〔作者简介〕 解滔, 男, 1986年生, 2017年于中国石油勘探开发研究院获地球探测与信息技术专业博士学位, 副研究员, 主要从事地震电磁学方面的研究, E-mail: xtaolake@163.com。
中国部分长期连续观测的地电阻率台站的观测数据呈现出清晰的日变化形态, 依据单一测道的变化特征, 日变化可分为2类相反的形态: 一类观测数据白天下降夜间上升; 另一类则白天上升夜间下降。 文中结合含水岩土介质电阻率的影响因素、 台站电性结构和地电阻率影响系数理论, 分析认为固体潮引起的介质电阻率变化幅度太小, 以目前地电阻率观测仪器的分辨率还不足以记录到固体潮的影响, 地电阻率的日变化主要由昼夜温差所引起。 昼夜温差将使浅层介质电阻率发生大幅度的昼降夜升变化, 对于浅层介质影响系数为正的测道, 其日变化呈现昼降夜升的形态, 而浅层介质影响系数为负的测道, 其日变化则呈现出昼升夜降的形态。
Parts of the consecutive apparent resistivity monitoring stations of China have recorded clear diurnal variations. The relative amplitudes of diurnal variations at these stations range from 1.3‰ to 5.8‰. The daily accuracies of apparent resistivity observation are better than 1‰, because the background electromagnetic noise is rather low at these stations. Therefore, the diurnal variations of apparent resistivity recorded at these stations are real phenomena. The diurnal variation shapes can be divided into two opposite types according to their characteristics. One type is that the apparent resistivity data decreases during the daytime but increases during the nighttime(Type 1). The other type is the apparent resistivity data increases during the daytime but decreases during the nighttime(Type 2). There is a correspondence between the diurnal and annual variation patterns of apparent resistivity. For the monitoring direction with diurnal variation of Type 1, the apparent resistivity decreases in summer and increases in winter. However, for the monitoring direction with diurnal variation of Type 2, the apparent resistivity increases in summer and decreases in winter.
We take an analysis on the mechanism of apparent resistivity diurnal variation, combining the influence factors of water-bearing medium's resistivity, the electric structure of stations, and the apparent resistivity sensitivity coefficient(SC)theory. Intuitively, diurnal variation of apparent resistivity is caused by diurnal variation of medium resistivity in the measured area. The diurnal variation of medium resistivity will inevitably be caused by the factors with diurnal variation. Among the possible factors, there is diural variation in earth tide and temperature.
Our analysis displays that apparent resistivity diurnal variation is not caused by the usually-believed earth tide, but by the ground temperature difference between daytime and nighttime. The earth tide strain is too small to cause remarkable effects on the apparent resistivity data. On the other hand, the daily tide strain has two peak-valley variations, and its phase and amplitude has a period of approximate 28 days. However, the apparent resistivity data do not show these corresponding features to earth tide. Furthermore, the detection range of current apparent resistivity stations is within a depth of several hundred meters. Within this depth range, the medium deformation caused by solid tide can be regarded as uniform change. Therefore, all monitoring directions and all stations will have the same pattern of diurnal variation.
In general, the temperature increases in the daytime but decreases in the nighttime. For most water-bearing rock and soil medium, its resistivity decreases as temperature increases and increases as temperature decreases. Diurnal temperature difference affects about 0.4m of soil depth. Therefore, resistivity of this surface thin soil layer decreases in the daytime while increases in the nighttime. Under layered medium model, SC of each layer represents its contribution to the apparent resistivity. For the stations with positive SC of surface layer, apparent resistivity decreases in the daytime but increases in the nighttime. While for the stations with negative SC of surface layer, apparent resistivity diurnal variations display the opposite shape.
中国自1966年河北邢台MS7.2地震后开始了规范化和规模化的地电阻率(也称视电阻率)定点连续观测, 目前有80多个台站在中国主要地震活动断裂带和人口密集的大中城市附近的地震活动区担负着常规地震监测任务。 地电阻率观测采用对称四极装置, 观测极距AB通常在500~2 400m不等, 同一台站在地表布设2~3个不同方向的测道, 以1h观测1次的方式进行长期连续观测。 在超过50a的观测实践过程中, 多次记录到了发生在台网内和附近中强地震前出现的突出的年尺度中短期异常(钱家栋等, 1985; 桂燮泰等, 1989; 汪志亮等, 2002; 杜学彬等, 2015; 解滔等, 2018)。 地电阻率是地下探测范围内介质电阻率的综合反映, 与孕震过程有关的异常变化主要反映构造应力作用下测区介质变形诱发的微裂隙活动引起的电阻率变化(Mjachkin et al., 1975)。 地震异常变化多表现为年尺度的下降或上升, 并伴有年变畸变, 近震中区异常形态以负异常为主(Du, 2011), 走滑型大地震近震区的异常形态呈现出与震源机制解一致的四象限分布(钱复业等, 1982)。 异常时空演化特征表现出与孕震过程应变扩散相一致的变化, 离未来地震破裂区越近的台站越早出现异常, 异常幅度也越大, 随着孕震应变向外扩散, 远离未来破裂区的台站相继出现异常(赵玉林等, 2001)。 在短期阶段, 由于断层预滑, 近邻破裂区的介质应变加速积累, 地电阻率在原有异常的背景基础上通常会出现加速变化, 而近震区由于出现断层预滑导致应变被部分释放, 地电阻率通常表现为转折变化(汪志亮等, 2002; Du, 2011); 水平应力作用下不同电性主轴的电阻率并非均匀变化, 地电阻率在短期内也通常表现出各向异性的变化特征(钱复业等, 1996, 1998; 杜学彬等, 2007)。
地电阻率观测数据中, 除地震异常变化之外还包括各种非地震异常变化, 这些非地震异常变化的成因机理分析是进行地震异常分析的基础。 非地震异常变化大致包括: 持续多年的趋势上升或下降、 趋势转折、 年变化、 阶跃变化、 不稳定的扰动变化和日变化。 目前初步认为趋势变化主要反映区域应力的长期积累, 趋势转折则反映区域应力场的调整(杜学彬等, 2000; 沈红会等, 2017)。 平常时期的阶跃变化与测区内出现的环境干扰因素有关(张磊等, 2010), 最为突出的是在测区埋设金属管线, 改变了测区地表的电性结构, 导致观测数据出现同步的大幅阶跃变化(解滔等, 2013; 石富强等, 2014)。 准同震阶段的阶跃变化反映地震发生前后近震区应力的快速释放(Morrison et al., 1977; 钱复业等, 1982; Lu et al., 2016), 之后随着应力的进一步释放, 观测数据进入异常恢复阶段。 不稳定扰动变化主要与观测系统、 测区工农业漏电以及远距离大功率漏电有关, 由于漏电特征的不同, 观测数据通常伴有大幅的不稳定阶跃变化(刘昌谋等, 1985; 张国苓等, 2017)。 几乎所有台站都会记录到不同幅度的年变化, 从单一测道变化特征上可分为夏低冬高和夏高冬低2种类型(金安忠, 1981)。 多极距实验观测和理论分析表明, 年变化是由浅层介质电阻率随降水和温度的季节性变化引起的(赵和云等, 1987; 薛顺章等, 1994), 不同测道的年变形态受浅层介质影响系数(即灵敏度系数)控制(Lu et al., 2004; 解滔等, 2014)。
地电阻率的日变化幅度很小, 只有在仪器观测的分辨率足够高, 并且台站测区背景噪声足够低时才能被观测到。 目前ZD8系列地电阻率观测仪的分辨率为万分之几, 背景噪声较低的台站观测精度优于1‰ , 中国有14个台站的整点观测数据出现清晰的日变化。 清晰地认识地电阻率日变化的成因机理, 将有助于促进日变化信息在异常分析以及地震预测中的应用。 此外, 从欧姆定律的微分形式可知, 地电场与介质电导率密切相关, 对地电阻率日变化的成因分析还可为地电场非正常日变化的机理分析提供参考。 已有学者从数据形态和频谱对比的角度分析认为地电阻率的日变化与固体潮有关(赵国泽等, 2003; 戴勇等, 2013; 张国苓等, 2016), 但还需要在频谱和形态对比的基础上分析各影响因素对地电阻率的影响幅度。 本文将结合含水岩土介质电阻率的影响因素、 台站的电性结构和地电阻率的影响系数理论对地电阻率日变化的成因机理做进一步的分析。
整点观测数据具有清晰日变化形态的14个台站的空间分布如图 1 所示, 这些台站均为地表观测方式。 地电阻率观测台网中有13个台站为井下观测方式(将电极埋入地下几十甚至百m以下的深处), 很大程度上减小或屏蔽了来自地表浅层的影响, 且井下观测台站未出现可识别的日变化形态。 其余的地表观测台站由于受到城铁、 高压输电线路和工农业漏电等因素不同程度的影响(从原始观测曲线和观测均方差可以看出), 日变化形态被淹没在背景噪声中。 日变化表现为具有日周期的连续变化, 其中昌黎、 阳原、 锡林浩特、 宝昌、 阜新、 小庙、 玉门和拦隆口台的SN测道观测数据呈现白天下降、 夜间上升的昼降夜升形态, 代县、 临汾、 乌加河、 甘孜、 白水河、 柯坪和拦隆口台的EW测道则呈现出与之相反的白天上升、 夜间下降的昼升夜降形态(图 2)。 表1为这14个台站的相关信息, 其中温度数据为天气后报网站①(① http://www.tianqihoubao.com/。)提供的台站所在地区的数据, 可以大致反映台站测区的温度变化。 据前兆观测台网统计, 目前台站地电阻率观测的连续率> 97%, 完整率> 96%。 日观测精度为整点单次观测相对均方差的日均值, 可以反映场地的噪声水平, 日观测精度越高(值越低)则场地噪声水平越低。 从表1中可看出日变化幅度大于图 2 中相应时段的日观测精度, 说明日变化形态是真实可信的。 各测道观测数据的日变化形态与年变形态具有一致的对应关系, 即: 具有昼降夜升型日变化形态的测道, 其年变化形态为夏低冬高型; 而具有昼升夜降型日变化形态的测道, 年变形态则为夏高冬低型。 尤其是拦隆口台, EW和SN 2个测道具有相反类型的年变化, 日变化形态也表现出与之对应的相反类型。 除四川小庙台之外, 其余台站的年均温度均较低, 多数台站低于10℃。
此外, 在观测中还存在另外一种与每日重复出现的环境干扰因素有关的日变化形态, 这类干扰源的出现和消失时间较为规律, 地电阻率观测数据在干扰源持续存在时和消失之后表现出截然不同的变化形态。 图 3 为延庆、 平谷、 通州、 宝坻、 塘沽、 青光、 成都和长兴台受地铁干扰的观测曲线, 观测数据约在地铁停止运行时段(凌晨— 5点)较为平稳, 而在地铁运行期间出现了大幅扰动变化。 地铁通过铁轨供电, 铁轨与大地之间存在许多连通之处, 在运行期间将产生强度较大且不稳定的漏电电流。 由于电流强度较大, 对远距离的台站仍然能产生较为显著的干扰, 例如延庆台距地铁约40km, 仍受到影响。
地电阻率是测区地下介质电阻率的综合反映, 观测时通过稳恒电流源由供电电极A、 B向测区注入已知强度的恒定电流, 测量2个测量电极M、 N之间的电位差, 然后依据固定不变的装置系数K、 测量电位差和恒定电流强度计算地电阻率的观测值。 依据观测原理, 地电阻率观测值的变化主要体现在测量电位差的变化, 而测量电位差的变化包括2种情况: 1)在供电电流激励下, 因测区介质电阻率变化产生电位差变化; 2)干扰漏电电流在测量电极之间产生附加电位差。 图 3 所示台站的日变化成因属于第二种情况, 本文主要分析表1所示的由测区介质电阻率变化引起的日变化的成因机理。
地壳岩土介质是多种矿物的混合体, 其中金属矿物颗粒具有良好的导电性, 而有些结晶矿物则基本不导电, 因而不同类型岩石的平均电阻率差异较大。 除少部分以金属矿物为主的岩石属于电子导电型外, 大多数岩石为离子导电型。 地表浅层覆盖层和沉积岩层含有一定的孔隙, 岩土介质的结构可大致分为2部分: 1)由矿物组成的岩石骨架; 2)岩石中含水(油或气)的孔隙或裂隙。 通常情况下, 岩石骨架的导电性较差, 而裂隙含水时因溶解有导电离子而具有低阻性质, 含油或气时导电性较差, 因而岩石的导电性主要取决于裂隙中所含流体的导电性和裂隙结构(钱家栋等, 2010)。 对于含水岩石, 实验室结果显示其电阻率与岩石孔隙度、 含水饱和度、 水溶液离子浓度和裂隙结构关系密切。 含水饱和岩石的电阻率与孔隙度的关系如图4a所示,
孔隙度越高, 则岩石中的导电介质越多, 故其电阻率随孔隙度的增加而减小(Т а р х о в а , 1963); 在孔隙度一定的情况下, 含水饱和度越高, 岩石中的导电介质也越多, 岩石电阻率随饱和度的增加而减小(胡庆东等, 1993)(图4b)。 温度主要影响裂隙水中导电离子的浓度和迁移速率(П а р х о м е н к о , 1965), 离子浓度和迁移速率随温度的升高而增加, 岩石电阻率随温度升高而降低, 尤其是温度低于裂隙水冰点时, 岩石电阻率随温度的降低而快速升高(图4c)。 实验室内含水岩石标本和野外原地应力加卸载实验结果显示, 主压应力加载过程中电阻率呈现下降变化, 多数岩石临近破裂时电阻率加速下降, 岩石破裂后电阻率回升(图4d)。 应力作用使岩土介质裂隙的大小、 形状、 数量和裂隙之间的连通性发生改变, 从而引起介质的电阻率发生变化(张金铸等, 1983; 赵玉林等, 1983)。
地电阻率是测区地下各区域介质电阻率的综合反映。 如果将测区划分为任意大小的N块区域, 将每个区域视为均匀介质, 电阻率为
通常情况下, 各区域介质在一定时间内的变化量很小, 即
式中,
影响系数
在水平层状介质模型下, 将测区划分为N层, 则每一层介质的影响系数表示该层介质的电阻率变化对地电阻率观测值变化的影响程度。
地电阻率日变化是由测区介质电阻率的日变化所引起的, 而介质电阻率出现日周期变化必然是由具有与之相对应的日周期变化的影响因素所引起。 在众多的影响因素中, 固体潮和温度具有日周期变化。 直观地看, 固体潮使测区介质产生周期性的张压体应变, 进而引起介质电阻率产生相应周期的上升和下降变化; 昼夜温差主要影响浅层介质的温度, 进而引起浅层介质电阻率白天下降、 夜间上升的周期性变化。 四川甘孜台的地电阻率日变化为昼升夜降形态, 内蒙古宝昌台为昼降夜升形态, 这2个台站代表了日变化形态的2种类型。 下面将以甘孜台和宝昌台为例, 分别分析固体潮和温度变化对地电阻率日变化的影响。
岩石物理实验结果显示, 岩石电阻率的相对变化量与体应变之间存在一比例系数, 称为放大系数K, 小应变时的放大系数大于大应变时的放大系数(Yamazaki, 1966)。 对于含流体岩石, 其电阻率ρ 与岩石孔隙度φ 、孔隙内流体的电阻率ρ w 和饱和度S之间的关系可用扩展Achie公式表示(钱家栋等, 2010):
式中,
在使式(5)成立的孔隙度范围内, 岩石孔隙度越小则放大系数越大。 通常情况下放大系数K为n× 102~n× 103(Brace et al., 1968)。
甘孜台地电阻率观测的供电极距AB=500m, 宝昌台的供电极距AB=560m。 图 5 是甘孜台和宝昌台在深度分别为0、 50m、 100m、 200m和500m时的理论固体潮体应变曲线, 不同深度的体应变幅度和形态几乎一致。 因此, 可以认为在固体潮作用下, 甘孜台和宝昌台探测深度范围内的介质具有均匀分布的体应变。 固体潮体应变的量级为10-8, 对于岩土介质覆盖层, 即使各层介质的放大系数K取上限值104, 固体潮引起的电阻率相对变化量级为10-4, 结合式(2)和式(4)可知, 地电阻率的相对变化量级也为10-4。 目前, 地电阻率观测仪的分辨率为万分之几, 因此, 从影响幅度的角度分析, 目前的地电阻率观测还不能记录到固体潮引起的电阻率变化。
如果固体潮是目前地电阻率日变化的主要影响因素, 则其对观测的影响形态是怎样的?由于测区介质可视为均匀应变, 固体潮体应变压缩时介质电阻率下降, 拉张时电阻率上升。 同样依据式(2)和式(4), 影响系数之和为1, 地电阻率相对变化将与介质电阻率同向变化, 即: 介质电阻率上升或下降时, 地电阻率观测值也上升或下降。 中国国土覆盖4个时区, 同一天固体潮相位最大相差4h。 因此, 所有存在日变化的台站将具有大致相同的形态, 而不会出现部分台站日变化为昼升夜降, 另一部分台站为昼降夜升的情况, 比如甘孜台和宝昌台的经度相差约15° , 但其日变化形态则相反。 更不会出现像拦隆口台不同测道日变化形态相反的情况。
固体潮体应变每日具有2个波峰和波谷, 且幅度存在半月周期变化。 地电阻率日变化波形只具有1个波峰和波谷, 日变化幅度也未呈现出与固体潮半月周期变化对应的关系(图6a, b, e, f)。 固体潮相位存在月周期变化, 在相位相差为π 的2个日期, 体应变的拉张和挤压形态相反, 而地电阻率日变化的形态特征并未出现相反的情况。
因此, 由于固体潮引起的介质电阻率变化幅度低于目前地电阻率观测仪器的分辨率, 故无法观测到固体潮的影响; 从形态分析来看, 固体潮也不是目前观测日变化的主控因素。 在将来仪器分辨能力足够高时, 有望观测到在目前日变化波形上叠加的固体潮的影响。
地表浅层介质的电阻率存在季节性的年变化, 进入春季之后, 随着台站所在地区的温度逐渐升高和降雨量的增加, 电阻率逐渐降低; 进入秋季之后, 温度逐渐降低, 降雨量减少, 浅层介质的电阻率逐渐上升。 成都台地电阻率多极距实验的观测结果显示, 短极距观测数据的年变幅度较大, 形态为夏低冬高型, 随着极距的增加, 年变幅度逐渐减小, 在观测极距超过一定距离之后, 年变化形态由夏低冬高型转换为与之相反的夏高冬低型。 短极距观测主要反映地表浅层介质的电阻率, 随着极距的增加, 深层介质的电阻率对观测的贡献逐渐增加, 直至占主导地位。 同时, 年变幅度随观测极距的增加而减小, 在观测极距增加至使浅层介质影响系数由正转为负时, 年变化呈现相反的状态, 说明年变化是由浅层介质电阻率的季节性变化引起的(赵和云等, 1987; 薛顺章等, 1994)。 图7a是甘孜台电测深曲线和反演得到的层状电性结构, 图7b是甘孜台各层介质影响系数的分布, 图7c是宝昌台的电测深曲线和层状电性结构, 图7d是宝昌台影响系数的分布。 甘孜台在观测极距AB=500m时浅层介质影响系数为负, 因而地电阻率的年变化为夏高冬低型; 宝昌台在观测极距AB=560m时浅层介质影响系数为正, 地电阻率的年变化为夏低冬高型(图 8)。
地电阻率的日变化形态和年变化形态具有一致的对应关系, 具有昼降夜升型日变化的测道具有夏低冬高型年变化特征, 而具有昼升夜降型日变化的测道具有夏高冬低型年变化特征, 说明地电阻率的日变化也是由浅层介质电阻率的变化所引起的。 在图7b和图7d给出的数据中, 甘孜台第一、 二层介质的影响系数之和为-0.47, 第三、 四层的影响系数之和为1.47; 宝昌台第一层的影响系数为0.06, 第二、 三层的影响系数之和为0.94。 这2个台站浅层以下介质的影响系数之和为正, 且绝对值大于浅层介质。 如果日变化是来自浅层以下介质变化的影响, 则所有台站和测道将呈现相同的日变化形态, 而不会出现不同台站或同一台站不同测道日变化形态相反的情况。
地表浅层温度变化是由大气温度变化引起的, 温度的影响幅度随深度的增加而减小, 且满足如下规律(徐世浙, 1985):
式中,
据实验室结果, 在室温变化范围内含水岩石的电阻率随温度的变化可由如下关系式表示(Т а р х о в а , 1963):
式中, α 为温度系数, 一般取α =0.025/℃。 ρ 18℃为18℃时岩石的电阻率, 这里取ρ 18℃=50Ω · m, 则在日变化温度影响下浅层介质的电阻率随深度的变化如图9b所示。 由此可见, 昼夜温差能引起地表浅层介质的等效电阻率出现大幅度变化, 在白天温度上升时浅层介质的电阻率下降, 而夜间温度下降时浅层介质的电阻率上升。 对于浅层介质影响系数为负的测道, 地电阻率的日变化为白天上升、 夜间下降的昼升夜降型(图6a, c); 对于浅层介质影响系数为正的测道, 地电阻率的日变化则为白天下降、 夜间上升的昼降夜升型(图6e, g)。
地电阻率观测中存在2类日变化形态, 一类为白天下降、 夜间上升的昼降夜升型, 另一类为白天上升、 夜间下降的昼升夜降型。 有些台站的日变化为昼降夜升型, 也有一些台站为昼升夜降型, 还有一些台站不同测道的日变化呈现出相反的类型。 通过对台站理论固体潮体应变和各层介质的影响系数进行分析可知, 固体潮对介质电阻率的影响幅度低于现行地电阻率仪器的分辨率。 地电阻率的日变化形态与年变化形态存在一致对应关系: 具有昼降夜升型日变化的测道, 其年变化为夏低冬高型; 而具有昼升夜降型日变化的测道, 其年变化为夏高冬低型。 地电阻率的日变化是由浅层介质电阻率随昼夜温度变化引起的, 日变化形态受影响系数控制: 浅层介质影响系数为正的测道日变化形态为昼降夜升型; 浅层介质影响系数为负的测道日变化形态为昼升夜降型。 在今后观测仪器分辨能力进一步提高之后, 有望在现有日变化的波形中记录到固体潮产生的影响。
致谢 台站所在区域的温度数据下载自中国天气后报网; 审稿专家提出了中肯的修改建议, 对文章的完善和提高给予了很大的帮助; 作者与甘肃省地震局杜学彬研究员进行了有益的讨论。 在此一并表示感谢!
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