首都圈極低頻電磁臺(tái)網(wǎng)區(qū)地下電性結(jié)構(gòu)探測(cè)

董澤義 湯 吉* 趙國(guó)澤 陳小斌 崔騰發(fā) 韓 冰 姜 峰 王立鳳

1)中國(guó)地震局地質(zhì)研究所，地震動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029

2)應(yīng)急管理部國(guó)家自然災(zāi)害防治研究院，北京 100085

3)中國(guó)地震局地震預(yù)測(cè)研究所，北京 100036

4)中國(guó)科學(xué)院南海海洋研究所，邊緣海與大洋地質(zhì)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510301

0 引言

地震是對(duì)人類生命與財(cái)產(chǎn)安全造成嚴(yán)重危害的突發(fā)性自然災(zāi)害之一。20世紀(jì)以來(lái)，中國(guó)共發(fā)生6級(jí)以上地震800多次，死于地震的人數(shù)達(dá)55萬(wàn)之多，占全球因地震死亡人數(shù)的50%以上。顯然，開展地震預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)研究既是科學(xué)發(fā)展的需要，也是人類社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的需要(陳颙等，2003；陳運(yùn)泰，2009)。

由于地震發(fā)生的機(jī)制十分復(fù)雜，地震預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)問(wèn)題迄今尚未得到解決，仍然是世界重要的前沿科學(xué)技術(shù)難題之一。盡管如此，世界各國(guó)特別是地震災(zāi)害嚴(yán)重的國(guó)家，如中國(guó)、美國(guó)、日本、意大利、希臘、俄羅斯等針對(duì)地震預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)投入了大量人力物力，并開展了長(zhǎng)期的探索研究，力求減輕地震災(zāi)害(趙國(guó)澤等，2012)。經(jīng)過(guò)上百年的努力探索，全球建立了大量地震監(jiān)測(cè)臺(tái)站，積累了大量觀測(cè)資料，也取得了一些重要進(jìn)展。大量觀測(cè)資料表明，強(qiáng)震前的電磁異?，F(xiàn)象確實(shí)是存在的，在眾多地震預(yù)報(bào)預(yù)測(cè)研究手段中，電磁觀測(cè)被認(rèn)為是最有可能首先取得地震預(yù)測(cè)突破性進(jìn)展的方法之一(Bleieretal.，2005；Zhaoetal.，2009；Uyeda，2015)，其已成為中國(guó)地震短臨預(yù)測(cè)的最有效手段之一。

中國(guó)從1966年邢臺(tái)地震開始對(duì)地震電磁觀測(cè)開展研究，至今已建設(shè)了數(shù)百個(gè)地電場(chǎng)、地磁場(chǎng)和地電阻率觀測(cè)臺(tái)站，得到了不少地震前后電、磁場(chǎng)和電阻率對(duì)異常變化信息(趙玉林等，1978；黃清華等，2006；高曙德等，2010)。但這些傳統(tǒng)的電磁法觀測(cè)手段主要關(guān)注恒定場(chǎng)成分，采樣率較低(最高采樣頻率為1Hz)，未涉及對(duì)地震事件敏感的超低頻、極低頻(SLF、ELF，3～300Hz)及其附近頻帶的電磁場(chǎng)觀測(cè)(趙國(guó)澤等，2012，2015)。相比傳統(tǒng)的電法或磁法，交變電磁場(chǎng)法在地震觀測(cè)中具有自身優(yōu)勢(shì)與潛力，也被應(yīng)用于地震電磁異常的觀測(cè)研究，在國(guó)內(nèi)外取得了一些重要的研究成果(Reddyetal.，1976；張?jiān)屏盏龋?994；湯吉等，1998)。但大多數(shù)觀測(cè)關(guān)注的是天然源電磁場(chǎng)，由于受到日益嚴(yán)重的人文干擾，其應(yīng)用效果也受到了限制。為了提高對(duì)各種電磁異?，F(xiàn)象的觀測(cè)識(shí)別和捕捉能力，建立中國(guó)地震電磁觀測(cè)新技術(shù)系統(tǒng)，人工源極低頻電磁技術(shù)CSELF(Control Source Extremely Low Frequency)被提出和發(fā)展起來(lái)，經(jīng)過(guò)約十年的研究和試驗(yàn)證明，CSELF法是當(dāng)前最有發(fā)展前途的地震短臨前兆監(jiān)測(cè)方法之一，它不僅具有抗干擾能力強(qiáng)、信噪比高、覆蓋范圍大、探測(cè)深度大、有利于識(shí)別和捕捉地震異常信號(hào)等許多優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)其既可用于研究空間電磁場(chǎng)異常，也可用于研究地殼電性結(jié)構(gòu)異常，使觀測(cè)成本極大降低(趙國(guó)澤等，2003a，b，2007，2010a，2012)。

“十一五”國(guó)家重大科學(xué)技術(shù)設(shè)施工程項(xiàng)目“極低頻探地(WEM)工程”地震預(yù)測(cè)分系統(tǒng)在地震活動(dòng)較強(qiáng)烈的南北地震構(gòu)造帶南段的川滇地區(qū)和地震重點(diǎn)監(jiān)視區(qū)首都圈地區(qū)分別建設(shè)了15個(gè)CSELF電磁臺(tái)站，組成了中國(guó)乃至世界的第1個(gè)既觀測(cè)天然源電磁場(chǎng)(頻帶為1000～0.001Hz)也觀測(cè)人工源電磁場(chǎng)(頻帶為300～0.1Hz)的大陸CSELF電磁臺(tái)網(wǎng)(圖1a)。該臺(tái)網(wǎng)既能監(jiān)測(cè)地震引起的空間電磁場(chǎng)異常，也能監(jiān)測(cè)震源區(qū)附近地下電性結(jié)構(gòu)的變化，實(shí)現(xiàn)了真正的四維立體電磁異常信息的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，提升了川滇與首都圈地區(qū)中強(qiáng)以上地震電磁異常的捕捉能力，同時(shí)也提高了地震預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)水平，推進(jìn)了地震預(yù)警立體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的建設(shè)。

圖1 首都圈極低頻電磁臺(tái)網(wǎng)區(qū)的電性結(jié)構(gòu)測(cè)量Fig.1 Investigation of electrical resistivity structures beneath the CSELF network in the capital circle region.a 中國(guó)大陸極低頻電磁臺(tái)網(wǎng)；b 首都圈CSELF臺(tái)網(wǎng)區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)圖；c 大同臺(tái)結(jié)構(gòu)測(cè)量測(cè)點(diǎn)分布

了解CSELF臺(tái)網(wǎng)區(qū)和各臺(tái)站地下的電性結(jié)構(gòu)背景，是研究相應(yīng)地區(qū)地震預(yù)測(cè)監(jiān)測(cè)問(wèn)題的基礎(chǔ)，這不僅對(duì)于認(rèn)識(shí)川滇與首都圈2個(gè)臺(tái)網(wǎng)區(qū)的深部結(jié)構(gòu)特點(diǎn)具有重要意義，而且為識(shí)別地震活動(dòng)前、后地下電性結(jié)構(gòu)可能發(fā)生的動(dòng)態(tài)變化、理解地震可能發(fā)生破裂的程度和動(dòng)態(tài)過(guò)程、探索地震及地震異常現(xiàn)象可能的成因機(jī)制等提供了重要數(shù)據(jù)。該項(xiàng)目首次在川滇和首都圈2個(gè)臺(tái)網(wǎng)區(qū)開展了深部電性結(jié)構(gòu)探測(cè)，通過(guò)數(shù)據(jù)采集、處理與分析、反演獲得了2個(gè)臺(tái)網(wǎng)區(qū)各臺(tái)站及附近區(qū)域的地下電性結(jié)構(gòu)。本文將主要介紹如何開展首都圈CSELF臺(tái)網(wǎng)區(qū)地下電性結(jié)構(gòu)探測(cè)，包括野外數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)的維性分析、數(shù)據(jù)反演以及臺(tái)網(wǎng)區(qū)的深部電性結(jié)構(gòu)特征分析等方面。文中涉及的圖件較多，由于篇幅有限，只能以部分臺(tái)站為例給出示范圖件，特此說(shuō)明。

1 首都圈CSELF臺(tái)網(wǎng)的基本情況與電性結(jié)構(gòu)測(cè)量

1.1 臺(tái)網(wǎng)的組成與地質(zhì)構(gòu)造背景

中國(guó)大陸CSELF臺(tái)網(wǎng)依托中國(guó)地震局已有30個(gè)地震臺(tái)站進(jìn)行建設(shè)。從地理上看，首都圈CSELF臺(tái)網(wǎng)基本覆蓋了華北中、東部地區(qū)，由天津市寶坻臺(tái)，河北省豐寧臺(tái)、懷來(lái)臺(tái)、文安臺(tái)、涉縣臺(tái)，山東省無(wú)棣臺(tái)、萊陽(yáng)臺(tái)、安丘臺(tái)、莒縣臺(tái)，山西省大同臺(tái)、代縣臺(tái)、夏縣臺(tái)，遼寧省大連臺(tái)、營(yíng)口臺(tái)，內(nèi)蒙古呼和浩特臺(tái)共15個(gè)臺(tái)站組成(圖1a，b)。

中國(guó)華北是地球上最古老、形成于太古宙時(shí)期的克拉通塊體之一(Liuetal.，1992)，它可分為東部華北盆地和西部鄂爾多斯地塊2部分，中間由山西斷陷帶隔開，其南、北部分別為秦嶺-大別造山帶和陰山-燕山造山帶，2條巨型線性構(gòu)造(太行山重力梯度帶與郯廬斷裂帶)穿其而過(guò)(圖1b)。已有研究表明，華北東部地區(qū)自顯生宙以來(lái)經(jīng)歷了獨(dú)特的巖石圈改造和破壞過(guò)程，并伴隨著大規(guī)模的構(gòu)造伸展、斷陷盆地的形成和廣泛的巖漿活動(dòng)(Griffinetal.，1998；Fanetal.，2000；Xu，2001；Gaoetal.，2004)。華北地區(qū)擁有獨(dú)特的板內(nèi)地震活動(dòng)帶，歷史上曾發(fā)生多次7級(jí)以上破壞性大地震，包括震級(jí)最大的1679年三河-平谷8級(jí)地震和震驚世界的1976年7.8級(jí)唐山大地震，該區(qū)一直是研究大陸構(gòu)造形變和動(dòng)力學(xué)的天然實(shí)驗(yàn)室。首都圈CSELF電磁臺(tái)網(wǎng)的大部分臺(tái)站都建立在華北地塊的構(gòu)造邊界和重要構(gòu)造帶上，對(duì)于提升整個(gè)華北區(qū)域強(qiáng)震的監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)研究水平具有重要作用。

1.2 野外測(cè)量與數(shù)據(jù)

CSELF臺(tái)網(wǎng)的觀測(cè)裝置與大地電磁法(Magnetotelluric sounding，簡(jiǎn)稱MT)(陳樂(lè)壽等，1990)基本相同，觀測(cè)的物理量也與MT相同，不同的是其既可觀測(cè)天然源電磁信號(hào)，也可觀測(cè)人工源電磁信號(hào)。為獲得首都圈CSELF臺(tái)網(wǎng)區(qū)15個(gè)臺(tái)站及其附近的深部電性結(jié)構(gòu)特征，我們以每個(gè)臺(tái)站為中心，根據(jù)臺(tái)站的區(qū)域構(gòu)造特征，在其兩側(cè)共布設(shè)4個(gè)寬頻帶MT測(cè)點(diǎn)，形成1條與區(qū)域構(gòu)造基本垂直的短MT剖面，以獲取穿過(guò)臺(tái)站的電性結(jié)構(gòu)背景。圖1c 以大同臺(tái)為例給出了臺(tái)站結(jié)構(gòu)探測(cè)中臺(tái)站與寬頻帶MT測(cè)點(diǎn)的空間位置分布關(guān)系。按照上述方案，在首都圈的15個(gè)臺(tái)站共布設(shè)60個(gè)寬頻帶MT測(cè)點(diǎn)，野外數(shù)據(jù)采集工作于2016年完成。事實(shí)上，由于首都圈經(jīng)濟(jì)與社會(huì)發(fā)展太快，臺(tái)站附近的電磁干擾較之前也有所增強(qiáng)，為獲得高質(zhì)量的寬頻帶MT數(shù)據(jù)，對(duì)許多測(cè)點(diǎn)進(jìn)行了多次重測(cè)，因此工作量遠(yuǎn)大于60個(gè)測(cè)點(diǎn)。

大部分臺(tái)站及寬頻帶MT測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)質(zhì)量較好，有效頻點(diǎn)的周期范圍為0.001～2000s，但個(gè)別臺(tái)站離城市中心太近，受電磁干擾影響較嚴(yán)重。作為例子，圖2 給出了大同臺(tái)、夏縣臺(tái)、大連臺(tái)和豐寧臺(tái)和附近MT測(cè)點(diǎn)的xy與yx向視電阻率與阻抗相位曲線，測(cè)點(diǎn)編號(hào)均按照從北至南(或從西至東)由小變大。分析曲線發(fā)現(xiàn)，大部分臺(tái)站兩側(cè)的曲線形態(tài)發(fā)生了較大變化，可能代表著臺(tái)站位于電性邊界帶上，這與前文所述的很多臺(tái)站處于區(qū)域構(gòu)造邊界帶上的事實(shí)相符。為了更直觀地了解臺(tái)網(wǎng)區(qū)不同頻率的視電阻率分布特征，我們對(duì)臺(tái)網(wǎng)各臺(tái)站和所有寬頻帶MT測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行插值，給出了首都圈CSELF臺(tái)網(wǎng)區(qū)不同頻率的xy、yx向視電阻率及兩者幾何平均的視電阻率平面分布云圖，圖3 給出了頻率為100Hz、0.01Hz的xy、yx向以及兩者幾何平均的視電阻率平面圖，按照趨膚深度的定義，這2個(gè)頻率分別代表了淺部與深部的視電阻率分布情況?？梢园l(fā)現(xiàn)，在郯廬斷裂帶、太行山重力梯度帶兩側(cè)，無(wú)論高頻還是低頻的視電阻率變化均較為明顯，暗示其不僅是構(gòu)造邊界，同時(shí)也是電性邊界；華北北部的陰山-燕山造山帶、東部的華北平原的視電阻率從高頻到低頻均呈現(xiàn)出較好的繼承性。此外，通過(guò)長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)臺(tái)網(wǎng)區(qū)的視電阻率分布云圖也可觀測(cè)臺(tái)網(wǎng)區(qū)視電阻率是否發(fā)生異常變化，這可為區(qū)域的地震監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)提供重要參考依據(jù)。

2 區(qū)域構(gòu)造的維性分析

圖3 首都圈CSELF電磁臺(tái)網(wǎng)區(qū)不同頻率的視電阻率分布圖Fig.3 Apparent resistivity maps at 100Hz and 0.01Hz of the CSELF network in the capital circle region.ρxy xy向視電阻率；ρyx yx向視電阻率；ρa(bǔ)ve xy與yx向視電阻率的幾何平均

圖4 不同臺(tái)站每個(gè)測(cè)點(diǎn)的二維偏離度Fig.4 The 2D skewness at each site for Datong，Xiaxian，Dalian and Fengning staions.

圖5 首都圈CSELF臺(tái)網(wǎng)各臺(tái)站的電性主軸方位玫瑰圖Fig.5 Rose diagrams of geoeletrical strike at each station of the CSELF network in capital circle region.

此外，根據(jù)阻抗張量分解結(jié)果，我們也給出了首都圈CSELF臺(tái)站的電性主軸方位統(tǒng)計(jì)玫瑰圖，如圖5 所示，該圖較直觀地反映了各臺(tái)站地下可能的電性主軸方位。由于玫瑰圖的電性主軸方位角存在90°的模糊性，還需結(jié)合臺(tái)站區(qū)域的地質(zhì)構(gòu)造走向確定具體的電性結(jié)構(gòu)走向?？傮w上，各臺(tái)站的電性主軸方位與所處地質(zhì)構(gòu)造單元構(gòu)造的走向較一致，且同一構(gòu)造單元的臺(tái)站電性主軸方位具有一定的相似性。例如，同處在山西斷陷帶的大同臺(tái)、代縣臺(tái)和夏縣臺(tái)，電性主軸方位基本一致。同樣地，郯廬斷裂帶附近的安丘臺(tái)與莒縣臺(tái)的電性主軸方位也基本一致。

磁感應(yīng)矢量是MT數(shù)據(jù)中的一個(gè)重要參數(shù)，其定義為垂直磁場(chǎng)與水平磁場(chǎng)的復(fù)數(shù)比值，包括實(shí)感應(yīng)矢量與虛感應(yīng)矢量。實(shí)感應(yīng)矢量主要反映地下介質(zhì)導(dǎo)電性分布的橫向不均勻性，矢量大小反映橫向?qū)щ娦圆町惖拇笮?，在Parkinson規(guī)范下(Parkinson，1962)，矢量方向指向電流會(huì)聚的區(qū)域，即高導(dǎo)體所在的位置。此外，在理想的二維條件下，實(shí)感應(yīng)矢量所指方向垂直于構(gòu)造走向，可用于判斷區(qū)域電性主軸方位。我們也分析了各臺(tái)站MT剖面數(shù)據(jù)的實(shí)感應(yīng)矢量，定性地了解了各臺(tái)站的地下電性結(jié)構(gòu)特征。圖6 以大同臺(tái)和豐寧臺(tái)為例給出了沿剖面MT測(cè)點(diǎn)的實(shí)感應(yīng)矢量隨頻率的分布。結(jié)果顯示，如果用趨膚深度公式進(jìn)行簡(jiǎn)單估算，2個(gè)臺(tái)站在中上地殼表現(xiàn)出較強(qiáng)的橫向不均勻性，而中下地殼的介質(zhì)橫向相對(duì)均勻，且2個(gè)臺(tái)站的南段在中上地殼呈現(xiàn)相對(duì)高導(dǎo)，這與后文反演獲得的電性結(jié)構(gòu)揭示的特征具有一致性。

圖6 大同臺(tái)和豐寧臺(tái)沿剖面的實(shí)感應(yīng)矢量擬斷面圖Fig.6 Pseudo-sections of the real induced vector along the MT profile at Datong and Fengning stations.

3 臺(tái)站及其MT數(shù)據(jù)反演與電性結(jié)構(gòu)

3.1 一維與二維反演

為獲得每個(gè)臺(tái)站及其附近的深部結(jié)構(gòu)，我們既對(duì)臺(tái)站的每個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行了一維反演，也對(duì)臺(tái)站及其MT測(cè)點(diǎn)組成的短剖面數(shù)據(jù)進(jìn)行了二維反演。

一維反演研究每個(gè)臺(tái)站正下方介質(zhì)的電性結(jié)構(gòu)隨深度的變化情況。本文采用自適應(yīng)正則化反演方法(陳小斌等，2005)對(duì)各臺(tái)站觀測(cè)的xy和yx向視電阻率與相位分別進(jìn)行了反演，并對(duì)2個(gè)方向數(shù)據(jù)的幾何平均也進(jìn)行了反演，最后在每個(gè)臺(tái)站獲取3條電阻率隨深度的變化曲線。圖7 以大同臺(tái)為例，給出了大同臺(tái)及其MT測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)一維反演結(jié)果。我們發(fā)現(xiàn)，在1km以淺深度，3條反演曲線基本重合，表明該深度范圍內(nèi)基本以一維構(gòu)造為主，可能反映大同盆地的沉積層厚度；大同臺(tái)與其北側(cè)2個(gè)MT測(cè)點(diǎn)10km深度以淺的一維結(jié)構(gòu)比較一致，而與其南側(cè)的MT測(cè)點(diǎn)的反演結(jié)構(gòu)有明顯差異，可能反映大同臺(tái)兩側(cè)的深部電性結(jié)構(gòu)存在較為明顯的橫向不均勻性，這一點(diǎn)在后面的二維反演結(jié)果中得到了證實(shí)。

圖7 大同臺(tái)及其MT測(cè)點(diǎn)的一維反演結(jié)果Fig.7 The 1-D resistiviy structures for Datong station and MT sites.

圖8 大同臺(tái)MT剖面的二維反演Fig.8 Two-diminsional inversion of MT profile at Datong station.a 不同光滑因子的L曲線；b 大同臺(tái)沿MT剖面的地殼電性結(jié)構(gòu)；c 二維反演數(shù)據(jù)與模型響應(yīng)擬斷面圖。ρObs觀測(cè)視電阻率；ρCalc 模型響應(yīng)電阻率；φObs 觀測(cè)相位；φCalc 模型響應(yīng)相位

采用目前廣泛使用的非線性共軛梯度(NLCG)法(Rodietal.，2001)進(jìn)行二維反演，整個(gè)反演過(guò)程均在MT-Pionner大地電磁可視化集成軟件系統(tǒng)下完成(陳小斌等，2004)。進(jìn)行二維反演前，根據(jù)前文阻抗張量的分析結(jié)果，將每個(gè)臺(tái)站的剖面MT數(shù)據(jù)全部旋轉(zhuǎn)至各自的電性主軸方位，旋轉(zhuǎn)后平行于電性主軸方向的數(shù)據(jù)為TE模式，與之垂直方向上的數(shù)據(jù)為TM模式。在對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行二維反演時(shí)，不同極化模式數(shù)據(jù)的反演結(jié)果差別較大。針對(duì)如何選擇反演數(shù)據(jù)的問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已進(jìn)行過(guò)大量研究，一般認(rèn)為，TE極化模式對(duì)深部結(jié)構(gòu)變化更靈敏，TM極化模式對(duì)表層結(jié)構(gòu)變化更敏感，采用TE+TM聯(lián)合反演能利用各自的優(yōu)勢(shì)，增加數(shù)據(jù)約束量，提高模型的可靠度(Berdichevskyetal.，1998)。但是，當(dāng)數(shù)據(jù)受三維結(jié)構(gòu)影響明顯時(shí)，單獨(dú)進(jìn)行TM模式反演比利用TE模式或TE+TM模式聯(lián)合反演更合理，反演結(jié)果中的虛假構(gòu)造會(huì)明顯減少，所得結(jié)果能夠比較準(zhǔn)確地反映地下電性結(jié)構(gòu)特征。對(duì)于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的二維反演，應(yīng)優(yōu)先考慮采用TM模式數(shù)據(jù)進(jìn)行二維反演，其次為TM+TE模式，一般不宜采用TE模式(Ledo，2006；蔡軍濤等，2010)。根據(jù)數(shù)據(jù)的定性分析，由于部分臺(tái)站數(shù)據(jù)的低頻段受三維效應(yīng)的影響，我們僅利用每個(gè)臺(tái)站剖面數(shù)據(jù)的TM單極化模式數(shù)據(jù)進(jìn)行二維反演，以獲得沿剖面的地下電性結(jié)構(gòu)。

為獲得可靠的二維反演模型，我們通過(guò)改變不同的反演參數(shù)進(jìn)行了大量反演計(jì)算，如改變正則化因子，在0.1～1000間取十幾個(gè)值進(jìn)行多次反演，通過(guò)L曲線分析確定最優(yōu)的正則化因子(圖8a)；調(diào)整視電阻率與相位的誤差門檻值；將數(shù)據(jù)旋轉(zhuǎn)不同的角度等。所有反演采用的初始模型為100Ω·m的均勻半空間，利用測(cè)點(diǎn)中心網(wǎng)格的自動(dòng)生成技術(shù)構(gòu)建帶地形的初始模型網(wǎng)格(陳小斌等，2009)。按照上述反演方案，對(duì)首都圈15個(gè)臺(tái)站的剖面數(shù)據(jù)進(jìn)行了大量反演計(jì)算，反演工作量較大。最終獲得了每個(gè)臺(tái)站及其附近地下穩(wěn)定可靠的二維電性結(jié)構(gòu)模型。

3.2 臺(tái)站地下二維電性結(jié)構(gòu)

反演得到的15個(gè)臺(tái)站的地下電性結(jié)構(gòu)模型較穩(wěn)健，能較好地描述各臺(tái)站附近地殼的結(jié)構(gòu)特征，并與區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造具有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系。張繼紅等(2019)對(duì)山東省無(wú)棣臺(tái)、安丘臺(tái)和莒縣臺(tái)附近區(qū)域的地下二維電性結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行了解譯。無(wú)棣臺(tái)的區(qū)域地殼電性結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，具有成層性，符合穩(wěn)定地塊區(qū)的電性結(jié)構(gòu)特征(趙國(guó)澤等，2010b)；而安丘臺(tái)和莒縣臺(tái)區(qū)域的地殼電性結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，呈現(xiàn)出活動(dòng)地塊邊界帶的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，也反映了郯廬斷裂中段的活動(dòng)性和電性特點(diǎn)。本文將以大同臺(tái)為例，簡(jiǎn)要分析解譯該臺(tái)站附近的地下二維電阻率模型。

圖9 首都圈CSELF電磁臺(tái)網(wǎng)區(qū)二維反演模型不同深度的電阻率切片F(xiàn)ig.9 Horizontal slices of 2-D electrical resistivity structure of the CSELF network in capital circle region at different depths.

為了更好地了解臺(tái)網(wǎng)區(qū)電阻率的空間分布特征，根據(jù)各臺(tái)站剖面數(shù)據(jù)的二維反演結(jié)果，通過(guò)插值獲得了首都圈CSELF臺(tái)網(wǎng)區(qū)不同深部的電阻率分布特征。圖9 分別給出了深度為1km、5km、10km、15km、20km和30km的電性結(jié)構(gòu)平面圖。將其與臺(tái)網(wǎng)區(qū)視電阻率頻率響應(yīng)結(jié)構(gòu)(圖3)進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，反演獲得的電性結(jié)構(gòu)與視電阻率響應(yīng)結(jié)構(gòu)的基本特征大致相符。華北平原從淺至深，地殼均表現(xiàn)為低電阻率特征，而北部的陰山-燕山造山帶、東部的遼東-膠東地塊的地殼表現(xiàn)為相對(duì)高阻。值得注意的是，西部山西斷陷帶的地殼從北部的大同盆地到南部的夏縣盆地均表現(xiàn)為相對(duì)低阻的特征。電性特征的差異與不同構(gòu)造區(qū)的地形、地貌特征及表層出露巖石的電性具有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。華北平原地勢(shì)較平坦，沉積層比較發(fā)育，而陰山-燕山、遼東-膠東地區(qū)多為山區(qū)或丘陵地貌，主要出露變質(zhì)結(jié)晶巖和火成巖，按照巖石導(dǎo)電性的差異，沉積層的電阻率往往比變質(zhì)巖和火成巖低得多。橫向上，1～15km深度的電阻率橫向差異較大；15km深度以深處，電阻率的橫向差異小于淺部。太行山重力梯度帶作為華北東部地塊與西部地塊的分隔帶，在電性結(jié)構(gòu)上表現(xiàn)為電性邊界帶，兩側(cè)的電阻率結(jié)構(gòu)差異明顯，西側(cè)的電阻率小于其東側(cè)的電阻率。同樣地，郯廬斷裂帶作為中國(guó)東部的一條巨型走滑斷裂，其中段穿過(guò)了首都圈CSELF臺(tái)網(wǎng)區(qū)，兩側(cè)的地殼電性結(jié)構(gòu)也差異明顯，西側(cè)低阻、東側(cè)高阻，且切割深度較深，表現(xiàn)為超殼大斷裂。前人在首都圈CSELF臺(tái)網(wǎng)區(qū)也開展了不少大地電磁研究，如魏文博等(2006，2008)完成了應(yīng)縣—商河(HB-MT01)大地電磁探測(cè)；詹艷等(2011)在河北石家莊地區(qū)開展了大地電磁探測(cè)。這些工作揭示太行山前斷裂表現(xiàn)為較大的電性邊界帶，西側(cè)太行山隆起地殼結(jié)構(gòu)為高阻區(qū)，而東側(cè)的華北平原為低阻區(qū)。穿過(guò)郯廬斷裂中段的大地電磁剖面(葉高峰等，2009；張繼紅等，2010)也反映郯廬斷裂帶東、西兩側(cè)地殼的電性結(jié)構(gòu)特征差異明顯，東低西高。以往的認(rèn)識(shí)與本研究的結(jié)果基本一致。此外，華北大地電磁測(cè)深陣列觀測(cè)實(shí)驗(yàn)研究所揭示的華北地區(qū)的地殼電性結(jié)構(gòu)特征與本研究的結(jié)果也有較好的一致性(Ouro-Djobo等，2018)。由于臺(tái)站比較稀疏，臺(tái)站之間的電性結(jié)構(gòu)主要通過(guò)插值獲得，這里不做過(guò)多討論。

4 臺(tái)網(wǎng)區(qū)的三維電性結(jié)構(gòu)特征

近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)硬件和MT理論的不斷發(fā)展，大地電磁三維正、反演技術(shù)已逐漸走向成熟，基于數(shù)據(jù)空間OCCAM(Siripunvarapornetal.，2005)、非線性共軛梯度(NLCG)(Newmanetal.，2000)、自適應(yīng)正則因子的擬牛頓算法(AR-QN)(阮帥，2015)等三維MT正、反演程序包均已實(shí)現(xiàn)，并被廣泛應(yīng)用于實(shí)測(cè)資料的反演解釋中(Xiaoetal.，2015，2017；Caietal.，2017；阮帥等，2020)。

我們利用極低頻地震預(yù)測(cè)分系統(tǒng)項(xiàng)目研發(fā)的“大尺度三維電性結(jié)構(gòu)快速反演軟件”(toPeak)，采用基于NLCG算法的ModEM并行程序包(Kelbertetal.，2014)對(duì)首都圈CSELF臺(tái)網(wǎng)區(qū)的結(jié)構(gòu)探測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了三維反演。由于臺(tái)站間距較大，考慮到網(wǎng)格剖分的問(wèn)題，對(duì)每個(gè)臺(tái)站僅選擇一個(gè)測(cè)點(diǎn)參與反演。反演輸入數(shù)據(jù)為15個(gè)測(cè)點(diǎn)在1000～0.0001Hz頻段范圍內(nèi)所有49個(gè)頻點(diǎn)的xy和yx向視電阻率和相位，視電阻率和相位數(shù)據(jù)的門限誤差分別為5%與1.43°，自動(dòng)構(gòu)建的反演網(wǎng)格有55(NS向)×70(EW向)×85(垂直方向，包括7個(gè)空氣層)個(gè)，反演初始模型采用100Ω·m 的均勻半空間。經(jīng)過(guò)100次迭代，最終模型的數(shù)據(jù)擬合均方差RMS為2.36。圖10 給出了首都圈CSELF臺(tái)網(wǎng)區(qū)三維電性結(jié)構(gòu)不同深度的平面圖。與臺(tái)網(wǎng)區(qū)二維反演電阻率平面分布相比(圖9)，三維反演呈現(xiàn)的臺(tái)網(wǎng)區(qū)不同深度的電阻率空間分布特征與之較為相似，差異主要存在于臺(tái)站間的結(jié)構(gòu)特征，這主要是由于臺(tái)站間距較大，臺(tái)站間沒(méi)有數(shù)據(jù)約束所致，因此三維反演結(jié)果中臺(tái)站間的電阻率都趨于初始模型的值。而二維反演結(jié)果中臺(tái)站間的電阻率通過(guò)插值運(yùn)算獲得，雖然信息更為豐富，但可信度不高。

由于參與三維反演的數(shù)據(jù)有限，本文給出的首都圈CSELF電磁臺(tái)網(wǎng)區(qū)三維電性結(jié)構(gòu)背景是比較粗略的，對(duì)其結(jié)構(gòu)特征不做細(xì)致討論，但該模型的獲取為首都圈CSELF電磁臺(tái)網(wǎng)在地震監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)中發(fā)揮作用提供了重要的基礎(chǔ)資料?？偠灾ㄟ^(guò)對(duì)首都圈臺(tái)網(wǎng)區(qū)觀測(cè)數(shù)據(jù)的一維、二維和三維反演研究，本文揭示了各臺(tái)站及其附近的地殼電性結(jié)構(gòu)和整個(gè)臺(tái)網(wǎng)區(qū)的電阻率空間分布特征，通過(guò)與前人的研究結(jié)果進(jìn)行對(duì)比與分析，本研究的結(jié)果具有較高的可靠度。

圖10 首都圈CSELF電磁臺(tái)網(wǎng)三維反演模型不同深度的切片F(xiàn)ig.10 Horizontal slices of 3-D electrical resistivity structure of the CSELF network in capital circle region at different depths.

5 結(jié)論

本研究通過(guò)野外數(shù)據(jù)采集、處理與分析，一維、二維和三維反演，獲得了可靠的首都圈CSELF電磁臺(tái)網(wǎng)區(qū)各臺(tái)站及其附近的地殼電性結(jié)構(gòu)以及整個(gè)臺(tái)網(wǎng)區(qū)不同深度的電性結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明，電性結(jié)構(gòu)與臺(tái)網(wǎng)區(qū)的構(gòu)造具有很好的對(duì)應(yīng)性，如北部陰山-燕山造山帶、東部膠-遼地塊以及中部太行山地區(qū)的臺(tái)站地殼結(jié)構(gòu)主要表現(xiàn)為高阻特征，而華北平原、山西斷陷盆地區(qū)的臺(tái)站地殼電性結(jié)構(gòu)以高導(dǎo)特征為主。顯然，各臺(tái)站的電性結(jié)構(gòu)特征與所處地區(qū)的地形、地貌以及區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造特征具有較好的關(guān)聯(lián)性。整個(gè)首都圈臺(tái)網(wǎng)區(qū)的電阻率空間分布特征展示了臺(tái)網(wǎng)區(qū)的中上地殼具有較強(qiáng)的橫向不均勻性，特別是在太行山重力梯度帶和郯廬斷裂帶兩側(cè)，這意味著它們不僅是重要的構(gòu)造邊界帶，也是電性邊界帶。

首都圈CSELF電磁臺(tái)網(wǎng)的大部分臺(tái)站不僅位于重要的地質(zhì)構(gòu)造帶上，同時(shí)也位于地震活動(dòng)帶上，如郯廬斷裂帶、張家口—渤海地震帶以及山西裂谷地震帶等。這些地區(qū)的臺(tái)站區(qū)域地殼電性結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，但基本具有上地殼多表現(xiàn)為高阻而中下地殼發(fā)育高導(dǎo)層的特征，并且區(qū)域的歷史地震震中多位于中上地殼低阻與高阻交界處的高阻一側(cè)，地震的空間分布與地下結(jié)構(gòu)具有較大關(guān)系。由于文章篇幅有限，本文僅對(duì)大同臺(tái)站及附近的地殼電性結(jié)構(gòu)進(jìn)行了解譯，并討論了大同-陽(yáng)原地震的深部孕震結(jié)構(gòu)。

首都圈CSELF電磁臺(tái)網(wǎng)區(qū)的地下電性結(jié)構(gòu)探測(cè)提供了整個(gè)區(qū)域的電性結(jié)構(gòu)背景，對(duì)地震活動(dòng)區(qū)的孕震環(huán)境、地震電磁異?，F(xiàn)象產(chǎn)生的機(jī)理以及地震預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)研究具有重要作用。未來(lái)，我們應(yīng)長(zhǎng)期不斷地監(jiān)測(cè)臺(tái)網(wǎng)區(qū)的地下電性結(jié)構(gòu)變化特征，真正地讓它在防震減災(zāi)工作中發(fā)揮作用。

致謝野外工作人員在數(shù)據(jù)采集過(guò)程中的辛勤付出為本研究提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；中國(guó)地震局地質(zhì)研究所信息中心為大地電磁三維反演工作提供了超算平臺(tái)。在此一并表示感謝！