四0四多极距地电阻率年变化特征分析

2022-06-08张彩艳雷功明张贵文

地震工程学报 2022年3期

张彩艳,闫勋,雷功明,张贵文,刘帅,程鹏

(1.中国地震局兰州地震研究所,甘肃兰州 730000;2.甘肃兰州地球物理国家野外科学观测研究站,甘肃兰州 730000)

0 引言

目前,我国地震台布设用于地震监测的地电阻率测线绝大多数是单一极距观测装置测线。这种单一极距装置观测得到视电阻率是地下各层介质电阻率的综合反映,无法反映出地下不同深度介质的电阻率[1]。相应的,依据单一极距装置的观测数据变化也无法直观地得到该变化是受哪一深度范围内介质电阻率变化的影响。目前我国多数台站的地电阻率观测装置位于地表,许多台站因浅层介质电阻率的季节性变化呈现出年变化形态,且年变化特征受台址不同电性结构的控制。因浅层介质电阻率易受气象因素的影响,这使得地电阻率观测值呈现出比较复杂的背景变化,不能直观地反映浅表层以下介质电阻率的真实变化情况[2]。因此,地电学科尝试开展了地电阻率多极距观测,其核心思想是利用不同极距的观测所反映的深度范围不同,进而通过反演获取不同深度范围介质电阻率的变化,为研究介质电阻率与地震或非地震的物理因素之间的关联提供依据,为识别干扰影响和提取地震异常信息提供重要的技术手段[3]。

1 台站概况

四0四地电阻率台是甘肃局地电台网唯一一个企业台站,观测数据连续、可靠。该台站位于甘肃省河西走廊中部,距离阿尔金主控断裂带约26 km,各断裂活动特征均以走滑为主。从构造变形角度,青藏高原东北缘是由NEE向的阿尔金主控断裂带、NWW向的广义海原断裂以及近EW向的东昆仑断裂带三条大型边界断裂围成的相对独立的活动地块,块体内部发育有鄂拉山断裂、日月山断裂等右旋剪切构造带以及逆冲为主的祁连山汇聚带(图1)[4],从区域构造上处于祁连山NW向构造带、北山EW向构造带及阿拉善弧形构造带三大构造单元的过渡地带。四0四台布极区附近有活动断裂通过,周围出露的主要有上新统疏勒河组(Ns)及下更新统玉门组(Q1y)地层。台址附近地表主要为第四系冲洪积砾石层、各类砂层等。

图1 四0四台及周边断层分布图Fig.1 Distribution map of 404 stations and surrounding faults

四0四台的电性结构可以简单地分为3层。虽然每一层电性结构存在一定的局部非均匀性(横向变化),但为了等效为地电阻率多极距观测的水平层状电性均匀,对每一个隔离系数(深度因子)所对应的深度层(同一对供电和测量极距)的视电阻率进行平均,获得探测区域内较为合理的电测深曲线(图2),且EW和NS两个方向差异较小。测区地下整体上可划分为3层。

图2 四0四台地电阻率测区电测深曲线Fig.2 Electric sounding curve of resistivity measuring area of 404 station

台站所在地区气候干燥,年降水量为126 mm,年蒸发量为1 634 mm。降雨多在夏季,且降雨量很小,地表浅层浸润深度不到5 cm,且水分很快就被蒸发。地下水主要受祁连山融雪补给,测区附近水位约20 m。为此,结合电测深数据和地下水位,测区地下电性结构如表1所列。

表1 四0四台地电阻率测区电性结构Table 1 Electrical structure of the resistivity measurement area of 404 station

2 观测系统介绍

四0四台地电阻率原有观测分别在NS、EW两个方向布设单一极距的观测装置[图3(a)]。其中NS测道供电极距A1B1=791 m,测量极距M1N1=234 m,装置系数K=1 922 m;EW测道供电极距A3B3=732 m,测量极距M3N3=188 m,装置系数K=2 079 m。2016年沿EW测道新增架设多极距观测装置,共计4个测道,布极方式如图3(b)所示。其中,第一道供电极距A13B14=732 m,测量极距M15N16=188 m,装置系数K=2 091 m;第二测道供电极距A01B08=400 m,测量极距M02N07=80 m,装置系数K=1 508 m;第三测道供电极距A02B02=400 m,测量极距M04N05=15 m,装置系数K=323 m;第四测道供电极A03B06=40 m,测量极距M04N05=15 m,装置系数K=72m[5]。

图3 四0四台地电阻率原布极图及多极距观测系统Fig.3 Original polar map and multi-separation array earth resistivity observation system of 404 station

3 多极距观测数据分析

3.1 降雨影响分析

首先,利用多项式拟合降雨对地电阻率数据的干扰。假定降雨量数据为x,引起的相应的地电阻率变化量为y,则其多项式拟合关系为:

yx=a1xn+a2xn-1+…+anx+an+1

(1)

式中:ai(其中i=1,2,3,…,n+1)为多项式系数,使其能较好地拟合地电阻率受降雨干扰的数据变化曲线。通过拟合的多项式计算的地电阻率变化量与实际地电阻率变化量及残差如图4所示。计算其相关系数,ρ1=0.296 9,ρ2=0.141 5,ρ3=0.250 5,ρ4=0.462 5,其相关系数较低,而实际变化量与拟合变化量拟合残差绝对值分布范围较大,拟合结果较差(图4)。

3.2 温度对地电阻率的影响分析

四0四台测区位于戈壁滩,多极距观测数据年变化显著,由于该区域降雨集中在夏季且降雨量小(图4),而蒸发量非常大,地表浅层含水率低,可以推测基本处于稳定状态。因此,四0四台站地电阻率年变化主要受温度控制,夏季降雨也会对年变化产生一定的影响。

图4 原始变化量曲线与拟合变化量曲线对比图Fig.4 Comparison between original and fitted variation curves

地表浅层温度变化是由大气温度变化引起的,温度影响幅度随深度增加而减小,满足以下规律[6]:

(2)

式中:T0是温度变化幅度;κ是介质热扩散率,对于地表土层,取κ=0.004 9 cm2/s;ω是温度变化角频率,对于年变化而言,ω=2ωa;z是深度。从四0四气象站(距离台站约3 km)的地温观测数据可知,地表温度月均值最高约32 ℃,最低约-13 ℃,年均温度约9.5 ℃。冬季冻土层厚度约1.5 m,1.6 m以下地温观测显示温度长年高于冰点(图5)。由于土壤热传导系数低,随着深度增加土壤温度变化出现相位滞后。

图5 四0四气象站土壤温度观测数据Fig.5 Soil temperature observation data of 404 meteorological stations

据实验室结果,在室温变化范围内含水岩石电阻率随温度变化可由如下关系式表示:(TapxoBa,1963):

(3)

式中:α是温度系数,一般取α=0.025 ℃;ρ18 ℃是18 ℃时岩石的电阻率,这里取表1电性结构第一层介质电阻率,即ρ18 ℃=122 Ω·m。则在日变化温度影响下浅层介质电阻率随深度变化如图6(b)所示。由此可见,年温差能引起地表浅层介质等效电阻率大幅度的变化,在由冬季转春季温度上升时,浅层介质电阻率下降;而由夏季转秋季夜间温度下降时,浅层介质电阻率上升[7]。

图6 温度年变化随深度变化及土壤电阻率随深度年变化Fig.6 Annual variation of temperature and soil resistivity with depth

为分析年温度变化对不同极距地电阻率年变化的影响,将测区电性结构第一层再次划分为两层,第一层厚度8 m,将受温度变化的影响,第二层厚度12 m,其余两层参数和表1相同。分别计算ωt=(0,1,2,…,12π)/12时不同深度介质的电阻率,并计算不同观测极距下对应的地电阻率年变化(图7)[6]。为更好地展现出年变化,如图7(a)中计算了两年的月均值曲线。AB=732 m和40 m的观测整体呈现出夏低冬高的正常年变形态,而AB=400 m和80 m的观测整体呈现出夏高冬低的反常年变形态,且不同极距年变化之间存在一定的相位偏移,这与实际观测结果一致[图7(b)]。值得注意的是,对于AB=40 m的模拟计算视电阻率值和实际观测差异较大,可能原因是地表浅层存在横向不均匀性,而该小极距的观测位于相对低阻的位置,因为该实际观测值也与图1的电测深解释结果不符。

4 问题讨论

通过不同极距年变化模拟计算视电阻率值和实际观测数据分析差异较大,地电阻率出现的冬天低值、夏天高值的反常年变化主要的原因可能有三种,其中最主要的是在特殊地电断面上,由于表层介质电性变化对地电阻率测量以反向贡献所致,这是表层电阻率变动引起地下电流密度非线性变化在特殊地电断面上的反映。当台站表层岩土受温度变化影响而出现夏低冬高的电阻率变化时,在某些特殊的地电断面上用一定极距的四极装置观测到与表层相反的地电阻率变化,这种反常年变化完全是由台址的特殊电性结构所决定的[8]。

(1) 进行电测深时的中心点和实际多极距观测的中心点可能不重合,浅层通常存在较大的横向不均匀性,电测深曲线的前支反映的局部范围内浅层介质电阻率,很可能不是多极距观测中小极距观测区域浅层介质的电阻率;

(2) 在做电测深时,浅层电阻率是通过小极距的观测获取的,且在一年中不同时节进行观测时浅层电阻率本身就会存在较大的差异。