滇西地區幾個測點的大地電磁視電阻率影響系數分析

毛先進 文雯 楊玲英 段煒

摘要：采用水平分層均勻的地電阻率結構模型，研究了滇西地區3個測點的MT視電阻率影響系數隨頻率變化的特征。結果表明：①各地層視電阻率影響系數都隨周期變化，為了更好地獲得地震多發層內地電阻率變化信息，可以通過影響系數值選擇合適的電磁場頻段;②在某一特定周期內的短周期段，視電阻率主要反映易受干擾的第一層的變化，對于地震觀測而言，應避開該周期段，該周期值可以通過影響系數分析確定;③各地層影響系數之和并非常數，而是隨周期變化，在不同頻段觀測的視電阻率反映地層電阻率變化的能力不同。影響系數分析對MT地震觀測頻段和測點的選擇具有一定的指導意義。

關鍵詞：大地電磁測深;視電阻率;地震監測;影響系數;滇西地區

中圖分類號：P315.721文獻標識碼：A文章編號：1000-0666（2020）04-0732-06

0引言

Reddy等（1976）開展了基于天然電磁場源的大地電磁測深（Magnetotelluric Sounding，簡稱MT）監測地震的可行性研究，20世紀70年代中期，國內地震學者開始在我國西北和華北地區開展MT定點重復觀測研究（張云琳等，1994;湯吉等，1998;陳軍營等，2009）。為克服天然場源信號微弱的困難，我國學者還開展了基于大功率人工場源的極低頻（Contral Source Extremely Low Frequency，簡稱CSELF）地震電磁定點觀測研究（趙國澤等，2010a），在遠區觀測時CSELF是與MT等價的，電磁場可以視為平面電磁波（何繼善，1990），其數據處理方法在原理上與MT相同。這些工作論述了MT定點重復觀測資料與地震活動的關系，并從觀測事實和深部介質導電性變化機理方面闡明MT是可以觀測到地震前兆信息的（林長佑等，1990;趙國澤等，2007）。晉光文等（1997）從場兆與源兆關系的角度闡述了震源深度處介質電性變化引起MT觀測資料顯著變化的原因，認為MT具有較好的監測地震活動的能力。

降雨及人類生產活動等因素會導致地下潛水位波動，受其影響的淺部地層含水量變化會導致電阻率變化，這種變化與地震無關;大陸內部地震多發生于地殼的中上部，即深度10～30 km，深部電性變化前兆也有可能主要出現在這一深度及其影響區域（林長佑等，1989）。大地電磁測深具有體積效應，探測范圍內各地層電阻率的變化會對各頻點觀測數據的變化造成不同程度的影響，與地震無關的淺部電阻率變化將對觀測造成干擾，可能影響對地震前兆異常的確認。目前尚未見到關于地殼內不同深度地層電阻率變化對MT觀測數據變化的影響及其定量特征等方面的研究，本文開展這方面的研究，以期選擇合適的MT觀測所用的頻段和場地，更好地觀測到地震電阻率前兆變化信息。

1影響系數簡介

由于MT阻抗相位對于地震活動相關的地下介質電性變化不靈敏（張云琳等，1994），結合晉光文等（1997）的研究結果，筆者采用水平分層均勻的地電阻率結構模型，研究不同深度地層的電阻率變化對MT觀測到的視電阻率的影響特征。

假設觀測區介質電阻率分層均勻，共n層，第i層電阻率與厚度分別為ρi與hi（i=1，2，…，n）。顯然，無論何種定義的MT視電阻率ρa都是地下各層電阻率、厚度和電磁波頻率f的函數，即：ρa=f（ρ1，ρ2，…，ρn，h1，h2，…，hn-1;ω）（1）其中：ω=2πf，為電磁波圓頻率。

在孕震過程中，ρi會變化，導致各頻點觀測到的ρa隨時間變化，假定各層介質厚度不變，對式（1）兩邊取對數并求全微分得到：dρaρa=∑ni=1Sidρiρi（2）式中：Si=ρiρaρaρi（3）根據式（1）可求得不同頻率下的ρa（樸化榮，1990），然后采用數字方法計算出ρa對各層ρi的偏微分，并按式（3）計算得到Si（i=1，2，…，n）。從式（2）可見，各地層ρi發生變化時，各頻點ρa的相對變化率等于各地層真電阻率相對變化率的加權求和，加權系數為Si;當第i層電阻率的相對變化率dρi/ρi一定時，該層對觀測數據相對變化率的貢獻是Sidρi/ρi，Si越大，該層的貢獻或是影響就越大，且式（2）（3）與地震直流電法中的影響系數概念（錢家棟等，1985;Lu et al，1999）類似，因此本文亦將Si稱為影響系數。為了考察每一層影響系數在總影響系數中所占的比例，令：∑S=S1+S2+…+Sn（4）Qi=Si∑S（i=1，2，…，n）（5）式中：∑S為總影響系數（即各層影響系數之和）;Qi為第i層的影響系數與總影響系數的比值（下文簡稱影響系數占比），與頻率及各層電阻率相關，Qi有助于分析各層影響的頻率特性。

地震研究43卷第4期毛先進等：滇西地區幾個測點的大地電磁視電阻率影響系數分析2各測點的影響系數特征分析

大地電磁測深研究表明，不同地區地殼上地幔電性結構總體上表現出“橫向分塊，縱向分層”特征（孔祥儒等，1987;孫潔等，1989;趙國澤等，2004，2010b;湯吉等，2005;詹艷等，2005，2014;韓松等，2016;王月，張捷，2018），不同地區電性的縱向分層結構不同。以滇西地區3個測點為例，采用卡尼亞視電阻率定義，計算其視電阻率和影響系數，并分析其特征，各測點分層電性結構參數參考孫潔等（1989）的研究，見表1。

圖1為騰沖石坪測點各層影響系數Si、影響系數之和∑S、各層影響系數占比Qi隨周期變化的曲線。由圖1可見：①各層介質的Si都隨T（或f）變化（圖1a），由淺至深各層Si最大值所對應的T依次增加（f依次降低）;當T<100 s時，最下層S5等于或十分接近于0，之后逐漸上升。②圖1a中，T為0.001～0.02 s（即f為50～1 000 Hz）時，S1等于1，而S2～S5等于0。由式（2）可知，若在此頻段內的視電阻率發生變化將完全是由第1層電阻率變化所致，其它地層完全沒有貢獻，由于第1層介質電阻率易受季節以及生產活動的干擾，故MT視電阻率觀測應避開50 Hz以上的頻段。③T=158.49 s時，S3出現最大值1.31，同周期其它地層的Si與其相比可以忽略不計，第3層位于地震多發層內（埋深為9.50～14.10 km），選擇以158.49 s為中心、寬度合適的頻段，將主要觀測到該地層的電阻率變化，而其它地層的影響可以忽略，這有利于觀測到并確認地震前兆。④計算結果表明∑S并非常數，而是隨T（或f）變化，會出現多個極大值和極小值（圖1b），而直流電法中對于確定的觀測裝置，各地層∑S=1（錢家棟等，1985;Lu et al，1999;毛先進等，2014;解滔等，2016）。⑤從圖1c可見，當T>100 s時，Q1接近于0，近地表干擾可以忽略。

圖2a～c為漾濞上街測點各層影響系數Si、影響系數之和∑S、各層影響系數占比Qi隨周期變化的曲線。從圖2a～c可見：①各層介質的Si都隨T（或f）變化（圖2a），S1～S4最大值所對應的T依次增加（f依次降低）;T<200 s時，最下層S5等于或近似為0，之后逐漸。②由圖2a可見，T為0.001～0.013 s（f為80～1 000 Hz）時，S1等于1，S2～S5等于0，若此頻段內的視電阻率發生變化，將完全是由易受干擾的第1層電阻率變化所致，其它地層完全沒有貢獻，故MT視電阻率觀測宜避開80 Hz以上的頻段。③第3層埋深為23.68～30.75 km，位于地震多發層，T=79.43 s時，S3達到最大值0.68，而S1=0.52，與S3相比，S1不能被忽略。從式（2）可見，若以該周期點為中心頻段觀測，則難以確定視電阻率的變化中是否有第1層的貢獻，而第1層（厚度為0.59 km）易受干擾，進而可能難以確定異常。④各地層∑S隨T（或f）變化（圖2b），不是常數。⑤從圖2c可見，當T>3 000 s時，Q1約為0，在這種條件下近地表干擾才可以忽略。

圖3為永勝鳳鳴測點各層影響系數Si、影響系數之和∑S、各層影響系數占比Qi隨周期變化的曲線。由圖3可見：①各層介質的Si都隨T（或f）變化（圖3a），S1～S4最大值所對應的T依次增加（f依次降低）;T<158 s時，最下層S5等于或近似為0，之后逐漸增大;②由圖3a可見，T為0.001～0.002 s（f為500～1 000 Hz）時，S1等于1，S2～S5等于0，此頻段若視電阻率有變化，將完全是由第1層電阻率變化所致，其它層無貢獻，故MT視電阻率觀測宜避開500 Hz以上的頻段;③第3層埋深為23.95～27.11 km，位于地震多發層內，第2層埋深為0.31～23.95 km，該層中下部位亦是地震多發層，T=63.10 s時，S3達到最大值0.40，S1，S2分別為0.15，0.85，若以該周期點為中心進行觀測，視電阻率的變化將主要反映第2層下部以及第3層的電阻率變化，第1層的影響相對較小;④各地層影響系數之和∑S隨T（或f）變化（圖3b），不是常數;⑤從圖3c可見，T>1 000 s時，Q1近似為0，可以忽略近地表干擾。

3討論

從地震前兆觀測的角度看，若在某頻段內位于地震多發層內地層的影響系數遠大于其它各層，尤其是地表層的影響系數，例如騰沖石坪測點（圖1），在這樣較為理想的條件下，觀測數據的變化將主要反映該層電阻率的變化，并且幾乎不受地表層的影響，這對異常判斷是十分有利的。從上述3個測點的計算結果看，是否滿足這一條件與地電結構密切相關，而影響系數與地電結構有較為復雜的關系。漾濞上街測點各層影響系數不滿足上述條件（圖2a），原因是第1，2層電阻率差異較大（表1），ρ1/ρ2=9.67/705.56=0.013 7，如果ρ1增加到原來的10倍，即ρ1/ρ2=96.7/705.56=0.137 1，各層影響系數與頻率的關系如圖2d～f所示。由圖可見，ρ1增加后，在S3的最大值附近頻段內，S1顯著減小，基本滿足上述條件。這表明第1，2層電阻率的數量關系是決定上述條件滿足與否的重要因素之一，易受干擾的第1層電阻率越低，該層對觀測數據的影響越大，越不利于判斷異常;反之，第1層電阻率越高則其影響越小，越有利于判斷異常。并且第3層（殼內低阻層）電阻率與其上、下層相比越低，越有可能滿足上述條件，從而越有利于觀測。

在直流電法中，不論采用何種裝置∑S總是等于1;而MT法中，∑S隨頻率變化不是常數，在不同的頻點既有可能大于1也有可能小于1，這是與直流電法的一個顯著不同之處。在一維的情形下，MT法中只有在各層電阻率各不相同時，∑S才隨頻率變化，當各層電阻率相同（即均勻半空間）時，各頻點的∑S總是等于1;將分層均勻介質中的任一層細分為多個亞層時，這些亞層的∑S等于這一層的影響系數。之所以關注∑S，一是希望在某個頻段上多震層的影響系數在∑S中的占比遠大于其它層（尤其是易受干擾的第1層）;二是因為∑S必定在某些頻點上取得極小值并可能比1小得多，從而在這些頻點處觀測到的視電阻率的變化率將會比地下介質真電阻率的變化率小很多，觀測時宜避開這樣的頻點。

4結論

本文以滇西地區3個測點為例，采用水平分層均勻的地電阻率結構模型，分析其視電阻率和影響系數特征，主要得出如下認識：

（1）各地層視電阻率影響系數都隨電磁場源周期變化，為了獲得地震多發層內地層的電阻率變化信息、壓制易受干擾的近地表層的影響，可以通過影響系數分析選擇合適的電磁場頻段進行觀測，或者采用寬頻帶觀測，但在預測研究時需選擇合適頻段的數據進行分析。

（2）無論何種分層均勻電阻率結構，從影響系數來看，在某一周期（取決于地電結構）內的短周期段，視電阻率主要反映易受干擾的第一層的變化，地震觀測時應避開該周期段，該周期的值可以通過影響系數確定。

（3）各地層影響系數之和并非常數，而是隨周期變化，在不同的頻點既有可能大于1也有可能小于1，會出現多個極大值和極小值，在不同周期段，觀測反映地層電阻率變化的能力也有差別。

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Analysis on Influence Coefficient of MT Apparent Resistivity

at Several Sites in Western Yunnan

MAO Xianjin，WEN Wen，YANG Lingying，DUAN Wei

（Yunnan Earthquake Agency，Kunming 650224，Yunnan，China）

Abstract

We studied the characteristics of MT apparent resistivity influence coefficients varying with frequency at three sites in Western Yunnan using the stratified homogeneous geo-resistivity structure.The result shows：①The apparent resistivity influence coefficients of each layer vary with the period，we could select the appropriate electromagnetic field frequency band through the influence coefficient value so as to obtain better information on the change of resistivity of the stratum in the earthquake-prone layers;② In the short period within a certain period，the apparent resistivity mainly reflects the change of the first layer that is susceptible to interference.This period should be avoided for seismic observation，and the periodic value can be determined by influence coefficient analysis;③ The sum of the influence coefficients of each layer is not a constant but varies with the period.The apparent resistivity observed in different frequency bands has different ability to reflect the variation of the formation resistivity.The influence coefficient analysis has certain guiding significance for the selection of electromagnetic field frequency band and observation site of MT seismic observation.

Keywords：MT;apparent resistivity;seismic monitoring;influence coefficient;Western Yunnan area第43卷第4期2020年10月地震研究