文 雯,毛先進(jìn),楊玲英,段 煒

（云南省地震局,昆明 650224）

0 前言

基于天然電磁場(chǎng)源的大地電磁測(cè)深用于地震預(yù)測(cè)研究已有近半個(gè)世紀(jì)[1-5];為克服天然場(chǎng)源信號(hào)微弱的困難,我國(guó)開(kāi)展了基于大功率人工場(chǎng)源的極低頻（CSELF）地震電磁定點(diǎn)觀測(cè)研究[6],電磁場(chǎng)理論研究證明在遠(yuǎn)區(qū)觀測(cè)時(shí)CSELF與MT是等價(jià)的,電磁場(chǎng)可以視為平面電磁波[7],其數(shù)據(jù)處理方法在原理上與MT相同。這些工作論述了MT/CSELF定點(diǎn)重復(fù)觀測(cè)到的視電阻率資料與地震活動(dòng)的關(guān)系,觀測(cè)結(jié)果和深部介質(zhì)導(dǎo)電性變化機(jī)理的研究都表明MT/CSELF是可以觀測(cè)到地震前兆信息的[6,8-9]。

地震孕育過(guò)程會(huì)導(dǎo)致包括近地表層的地下介質(zhì)電阻率變化[10],而降雨及人類生產(chǎn)活動(dòng)一般都會(huì)引起近地表層介質(zhì)電阻率變化,這種變化對(duì)地震觀測(cè)而言是干擾,因此近地表層電阻率的變化既可能是孕震所致,也可能是干擾所致,或者是兩種因素兼而有之。大陸內(nèi)部的地震多發(fā)生在5～30 km范圍,深部電性變化前兆也有可能主要出現(xiàn)在這一深度及其影響區(qū)域[11]。大地電磁測(cè)深具有體積效應(yīng),探測(cè)范圍內(nèi)各地層電阻率的變化都會(huì)對(duì)每個(gè)頻點(diǎn)觀測(cè)數(shù)據(jù)的變化有不同程度的貢獻(xiàn),其中近地表層的變化既可能包含孕震信息,也可能含有干擾,而且孕震信息與干擾并不容易區(qū)分,從而可能影響對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)中異常的確認(rèn)。本文利用MT與CSELF具有的頻率測(cè)深特性,定量/半定量研究不同頻率下各地層電阻率變化對(duì)MT/CSELF觀測(cè)到的視電阻率變化的貢獻(xiàn),期望有助于選擇合適的電磁場(chǎng)頻段以使易受干擾的近地表層的貢獻(xiàn)可以忽略,以壓制近地表干擾、獲得地下深部電阻率變化信息。

1 影響系數(shù)及各地層貢獻(xiàn)的計(jì)算方法簡(jiǎn)介

實(shí)踐中常遇到層狀地層,設(shè)MT/CSELF觀測(cè)區(qū)介質(zhì)電阻率分層均勻,共n層,第i層電阻率與厚度為ρi與hi,i=1,2,···,n。對(duì)于使用天然源的MT觀測(cè),或是使用人工源在遠(yuǎn)區(qū)的CSELF（極低頻）觀測(cè),場(chǎng)源都可視為垂直地面入射的平面電磁波[7,12],根據(jù)層狀大地中的平面電磁波理論,有

其中ρa(bǔ)為視電阻率,ω=2πf為電磁波圓頻率,上式表明視電阻率是各層電阻率、厚度和電磁場(chǎng)源頻率的函數(shù)。

孕震過(guò)程或其它原因使ρi（i=1,2···,n）發(fā)生變化,導(dǎo)致各頻點(diǎn)觀測(cè)到的視電阻率隨時(shí)間變化。不妨假定觀測(cè)區(qū)各層厚度不變,對(duì)式（1）兩邊取對(duì)數(shù)并對(duì)ρi求全微分可以得到：

式中

據(jù)層狀大地的平面電磁波理論可以得到式（1）的解析表達(dá)式[12],當(dāng)各層介質(zhì)電阻率和厚度給定后可求得不同頻率下的卡尼亞視電阻率ρa(bǔ),然后采用數(shù)字方法計(jì)算出視電阻率對(duì)各層電阻率的偏微分?ρa(bǔ)/ ?ρi,并按式（3）得到各層介質(zhì)的Si,這是一個(gè)成熟的正演問(wèn)題,這里不贅述。

從式（2）可見(jiàn),各地層電阻率發(fā)生變化時(shí),觀測(cè)到的視電阻率也將發(fā)生變化,各頻點(diǎn)視電阻率的相對(duì)變化率等于各地層真電阻率相對(duì)變化率的加權(quán)求和Si（i=1,2···,n）為加權(quán)系數(shù)。從式（1）、（2）可知,Si既是各地層電阻率的函數(shù),也是場(chǎng)源頻率的函數(shù),對(duì)同一觀測(cè)場(chǎng)地,不同頻率下Si的值是不同的;式（2）表明,當(dāng)?shù)趇層電阻率的相對(duì)變化率為dρi/ρi時(shí),該層對(duì)視電阻率的相對(duì)變化率的貢獻(xiàn)是Sidρi/ρi,對(duì)一定的dρi/ρi,Si越大時(shí)該層的貢獻(xiàn)或影響就越大。式（2）、（3）與地震直流電法中的影響系數(shù)理論[13-14]類似,因此本文亦將Si稱為影響系數(shù)。

為方便,記各地層對(duì)視電阻率相對(duì)變化率的貢獻(xiàn)為Gi,則

上式Si中 可以通過(guò)數(shù)值計(jì)算得到,而dρi/ρi則與介質(zhì)所在層位及其電阻率變化機(jī)制有關(guān),對(duì)于受降雨及地下潛水位波動(dòng)影響的近地表層,實(shí)際資料分析表明dρi/ρi（i=1）的最大值可達(dá)90%,強(qiáng)震震例研究表明在200 km震中距范圍類潛水層之下數(shù)百米深度范圍內(nèi)的地層由孕震過(guò)程引起的dρi/ρi（i＞1）最大值約為10%[11,13]從加載過(guò)程中地殼內(nèi)巖石裂隙的發(fā)展及孔隙水的作用等方面研究認(rèn)為強(qiáng)地震孕育后期震源區(qū)及其周圍介質(zhì)電阻率可以發(fā)生大約30%到一個(gè)量級(jí)的下降變化,并得到了MT/CSELF定點(diǎn)重復(fù)觀測(cè)結(jié)果的證明[2,5,15],利用這些數(shù)據(jù)可以估計(jì)各地層的dρi/ρi,進(jìn)而可以估計(jì)各層的貢獻(xiàn)Gi。

2 不同頻率下影響系數(shù)與各地層貢獻(xiàn)分析

大地電磁測(cè)深研究表明不同區(qū)域地殼上地幔電性結(jié)構(gòu)總體上表現(xiàn)出“橫向分塊,縱向分層”特征[16-23],不同觀測(cè)場(chǎng)點(diǎn)的縱向分層結(jié)構(gòu)不同。下面以滇西地區(qū)一個(gè)場(chǎng)點(diǎn)為例,采用卡尼亞視電阻率定義計(jì)算影響系數(shù),估算各地層的貢獻(xiàn),并分析它們隨頻率變化的特征。

騰沖石坪觀測(cè)點(diǎn)[17]電阻率結(jié)構(gòu)為5層,各層電阻率依次為66.07、351.10、6.20、2363.12、3.38 Ω?m,1～4層厚度依次為1.95、7.55、5.11、49.7 km。大多數(shù)情況下地下潛水位埋深0至數(shù)十米,為保守計(jì),設(shè)地下潛水位波動(dòng)及降雨的影響深度為100 m,將厚度為1.95 km的第一層拆分為二層,厚度分別為0.10 km與1.85 km,從而原電阻率結(jié)構(gòu)變?yōu)?層,各層電阻率分別為66.07、66.07、351.10、6.20、2363.12、3.38 Ω?m,各層厚度依次為0.10、1.85、7.55、5.11、49.7 km。

2.1 影響系數(shù)分析

圖1為騰沖石坪觀測(cè)點(diǎn)各層影響系數(shù)隨場(chǎng)源周期變化曲線,表1給出了幾個(gè)周期點(diǎn)上各層影響系數(shù)及其總和的計(jì)算結(jié)果。

由圖1及表1可見(jiàn)騰沖石坪觀測(cè)點(diǎn)各層介質(zhì)的影響系數(shù)都隨周期（頻率）變化,顯示如下特征：①第一層影響系數(shù)S1隨周期的增大而單調(diào)快速減少,該層為易受潛水位波動(dòng)、降雨等影響的干擾層,定性來(lái)看,為壓制這類干擾應(yīng)選擇在較長(zhǎng)的周期處觀測(cè);其它各層影響系數(shù)均隨電磁場(chǎng)源的周期起伏變化;在不超過(guò)0.02 s的短周期（高頻）段S3～S6均為0,即頻率50 Hz以上時(shí)第三層（頂面埋深1.95 km）及其以下介質(zhì)電阻率變化對(duì)視電阻率變化無(wú)貢獻(xiàn),這將觀測(cè)不到深部電阻率變化;②S4在158.49 s周期處達(dá)到最大值1.306,在100～200 s周期段S4遠(yuǎn)大于其余各層,第四層埋深9.5～15 km,是地震多發(fā)的層位,易于受到孕震過(guò)程的影響而發(fā)生電阻率變化,選擇該周期段段將主要觀測(cè)到該地層的電阻率變化。③從表1及圖1可見(jiàn),各層影響系數(shù)之和∑Si隨周期變化而并非一個(gè)常數(shù),這一點(diǎn)與直流電阻率法中無(wú)論何種觀測(cè)裝置下各層影響數(shù)之和等于1[14,24-27]明顯不同,表1顯示,MT/CSELF的∑Si在部分頻點(diǎn)上等于1,在有些頻點(diǎn)上大于1,而另一些頻點(diǎn)上小于1。前文已提及,MT/CSELF影響系數(shù)的計(jì)算是一個(gè)成熟的正演計(jì)算問(wèn)題,這種這出乎意料的結(jié)果并非計(jì)算方法或精度所致,其原因有待研究。

圖1 騰沖石坪測(cè)點(diǎn)各地層影響系數(shù)—周期曲線Fig.1 Curves of the influence coefficients of each layer with the period at Shiping site in Tengchong

表1 騰沖石坪觀測(cè)點(diǎn)幾個(gè)周期點(diǎn)上各層影響系數(shù)及其總和Table 1 The influence coefficients of each layer and their sum at several periodic points at Shiping observation point in Tengchong

2.2 各地層貢獻(xiàn)計(jì)算分析

前文已述,近地表層的變化中可能既有孕震信息也有干擾,因此地震預(yù)測(cè)中常常需要判斷觀測(cè)數(shù)據(jù)的變化是近地表還是深部變化所致,因此考慮近地表和深部電阻率變化同時(shí)發(fā)生時(shí)各地層貢獻(xiàn)的數(shù)值特征是有意義的。參考前文對(duì)各層電阻率變化量級(jí)的分析結(jié)果,設(shè)在連續(xù)二次觀測(cè)的間隔期間（一般不超過(guò)24 h）第一層電阻率下降2%,同時(shí)2～6層電阻率分別下降1%、1%、2%、1.5%及0%（即第6層電阻率未發(fā)生變化）,總體上間隔時(shí)間越短介質(zhì)物理性質(zhì)變化越小,上述各層電阻率變化率大致是合理的。利用表1的影響系數(shù)值,計(jì)算相應(yīng)周期點(diǎn)上各層的貢獻(xiàn)Gi和視電阻率的變化率dρa(bǔ)/ρa(bǔ),并計(jì)算即第一層的貢獻(xiàn)在dρa(bǔ)/ρa(bǔ)中的占比）,結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 近地表干擾與深部變化同時(shí)存在時(shí)幾個(gè)周期點(diǎn)上各層的貢獻(xiàn)及視電阻率的變化率Table 2 Contributions of each layer and the change rate of apparent resistivity at several periodic points when near-surface interference and deep changes exist simultaneously

由表2可見(jiàn),在0.001～1000 s的8個(gè)周期點(diǎn)上,雖然視電阻率的變化率隨周期起伏變化,但是第一層的貢獻(xiàn)值隨周期的增加而快速下降,其在視電阻率變化率中的占比R1也具有相同特征,這說(shuō)明對(duì)于MT/CSELF的視電阻率觀測(cè)而言,在適當(dāng)?shù)拈L(zhǎng)周期（低頻）段是有利于壓制近地表層貢獻(xiàn)的。

表2顯示,在0.001 s周期點(diǎn)上,視電阻率下降了1.9905%,第一層的貢獻(xiàn)在視電阻率變化率中的占比為99.67%,幾乎全是該層的貢獻(xiàn),深部地層的貢獻(xiàn)可以忽略;在0.01和0.1 s 2個(gè)周期點(diǎn)上,視電阻率分別下降了1.4523%和1.0427%,第一層的貢獻(xiàn)在視電阻率變化率中的占比為62.65%和28.20%,該層的貢獻(xiàn)也很明顯。若在0.001～0.1 s周期范圍觀測(cè),在分析視電阻率變化的原因時(shí),就難以排除近地表層中的干擾因素,也就難以確定前兆異常。

從表2清楚地看到,在100～1000 s的3個(gè)周期點(diǎn)上,視電阻率分別下降了2.5131%、2.6603%及0.8499%,第一層的貢獻(xiàn)在視電阻率變化率中的占比分別為0.27%、0.21%及0.19%,這表明此周期段近地表層的貢獻(xiàn)可以忽略不計(jì),之所以這樣,從表2可見(jiàn)是因?yàn)樵诖酥芷诙蜸1（第一層的影響系數(shù)）相比于∑Si（影響系數(shù)之和）以及其它各層的影響系數(shù)Si（i=2～6）都小得多。因此,無(wú)論近地表層干擾存在與否,在分析視電阻率變化的原因時(shí)都可以排除干擾的影響,從而可以確定前兆異常。

另外表2還顯示,在100～1000 s周期段,不僅近地表層的貢獻(xiàn)G1可以忽略不計(jì),而且G4（第四層的貢獻(xiàn)）遠(yuǎn)大于其它各層,該層埋深9.5～14.61 km,處于地震多發(fā)層,該頻段有利于觀測(cè)到地震前兆。

從公式（1）、（3）已知視電阻率及影響系數(shù)都是各層電阻率及頻率的函數(shù),因此不同電阻率結(jié)構(gòu)的觀測(cè)點(diǎn)各地層影響系數(shù)隨頻率變化的曲線形態(tài)也不同,但計(jì)算表明近地表層及深部各層影響系數(shù)和各層貢獻(xiàn)隨頻率變化都具有上述基本特征,因篇幅所限不再舉例。

3 結(jié)論

MT/CSELF具有探測(cè)深度大、探測(cè)深度方便調(diào)節(jié)、觀測(cè)站占地面積小、易于測(cè)點(diǎn)選擇與建設(shè)以及觀測(cè)環(huán)境保護(hù)等許多優(yōu)點(diǎn),在地震前兆觀測(cè)中必將發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。出于壓制近地表干擾、有效獲取深部電阻率變化,從而有利于確定異常的目的,在水平分層均勻電阻率結(jié)構(gòu)場(chǎng)地條件下本文研究了MT/CSELF視電阻率影響系數(shù)和各地層對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)變化率的貢獻(xiàn),主要得出如下認(rèn)識(shí):

(1)各地層視電阻率的變化對(duì)MT/CSELF視電阻率的變化率有不同程度的貢獻(xiàn),貢獻(xiàn)的大小與影響系數(shù)成正比,而各地層影響系數(shù)都隨電磁場(chǎng)源的周期（頻率）變化。

(2)對(duì)于較?。ê穸?00 m左右）的易受干擾的近地表層,其影響系數(shù)和對(duì)MT/CSELF視電阻率變化的貢獻(xiàn)隨周期的增加快速下降,在特定的短周期段（其值取決于電阻率結(jié)構(gòu)）只有近地表層對(duì)觀測(cè)到的視電阻率變化有貢獻(xiàn)而之下各層無(wú)貢獻(xiàn);近地表層之下各層的影響系數(shù)及它們對(duì)視電阻率變化的貢獻(xiàn)則隨電磁場(chǎng)源周期起伏變化,各自在不同的周期處（其值也取決于電阻率結(jié)構(gòu)）取得最大值。

(3)對(duì)不同的層狀電阻率結(jié)構(gòu)的觀測(cè)場(chǎng)地,通過(guò)影響系數(shù)和各地層貢獻(xiàn)分析,可以確定合適的長(zhǎng)周期段,在此周期段觀測(cè)可以使得近地表層對(duì)視電阻率變化的貢獻(xiàn)忽略不計(jì),視電阻率變化主要反應(yīng)深部各層的電阻率變化,從而有利于確定前兆異常。

(4)發(fā)現(xiàn)MT/CSELF各層影響系數(shù)之和隨周期變化而并非常數(shù),它在部分周期點(diǎn)上等于1、部分周期點(diǎn)上大于1,而在部分周期點(diǎn)上小于1,這是出乎意料的,其原因有待研究。