地電阻率年周期變化的原因分析及模型建立

地電阻率年周期變化的原因分析及模型建立

0與其他方法的對比與其他預(yù)測前觀測方法一樣，大部分地震波束觀測數(shù)據(jù)顯著變化，導(dǎo)致識別和評估地震前身異常變化存在困難。在日常分析預(yù)測工作中為消除電阻率觀測資料的年周期變化,已經(jīng)有了一些常規(guī)的數(shù)學(xué)方法(如傅氏分析方法),然而實踐表明,這些方法有時并不能客觀地反映其自然年變化過程,因此,其處理后的結(jié)果往往不能正確顯示出地震前兆異常的信息。還有,如月距平法計算過程只使用地電阻率觀測數(shù)據(jù),不考慮其他相關(guān)因素,故計算過程中不能有效地將干擾變化從異常觀測資料中消除,其效果也是不很理想。天津地區(qū)位于濱海平原區(qū),本區(qū)地電阻率觀測值的年周期變化與諸多氣象因素(如氣溫、氣壓、溫度、水位、降雨)是同源的,它們的變化特征表現(xiàn)出許多共性。本文用相關(guān)分析的方法對地電阻率年周期變化的成因進(jìn)行探討,并給出其結(jié)果。1氣溫、煙氣、濕度、水位與地下石化工業(yè)的月形成關(guān)系筆者以寶坻臺、塘沽臺地電阻率觀測資料為基礎(chǔ),收集整理了臺站附近地區(qū)的氣溫、氣壓、相對濕度、水位及海水水位等多年資料,并對其進(jìn)行了同步預(yù)處理,對各氣象參量與地電阻率的變化進(jìn)行了相關(guān)關(guān)系的計算。由于地電阻率的正常年周期變化具有較好的重復(fù)性和相似的形態(tài),故僅以塘沽臺1997年以來的地電阻率觀測數(shù)據(jù)相關(guān)分析的結(jié)果為例進(jìn)行了研究。從地電阻率與氣溫、氣壓、濕度、水位的同期時序曲線(圖1)可以看出,地電阻率的年周期變化與氣象參量存在明顯的相關(guān),與氣溫變化負(fù)相關(guān),與氣壓變化正相關(guān)。地電阻率的變化滯后數(shù)天。為了消除地電阻率測值、氣象參量測值及水位測值中的隨機干擾因素,突出上述各參量的周期變化和長期趨勢變化,本文計算了所有使用測值的月均值,應(yīng)用月均值計算地電阻率與氣象因素及水位的相關(guān)程度。相關(guān)系數(shù)的計算公式如下:γ=∑i(xi?xˉ)(yi?yˉ)∑i(x?xˉ)2×∑i(y?yˉ)2√(1)γ=∑i(xi-xˉ)(yi-yˉ)∑i(x-xˉ)2×∑i(y-yˉ)2(1)式中,xi、yi為地電阻率觀測值和氣象觀測值。根據(jù)式(1)分別計算出氣溫、氣壓、相對濕度、水位與塘沽臺地電阻率EW向和NS向的相關(guān)系數(shù)γ值(表1)。計算過程中,N=29。由自由度(N-2)和信度查得γ的理論值:當(dāng)置信水平為5%時γ為0.367,當(dāng)置信水平為1%時γ為0.470。除NS向地電阻率與濕度不相關(guān)外,其他幾項均存在很好的相關(guān)性。相關(guān)分析計算結(jié)果表明,地電阻率觀測值與氣象因素存在明顯的相關(guān)關(guān)系,且氣壓變化與地電阻率變化的相關(guān)程度最高。2地電阻率年變化的同源性鑒于上述氣象因素、水位與地電阻率觀測值有明顯的相關(guān)關(guān)系,本文采用多元線性回歸的方法,用上述參量擬合出地電阻率值,并計算出實測值與擬合值的殘差,計算過程如下:首先,確定線性回歸方程y=a0+b1x1+b2x2+a3x3+a4x4(2)y=a0+b1x1+b2x2+a3x3+a4x4(2)式中,y為地電阻率實測月均值,x1,x2,x3,x4分別為氣壓、氣溫、濕度、水位月均值;a0為常數(shù)項;b1,b2,b3,b4分別為地電阻率對氣壓、氣溫、濕度、水位的回歸系數(shù)。選用無震時段的地電阻率觀測數(shù)據(jù)及氣象參量相應(yīng)時段的數(shù)據(jù),用最小二乘法求出系數(shù)a0,b1,b2,b3,b4的值,即建立了地電阻率對氣象參量的線性回歸方程。將要檢驗的地電阻率觀測值的同期氣象參量代入回歸方程,得出該時段的地電阻率擬合值。最后將實測值與擬合值相比較,計算出它們之間的差值,此結(jié)果即為消除氣象因素引起的年周期變化的地電阻率資料。分析結(jié)果表明,塘沽臺地電阻率觀測值曲線的年變化與塘沽地區(qū)的氣象因素變化明顯相關(guān),盡管目前還沒有研究結(jié)果顯示氣壓變化與地電阻率變化存在某種因果關(guān)系,但至少表明氣壓與地電阻率的年變化起因于同一源場作用的結(jié)果。由圖2、圖3可以看出,用氣象參量和水位參量消除地電阻率年變化后,其殘差曲線能較好地反映1989年大同6.1級、1991年大同5.8級、1996年包頭6.4級和1998年張北6.2級地震前的異常變化?；谏鲜鲅芯考坝嘘P(guān)研究結(jié)果,筆者對地電阻率觀測值的背景變化及產(chǎn)生年周期變化的原因有如下認(rèn)識:(1)咸水層厚度(或埋深)對地電阻率觀測背景值具有重要影響。天津市處于渤海濱海平原,中更新世晚期多次遭受海侵,由此造成在第四系地層中主要為2層咸水含水層,其分布特點是:往北靠近寶坻斷裂,咸水層底界埋深僅為幾米或趨于尖滅,向東、南特別是靠近渤海一帶,其底界埋深最深達(dá)230m。寶坻臺位于寶坻斷裂以北的附近地區(qū),青光臺、塘沽臺位于中部,徐莊子臺在最南部,而各臺站的地電勘探體恰恰位于天津市咸水含水層的深度范圍內(nèi)(<200m)。由于咸水層礦化度高,具有良好的導(dǎo)電性,因此,對于垂直非均勻?qū)訝罱橘|(zhì)的探測體來說,咸水含水層的存在對其整體電阻性能及其變化具有重要影響。實驗結(jié)果已表明地電阻率與介質(zhì)的含水率、礦化度的增加呈指數(shù)下降關(guān)系,實際情況是,各臺地電阻率觀測基本數(shù)值隨著咸水層由北往南增厚而逐漸變小(表2),探測體的咸水層越厚,其電阻率值越小。(2)對于氣壓年動態(tài)的趨勢變化來說,大氣壓變化實際上是空氣的密度、質(zhì)量變化的反映,外空引力場增大時(即近日點),單位體積的空氣密度及質(zhì)量變小,即所謂氣壓低,相反則氣壓高。當(dāng)外空引力對地電探測區(qū)的作用增大時,探測區(qū)地殼向上垂直形變相對增大,同時探測區(qū)的潛水位隨著上升,并且各含水層的空隙水也向探測區(qū)集中,水層的厚度相對加大,因而提高了探測區(qū)的電導(dǎo)率,電阻率降低。其結(jié)果表現(xiàn)為氣壓與地電阻率是正相關(guān),這與實際觀測結(jié)果是一致的。大氣壓的年變化和地電阻率的年變化均是受星際間引力場的控制,它們的變化具有同源性。(3)當(dāng)?shù)仉娮杪视^測值無地殼孕震應(yīng)力作用時,其年變動態(tài)的特征應(yīng)與氣象要素的形態(tài)(極值、上升或下降的轉(zhuǎn)折時間等)相似,且應(yīng)有較好的重復(fù)性。故地電阻率年變形態(tài)的改變可能反映