和平地電臺(tái)深孔地電阻率異常的數(shù)值模擬研究*

嚴(yán) 興，鄧志輝，劉吉平

(1.中國(guó)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(guó)內(nèi)的地電阻率觀測(cè)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(huì)對(duì)觀測(cè)值產(chǎn)生影響 (錢(qián)家棟等，1985;杜學(xué)彬，2010)。深孔地電阻率觀測(cè)近似全空間，可以有效的消除地表環(huán)境變化對(duì)深孔測(cè)道的影響，并且對(duì)地下基巖電阻率的變化有較靈敏的響應(yīng)，從而提高了觀測(cè)值的可信度。廣東省河源市和平地電臺(tái)同時(shí)開(kāi)展了地表布極和深孔布極地電阻率的觀測(cè)，深孔布極觀測(cè)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(guò)和平地電臺(tái)探孔地電阻率顯示出的異常卻與通常認(rèn)為的地震前出現(xiàn)低值異常不一致，表現(xiàn)為平時(shí)趨勢(shì)性下降，地震前轉(zhuǎn)平或上升。本文將通過(guò)數(shù)值模擬的方法對(duì)這一測(cè)量結(jié)果的原因進(jìn)行分析探討。

1 臺(tái)站概況

1.1 和平地電臺(tái)基本概況

和平地電臺(tái)位于廣東省河源市源城區(qū)和平村，位于新豐江水庫(kù)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(jí)地震震中約6 km。該臺(tái)址地形較平緩開(kāi)闊，相對(duì)高差不大。測(cè)區(qū)東南角是由侏羅系蘭塘群砂頁(yè)巖組成的低丘臺(tái)地，地勢(shì)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(tái)地，海拔70 m，最高123.6 m，高處基巖多裸露，局部由于風(fēng)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(guò)500 m。

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

1.2 深孔地電阻率觀測(cè)

和平臺(tái)地電觀測(cè)采用四極對(duì)稱(chēng)布設(shè)方式，布設(shè)了三道測(cè)線 (圖2)。東西向N80°W為深孔短測(cè)道，布設(shè)于臺(tái)站院內(nèi)，AB:54 m、MN:18 m、電極埋深63～65 m。供電極及測(cè)量極采用3 mm鉛板卷成長(zhǎng)600 mm，直徑為60～75 mm實(shí)心圓筒狀電極。外線路為架空方式，采用3 mm銅包鋼線架設(shè);觀測(cè)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(kāi)始記錄，在當(dāng)?shù)匕l(fā)生的兩次中強(qiáng)地震前地電阻率都曾出現(xiàn)過(guò)上升轉(zhuǎn)平的變化 (廣東省地震局，2005)。

圖2 和平地電臺(tái)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(tái)地電阻率測(cè)值從緩慢的趨勢(shì)性下降轉(zhuǎn)為趨勢(shì)性上升，到2012年初開(kāi)始呈現(xiàn)加速上升，上升幅度約3%，2012年1月中旬開(kāi)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(cè)值繼續(xù)呈現(xiàn)緩慢震蕩下降態(tài)勢(shì)，5月開(kāi)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(cè)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(tái)地電阻率表現(xiàn)為長(zhǎng)趨勢(shì)下降，在震前轉(zhuǎn)平或異常升高 (圖3)。而國(guó)內(nèi)其他一些地電臺(tái)站在典型地震來(lái)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(fù)到正常水平的過(guò)程。如唐山地震前的寶坻臺(tái)、昌黎臺(tái)，松潘地震前的武都臺(tái) (錢(qián)復(fù)業(yè)等，1982，1990;錢(qián)家棟，曹愛(ài)民，1998)。

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

3 觀測(cè)結(jié)果分析

經(jīng)查閱資料及實(shí)地考察，在中國(guó)北方地區(qū)布設(shè)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(jì)覆蓋層多厚達(dá)60 m以上，地下水埋深也在40 m左右，地下水分布均勻，無(wú)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(fù)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(shí)帶來(lái)一個(gè)問(wèn)題，電極泡在水中，會(huì)有電極極化現(xiàn)象，長(zhǎng)期觀測(cè)會(huì)使電極內(nèi)阻抗越來(lái)越大，即供電極周?chē)娮杪什粩嘣龃蟆＿@可能是觀測(cè)視電阻率長(zhǎng)趨勢(shì)不斷下降的原因。

另外我們注意到，和平地電臺(tái)附近5 km的黃子洞水氡觀測(cè)點(diǎn)在幾次地震前，都出現(xiàn)了高值突跳的異常過(guò)程 (圖4)，說(shuō)明深層的粒子在應(yīng)力應(yīng)變的調(diào)整過(guò)程中上升到了表層;由此我們?cè)O(shè)想地震前地下的巖石變形可能使深部高導(dǎo)電性粒子進(jìn)入電阻率觀測(cè)井中，使電極周邊的電阻率減小。這可能造成地震前觀測(cè)視電阻率轉(zhuǎn)平或呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。

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(dǎo)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(cè)區(qū)的地下呈現(xiàn)整體上升態(tài)勢(shì)。

因此筆者采用有限元數(shù)值模擬的方式，對(duì)這幾種情況分別建模和計(jì)算。

4 有限元數(shù)值分析

為了進(jìn)一步驗(yàn)證供電極附近電阻率的變化對(duì)視電阻率觀測(cè)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(jì)算了3種情況下真電阻率的變化對(duì)視電阻率的影響。

4.1 建立有限元模型

根據(jù)測(cè)區(qū)的電阻率測(cè)深曲線，結(jié)合計(jì)算誤差估計(jì) (解韜等，2013a，b)，模型厚度設(shè)置為1 515 m，模型長(zhǎng)寬都設(shè)置為2 000 m(圖5)。根據(jù)測(cè)區(qū)的電性結(jié)構(gòu) (表1)，模型共設(shè)置4層，第1層厚度5 m，為表層干燥土，電阻率設(shè)置為200Ω·m;第2層厚度10 m，為表層濕潤(rùn)土，電阻率設(shè)置為150Ω·m;第3層厚度500 m，為紅層基巖，電阻率設(shè)置為50Ω·m;第4層厚度1 000 m，為變質(zhì)巖，電阻率設(shè)置為150Ω·m。有限元的網(wǎng)格劃分直接關(guān)系到計(jì)算精度及時(shí)間花費(fèi)，因此我們?cè)谥行臏y(cè)區(qū) (700 m×700 m)進(jìn)行了網(wǎng)格的適當(dāng)加密，其他周邊區(qū)域網(wǎng)格劃分較稀疏以減少時(shí)間花費(fèi)。

可將整個(gè)模型看做穩(wěn)恒電流場(chǎng)。在選定的兩個(gè)供電極 (極距54 m，埋深65 m)，即結(jié)點(diǎn)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(jì)算結(jié)果中查看M，N結(jié)點(diǎn)的電位差ΔVMN，根據(jù)電阻率計(jì)算公式即可計(jì)算視電阻率 (這里。在該計(jì)算模型中，先將兩個(gè)電極周?chē)膯卧M(jìn)行了加密網(wǎng)格劃分，進(jìn)一步提高計(jì)算精度，然后各選取了200個(gè)單元進(jìn)行電阻率值改變的試驗(yàn)。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(cè)區(qū)電性結(jié)構(gòu)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(jì)算過(guò)程設(shè)計(jì)

(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(cè)量極計(jì)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(dǎo)電粒子進(jìn)入井水的影響，觀察測(cè)量極計(jì)算出的視電阻率變化情況。

(3)假設(shè)下部含水巖石層電阻率較低 (設(shè)置為10Ω·m)，將水位在整個(gè)模型范圍內(nèi)的水平面不斷提高，模擬地下低阻高導(dǎo)流體在震前不斷上升對(duì)電阻率觀測(cè)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(dǎo)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(jì)算結(jié)果

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

隨著電極附近電阻率的不斷減小，測(cè)量電阻率呈不斷上升的趨勢(shì)，變化率超過(guò)了10%，如圖7所示。這說(shuō)明電極周?chē)鷮?dǎo)電離子不斷聚集增多，導(dǎo)致局部導(dǎo)電性增強(qiáng)，電阻率降低，會(huì)使測(cè)量極得到的視電阻率呈上升的趨勢(shì)。

如果地震前的地殼深部運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致地下高導(dǎo)流體的整體上升，可能會(huì)影響整個(gè)測(cè)區(qū)的地下電性結(jié)構(gòu)，第三步的模擬針對(duì)這種情況，將整個(gè)測(cè)區(qū)低阻的部分范圍不斷抬升，模擬高導(dǎo)流體界面的上升，發(fā)現(xiàn)隨高度的上升，測(cè)量電阻率呈不斷下降的態(tài)勢(shì)，在界面接近電極所在的高度時(shí)，測(cè)量值會(huì)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(dǎo)致供電極附近分壓增大，觀測(cè)極電壓差降低從而測(cè)量電阻率減小。這與和平地電臺(tái)的觀測(cè)結(jié)果一致。

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

對(duì)于水位埋深較大的地區(qū)，地下高導(dǎo)流體相當(dāng)于一個(gè)并聯(lián)的低阻體，直接影響整個(gè)測(cè)區(qū)的視電阻率。地下高導(dǎo)流體水位升高代表并聯(lián)部分增大，可以導(dǎo)致視電阻率減小;地下水位降低代表并聯(lián)部分減少，將導(dǎo)致視電阻率增大。導(dǎo)電粒子同水位變化的共同影響應(yīng)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(shí)期，和平地電臺(tái)深孔電阻率測(cè)量應(yīng)該主要記錄到的是電極的極化作用，而在臨震前，深部導(dǎo)電粒子同地下水位變化的共同作用是造成電阻率測(cè)值轉(zhuǎn)平或異常升高的主要原因。

應(yīng)用有限元數(shù)值模擬方法能夠定量的計(jì)算出各項(xiàng)干擾因素對(duì)測(cè)量值的影響，不過(guò)本模型采用的電性結(jié)構(gòu)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(jìn)一步計(jì)算低阻或高阻異常體分布在不同的位置和范圍時(shí)對(duì)觀測(cè)值的影響 (杜學(xué)彬等，2007)，以及電極埋深不同對(duì)干擾因素的響應(yīng)幅度，以更好地解釋地電阻率測(cè)值的復(fù)雜變化。

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