率對1976年7月28日唐山MS7.8地震有很好的前兆指示意義。

從地表和井下地電阻率觀測裝置的分析可以看出,兩個裝置系統(tǒng)都具有很好的對測區(qū)及周邊地區(qū)地下深部的探測能力,且井下相對更好一些。1976年唐山MS7.8地震和2020年唐山古冶MS5.1地震的發(fā)震區(qū)域接近,發(fā)震斷裂都是走滑型,相似性較大,兩次地震前通州地電阻率觀測均出現(xiàn)了下降變化,與數(shù)值模擬分析結(jié)果一致。

本文數(shù)值模擬計算得出以下結(jié)果:

(1) 通州地電阻率臺址底層介質(zhì)電阻率減小時,地表和井下小極距地電阻率觀測值均會降低,兩者呈正相關(guān)變化。地電阻率降低的幅度隨地下介質(zhì)區(qū)域電阻率變化上界面向上延伸而增大。

(2) 通州井下小極距地電阻率相比同場地地表地電阻率觀測而言,其對深部介質(zhì)電阻率變化的響應(yīng)能力強,但隨著上界面的向上延伸,響應(yīng)能力之間的差別逐漸減小。

(3) 對于固定的地電阻率裝置系統(tǒng)來說,地下深部介質(zhì)電阻率變化都有上界面,這是由臺站地電阻率觀測裝置系統(tǒng)的參數(shù)所確定。當(dāng)電極埋設(shè)越深,測量極距越大,這個臨界位置距地面越深;反之亦然。

數(shù)據(jù)收集過程中沒有找到臺站到唐山地區(qū)之間的應(yīng)變數(shù)據(jù),2020年7月12日的古冶MS5.1地震前后,區(qū)域有2～3個形變臺站,但沒有記錄到明顯的同震變化,因此本次數(shù)值模擬缺少實際觀測驗證,為純粹的理論計算。

感謝:本文研究得到了錢家棟老師在理論方法及河北省地震局張國苓高工在數(shù)據(jù)計算方面的指導(dǎo),在此表示衷心地感謝！