毛先進(jìn) 文雯 楊玲英 段煒

摘要：采用水平分層均勻的地電阻率結(jié)構(gòu)模型，研究了滇西地區(qū)3個(gè)測(cè)點(diǎn)的MT視電阻率影響系數(shù)隨頻率變化的特征。結(jié)果表明：①各地層視電阻率影響系數(shù)都隨周期變化，為了更好地獲得地震多發(fā)層內(nèi)地電阻率變化信息，可以通過(guò)影響系數(shù)值選擇合適的電磁場(chǎng)頻段;②在某一特定周期內(nèi)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(duì)于地震觀測(cè)而言，應(yīng)避開該周期段，該周期值可以通過(guò)影響系數(shù)分析確定;③各地層影響系數(shù)之和并非常數(shù)，而是隨周期變化，在不同頻段觀測(cè)的視電阻率反映地層電阻率變化的能力不同。影響系數(shù)分析對(duì)MT地震觀測(cè)頻段和測(cè)點(diǎn)的選擇具有一定的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：大地電磁測(cè)深;視電阻率;地震監(jiān)測(cè);影響系數(shù);滇西地區(qū)

中圖分類號(hào)：P315.721文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1000-0666（2020）04-0732-06

0引言

Reddy等（1976）開展了基于天然電磁場(chǎng)源的大地電磁測(cè)深（Magnetotelluric Sounding，簡(jiǎn)稱MT）監(jiān)測(cè)地震的可行性研究，20世紀(jì)70年代中期，國(guó)內(nèi)地震學(xué)者開始在我國(guó)西北和華北地區(qū)開展MT定點(diǎn)重復(fù)觀測(cè)研究（張?jiān)屏盏龋?994;湯吉等，1998;陳軍營(yíng)等，2009）。為克服天然場(chǎng)源信號(hào)微弱的困難，我國(guó)學(xué)者還開展了基于大功率人工場(chǎng)源的極低頻（Contral Source Extremely Low Frequency，簡(jiǎn)稱CSELF）地震電磁定點(diǎn)觀測(cè)研究（趙國(guó)澤等，2010a），在遠(yuǎn)區(qū)觀測(cè)時(shí)CSELF是與MT等價(jià)的，電磁場(chǎng)可以視為平面電磁波（何繼善，1990），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定點(diǎn)重復(fù)觀測(cè)資料與地震活動(dòng)的關(guān)系，并從觀測(cè)事實(shí)和深部介質(zhì)導(dǎo)電性變化機(jī)理方面闡明MT是可以觀測(cè)到地震前兆信息的（林長(zhǎng)佑等，1990;趙國(guó)澤等，2007）。晉光文等（1997）從場(chǎng)兆與源兆關(guān)系的角度闡述了震源深度處介質(zhì)電性變化引起MT觀測(cè)資料顯著變化的原因，認(rèn)為MT具有較好的監(jiān)測(cè)地震活動(dòng)的能力。

降雨及人類生產(chǎn)活動(dòng)等因素會(huì)導(dǎo)致地下潛水位波動(dòng)，受其影響的淺部地層含水量變化會(huì)導(dǎo)致電阻率變化，這種變化與地震無(wú)關(guān);大陸內(nèi)部地震多發(fā)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(xiàn)在這一深度及其影響區(qū)域（林長(zhǎng)佑等，1989）。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會(huì)對(duì)各頻點(diǎn)觀測(cè)數(shù)據(jù)的變化造成不同程度的影響，與地震無(wú)關(guān)的淺部電阻率變化將對(duì)觀測(cè)造成干擾，可能影響對(duì)地震前兆異常的確認(rèn)。目前尚未見到關(guān)于地殼內(nèi)不同深度地層電阻率變化對(duì)MT觀測(cè)數(shù)據(jù)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(cè)所用的頻段和場(chǎng)地，更好地觀測(cè)到地震電阻率前兆變化信息。

1影響系數(shù)簡(jiǎn)介

由于MT阻抗相位對(duì)于地震活動(dòng)相關(guān)的地下介質(zhì)電性變化不靈敏（張?jiān)屏盏龋?994），結(jié)合晉光文等（1997）的研究結(jié)果，筆者采用水平分層均勻的地電阻率結(jié)構(gòu)模型，研究不同深度地層的電阻率變化對(duì)MT觀測(cè)到的視電阻率的影響特征。

假設(shè)觀測(cè)區(qū)介質(zhì)電阻率分層均勻，共n層，第i層電阻率與厚度分別為ρi與hi（i=1，2，…，n）。顯然，無(wú)論何種定義的MT視電阻率ρa(bǔ)都是地下各層電阻率、厚度和電磁波頻率f的函數(shù)，即：ρa(bǔ)=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(guò)程中，ρi會(huì)變化，導(dǎo)致各頻點(diǎn)觀測(cè)到的ρa(bǔ)隨時(shí)間變化，假定各層介質(zhì)厚度不變，對(duì)式（1）兩邊取對(duì)數(shù)并求全微分得到：dρa(bǔ)ρa(bǔ)=∑ni=1Sidρiρi（2）式中：Si=ρiρa(bǔ)ρa(bǔ)ρi（3）根據(jù)式（1）可求得不同頻率下的ρa(bǔ)（樸化榮，1990），然后采用數(shù)字方法計(jì)算出ρa(bǔ)對(duì)各層ρi的偏微分，并按式（3）計(jì)算得到Si（i=1，2，…，n）。從式（2）可見，各地層ρi發(fā)生變化時(shí)，各頻點(diǎn)ρa(bǔ)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，加權(quán)系數(shù)為Si;當(dāng)?shù)趇層電阻率的相對(duì)變化率dρi/ρi一定時(shí)，該層對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)相對(duì)變化率的貢獻(xiàn)是Sidρi/ρi，Si越大，該層的貢獻(xiàn)或是影響就越大，且式（2）（3）與地震直流電法中的影響系數(shù)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(shù)。為了考察每一層影響系數(shù)在總影響系數(shù)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(shù)（即各層影響系數(shù)之和）;Qi為第i層的影響系數(shù)與總影響系數(shù)的比值（下文簡(jiǎn)稱影響系數(shù)占比），與頻率及各層電阻率相關(guān)，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(jìn)等：滇西地區(qū)幾個(gè)測(cè)點(diǎn)的大地電磁視電阻率影響系數(shù)分析2各測(cè)點(diǎn)的影響系數(shù)特征分析

大地電磁測(cè)深研究表明，不同地區(qū)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（孔祥儒等，1987;孫潔等，1989;趙國(guó)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(qū)電性的縱向分層結(jié)構(gòu)不同。以滇西地區(qū)3個(gè)測(cè)點(diǎn)為例，采用卡尼亞視電阻率定義，計(jì)算其視電阻率和影響系數(shù)，并分析其特征，各測(cè)點(diǎn)分層電性結(jié)構(gòu)參數(shù)參考孫潔等（1989）的研究，見表1。

圖1為騰沖石坪測(cè)點(diǎn)各層影響系數(shù)Si、影響系數(shù)之和∑S、各層影響系數(shù)占比Qi隨周期變化的曲線。由圖1可見：①各層介質(zhì)的Si都隨T（或f）變化（圖1a），由淺至深各層Si最大值所對(duì)應(yīng)的T依次增加（f依次降低）;當(dāng)T<100 s時(shí)，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(shí)，S1等于1，而S2～S5等于0。由式（2）可知，若在此頻段內(nèi)的視電阻率發(fā)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(xiàn)，由于第1層介質(zhì)電阻率易受季節(jié)以及生產(chǎn)活動(dòng)的干擾，故MT視電阻率觀測(cè)應(yīng)避開50 Hz以上的頻段。③T=158.49 s時(shí)，S3出現(xiàn)最大值1.31，同周期其它地層的Si與其相比可以忽略不計(jì)，第3層位于地震多發(fā)層內(nèi)（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(cè)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(cè)到并確認(rèn)地震前兆。④計(jì)算結(jié)果表明∑S并非常數(shù)，而是隨T（或f）變化，會(huì)出現(xiàn)多個(gè)極大值和極小值（圖1b），而直流電法中對(duì)于確定的觀測(cè)裝置，各地層∑S=1（錢家棟等，1985;Lu et al，1999;毛先進(jìn)等，2014;解滔等，2016）。⑤從圖1c可見，當(dāng)T>100 s時(shí)，Q1接近于0，近地表干擾可以忽略。

圖2a～c為漾濞上街測(cè)點(diǎn)各層影響系數(shù)Si、影響系數(shù)之和∑S、各層影響系數(shù)占比Qi隨周期變化的曲線。從圖2a～c可見：①各層介質(zhì)的Si都隨T（或f）變化（圖2a），S1～S4最大值所對(duì)應(yīng)的T依次增加（f依次降低）;T<200 s時(shí)，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(shí)，S1等于1，S2～S5等于0，若此頻段內(nèi)的視電阻率發(fā)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(xiàn)，故MT視電阻率觀測(cè)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(fā)層，T=79.43 s時(shí)，S3達(dá)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(diǎn)為中心頻段觀測(cè)，則難以確定視電阻率的變化中是否有第1層的貢獻(xiàn)，而第1層（厚度為0.59 km）易受干擾，進(jìn)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(shù)。⑤從圖2c可見，當(dāng)T>3 000 s時(shí)，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(cè)點(diǎn)各層影響系數(shù)Si、影響系數(shù)之和∑S、各層影響系數(shù)占比Qi隨周期變化的曲線。由圖3可見：①各層介質(zhì)的Si都隨T（或f）變化（圖3a），S1～S4最大值所對(duì)應(yīng)的T依次增加（f依次降低）;T<158 s時(shí)，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(shí)，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(wú)貢獻(xiàn)，故MT視電阻率觀測(cè)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(fā)層內(nèi)，第2層埋深為0.31～23.95 km，該層中下部位亦是地震多發(fā)層，T=63.10 s時(shí)，S3達(dá)到最大值0.40，S1，S2分別為0.15，0.85，若以該周期點(diǎn)為中心進(jìn)行觀測(cè)，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(duì)較小;④各地層影響系數(shù)之和∑S隨T（或f）變化（圖3b），不是常數(shù);⑤從圖3c可見，T>1 000 s時(shí)，Q1近似為0，可以忽略近地表干擾。

3討論

從地震前兆觀測(cè)的角度看，若在某頻段內(nèi)位于地震多發(fā)層內(nèi)地層的影響系數(shù)遠(yuǎn)大于其它各層，尤其是地表層的影響系數(shù)，例如騰沖石坪測(cè)點(diǎn)（圖1），在這樣較為理想的條件下，觀測(cè)數(shù)據(jù)的變化將主要反映該層電阻率的變化，并且?guī)缀醪皇艿乇韺拥挠绊懀@對(duì)異常判斷是十分有利的。從上述3個(gè)測(cè)點(diǎn)的計(jì)算結(jié)果看，是否滿足這一條件與地電結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，而影響系數(shù)與地電結(jié)構(gòu)有較為復(fù)雜的關(guān)系。漾濞上街測(cè)點(diǎn)各層影響系數(shù)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(lái)的10倍，即ρ1/ρ2=96.7/705.56=0.137 1，各層影響系數(shù)與頻率的關(guān)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(nèi)，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(shù)量關(guān)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(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)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(nèi)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(cè)。

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(shù)，在不同的頻點(diǎn)既有可能大于1也有可能小于1，這是與直流電法的一個(gè)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(shí)，∑S才隨頻率變化，當(dāng)各層電阻率相同（即均勻半空間）時(shí)，各頻點(diǎn)的∑S總是等于1;將分層均勻介質(zhì)中的任一層細(xì)分為多個(gè)亞層時(shí)，這些亞層的∑S等于這一層的影響系數(shù)。之所以關(guān)注∑S，一是希望在某個(gè)頻段上多震層的影響系數(shù)在∑S中的占比遠(yuǎn)大于其它層（尤其是易受干擾的第1層）;二是因?yàn)椤芐必定在某些頻點(diǎn)上取得極小值并可能比1小得多，從而在這些頻點(diǎn)處觀測(cè)到的視電阻率的變化率將會(huì)比地下介質(zhì)真電阻率的變化率小很多，觀測(cè)時(shí)宜避開這樣的頻點(diǎn)。

4結(jié)論

本文以滇西地區(qū)3個(gè)測(cè)點(diǎn)為例，采用水平分層均勻的地電阻率結(jié)構(gòu)模型，分析其視電阻率和影響系數(shù)特征，主要得出如下認(rèn)識(shí)：

（1）各地層視電阻率影響系數(shù)都隨電磁場(chǎng)源周期變化，為了獲得地震多發(fā)層內(nèi)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(guò)影響系數(shù)分析選擇合適的電磁場(chǎng)頻段進(jìn)行觀測(cè)，或者采用寬頻帶觀測(cè)，但在預(yù)測(cè)研究時(shí)需選擇合適頻段的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

（2）無(wú)論何種分層均勻電阻率結(jié)構(gòu)，從影響系數(shù)來(lái)看，在某一周期（取決于地電結(jié)構(gòu)）內(nèi)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(cè)時(shí)應(yīng)避開該周期段，該周期的值可以通過(guò)影響系數(shù)確定。

（3）各地層影響系數(shù)之和并非常數(shù)，而是隨周期變化，在不同的頻點(diǎn)既有可能大于1也有可能小于1，會(huì)出現(xiàn)多個(gè)極大值和極小值，在不同周期段，觀測(cè)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