和平地電臺深孔地電阻率異常的數(shù)值模擬研究*

嚴 興，鄧志輝，劉吉平

(1.中國地震局地質(zhì)研究所，北京100029;2.廣東省地震局，廣東廣州510070)

0 引言

現(xiàn)今國內(nèi)的地電阻率觀測通常采用地表布極方式，電流集中在表層，因此地表因素 (如季節(jié)，降雨，地表水位及人為等)變化都會對觀測值產(chǎn)生影響 (錢家棟等，1985;杜學彬，2010)。深孔地電阻率觀測近似全空間，可以有效的消除地表環(huán)境變化對深孔測道的影響，并且對地下基巖電阻率的變化有較靈敏的響應，從而提高了觀測值的可信度。廣東省河源市和平地電臺同時開展了地表布極和深孔布極地電阻率的觀測，深孔布極觀測在消除地表干擾，季節(jié)天氣變化影響等方面表現(xiàn)良好 (劉昌謀等，1994)，并且在近兩年的幾次地震中出現(xiàn)出明顯的異常。不過和平地電臺探孔地電阻率顯示出的異常卻與通常認為的地震前出現(xiàn)低值異常不一致，表現(xiàn)為平時趨勢性下降，地震前轉(zhuǎn)平或上升。本文將通過數(shù)值模擬的方法對這一測量結(jié)果的原因進行分析探討。

1 臺站概況

1.1 和平地電臺基本概況

和平地電臺位于廣東省河源市源城區(qū)和平村，位于新豐江水庫區(qū)東南，大壩以東約6 km處 (圖1)，河源盆地北東側(cè)，在河源斷裂以東約4 km處。距離1962年河源6.1級地震震中約6 km。該臺址地形較平緩開闊，相對高差不大。測區(qū)東南角是由侏羅系蘭塘群砂頁巖組成的低丘臺地，地勢較緩，多數(shù)有植被或耕地;西南東江邊一帶為亞砂土和砂土組成的階地，屬第四系河流沖積地;其他廣泛分布的是由上白堊統(tǒng)地層砂礫巖組成的紅巖低丘臺地，海拔70 m，最高123.6 m，高處基巖多裸露，局部由于風化剝蝕，已削為平地或坳谷。電極距離西側(cè)，西南側(cè)東江岸邊均超過500 m。

圖1 和平地電臺地理位置圖Fig.1 The location map of Heping Geoelectric Station

1.2 深孔地電阻率觀測

和平臺地電觀測采用四極對稱布設方式，布設了三道測線 (圖2)。東西向N80°W為深孔短測道，布設于臺站院內(nèi)，AB:54 m、MN:18 m、電極埋深63～65 m。供電極及測量極采用3 mm鉛板卷成長600 mm，直徑為60～75 mm實心圓筒狀電極。外線路為架空方式，采用3 mm銅包鋼線架設;觀測儀器為廣東省地震局研發(fā)的C-ATS數(shù)字地電儀。自1992年8月開始記錄，在當?shù)匕l(fā)生的兩次中強地震前地電阻率都曾出現(xiàn)過上升轉(zhuǎn)平的變化 (廣東省地震局，2005)。

圖2 和平地電臺深孔電阻率布極圖Fig.2 The electrode layout of the deep-hole resistivity of Heping Geoelectric Station

2 地電阻率異常

2011年期間，和平地電臺地電阻率測值從緩慢的趨勢性下降轉(zhuǎn)為趨勢性上升，到2012年初開始呈現(xiàn)加速上升，上升幅度約3%，2012年1月中旬開始平穩(wěn)，2012年2月16日河源市東源縣發(fā)生MS4.8地震;地震后測值繼續(xù)呈現(xiàn)緩慢震蕩下降態(tài)勢，5月開始加速下降，5月29日起趨于平穩(wěn)。5月共下降1.89Ω·m，下降幅度6.72%，隨后呈現(xiàn)震蕩平穩(wěn)上升，2012年8月31日河源市源城區(qū)、東源縣交界發(fā)生MS4.2地震;至2012-12-19～2013-01-07日地電阻率測值加速上升0.39Ω·m，上升幅度1.5%，之后保持平穩(wěn)震蕩，2013年2月22日河源東源縣發(fā)生MS4.8地震。這幾次河源地震，和平地電臺地電阻率表現(xiàn)為長趨勢下降，在震前轉(zhuǎn)平或異常升高 (圖3)。而國內(nèi)其他一些地電臺站在典型地震來臨前表現(xiàn)出地電阻率值加速下降，在低值附近發(fā)生地震，隨后地電阻率恢復到正常水平的過程。如唐山地震前的寶坻臺、昌黎臺，松潘地震前的武都臺 (錢復業(yè)等，1982，1990;錢家棟，曹愛民，1998)。

圖3 和平地電臺地電阻率異常曲線Fig.3 Resistivity anomaly before the Heyuan earthquakes observed at Heping Geoelectric Station

3 觀測結(jié)果分析

經(jīng)查閱資料及實地考察，在中國北方地區(qū)布設的地電阻率通常為淺表電極，電極埋深一般為幾米，而其第四紀覆蓋層多厚達60 m以上，地下水埋深也在40 m左右，地下水分布均勻，無大的地下徑流，電極埋在土層中，不存在電極極化現(xiàn)象;而廣東地處南方多雨地區(qū)，地下水復雜豐富，通常地表下挖幾米就是地下水，在該地區(qū)采用地表布極方式易受降雨、地表水的影響，所以考慮采用深井布極的方式，一方面濾除了地表的各種干擾，但是同時帶來一個問題，電極泡在水中，會有電極極化現(xiàn)象，長期觀測會使電極內(nèi)阻抗越來越大，即供電極周圍電阻率不斷增大。這可能是觀測視電阻率長趨勢不斷下降的原因。

另外我們注意到，和平地電臺附近5 km的黃子洞水氡觀測點在幾次地震前，都出現(xiàn)了高值突跳的異常過程 (圖4)，說明深層的粒子在應力應變的調(diào)整過程中上升到了表層;由此我們設想地震前地下的巖石變形可能使深部高導電性粒子進入電阻率觀測井中，使電極周邊的電阻率減小。這可能造成地震前觀測視電阻率轉(zhuǎn)平或呈現(xiàn)上升趨勢。

圖4 河源地震前黃子洞水氡五日值曲線異常Fig.4 Anomaly in 5-day-value curve of water radon at Huangzidong Station before Heyuan earthquakes

此外，帶有高導電性粒子的地下流體的影響范圍并不能確定，有可能是局部的，比如局限在電極附近，也有可能是整體性的，在測區(qū)的地下呈現(xiàn)整體上升態(tài)勢。

因此筆者采用有限元數(shù)值模擬的方式，對這幾種情況分別建模和計算。

4 有限元數(shù)值分析

為了進一步驗證供電極附近電阻率的變化對視電阻率觀測值的影響，我們利用有限元分析軟件ANSYS建立三維有限元模型，分別計算了3種情況下真電阻率的變化對視電阻率的影響。

4.1 建立有限元模型

根據(jù)測區(qū)的電阻率測深曲線，結(jié)合計算誤差估計 (解韜等，2013a，b)，模型厚度設置為1 515 m，模型長寬都設置為2 000 m(圖5)。根據(jù)測區(qū)的電性結(jié)構 (表1)，模型共設置4層，第1層厚度5 m，為表層干燥土，電阻率設置為200Ω·m;第2層厚度10 m，為表層濕潤土，電阻率設置為150Ω·m;第3層厚度500 m，為紅層基巖，電阻率設置為50Ω·m;第4層厚度1 000 m，為變質(zhì)巖，電阻率設置為150Ω·m。有限元的網(wǎng)格劃分直接關系到計算精度及時間花費，因此我們在中心測區(qū) (700 m×700 m)進行了網(wǎng)格的適當加密，其他周邊區(qū)域網(wǎng)格劃分較稀疏以減少時間花費。

可將整個模型看做穩(wěn)恒電流場。在選定的兩個供電極 (極距54 m，埋深65 m)，即結(jié)點A，B上分別輸入電流+2 A和-2 A，表示電流從A端流入B端流出。從計算結(jié)果中查看M，N結(jié)點的電位差ΔVMN，根據(jù)電阻率計算公式即可計算視電阻率 (這里。在該計算模型中，先將兩個電極周圍的單元進行了加密網(wǎng)格劃分，進一步提高計算精度，然后各選取了200個單元進行電阻率值改變的試驗。選取單元集合的垂向直徑約0.11 m，與井孔直徑相同。

表1 測區(qū)電性結(jié)構數(shù)據(jù)表Tab.1 The data sheet of electrical structure in measurement area

圖5 地電阻率有限元模型Fig.5 Finite element model of deep-hole resistivity

4.2 計算過程設計

(1)不斷增大供電極附近選取的單元集合的電阻率，模擬電極極化現(xiàn)象，觀察測量極計算出的視電阻率變化。

(2)不斷減小供電極附近選取的單元集合的電阻率，模擬導電粒子進入井水的影響，觀察測量極計算出的視電阻率變化情況。

(3)假設下部含水巖石層電阻率較低 (設置為10Ω·m)，將水位在整個模型范圍內(nèi)的水平面不斷提高，模擬地下低阻高導流體在震前不斷上升對電阻率觀測值變化的影響。

圖6 視電阻率隨電極極化的變化曲線Fig.6 Apparent resistivity curve varied with the electrode polarization

圖7 視電阻率隨導電離子濃度改變的變化曲線Fig.7 Curve of apparent resistivity varied with the concentration changing of conductive particles

5 計算結(jié)果

隨著電極附近電阻率的不斷增大，測量電阻率呈不斷下降的趨勢，變化率達到了5%，如圖6所示。說明泡在水中的電極的不斷極化，內(nèi)阻抗的增高的確會造成電阻率值的趨勢性下降。

隨著電極附近電阻率的不斷減小，測量電阻率呈不斷上升的趨勢，變化率超過了10%，如圖7所示。這說明電極周圍導電離子不斷聚集增多，導致局部導電性增強，電阻率降低，會使測量極得到的視電阻率呈上升的趨勢。

如果地震前的地殼深部運動導致地下高導流體的整體上升，可能會影響整個測區(qū)的地下電性結(jié)構，第三步的模擬針對這種情況，將整個測區(qū)低阻的部分范圍不斷抬升，模擬高導流體界面的上升，發(fā)現(xiàn)隨高度的上升，測量電阻率呈不斷下降的態(tài)勢，在界面接近電極所在的高度時，測量值會出現(xiàn)急劇下降 (圖8)。

圖8 視電阻率隨地下低阻流體上升的變化曲線Fig.8 Curve of apparent resistivity varied with the rising of high-conductivity fluid

6 結(jié)論與討論

泡在井水內(nèi)供電極的極化將導致供電極附近分壓增大，觀測極電壓差降低從而測量電阻率減小。這與和平地電臺的觀測結(jié)果一致。

地震前深部帶電粒子進入井水中將導致供電極附近電阻率減小，從而供電極附近分壓減小、觀測極電壓差升高，導致測量電阻率增大。這可能是和平地電臺在地震前出現(xiàn)視電阻率異常增大的原因。

對于水位埋深較大的地區(qū)，地下高導流體相當于一個并聯(lián)的低阻體，直接影響整個測區(qū)的視電阻率。地下高導流體水位升高代表并聯(lián)部分增大，可以導致視電阻率減小;地下水位降低代表并聯(lián)部分減少，將導致視電阻率增大。導電粒子同水位變化的共同影響應是造成震前電阻率轉(zhuǎn)平或異常升高的可能原因。

河源地區(qū)震情平靜時期，和平地電臺深孔電阻率測量應該主要記錄到的是電極的極化作用，而在臨震前，深部導電粒子同地下水位變化的共同作用是造成電阻率測值轉(zhuǎn)平或異常升高的主要原因。

應用有限元數(shù)值模擬方法能夠定量的計算出各項干擾因素對測量值的影響，不過本模型采用的電性結(jié)構都是取水平狀，影響因素也都是作用于整體或局部的小區(qū)域。今后的工作中還需進一步計算低阻或高阻異常體分布在不同的位置和范圍時對觀測值的影響 (杜學彬等，2007)，以及電極埋深不同對干擾因素的響應幅度，以更好地解釋地電阻率測值的復雜變化。

杜學彬，李寧，葉青，等.2007.強地震附近視電阻率各項異性變化的原因［J］.地球物理學報，50(6):1802-1810.

杜學彬.2010.地震預報中的兩類視電阻率變化［J］.中國科學(D輯)，40(10):1321-1330.

廣東省地震局.2005.廣東省地震監(jiān)測志［M］.北京:地震出版社，70-78.

解滔，李飛，沈紅會，等.2013a.新沂地震臺地電阻率反向年變分析［J］.地震學報，35(6):856-864.

解滔，盧軍，李美，等.2013b.地埋鋼纜對寶昌臺地電阻率干擾的定量分析［J］.地球物理學進展，28(2):727-734.

劉昌謀，桂燮泰，柴劍勇，等.1994.河源地電臺全空間地電阻率試驗［J］.華南地震，14(3):40-45.

錢復業(yè)，趙玉林，劉捷，等.1990.唐山7.8級地震地電阻率臨震功率譜異常［J］.地震，(3):33-38.

錢復業(yè)，趙玉林，于謀明，等.1982.地震前地電阻率的異常變化［J］.中國科學(B輯)，(9):831-839.

錢家棟，曹愛民.1998.1976年唐山7.8級地震地電阻率和地下水前兆綜合物理機制研究［J］.地震，18(S1):1-9

錢家棟，陳有發(fā)，金安忠.1985.地電阻率法在地震預報中的應用［M］.北京:地震出版社:103-107，187-225.