我国目前用于地震前兆监测的视电阻率观测系统,绝大多数只有一个极距,不具备测深功能,用这种观测系统获得的数据随时间的变化,是在观测范围内不同深度处电阻率变化的综合反映,人们难以弄清楚视电阻率变化的实际原因。研究是否可以从这种观测方式获得的数据中区分表层和深部的电阻率变化是有意义的。

我国的前兆视电阻率观测很早就实现了数字化整点时刻观测,这些整点值组成的时间序列中包含了地下不同深度处的介质电阻率随时间变化的信息,目前人们只是将一天内的整点值的平均作为日均值以消除随机干扰,对这种资料的利用还不够充分。

基于以上两方面的原因,毛先进和钱家栋(2001)以台址下一维地电结构为前提,针对我国绝大多数前兆地电阻率台单极距观测数据,提出了一种从这种观测所获得的视电阻率时间序列中识别表层和深部电阻率变化的方法,称之为“剥皮法”,本文应用此方法处理腾冲台地电阻率数字化整点值观测资料。

为了从单极距观测资料中区分表层和深部介质电阻率变化,需做2个假定:

(1)假定台址下电阻率分布分层均匀,即地电结构是一维的,可分为n层; 各层电阻率随时间变化,但各层厚度不随时间变化。

如果在分层数及层厚度都有差异的两种地电结构上,用一个相同的观测装置观测到的视电阻率相同,我们称这两种地电结构相互等效。对一个确定的观测装置,总能找到与实际的n层介质结构等效的二层结构。笔者将可能受到气候及人文干扰的浅部若干层视为第一层,之下各层视为第二层。第一层电阻率变化代表了实际地电结构中受气候及人文干扰的浅部各层中某一层或某些层的电阻率发生了变化,第二层电阻率变化则代表了不受气候及人文干扰的深部各层中某一层或某些层的电阻率发生了变化。这种等效简化,一方面减少未知数个数,与地球物理反演理论中尽可能利用先验知识减少模型参数数目十分吻合(杨文采,1997),另一方面,如果能借助这种简化较好地区分浅部和深部的变化,对于地震预报也是有益的。

等效地电结构第一层的厚度是以该层之下不受气候及人文干扰为原则,结合地质、电测深曲线综合确定,等效地电结构第一、二层地电阻率则据前述等效原则确定。

(2)假定在连续3个观测时刻界定的时间段内(对于整点观测,相当于在2 h内),等效地电结构第一层和第二层电阻率的变化率为常数,即满足线性变化。定性来看,在地震孕育而不是发生阶段,地壳介质形变较小,所导致的电阻率变化在几小时内线性变化是可以接受的。

在上述2个假定下,可以用最小二乘法求得等效地电结构第一层和第二层电阻率的变化率,进而求得等效结构第一层和第二层的电阻率。

腾冲地震台位于腾冲县城东面,距腾冲县城2～3 km,地理位置为 25°01'47″N,98°31'13″E,海拔高度1 650 m,位于喜玛拉雅褶皱带上全新世活动的南北向腾冲火山断裂带附近,测区周围地层为第四系堆积物,堆积物主要由冲积、冲洪积、冲湖积之砂砾石层、粘土层并夹泥炭、硅藻土等组成,基岩为下更新统安山岩类英安岩。测量电极布设在农田里,电极埋设处多为草煤(泥炭),地势较平坦,测区属于腾冲盆地的中段,盆地呈南北向长条形,测区有两条河沟从南到北流过。季节性干扰有农忙季节农田灌溉影响。地电测项映震能力较好(云南省地震局,2005)。

基本观测参数:

EW向:AB=1 400 m,MN=400 m,K=3 533;

SN向:AB=1 400 m,MN=400 m,K=3 533。

图1为腾冲台电阻率测区电测深曲线,该测区EW、NS 方向电阻率都是H型三层结构,第一层(浅层)和第三层(深层)电阻率都大于第二层(中间层); AB/2(可视为深度)为100 m是测深曲线的拐点,小于或大于此深度视电阻率逐渐升高。按照“剥皮”法的思路,将此结构等效为两层,取等效结构第一层的厚度为100 m,得到EW、SN二个方向电阻率等效二层结构如图2所示。

图1 腾冲台电阻率测区EW、SN向电测深曲线
Fig.1 Electrical sounding curves in EW and SN direction in resistivity measuring area of Tengchong Station

图2 腾冲台电阻率测区等效二层结构
Fig.2 Equivalent two-layer structure in resistivity measuring area of Tengchong Station

(1)研究表明,“剥皮法”反演地电阻率资料计算过程速度快,反演计算稳定,有整点值观测资料就可进行“剥皮法”分析处理。

(2)腾冲台实际观测资料处理表明,通过“剥皮法”处理能发现深部电阻率的变化,而利用原始观测数据难以实现。

按照目前国内大多数人的观点,地震孕震过程中震源及附近岩石发生微破裂扩容,地下水的渗入会使电阻率下降,然而钱家栋和陈有发(1989)进行的一些岩石压力试验及国内外一些7级以上地震前后电阻率变化情况表明,孕震过程也可能导致饱和岩石的电阻率上升,这与本文用“剥皮法”反演得到腾冲台深部电阻率上升的结果是一致的。