平凉台井下地电阻率年变特征及相关性分析

2020-06-17赵斐张远富

高原地震 2020年1期

赵斐,张远富

(甘肃省地震局平凉中心地震台，甘肃平凉 744000)

0 引言

地电阻率法是通过观测地球浅部介质的电学性质随时间变化来进行预报地震的方法[1]。在我国地电阻率观测通常采用地表对称四极的布极方式，电流集中在表层，因此地表因素(如季节，降雨，地表水位及人为等)变化都会对观测值产生影响[2-3]。经过多年的发展，积累了大量的观测数据和科学研究成果，其方法理论、观测技术和观测数据应用等方面也取得了很大进展，但多数成果理论基本都集中于地面电法观测[4]。近年由于城市化进程加快和地表干扰的增多，多数地面地电阻率观测受到了影响，尝试开展井下地电观测。井下地电阻率观测近似全空间，可以有效的消除地表环境变化的影响，并且对地下基岩电阻率的变化有较灵敏的响应，从而提高了观测值的可信度[5-6]。井下地电阻率观测虽然避开了地表干扰，但平凉台作为一个特例仍记录到明显的年变形态。由于地电阻率的“年变化”并不是“时间”引起的，变化规律并不能事先确定，如果在地电阻率观测中检测出地表电阻率变化及它对常规观测的视电阻率的影响，确定地下深层视电阻率的变化，就能避免这种非孕震因素对预报工作，特别是短临预报的“干扰”[7]。据此本文对平凉井下地电阻率、降雨和地温观测资料进行了整理和分析，探讨井下地电阻率年变化与降雨和地层温度的相关关系。

1 平凉台井下观测系统简介

平凉井下多极距地电阻率观测系统[8]位于平凉市泾河Ⅰ级阶地上，距离市区约11 km。测区平坦开阔，原为耕地，现杂草覆盖，周边为村镇。地下水埋深大体在(10～20)m之间，附近无明显干扰源。地质构造属于南北地震带北段南部、六盘山断陷带东麓大断裂带的东侧。台基岩性：(0～7)m是亚砂土，其中表层有(2～3)m厚的黄土；(7～40)m为砂砾石；40 m以下至110 m为第三系的泥岩或砂泥岩；110 m以下为白垩纪地层，其上部为泥岩，下部为砂岩或砂砾岩。该观测系统采用“L”形布极方式，包括水平测向和垂直测向，浅层水平观测(地下2 m深度)1道、地下40 m水平观测2道、地下60 m水平观测1道、地下80 m水平观测1道、地下100 m水平观测2道、垂直观测6道和验证测量系统1道，共计14个测道。通道号、供电极、测量极和装置系数对应情况见表1。整个观测系统共使用7口井，其中南北向井孔间距150 m，东西向井孔间距80 m。南北向供电极距为450 m，测量极距为150 m，东西向供电极距为240 m，测量极距为80 m。对1、2、3和4号井进行垂直观测，供电极距为60 m，测量极距为20 m。另外，4号井内还有底部和长极距垂直两个测道，供电极距分别为60 m 和120 m，测量极距分别为20 m 和40 m。地温观测系统位于4号井内，布设4个地温探头，分别放置在井下10 m、30 m、70 m及150 m的位置，电极及地温探头布设情况如图1。

图1 电极和地温探头分布

表1 供电极、测量极布设情况和装置系数

2 平凉台井下地电阻率年变特征

平凉台井下观测系统于2013年底改造完成，2014年正式运行，至今已积累超过5年的基础性观测数据。多年来装置系统运行稳定，从未发生过故障，仪器运行良好，产出数据质量较高，连续率100%、完整率100%、年精度0.04%，各项指标均能达到地电观测技术标准。井下100 m水平观测南北向、东西向测道为主要测项，其它测道为实验侧项。从多年的观测资料来看，各水平测道数据曲线形态十分接近，存在较规则的年变；各垂直测道的观测数据曲线波动较小，年变形态不是十分明显。因此本文仅选取2015～2018年井下100 m水平观测南北向、东西向测道的观测资料进行研究。从几年的曲线年动态对比(图2)来看，平凉台井下地电阻率测值具有明显的年变规律，具体表现为“夏低冬高”的形态，其中南北向测道的年变化较东西向测道更显著(NS南北向测道平均年变幅度为0.76%，东西向测道平均年变幅度为0.37%)。据此表明平凉井下地电阻率与地表季节性变化有很大关系，随极距的增大关系越明显。

值得注意的是从2017年开始两个测道的测值明显偏高，年变幅有增大的趋势。针对此次变化，2017年6月28日中国地震台网中心、甘肃省地震局和宁夏地震局的相关专家赴现场进行了联合异常核实。经调查，2016年底气温较往年略高，而春季气温回升速率较慢，表现出倒春寒。气温的反常变化本应引起2016年冬季地电阻率较往年有所降低，而春季其下降速率也应放缓，但实际观测资料的变化幅度却明显增大。平凉台测区位于河谷冲击沉积区域，南北向测道北端供电极距泾水约200 m，且其西侧上游4 km处存在一水库，测区及附近无地下水开采，因此可以推测测区地下潜水位相对稳定。台站地区地处六盘山南麓，年降雨量丰富、空气湿润、浅层土层含水率相对稳定，因此此次异常变化不是由浅层介质电阻率变化引起的。异常核实认为平凉台自2016年7月后，出现的年变幅度大幅增加属于趋势性异常变化。

为进一步客观分析平凉井下地电阻率年变化规律，将原始观测数据中大幅变化的突跳数据剔除再计算出日均值进行统计，结果见表2。可以看出：南北向测道高值波动范围(64.55±0.18)Ω·m，多出现在2月底3月初，低值波动范围(64.07±0.14)Ω·m，多出现在8月中旬。东西向测道高值波动范围(41.31±0.09)Ω·m，多出现在3月底4月初，低值波动范围(41.16±0.06)Ω·m，多出现在8月下旬，较南北向测道存在明显的滞后现象。从平均年变化幅度来看，南北向测道为0.76%，东西向测道为0.37%，显然南北向测道的年变化幅度是东西向测道的2倍有余。其实南北向测道的供电极距为450 m，东西向测道的供电极距仅为240 m，二者相差也接近2倍。据此不难解释东西向测道高低值滞后以及年变幅度相差2倍的现象，主要是因为东西向测道探测到地表冻土层的范围小，获取表层视电阻率信息较小的原因。

表2 平凉台井下地电阻率年变特征统计

3 相关性分析

3.1 方法简介

地电观测物理量与降水，地下水、水位升降等多种因素存在关联关系或因果关系，线性相关分析的目的在于从地电观测物理量中排除这些因素引起的干扰变化，从而有效提取与地震有关异常。设地电阻率观测物理量时间序列为y={y1，y2,…,yN}，相关物理量时间序列为x={x1，x2,…,xN}，则{y }与{x}之间的线性相关关系用(1)式表示：

(1)

式中：

则二者的相关系数可利用公式(2)进行计算：

(2)

3.2 与降雨量的相关性分析

平凉地区降雨主要集中在每年的5～9月，2015～2018年的年降雨量分别为：452 mm、471 mm、454 mm和555mm，除2018年偏多其它几年的降雨量相当。从图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电阻率的高值多在3月，低值多在8月，存在一个月左右的滞后现象，这主要是因为降雨从地表到地下有一个缓慢下渗的过程。值得关注的是2016年从11月开始提前进入了枯水期，长达3个多月，与往年相比多了1个月左右。另外在相同时期测区表面附着植物(树苗)被全部移除，加快了地表水分的蒸发，这可能是上述提到的2017年平凉井下地电阻率测值走高的原因。这在2018年也得到了很好的验证，2018年6～8月短期累积降雨量达到了390 mm，由于地表植被稀疏从而雨水下渗速度加快，最后导致了井下地电阻率测值与往年同期相比下降速率明显增大。

图3 平凉台井下地电阻率与降雨量对比

为了进一步量化平凉井下地电阻率与降雨的相关性，选取2015～2018年的月均值数据，需要说明的是电阻率数据为月均值，降雨量为月累计降雨量，因为平凉地电阻率电极埋设在井下100 m，单日或短期的降雨不会对它造成影响，所以本文没有选取日值进行计算。另外考虑电阻率和降雨相比较存在滞后的现象，因此将降雨量的测值延后一个月与电阻率测值对齐进行相关系数的计算，结果见表3。从数值上来看，平凉台井下地电阻率测值与降雨量的相关性较高，表现为负相关，即地电阻率的测值随降雨量的增加而减小。其中南北向测道与降雨量的相关性高于东西向测道(南北向测道的均值为-0.857，东西向测道的均值为-0.792)，这与东西向测道极距小获取表层视电阻率信息较少的原因相吻合。综上研究表明：季节性降雨是平凉台井下地电阻率产生年变化的主要影响因素。

表3 平凉台井下地电阻率与降雨量、地温相关系数统计

3.3 与地温的相关性分析

平凉台地温观测探头置于4号井分别对10 m、30 m、70 m和150 m的地层温度进行测量，仪器选用ZKGD-3000型地温仪，该仪器支持长线(1 000 m)传输的RS485接口，采样率为1次/分钟，为了与电阻率做比较，同样将分钟值换算出月均值再进行分析。分别将南北向和东西向测道的地电阻率测值曲线与各层地温数据曲线绘制到一起(图4)进行对比分析，可以看出：(1)10 m和30 m层地温曲线形态相似，表现为等周期正弦波动，属于季节变化。表明30 m以上的地层温度受地表温度的影响较明显；30 m地温较10 m地温存在明显的滞后，表明热源由地表缓慢向下传导。(2)70 m和150 m层地温数据曲线表现为趋势下降，不同的是70 m地温以对数形态下降，150 m地温则以指数形态下降。表明70 m以下的地层温度基本不受地表温度的影响，热源可能处于地层深部缓慢向上传导。(3)井下地电阻率测值曲线与浅层地温(10 m和30 m)变化形态十分相似，只是相位存在差异(10 m地温提前，30 m地温滞后)。表明井下地电阻率与浅层地温相关性较好。(4)井下地电阻率测值曲线与深层地温(70 m和150 m)变化形态截然不同，表明井下地电阻率与深层地温的相关性较弱。

图4 平凉台井下地电阻率与地温曲线对比

同样为了量化分析井下地电阻率与地温的关系，选取2015～2018年的月均值数据计算二者之间的相关系数，结果见表3。可以看出：井下地电阻率与浅层地温相关性较好，表现为正相关。当地电阻率观测极距减小时相关性减弱，如10 m层地温与南北向测道的相关系数为0.839，而与东西向测道的仅为0.730。井下地电阻率与深层地温的相关系数显示为低度相关，如150 m层地温与东西向测道的相关系数均值仅为0.373。需要说明的是地电阻率与地层温度的相关性仅表征了它们的变化规律是否相似，二者没有必然的联系，和降雨量不同，地温的升降不会直接影响地电阻率的变化。但二者结合起来进行研究能更好地揭示观测场区地层的综合物理属性的变化规律。