基于不同类型电极的地电场变化与活动断裂关系

2022-01-27李学波

大地测量与地球动力学 2022年2期

李学波

1 宁夏回族自治区地震局，银川市北京东路244号，750001

地表的电磁信息与岩体形变、流体渗流的过程密切相关[1-2]，但对于地电场变化与区域性活动断裂相关性的研究较少。本文分析了5个地电台基于铅电极和固体不极化电极观测的地电场变化特征、地电场与区域气压及附近活动断裂走向的关系，以探讨地电场变化与活动断裂的关系。

1 研究区域概况

研究区域的地电台站均分布在活动断裂附近，图1(a)为研究区地电台站分布，其中海原、固原地电台附近为海原断裂。海原断裂位于青藏高原东北缘，是中国大陆重要的活动地块边界断裂带之一[3]，西起甘肃景泰，经宁夏海原，东至固原，宽1～3 km，长240 km。断裂走向在海原以西为280°～290°，海原以东为320°[4]。石嘴山地电台附近为贺兰山东麓断裂，该断裂位于中国东西地质构造界线的南北地震构造带北段，整体走向北北东[5]。银川地电台附近为平罗银川隐伏断裂，该断裂地表无出露，勘探结果显示其南段上断点埋深11.8 m左右[6]。红寺堡地电台西侧为烟筒山断裂，呈北西走向。

图1 地电台站分布及台站布极图Fig.1 Geoelectric station distribution and station layout

表1为研究区地电台站概况。基于铅电极测量的地电场测量极距为200 m，是由ZD8M地电阻率仪所测自然电位差除以测量极距得到的，ZD8M地电阻率仪测量得到的地电场为直流DC频段。基于固体不极化电极测量的地电场极距为300 m，由ZD9A系列地电场仪测量得到，ZD9A系列地电场仪测量得到的地电场为DC-0.05 Hz频段。本文将基于固体不极化电极测得的地电场称为地电场E，将基于铅电极测得的地电场称为地电场E1，本文主要研究地电场E和E1的日变化和月变化。由于2种电极测量的地电场背景基准有差异，为能直观地比较二者的变化，E和E1均使用小时值，统一对E和E1的基准进行归零处理，图件中使用的地电场数据为原始数据减去背景基准后的值。图1(b)为研究区各台站布极图。

表1 台站概况

2 地电场E和E1的变化与活动断裂关系

2.1 地电场E和E1的日变化与活动断裂关系

图2为2018-05-01～05-05各台站地电场E和E1的日变化曲线。可以看出，同一台站相同测向E和E1的日变化大小接近，而同一台站不同测向E和E1的日变化大小有差异，不同台站相同测向地电场E和E1的日变化大小也有差异。表2统计了各台站地电场E和E1的日变幅及测向与附近断裂走向的夹角，结果发现，与附近断裂走向近平行的测向地电场E和E1的日变幅相对于同场地其他测向大，与附近断裂走向近垂直的测向地电场E和E1的日变幅相对于其他测向小。

图2 地电场E和E1日变化Fig.2 Diurnal variations of geoelectric field E and E1

表2 地电场E和E1日变幅及测向与附近断裂走向夹角

从图3可以看出，地电场E和E1对2019-10-25～10-27磁暴事件的响应有强有弱。表3统计了磁暴期间各台站地电场E1最大变化幅度及测向与附近断裂走向的夹角，可以看出，与附近断裂走向近平行的测向地电场E1的最大变幅相对于同场地其他测向大，与附近断裂走向近垂直的测向地电场E1的最大变幅相对于其他测向小。

图3 地电场E和E1月变化Fig.3 Monthly Variations of geoelectric field E and E1

表3 磁暴期间地电场E1最大变幅及测向与附近断裂走向夹角

2.2 地电场E和E1的月变化与活动断裂关系

图3为2019-10各台站地电场E和E1的月变化曲线。可以看出，地电场E月变化相对平稳，个别测向有趋势性变化；地电场E1部分测向月变化呈无序波动，且不同台站无序波动的形态接近一致。整体来看，地电场E的变化比较平稳，除日变外没有周期不定的无序变化，而地电场E1有部分测向除日变化外还有周期不定的无序变化。

对地电场E1部分测向的无序变化作进一步研究发现，其与气压的变化形态高度一致。选择2019-10与各地电台站海拔相同且距离最近的气压数据进行对比分析，结果见图4。从图中可以看出，固原台NE向地电场E1的变化与气压呈正相关；海原台NS向地电场E1的变化与气压呈负相关。统计2019-07～12地电场E1与气压的月相关性及各测向与附近断裂走向的夹角，结果见表4。综合观测数据及表4统计结果发现，与活动断裂走向近平行的测向，地电场E1观测不到气压非周期性的变化形态，与气压变化相关性低；与活动断裂走向近垂直的测向，地电场E1与气压变化的相关性高。地电场E1与气压变化的相关性与测向和断裂走向的夹角有一定关系，与附近断裂走向近垂直的测向地电场E1与气压的相关性随夹角的减小而减弱。

表4 2019-07～12各台站各测向地电场E1与气压的月相关性及各测向与附近断裂走向的夹角

图4 2019-10地电场E1和气压Fig.4 Geoelectric field E1 and atmospheric pressure in October 2019

3 讨论及分析

3.1 不同测向地电场E和E1日变化大小差异

通过分析发现，与附近断裂走向近平行的测向地电场E和E1日变幅相对于其他测向大，与附近断裂走向近垂直的测向地电场E和E1日变幅相对于其他测向小，与章鑫等[7]的研究结果一致。

图5为固原台、银川台地电场E1日变幅的实测值(黑色)与计算值(红色)，可以看到，通过2个正交的测向得到的地电场总场在NE方向的分量比实际测量结果大。将NE方向实际测量的地电场投影在NS、EW方向上发现，平行于断裂的NS测向，实测数据大于计算结果。因此认为，造成活动断裂两侧不同测向地电场日变化大小产生差异的原因可能与断裂有关。

图5 地电场E1日变幅实测值与计算值Fig.5 Measured values and calculated values of geoelectric field E1

研究表明，断层带及其两侧渗透率不一致[8-9]。断层泥及两侧的原岩由于渗透率低，阻碍了流体跨断层带流动，断层带内的流体活动局限在高渗透率的破碎带中。所以，断裂带及其附近电阻率较低，宏观上表现为电流通道效应[10]，可能会出现地下与地面的电流联系通道。断裂带两侧下方存在低阻层，在近似均匀变化的磁场作用下，低阻层内感应产生的是涡旋电流。根据块导体的涡旋电流理论[11-12]可知，涡旋中心的电流强度最小，边缘处最大，感应电流在电性横向不均匀处可能会促使电荷累积。破裂导致岩层的电性结构发生改变，使断裂带的自然电流与周边块导体中的感应涡旋电流部分叠加[7]，最终导致平行断裂走向的地电场日变化相对较大，而垂直断裂走向的地电场日变化相对较小；地电场对磁暴的响应也是平行于断裂走向的变化相对较大，垂直于断裂走向的变化相对较小。

3.2 地电场E和E1月变化差异原因分析

对于同一位置，使用固体不极化电极观测的地电场E没有出现气压非周期变化形态，而使用铅电极观测的地电场E1有部分测向出现明显的气压非周期变化形态。分析地电场E和E1的产出过程发现，地电场E是由地电场仪通过固体不极化电极测量得到的，测量频段为DC-0.05 Hz；地电场E1是由地电阻率仪通过铅电极测量得到的，测量频段为DC频段。从观测仪器来看，理论上地电场E的信号里面应该含有地电场E1的所有信号。从观测装置的差异来看，固体不极化电极和铅电极最大的差别在于电极的类型及电极埋设工艺。图6为固体不极化电极的埋设示意图及装配完成的固体不极化电极实物，可以看出，固体不极化电极经过处理后与大地接触的是最上方直径10 cm左右的圆盘。而铅电极是将长100 cm、宽100 cm的正方形铅板卷成直径30 cm、高100 cm的圆筒埋入地下。固体不极化电极与大地主要在垂直方向接触，铅电极与大地主要在水平方向接触。

图6 固体不极化电极埋设示意图和实物Fig.6 The schematic and practical diagram of the burying of solid nonpolarized electrode

根据2种电极埋入地下的形状、埋设工艺分析2种观测电极的接地电阻。圆盘形接地极的接地电阻[13]为：

(1)

式中，ρ为土壤电阻率，r为圆盘半径。

垂直接地体的接地电阻为：

(2)

式中，ρ为土壤电阻率，l为垂直接地极的长度，d为圆筒的直径。

相同埋设环境下，固体不极化电极直径约10 cm的圆盘与土壤接触，铅电极则是直径约30 cm、高度100 cm的圆筒与土壤接触。通过式(1)和式(2)计算可知，固体不极化电极的接地电阻是铅电极的10倍以上。该结果符合实际测量得到的接地电阻，即铅电极接地电阻为50 Ω左右，固体不极化电极埋入地下正常工作情况下的接地电阻在500 Ω左右[14]。

地电场观测是观测装置、观测环境及观测方法的综合反映。从观测原理、观测仪器及观测装置的差异性来看，在产出过程中，地电场E和E1的观测电极类型、接地面积和接地电阻大小是造成数据产生差别的主要因素。为探讨地电场E和E1月变化的差异是否与观测电极类型、接地面积和接地电阻有关，下一步计划在海原地电台埋设与固体不极化电极接地面积和接地电阻相似的直径10 cm、厚0.5 cm的圆盘状铅板电极进行对比实验，并通过观测结果研究产生差异的原因。