滇西地区几个测点的大地电磁视电阻率影响系数分析

毛先进 文雯 杨玲英 段炜

摘要：采用水平分层均匀的地电阻率结构模型，研究了滇西地区3个测点的MT视电阻率影响系数随频率变化的特征。结果表明：①各地层视电阻率影响系数都随周期变化，为了更好地获得地震多发层内地电阻率变化信息，可以通过影响系数值选择合适的电磁场频段;②在某一特定周期内的短周期段，视电阻率主要反映易受干扰的第一层的变化，对于地震观测而言，应避开该周期段，该周期值可以通过影响系数分析确定;③各地层影响系数之和并非常数，而是随周期变化，在不同频段观测的视电阻率反映地层电阻率变化的能力不同。影响系数分析对MT地震观测频段和测点的选择具有一定的指导意义。

关键词：大地电磁测深;视电阻率;地震监测;影响系数;滇西地区

中图分类号：P315.721文献标识码：A文章编号：1000-0666（2020）04-0732-06

0引言

Reddy等（1976）开展了基于天然电磁场源的大地电磁测深（Magnetotelluric Sounding，简称MT）监测地震的可行性研究，20世纪70年代中期，国内地震学者开始在我国西北和华北地区开展MT定点重复观测研究（张云琳等，1994;汤吉等，1998;陈军营等，2009）。为克服天然场源信号微弱的困难，我国学者还开展了基于大功率人工场源的极低频（Contral Source Extremely Low Frequency，简称CSELF）地震电磁定点观测研究（赵国泽等，2010a），在远区观测时CSELF是与MT等价的，电磁场可以视为平面电磁波（何继善，1990），其数据处理方法在原理上与MT相同。这些工作论述了MT定点重复观测资料与地震活动的关系，并从观测事实和深部介质导电性变化机理方面阐明MT是可以观测到地震前兆信息的（林长佑等，1990;赵国泽等，2007）。晋光文等（1997）从场兆与源兆关系的角度阐述了震源深度处介质电性变化引起MT观测资料显著变化的原因，认为MT具有较好的监测地震活动的能力。

降雨及人类生产活动等因素会导致地下潜水位波动，受其影响的浅部地层含水量变化会导致电阻率变化，这种变化与地震无关;大陆内部地震多发生于地壳的中上部，即深度10～30 km，深部电性变化前兆也有可能主要出现在这一深度及其影响区域（林长佑等，1989）。大地电磁测深具有体积效应，探测范围内各地层电阻率的变化会对各频点观测数据的变化造成不同程度的影响，与地震无关的浅部电阻率变化将对观测造成干扰，可能影响对地震前兆异常的确认。目前尚未见到关于地壳内不同深度地层电阻率变化对MT观测数据变化的影响及其定量特征等方面的研究，本文开展这方面的研究，以期选择合适的MT观测所用的频段和场地，更好地观测到地震电阻率前兆变化信息。

1影响系数简介

由于MT阻抗相位对于地震活动相关的地下介质电性变化不灵敏（张云琳等，1994），结合晋光文等（1997）的研究结果，笔者采用水平分层均匀的地电阻率结构模型，研究不同深度地层的电阻率变化对MT观测到的视电阻率的影响特征。

假设观测区介质电阻率分层均匀，共n层，第i层电阻率与厚度分别为ρi与hi（i=1，2，…，n）。显然，无论何种定义的MT视电阻率ρa都是地下各层电阻率、厚度和电磁波频率f的函数，即：ρa=f（ρ1，ρ2，…，ρn，h1，h2，…，hn-1;ω）（1）其中：ω=2πf，为电磁波圆频率。

在孕震过程中，ρi会变化，导致各频点观测到的ρa随时间变化，假定各层介质厚度不变，对式（1）两边取对数并求全微分得到：dρaρa=∑ni=1Sidρiρi（2）式中：Si=ρiρaρaρi（3）根据式（1）可求得不同频率下的ρa（朴化荣，1990），然后采用数字方法计算出ρa对各层ρi的偏微分，并按式（3）计算得到Si（i=1，2，…，n）。从式（2）可见，各地层ρi发生变化时，各频点ρa的相对变化率等于各地层真电阻率相对变化率的加权求和，加权系数为Si;当第i层电阻率的相对变化率dρi/ρi一定时，该层对观测数据相对变化率的贡献是Sidρi/ρi，Si越大，该层的贡献或是影响就越大，且式（2）（3）与地震直流电法中的影响系数概念（钱家栋等，1985;Lu et al，1999）类似，因此本文亦将Si称为影响系数。为了考察每一层影响系数在总影响系数中所占的比例，令：∑S=S1+S2+…+Sn（4）Qi=Si∑S（i=1，2，…，n）（5）式中：∑S为总影响系数（即各层影响系数之和）;Qi为第i层的影响系数与总影响系数的比值（下文简称影响系数占比），与频率及各层电阻率相关，Qi有助于分析各层影响的频率特性。

地震研究43卷第4期毛先进等：滇西地区几个测点的大地电磁视电阻率影响系数分析2各测点的影响系数特征分析

大地电磁测深研究表明，不同地区地壳上地幔电性结构总体上表现出“横向分块，纵向分层”特征（孔祥儒等，1987;孙洁等，1989;赵国泽等，2004，2010b;汤吉等，2005;詹艳等，2005，2014;韩松等，2016;王月，张捷，2018），不同地区电性的纵向分层结构不同。以滇西地区3个测点为例，采用卡尼亚视电阻率定义，计算其视电阻率和影响系数，并分析其特征，各测点分层电性结构参数参考孙洁等（1989）的研究，见表1。

图1为腾冲石坪测点各层影响系数Si、影响系数之和∑S、各层影响系数占比Qi随周期变化的曲线。由图1可见：①各层介质的Si都随T（或f）变化（图1a），由浅至深各层Si最大值所对应的T依次增加（f依次降低）;当T<100 s时，最下层S5等于或十分接近于0，之后逐渐上升。②图1a中，T为0.001～0.02 s（即f为50～1 000 Hz）时，S1等于1，而S2～S5等于0。由式（2）可知，若在此频段内的视电阻率发生变化将完全是由第1层电阻率变化所致，其它地层完全没有贡献，由于第1层介质电阻率易受季节以及生产活动的干扰，故MT视电阻率观测應避开50 Hz以上的频段。③T=158.49 s时，S3出现最大值1.31，同周期其它地层的Si与其相比可以忽略不计，第3层位于地震多发层内（埋深为9.50～14.10 km），选择以158.49 s为中心、宽度合适的频段，将主要观测到该地层的电阻率变化，而其它地层的影响可以忽略，这有利于观测到并确认地震前兆。④计算结果表明∑S并非常数，而是随T（或f）变化，会出现多个极大值和极小值（图1b），而直流电法中对于确定的观测装置，各地层∑S=1（钱家栋等，1985;Lu et al，1999;毛先进等，2014;解滔等，2016）。⑤从图1c可见，当T>100 s时，Q1接近于0，近地表干扰可以忽略。

图2a～c为漾濞上街测点各层影响系数Si、影响系数之和∑S、各层影响系数占比Qi随周期变化的曲线。从图2a～c可见：①各层介质的Si都随T（或f）变化（图2a），S1～S4最大值所对应的T依次增加（f依次降低）;T<200 s时，最下层S5等于或近似为0，之后逐渐。②由图2a可见，T为0.001～0.013 s（f为80～1 000 Hz）时，S1等于1，S2～S5等于0，若此频段内的视电阻率发生变化，将完全是由易受干扰的第1层电阻率变化所致，其它地层完全没有贡献，故MT视电阻率观测宜避开80 Hz以上的频段。③第3层埋深为23.68～30.75 km，位于地震多发层，T=79.43 s时，S3达到最大值0.68，而S1=0.52，与S3相比，S1不能被忽略。从式（2）可见，若以该周期点为中心频段观测，则难以确定视电阻率的变化中是否有第1层的贡献，而第1层（厚度为0.59 km）易受干扰，进而可能难以确定异常。④各地层∑S随T（或f）变化（图2b），不是常数。⑤从图2c可见，当T>3 000 s时，Q1约为0，在这种条件下近地表干扰才可以忽略。

图3为永胜凤鸣测点各层影响系数Si、影响系数之和∑S、各层影响系数占比Qi随周期变化的曲线。由图3可见：①各层介质的Si都随T（或f）变化（图3a），S1～S4最大值所对应的T依次增加（f依次降低）;T<158 s时，最下层S5等于或近似为0，之后逐渐增大;②由图3a可见，T为0.001～0.002 s（f為500～1 000 Hz）时，S1等于1，S2～S5等于0，此频段若视电阻率有变化，将完全是由第1层电阻率变化所致，其它层无贡献，故MT视电阻率观测宜避开500 Hz以上的频段;③第3层埋深为23.95～27.11 km，位于地震多发层内，第2层埋深为0.31～23.95 km，该层中下部位亦是地震多发层，T=63.10 s时，S3达到最大值0.40，S1，S2分别为0.15，0.85，若以该周期点为中心进行观测，视电阻率的变化将主要反映第2层下部以及第3层的电阻率变化，第1层的影响相对较小;④各地层影响系数之和∑S随T（或f）变化（图3b），不是常数;⑤从图3c可见，T>1 000 s时，Q1近似为0，可以忽略近地表干扰。

3讨论

从地震前兆观测的角度看，若在某频段内位于地震多发层内地层的影响系数远大于其它各层，尤其是地表层的影响系数，例如腾冲石坪测点（图1），在这样较为理想的条件下，观测数据的变化将主要反映该层电阻率的变化，并且几乎不受地表层的影响，这对异常判断是十分有利的。从上述3个测点的计算结果看，是否满足这一条件与地电结构密切相关，而影响系数与地电结构有较为复杂的关系。漾濞上街测点各层影响系数不满足上述条件（图2a），原因是第1，2层电阻率差异较大（表1），ρ1/ρ2=9.67/705.56=0.013 7，如果ρ1增加到原来的10倍，即ρ1/ρ2=96.7/705.56=0.137 1，各层影响系数与频率的关系如图2d～f所示。由图可见，ρ1增加后，在S3的最大值附近频段内，S1显著减小，基本满足上述条件。这表明第1，2层电阻率的数量关系是决定上述条件满足与否的重要因素之一，易受干扰的第1层电阻率越低，该层对观测数据的影响越大，越不利于判断异常;反之，第1层电阻率越高则其影响越小，越有利于判断异常。并且第3层（壳内低阻层）电阻率与其上、下层相比越低，越有可能满足上述条件，从而越有利于观测。

在直流电法中，不论采用何种装置∑S总是等于1;而MT法中，∑S随频率变化不是常数，在不同的频点既有可能大于1也有可能小于1，这是与直流电法的一个显著不同之处。在一维的情形下，MT法中只有在各层电阻率各不相同时，∑S才随频率变化，当各层电阻率相同（即均匀半空间）时，各频点的∑S总是等于1;将分层均匀介质中的任一层细分为多个亚层时，这些亚层的∑S等于这一层的影响系数。之所以关注∑S，一是希望在某个频段上多震层的影响系数在∑S中的占比远大于其它层（尤其是易受干扰的第1层）;二是因为∑S必定在某些频点上取得极小值并可能比1小得多，从而在这些频点处观测到的视电阻率的变化率将会比地下介质真电阻率的变化率小很多，观测时宜避开这样的频点。

4结论

本文以滇西地区3个测点为例，采用水平分层均匀的地电阻率结构模型，分析其视电阻率和影响系数特征，主要得出如下认识：

（1）各地层视电阻率影响系数都随电磁场源周期变化，为了获得地震多发层内地层的电阻率变化信息、压制易受干扰的近地表层的影响，可以通过影响系数分析选择合适的电磁场频段进行观测，或者采用宽频带观测，但在预测研究时需选择合适频段的数据进行分析。

（2）无论何种分层均匀电阻率结构，从影响系数来看，在某一周期（取决于地电结构）内的短周期段，视电阻率主要反映易受干扰的第一层的变化，地震观测时应避开该周期段，该周期的值可以通过影响系数确定。

（3）各地层影响系数之和并非常数，而是随周期变化，在不同的频点既有可能大于1也有可能小于1，会出现多个极大值和极小值，在不同周期段，观测反映地层电阻率变化的能力也有差别。

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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