柯坪地電阻率臺(tái)年變特征及成因分析

饒 文 劉海洋 張治廣 賴愛京 馮 英

1）中國新疆 843000 新疆維吾爾自治區(qū)地震局阿克蘇中心地震臺(tái)

2）中國烏魯木齊 830011 新疆維吾爾自治區(qū)地震局

0 引言

新疆柯坪縣位于南天山地震帶中段，隸屬阿克蘇地區(qū)。該區(qū)域是新疆的地震多發(fā)區(qū)，僅1990 年代以來就發(fā)生過1991 年柯坪6.5 級(jí)地震（張肇誠，2000）、1997—1998 年伽師強(qiáng)震群（鄭黎明等，2001；蘇廼秦，2003）、2005 年烏什6.3 級(jí)地震（高歌等，2006；蘇乃秦，2006）等，因此，加強(qiáng)該區(qū)的地球物理監(jiān)測(cè)能力非常必要?？缕旱仉娮杪逝_(tái)始建于2013 年8 月，于2014 年正式完工并投入監(jiān)測(cè)。該臺(tái)的運(yùn)行提升了新疆南天山地區(qū)的地震監(jiān)測(cè)能力，為研究該地區(qū)震源環(huán)境提供了有利條件。

1966 年邢臺(tái)地震之后，我國開始了地電阻率觀測(cè)與研究工作。由于氣候等因素的影響，地電阻率數(shù)據(jù)曲線往往具有形態(tài)復(fù)雜、變化較大的年變特征（錢家棟等，1985；劉允秀等，1999；解滔等，2013），這使得與地震有關(guān)的地球物理異常往往被弱化，甚至被掩蓋，對(duì)研究判斷地電阻率觀測(cè)值突變、背景擾動(dòng)變化等震前短臨異常產(chǎn)生嚴(yán)重干擾。因此，對(duì)柯坪地電阻率臺(tái)年變特征及其產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行分析有助于認(rèn)識(shí)地電阻率的變化規(guī)律，進(jìn)而更好地將其應(yīng)用于地震監(jiān)測(cè)預(yù)測(cè)工作中。

1 臺(tái)站背景資料

1.1 觀測(cè)環(huán)境

柯坪地電阻率臺(tái)位于新疆柯坪縣城西偏北約4.5 km 處的卡拉塔克山南麓，海拔高程1 200.0 m，周邊地形呈西北高，東南低。臺(tái)基屬于洪積傾斜礫質(zhì)平原，地表為圓礫土層，向下分別為卵礫石、沙礫石等，埋深約達(dá)450 m 以下（圖1）。觀測(cè)區(qū)地勢(shì)平坦，坡度小于5%，北部是山地，西部、南部和東面是戈壁及農(nóng)田。臺(tái)站西北直線距離約8.0 km 處是蘇巴什水庫；臺(tái)站南面和東南面各有1 條鄉(xiāng)級(jí)公路（瀝青路面）；西面約1 km 處是蓋孜力克鄉(xiāng)政府，有移動(dòng)通信的信號(hào)塔（距臺(tái)站約1.5 km），東面公路交匯處有一口灌溉井，深約90 m，附近有一變電器，沿公路布有低壓輸電線路（圖2）。

圖1 柯坪地電阻率觀測(cè)場(chǎng)地鉆孔綜合柱狀圖Fig.1 Borehole histogram of the observation site at Keping earth resistivity station

圖2 柯坪地電阻率臺(tái)觀測(cè)場(chǎng)地示意圖Fig.2 Schematic diagram of the observation site of Keping earth resistivity station

在大地構(gòu)造上，柯坪地電阻率臺(tái)位于塔里木地臺(tái)西北緣的柯坪斷隆，北與庫爾勒深斷裂及天山褶皺系為鄰，南鄰西南坳陷和中央隆起區(qū)，東與塔北坳陷區(qū)接壤（王福同等，2000）。周圍的深大斷裂主要有柯坪斷裂、普昌斷裂、秋里塔格斷裂、阿合奇斷裂等（張肇誠，2000），其中，柯坪斷裂走向NE，全長約300 km。據(jù)統(tǒng)計(jì)，20 世紀(jì)以來，柯坪斷裂曾發(fā)生6 級(jí)地震8 次，是本區(qū)最重要的發(fā)震構(gòu)造（圖3）。

圖3 柯坪縣周圍斷層構(gòu)造Fig.3 Distribution of faults in the surveying area

觀測(cè)區(qū)地表水和地下水主要受大氣降水、冰川融雪水補(bǔ)給。由于受測(cè)區(qū)的地層巖性及構(gòu)造條件所限，測(cè)區(qū)內(nèi)地下水主要有3 種類型：基巖裂隙水、礫巖孔隙水和第四系堆積物孔隙水。洼地內(nèi)埋藏著第四系松散巖類孔隙潛水和承壓水。柯坪盆地、蓋孜力克鄉(xiāng)到柯坪縣城一帶地下水位埋深為15—25 m。

1.2 觀測(cè)系統(tǒng)

目前，柯坪臺(tái)使用ZD8M 數(shù)字地電儀進(jìn)行地電阻率觀測(cè)，整套觀測(cè)系統(tǒng)由ZD8M 地電儀、WL6 穩(wěn)流電源、ZD8T 裝置穩(wěn)定性檢查儀及相關(guān)的輸出設(shè)備組成。布設(shè)EW、NS 方向2 條測(cè)道進(jìn)行觀測(cè)，采用對(duì)稱四極觀測(cè)裝置，2 條測(cè)道沿布極中心點(diǎn)對(duì)稱分布，EW 向供電電極極距為1 007 m，NS 向?yàn)? 004 m，2 條測(cè)道測(cè)量電極極距均為300 m。觀測(cè)裝置參數(shù)和工作參數(shù)見表1。

表1 電極參數(shù)和裝置系數(shù)Table 1 The electrode parameters and Coefficient of the device

2 觀測(cè)數(shù)據(jù)分析

2.1 頻譜特征

由于受地下水位、降雨和氣溫等季節(jié)性因素的影響，許多地電臺(tái)站記錄數(shù)據(jù)形態(tài)會(huì)呈現(xiàn)準(zhǔn)年周期性的變化，這稱作年變化或年變。部分臺(tái)站受溫度、潮汐的影響還會(huì)出現(xiàn)較明顯的日變、半日變以及三分之一日變的周期變化特征（戴勇等，2012，2013；張國苓等，2016）。因此，采用柯坪地電阻率臺(tái)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT 變換（萬永革，2012），分析其中存在的明顯周期性變化特征。

柯坪地電阻率臺(tái)于2013 年8 月架臺(tái)，2014 年1 月正式運(yùn)行。將2014 年1 月1 日至2019 年12 月31 日EW、NS 測(cè)向日均值進(jìn)行FFT 變換，得到振幅譜（圖4）。由圖4 可見，EW、NS 測(cè)向觀測(cè)數(shù)據(jù)均存在1 個(gè)變化幅度較大的單峰值形態(tài)波動(dòng)，對(duì)應(yīng)周期約為305.5 d。說明柯坪臺(tái)地電阻率觀測(cè)數(shù)據(jù)存在由某種因素引起的準(zhǔn)年變特征。

圖4 電阻率觀測(cè)數(shù)據(jù)日均值及振幅譜（a）EW 向日均值；（b）NS 向日均值；（c）EW 向振幅譜；（d）NS 向振幅譜Fig.4 The amplitude spectrum of the daily mean value of geoelectrical resistivity

2.2 年變特征

由頻譜分析可知，柯坪臺(tái)地電阻率觀測(cè)數(shù)據(jù)存在周期為305.5 天的年變特征。由圖4 還可見，2 條測(cè)道的年變特征清晰可見，NS 向年變幅度約3.4%，EW 向年變幅度約3.1%，年變的極小、極大值分別出現(xiàn)在每年的2—4 月和7—9 月。目前，國內(nèi)臺(tái)站的地電阻率觀測(cè)數(shù)據(jù)年變形態(tài)大體可以分為3 類：第1 類夏季低，冬季高；第2 類與之相反，夏高冬低；第3 類則沒有特定的規(guī)律可循（趙和云等，1985）。我國具有夏季高溫多雨、冬季寒冷少雨的季風(fēng)氣候特征。依據(jù)物質(zhì)電阻特性，在降水多的夏季，地層含水量會(huì)升高而電阻率應(yīng)降低，地電阻率觀測(cè)值則應(yīng)處于低值；在降水少的冬季，地層含水量也相應(yīng)減少而電阻率則升高，地電阻率觀測(cè)值則應(yīng)處于高值。錢復(fù)業(yè)等（1987）為研究方便，將電阻率觀測(cè)值“夏低冬高”的年變稱為正常年變，而與之相反的“夏高冬低”則稱為反常年變?？缕号_(tái)地電阻率觀測(cè)值年變屬于反常年變。

2.3 年變成因淺析

綜合相關(guān)地電阻率研究資料發(fā)現(xiàn)，引起反常年變的原因主要有地下水位反常變化、測(cè)區(qū)表層溫度的影響及測(cè)區(qū)特殊電性結(jié)構(gòu)的影響等。下面將從這3 個(gè)方面對(duì)柯坪臺(tái)地電阻率觀測(cè)數(shù)據(jù)的反常年變成因作簡(jiǎn)要分析。

2.3.1 地下水位。用固定的地面對(duì)稱四極裝置進(jìn)行的地電阻率觀測(cè)，是測(cè)量地表以下一定深度范圍內(nèi)介質(zhì)的電性變化。當(dāng)?shù)叵滤蛔兓瘜?dǎo)致探測(cè)體內(nèi)上部的電性參數(shù)發(fā)生改變時(shí)，地電阻率測(cè)值也會(huì)受其直接影響而發(fā)生變化（劉允秀等，1999）。正常情況下，當(dāng)?shù)叵滤簧仙龝r(shí)，上部介質(zhì)含水率增加，電阻率測(cè)值下降；反之，電阻率測(cè)值則上升。若觀測(cè)區(qū)地下水位每年夏季降低，冬月升高，這就會(huì)導(dǎo)致地電阻率測(cè)值出現(xiàn)“夏高冬低”的反常年變，如嘉峪關(guān)臺(tái)（趙和云等，1985）。為此，需要了解柯坪地電阻率臺(tái)及周邊的地下水位變化情況。

柯坪縣境內(nèi)地表有由泉水（多為山區(qū)降雨形成的基巖裂隙水）匯流成的柯坪河、紅沙子河等水流；洼地內(nèi)埋藏著第四系松散巖類孔隙潛水和承壓水，其主要受冰川融雪水補(bǔ)給。臺(tái)址下水位埋深約23 m，依據(jù)柯坪縣西北高、東南低的地形（西北為山地丘陵，東南為山前平原的地形）可知，臺(tái)站地下水補(bǔ)給主要來自地勢(shì)較高的西北方向，該地有柯坪河流過。觀測(cè)區(qū)及周邊沒有魚塘、農(nóng)田、工廠等大量用水的場(chǎng)所，不存在大量開采地下水的情況，因此引起臺(tái)站周邊地下水位變化的因素主要是地形高處的補(bǔ)給水源。因缺乏觀測(cè)區(qū)地下水位的具體資料以及西北方向柯坪河的水位、水量資料，因此無法直接分析柯坪臺(tái)地電阻率觀測(cè)數(shù)據(jù)的年變與地下水位間的關(guān)系。但通過臺(tái)站西北約7.6 km 處的蘇巴什水庫（位于柯坪河出山口處），我們能間接判斷出該臺(tái)的年變并非由地下水位變化所引起。

蘇巴什水庫于2017 年5 月末主體工程完工后開始蓄水（圖5）。水庫壩長351.5 m，壩高35.5 m，控制流域面積4 428 km2，水庫總庫容1 561×104m3。干旱地區(qū)平原水庫一般都存在滲漏的情況，會(huì)對(duì)當(dāng)?shù)氐叵滤粫?huì)產(chǎn)生較大影響（呂遠(yuǎn)坤，2016）。若柯坪臺(tái)地電阻率觀測(cè)數(shù)據(jù)的年變是由觀測(cè)區(qū)地下水位變化所引起，那么蘇巴什水庫的完工蓄水會(huì)使當(dāng)?shù)氐牡叵滤蛔兓c水庫建成之前不同，則柯坪臺(tái)地電阻率觀測(cè)數(shù)據(jù)的年變也應(yīng)與水庫建成之前不同。但是，2017 年6 月之后柯坪臺(tái)地電阻率觀測(cè)數(shù)據(jù)變化形態(tài)、趨勢(shì)都與之前相同，并沒有發(fā)生大的改變。因此，可以推斷柯坪臺(tái)地電阻率觀測(cè)數(shù)據(jù)的反常年變不是由地下水位的變化引起的。

圖5 蘇巴什水庫水量Fig.5 The amount of water in the Subashi reservoir

2.3.2 溫度。在常年干早極少降雨的地區(qū)會(huì)形成一種地下水位以上有高阻屏蔽層的“深水位型”地電阻率臺(tái)址，這種臺(tái)址的電阻率測(cè)值主要受表層的電阻率影響。當(dāng)氣溫升高時(shí)，因表層水分快速蒸發(fā)，補(bǔ)給甚少，而使得電阻率上升，電阻率測(cè)值也隨之升高，因此，氣溫變化可能是這些臺(tái)站電阻率測(cè)值出現(xiàn)反常年變的首要原因（趙和云等，1985）?？缕嚎h為大陸性暖溫帶干旱氣候，其年均降水量僅為73.8 mm，而年蒸發(fā)量卻為2 864.8 mm，蒸發(fā)量為降雨量的 40 倍以上（買力克木·依沙木東，2018），屬于極度干旱地區(qū)?？缕旱仉娮杪逝_(tái)位于柯坪縣西北的山前洪積傾斜礫質(zhì)平原上，觀測(cè)區(qū)地層為結(jié)構(gòu)較松散的沖洪積物，且測(cè)區(qū)地下水位埋藏較深（約23 m）。這一系列條件說明柯坪臺(tái)可能存在“深水位型”臺(tái)址的地電阻率測(cè)值年變特征。

為了探究柯坪臺(tái)地電阻率測(cè)值反常年變是否由臺(tái)址的特殊性所引起，在此將用反證法進(jìn)行分析。如前文所述，“深水位型”臺(tái)址出現(xiàn)地電阻率測(cè)值反常年變的原因是氣溫升高導(dǎo)致表層含水量降低而電阻率增大，整個(gè)電阻率測(cè)值隨表層電阻率增大而升高，所以表層電阻率變化應(yīng)與電阻率測(cè)值成正相關(guān)。選取2014、2015 年6—8 月柯坪臺(tái)地電阻率觀測(cè)數(shù)據(jù)日均值與同一時(shí)間當(dāng)?shù)亟涤炅繑?shù)據(jù)作對(duì)比分析（圖6）。

圖6 2014、2015 年6—8 月地電阻率日均值與降雨量（a）、（c）、（e）2014 年6—8 月EW、NS 向地電阻率及降雨量；（b）、（d）、（f）2015 年6—8 月EW、NS 向地電阻率及降雨量Fig.6 Comparative analysis of daily mean observations and rainfall from June to August in 2014 and 2015

由圖6 可見，每次降雨時(shí)，地電阻率測(cè)值會(huì)增大，在觀測(cè)曲線上表現(xiàn)為1 個(gè)上升臺(tái)階，其中，2014 年6 月2 日、7 月31 日和2015 年6 月6 日、8 月6 日降雨量多的4 天臺(tái)階上升尤其明顯，這說明表層地電阻率與地電阻率測(cè)值為負(fù)相關(guān)關(guān)系。在夏季高溫時(shí)表層地電阻率會(huì)因地表水分快速蒸發(fā)而增大，但對(duì)整個(gè)地電阻率測(cè)值的貢獻(xiàn)實(shí)際則為負(fù)。因此，柯坪臺(tái)地電阻率測(cè)值反常年變不是由氣溫變化導(dǎo)致的。

2.3.3 電性結(jié)構(gòu)?？缕旱仉娮杪逝_(tái)選址時(shí)的電測(cè)深結(jié)果為：EW 向測(cè)道各電性差異層呈現(xiàn)ρ1＜ρ2＞ρ3＜ρ4＞ρ5特征，為KHK 型；NS 向測(cè)道各電性差異層呈現(xiàn)ρ1＞ρ2＜ρ3＞ρ4＞ρ5特征，為HKQ 型（圖7）。當(dāng)臺(tái)址下伏地層的電性結(jié)構(gòu)為K 型和Q 型時(shí)，隨著供電極距的變化，表層干擾便可引起地電阻率測(cè)值反常年變（錢復(fù)業(yè)等，1987）。所以，柯坪臺(tái)的地電阻率測(cè)值反常年變可能與其觀測(cè)區(qū)下伏地層的電性結(jié)構(gòu)有關(guān)。

將柯坪臺(tái)地電阻率觀測(cè)數(shù)據(jù)與同一時(shí)間當(dāng)?shù)亟涤炅繉?duì)比分析可知，電阻率測(cè)值與測(cè)區(qū)表層電阻率變化負(fù)相關(guān)。為探究柯坪臺(tái)地電阻率觀測(cè)數(shù)據(jù)的反常年變與測(cè)區(qū)下伏地層電性結(jié)構(gòu)間的關(guān)系，在此運(yùn)用層狀介質(zhì)一維影響系數(shù)理論進(jìn)行研究。根據(jù)該理論，當(dāng)某一物理層的影響系數(shù)為負(fù)時(shí)，其對(duì)整個(gè)地電阻率測(cè)值的貢獻(xiàn)就為負(fù)；反之，則為正。一般來說，由于受降水、氣溫、灌溉等因素的影響，表層介質(zhì)的電阻率一般是夏天處于低值，冬天處于高值，因此表層影響系數(shù)為負(fù)值的臺(tái)站，必會(huì)出現(xiàn)反常年變，如寧夏海原臺(tái)、四川郫縣臺(tái)等（趙和云等，1985；錢復(fù)業(yè)等，1987）。本文將采用錢家棟等（1985）給出的計(jì)算水平層狀介質(zhì)地電阻率響應(yīng)系數(shù)的公式，并結(jié)合解滔等（2016）編寫的計(jì)算程序?qū)缕旱仉娮杪逝_(tái)測(cè)區(qū)下伏各物理層的影響系數(shù)進(jìn)行計(jì)算。電測(cè)深的反演結(jié)果見表2，測(cè)深時(shí)兩測(cè)向的供電電極均為1 000 m，測(cè)量電極均為64 m。根據(jù)下式進(jìn)行計(jì)算，影響系數(shù)隨極距的變化如圖8 所示

圖7 電測(cè)深曲線Fig.7 Electric sounding curve

表2 電性結(jié)構(gòu)Table 2 The electrical structure

圖8 影響系數(shù)隨觀測(cè)極距的變化Fig.8 The influence coefficient variations with the observation polar distance

計(jì)算結(jié)果表明兩測(cè)向S1均為負(fù)值。每年夏季降雨增多時(shí)，表層電阻率因地層含水量增加而減小，因其對(duì)整個(gè)電阻率測(cè)值的貢獻(xiàn)為負(fù)，所以地電阻率測(cè)值會(huì)升高；當(dāng)冬季時(shí)，則與之相反。因此，柯坪臺(tái)地電阻率測(cè)值會(huì)出現(xiàn)“夏高冬低”的反常年變。

3 結(jié)論

柯坪臺(tái)地電阻率測(cè)值存在反常年變，通過FFT 變換可以計(jì)算出年變周期約為356.74 d。該反常年變是由臺(tái)址下伏巖層的特殊電性結(jié)構(gòu)所引起的。柯坪縣夏季雨水多，地面含水增加，臺(tái)址表層的影響系數(shù)為負(fù)，地電阻率的測(cè)值便會(huì)上升；冬季干旱，表層電阻率高，測(cè)值則降低。所以，該臺(tái)地電阻率測(cè)值年變會(huì)出現(xiàn)“夏高冬低”的形態(tài)。

感謝中國地震臺(tái)網(wǎng)中心解滔高級(jí)工程師提供計(jì)算程序。