井下地电阻率观测的探测深度初步研究

对井下地电阻率观测的探测深度进行了研究,计算了均匀半空间和给定结构参数的水平层状介质模型在不同装置电极埋深下的探测深度,分析了探测深度与装置电极埋深和介质电阻率结构之间的关系,得到如下结果:①与地表观测相比,在供电极距为1 km左右时,探测深度随装置电极埋深的增大而增大,且增大的速度与装置电极埋深密切相关;当装置电极埋深h < 100 m时,探测深度的增大速度远小于装置电极埋深h≥100 m时. ②当装置电极埋深h < 50 m时,与地表观测相比探测深度增加很小,不超过10 m;当装置电极埋深相同时,供电极距越大,与地表观测相比探测深度增加得越小. ③对于水平层状电阻率均匀分层结构,在装置电极埋深相同的情况下,下伏低阻结构的探测深度显著大于下伏高阻结构.本文的研究结果表明,为了观测到深部电阻率的变化情况,首先需要查明测区电性结构,再进行综合分析,以确定井下地电阻率观测的装置电极埋深,其结果为深部电阻率变化研究提供了理论基础.      

强地震附近电阻率对称四极观测的探测深度

针对我国地震监测预报中固定地点和固定观测装置及参数的视电阻率观测,给出了半空间倾斜各向异性介质中电阻率对称四极观测的理论探测深度,研究了地震前兆信息的检测深度问题,得到：(1)在强地震、孕震晚期阶段,在震中区及附近可检测到地壳近地表较深部介质的电阻率变化,其深度大于或远大于均匀介质之;(2)震级、震中距、观测方向不同或在不同的孕震阶段,探测深度存在差异,甚至存在大的差异,且是动态变化的.并依据理论探测深度讨论了地震视电阻率前兆变化的复杂性、地电台址电性条件等问题.     

通州台井下地电阻率测深初步分析

2020年7月12日唐山古冶 M_S5．1地震发生前,井下小极距地电阻率出现快速下降-折返的变化,变化形态、异常时长符合地电阻率孕震机理变化,但下降幅度远远小于地表大极距地电阻率孕震过程的变化幅度.因此,文章基于通州台地下电性结构和装置系统,采用数值分析方法,分析地表和井下小极距地电阻率的探测深度.结果表明,当底层电性变化区域介质电阻率发生某种减小时,通州台地表和井下小极距地电阻率装置系统地电阻率观测值会下降,下降的幅度随着深部介质电阻率变化区域上界面向上的扩展而增大.相比地表观测,井下小极距电阻率观测能更显著地接收到深部电阻率变化信号,对孕震有更强的反映能力.     

井下地电阻率观测影响系数分析——以江宁地震台为例

采用水平层状均匀介质中点电源位于任意深度时的电位解析表达式,以江宁台3层电性结构为例,分析了井下对称四极地电阻率观测时各层影响系数随深度、极距的变化,并结合探测深度探讨了实施井下观测时影响系数在选择供电极距和电极埋深时的作用。结果表明,对于"K"型电性结构,江宁台井下观测对地表、浅层干扰有较强的抑制作用,其短极距观测对地表、浅层干扰的抑制能力显著优于长极距观测;长极距观测在电极埋深H小于100m时对地表介质季节性的干扰具有放大作用;浅层影响系数一定时,电极埋深和供电极距需同时增加;江宁台井下观测供电极距AB/2取100～150m、电极埋深H为250m较为合理。     

电性源瞬变电磁初探

随着中国经济的发展,油气资源成为制约我国发展主要瓶颈之一.电性源瞬变电磁在油气资源的勘探中取得了不错效果.为此本文开展了对电性源瞬变电磁的相关研究,本文首先对电性源瞬变电磁的两种主要模拟方法,G-S变换和余弦变换做了对比,认为GS变换结果精度较余弦变换精度要高.为了实际工作中解释的方便,又分别定义了电性源瞬变电磁各场视电阻率,为其解释带来了方便.最后,本文对其参数的选择进行了较详细的研究,通过时电性源赤道装置与偶极装置的对比研究,表明赤道装置可以对地下结构取得较好的探测效果,偶极装置可以取得较高噪比的数据.通过对激励源的研究表明,阶跃激励源激发的场视电阻率很好地反映了地质结构的变化,而脉冲波激发的场对异常体反映明显.通过对Hz场和Ex场的研究表明,Hz场在小收发距时即可进行大深度探测,并具有较高的信噪比,Ex场则对高阻体探测效果非常突出.     

井下视电阻率观测影响系数分析

采用水平层状均匀介质中点电流源位于任意深度时电位解析表达式,分析了井下对称四极视电阻率观测时影响系数随深度和极距的变化。结果表明对于固定的观测极距,影响系数与电极埋深之间关系复杂;对于某些电性结构和在一定深度范围内,井下观测对表层干扰具有放大作用。对于固定的电极埋深,小极距观测主要体现观测装置所在处的介质层信息,深部介质的影响系数随着极距的加大而增加,浅层影响系数一般先上升后下降;观测极距足够大时,井下观测影响系数逐渐接近于地表观测的影响系数,井下观测的优势得不到体现。本文以天水台为例讨论了实施井下观测时影响系数在选择供电极距和电极埋深过程中的应用。分析结果对在不同电性结构中实施井下地电观测时具有一定的参考意义。     

开展小极距井下地电阻率观测的可行性分析

目前,我国用于地震监测的地电阻率观测面临着两个难题:①测区范围较大导致台网稀疏且分布不均匀;②易受环境干扰。本文结合台站实际的地下电性结构,采用地电阻率解析表达式和有限元数值分析方法,对开展小极距井下地电阻率观测的可行性进行了讨论。结果表明:小极距井下观测方式能有效抑制地表电性异常体类干扰和年变化的影响,也能记录到地表大极距观测和井下大极距观测所能记录到的震前异常变化。小极距井下观测能大幅减小布极区范围,有助于地电阻率的足密度组网成场观测,可为解决目前地电阻率观测面临的难题提供一种可选方案。     

地电阻率多极距观测中的最佳布极方式

对如何确定地电阻率多极距观测中的最佳布极方式, 包括极距个数和各极距长度的确定进行了研究。 确定最佳布极方式的主要依据是地下各层介质的响应系数随观测极距的变化规律以及采用不同观测极距对反演精度的影响。 以宝坻台为例, 讨论了在电性剖面参数已知的情况下, 如何确定多极距观测中各极距长度。 最后, 利用提出的最佳布极方式确定的装置系统对宝坻台模拟多极距观测资料进行了处理。 结果表明, 用最佳布极方式确定的多极距观测系统可精确计算出地下各层介质的真电阻率变化。     

有限元-无限元耦合法在复杂金属矿体电阻率/极化率正演模拟中的应用——以庐枞盆地泥河铁矿床为例

金属矿电法勘探由于受限于探测深度和复杂矿体形态的解释,在深部矿产资源勘探中难受重视.安徽庐江泥河铁矿床是长江中下游成矿带中最主要的矿床类型之一,矿区复杂的地质结构和矿体形态以及矿体的大深度赋存状态给地球物理勘探特别是电法勘探带来了很大的挑战.为了研究电阻率/极化率法在大深度复杂金属矿体探测中的应用效果,本文以泥河铁矿某勘探剖面为例,在实际矿区的地质模型基础上通过简化建立了相应的地球物理模型,采用偶极-偶极装置及二极装置,对矿区进行直流电阻率/极化率数值模拟.提出采用有限元-无限元耦合法以解决传统有限元法截断边界所引起的问题.理论和计算结果表明:有限元-无限元耦合法相比传统有限元法,能显著提高计算的效率和精度.偶极-偶极装置的视电阻率断面图较二极装置能更好的区分不同地层及磁铁矿异常,而根据铁矿高极化特性,探测深度相对较大的二极装置的视极化率断面图能够更好的反映出异常体位置及范围.     

昌黎地电台多极距观测系统的设计

基于对昌黎地电台地下介质的一维电性结构模型,分析了不同深层介质的响应系数、多极距布设方式及理论探测深度。结果表明:当MN分别取1/3 AB、1/4 AB、1/5 AB时,各层的响应系数变化趋势非常一致;据初始电性结构模型分析,4个不同深层中第3层的电阻率测值贡献率最高,达到70%,因此,在设计多极距观测布极时主要考虑第3层的贡献,该层的供电极距对取300~500m较合适,第3层最大贡献率为60%,当供电极距对不超过1 000m时,第4层贡献率仅为20%;根据不同深层介质响应系数分布情况和台站实际观测条件限制,多极距布设方式为5种,分别为1 000m、500(或400)m、400(或300)m、125m、30m。5种布极的理论探测深度在14~96m,此结果由昌黎台介质的电性结构所决定。     

地电阻率的数值模拟和多极距观测系统

本文利用高精度的多层水平层状介质视电阻率计算公式,模拟了不同结构剖面、不同装置极距、不同规律的真电阻率变化,以及这种变化在介质中所处不同部位条件下地表视电阻率变化的计算结果;讨论了发生于介质中的真电阻率随时间变化在上述各种不同条件下,与在地表观测到的地电阻率(即视电阻率)变化两者之间的关系;指出为了解次异常变化与干扰变化的识别问题,应当将现行单一极距观测改造为多极距观测,并研究和发展相应的地电阻率随时间变化的反演技术和方法,以促进地电阻率法预报地震从看图识字的被动状态向物理预报方向转化。      

THE MECHANISM OF DIURNAL VARIATION IN CONSECUTIVE APPARENT RESISTIVITY OBSERVATION

Parts of the consecutive apparent resistivity monitoring stations of China have recorded clear diurnal variations. The relative amplitudes of diurnal variations at these stations range from 1.3‰ to 5.8‰. The daily accuracies of apparent resistivity observation are better than 1‰, because the background electromagnetic noise is rather low at these stations. Therefore, the diurnal variations of apparent resistivity recorded at these stations are real phenomena. The diurnal variation shapes can be divided into two opposite types according to their characteristics. One type is that the apparent resistivity data decreases during the daytime but increases during the nighttime(Type 1). The other type is the apparent resistivity data increases during the daytime but decreases during the nighttime(Type 2). There is a correspondence between the diurnal and annual variation patterns of apparent resistivity. For the monitoring direction with diurnal variation of Type 1, the apparent resistivity decreases in summer and increases in winter. However, for the monitoring direction with diurnal variation of Type 2, the apparent resistivity increases in summer and decreases in winter. We take an analysis on the mechanism of apparent resistivity diurnal variation, combining the influence factors of water-bearing medium's resistivity, the electric structure of stations, and the apparent resistivity sensitivity coefficient(SC)theory. Intuitively, diurnal variation of apparent resistivity is caused by diurnal variation of medium resistivity in the measured area. The diurnal variation of medium resistivity will inevitably be caused by the factors with diurnal variation. Among the possible factors, there is diural variation in earth tide and temperature. Our analysis displays that apparent resistivity diurnal variation is not caused by the usually-believed earth tide, but by the ground temperature difference between daytime and nighttime. The earth tide strain is too small to cause remarkable effects on the apparent resistivity data. On the other hand, the daily tide strain has two peak-valley variations, and its phase and amplitude has a period of approximate 28 days. However, the apparent resistivity data do not show these corresponding features to earth tide. Furthermore, the detection range of current apparent resistivity stations is within a depth of several hundred meters. Within this depth range, the medium deformation caused by solid tide can be regarded as uniform change. Therefore, all monitoring directions and all stations will have the same pattern of diurnal variation. In general, the temperature increases in the daytime but decreases in the nighttime. For most water-bearing rock and soil medium, its resistivity decreases as temperature increases and increases as temperature decreases. Diurnal temperature difference affects about 0.4m of soil depth. Therefore, resistivity of this surface thin soil layer decreases in the daytime while increases in the nighttime. Under layered medium model, SC of each layer represents its contribution to the apparent resistivity. For the stations with positive SC of surface layer, apparent resistivity decreases in the daytime but increases in the nighttime. While for the stations with negative SC of surface layer, apparent resistivity diurnal variations display the opposite shape.     

层状介质中膨胀球模拟力源的应力——应变场与视电阻率的关系

本文研究了三层介质中膨胀球模拟震源的应力、应变场以及由这个应力、应变场产生的电阻率变化量和地表视电阻率变化的关系。结果表明,对于一定强度的“震源”,在地电装置探测范围内的应力场随具有不同弹性参数的层位有显著的变化;而应变场却看不出有明显的突变;由地表视电阻率变化量的计算结果揭示了地电异常受台站介质电性结构与力学结构的综合影响。因此作为预报地震的地电阻率法一方面要寻找具有高电阻率——应变灵敏度岩层的台址,另一方面台址的视电阻率变化对各层真电阻率变化要具有好的响应。     

含裂隙介质中的视电阻率各向异性变化

我国50多年的视电阻率连续观测结果表明,大地震前近震中区域的视电阻率呈现出与主压应力方位有关的各向异性变化,即:垂直于主压应力方向观测的变化幅度最大,平行方向最小或不明显,斜交方向介于二者之间.目前我国定点台站视电阻率观测的探测范围主要在浅层沉积层以内,通常含有较多的含水裂隙.本文将地下岩土介质简化为由固体基质和含流体/气体裂隙组成的固液气三相介质,且基质、流体和气体具有标量形式的电阻率,推导出了包含基质和流体电阻率、裂隙率、饱和度和裂隙面积率因子的电阻率张量表达式.以裂隙的扩展/闭合表示应力作用下裂隙的变化,得到了电阻率随裂隙变化的微分形式,电阻率变化对裂隙体积变化放大系数的表达式和裂隙横向变化对纵向电阻率影响的横向权系数的表达式.在此基础上得到了介质电阻率和视电阻率的各向异性变化特征:对于含水裂隙介质,无论裂隙如何变化,均是最小主轴方向电阻率的变化幅度大于其他方向;对于含水孔隙介质,沿孔隙主要变化方向的主轴电阻率变化幅度大于其他方向.对于各向异性变化,视电阻率和介质电阻率存在π/2的方向差异.相较于含水岩石,无水岩石介质电阻率的各向异性变化不显著.本文提出的电阻率表达式可以对实验室和野外实际观测的许多结果做出合理的解释.     

晋冀蒙交界及附近地区小极距井下地电阻率观测装置设计

为提升2022年北京冬奥会期间地电阻率测项的震情保障能力,将对晋冀蒙交界及附近区域的宝昌、集宁、阳原、大同、代县、临汾、通州和平谷8个台站在原有观测基础上增加具有全空间性质的小极距井下地电阻率观测。本文根据台站钻孔岩芯剖面和电测深数据反演测区水平层状电性结构,利用介质对地电阻率观测的影响系数方法,计算影响系数随极距和埋深的变化,选择合适的极距和埋深,使浅层介质对地电阻率观测的影响尽可能小,使目标层位对观测的贡献尽可能大,减少浅层介质对观测的影响。由此得出了各台站观测极距及埋深等装置系数,在此基础上完成了8个台站观测装置的方案设计。     

水平层状粘弹性介质中震源应力-应变场的三维边值问题及相应的地电阻率前兆变化的数值模拟

本文应用关于粘弹介质的弹性力学三维有限元方法,研究了定常速率加载边界条件下以断层闭锁模拟震源的“孕震”过程,並将所求得的层状介质应力—应变场与视电阻率的“前兆”变化相关联,以此给出该“孕震”过程中地表视电阻率“前兆”变化的时空分布,从而揭示水平层状介质视电阻率的变化与震源区应变场之间的关系。计算结果表明,粘弹性介质的存在,对孕震过程起着相当重要的作用。介质中应力集中程度与材料粘弹性有着密切的关系。另一方面,对于视电阻率前兆而言,其时空分布不仅与大范围的应力—应变场有关,而且还与台站探测范围内介质的力学、电性结构条件相关联。     

基于各向异性介质模型讨论地电阻率各向异性变化

讨论了均匀方位各向异性介质模型,运用电阻率变化的视各向异性与真各向异性的理论关系。研究了20个强震近震中区31个地电台的视电阻率变化各向异性与主应力的关系发现:与主压应力方位正交的测向(包括近于正交的测向)月速率变化幅度大于平行主压应力方位测向(包括近于平行的测向)的变化幅度;视各向异性变化与地震震级、震中距等均有一定的关系。     

FOCUSSED ELECTRICAL RESISTIVITY ARRAYS: SOME THEORETICAL AND PRACTICAL EXPERIMENTS*

The “Laterolog 7′’and the “Microlaterolog’ have been studied theoretically for the case of a conducting halfspace containing a single overburden, using a technique based on the method of images. The results have shown these focussed arrays to be more sensitive to the lower medium (i.e., having greater depth of investigation) than unfocussed ones of the same dimensions, when the “correct’ geometric factor is used. The geometric factor of a focussed electrode array is somewhat involved, and is explained with reference to an ideal focussed array; such an array would pass a measuring current of constant intensity into a fixed geometrical shape of conducting material, irrespective of any layering or any other heterogenities that may be present, using auxiliary current sources of variable magnitude. This concept of a constant amount of current flowing in a beam of fixed geometry and current density, is the basis of focussed arrays, and it is shown that the geometric factor, used to calculate the apparent resistivity, is the one derived when considering the homogeneous case. The value of the constant measuring current, alone, is used to convert the measured potential difference into a resistance, the ratio between this value and the combined intensities of the auxiliary current sources, for the homogeneous case, being incorporated into the geometric factor. Surprisingly good agreement was found between the theoretical models and practical experiments using a focussing seabed resistivity probe which is a substantial modification of the “Microlaterolog”. Both show similar deviations from the ideal case which are explained in terms of refraction at the overburden interface. All experiments indicated that focussed arrays have a greater depth of investigation than similar unfocussed ones for a single overburden, whether it be resistive or conductive.     

MT重复测量在地震中短期预报中的应用──祁连山中段MT剖面监测研究

本文研究了青藏高原北缘第一个长约４００ｋｍ的ＭＴ监测剖面上所获得的５次５－７级地震前后的资料。着重分析了在相当于大陆多震层深度范围内壳内介质的多种ＭＴ参数（视电阻率、相位、主轴方位角、扭曲度等）．这些ＭＴ参数在大范围内的同步－同相变化和局部区域之间的超前、滞后变化、相对变化幅度随震中距增大而衰减的特征，可能分别对应着构造孕育型大震的地区性场兆和构造运动型强震的区域性场兆，形成了地震活动大背景叠加小背景的一种链式关系。运用＂ＭＴ监测优显参数＂进行择优监测，将可能为大陆地震的震源物理发展过程和中短期预报提供丰富可靠的判据。     

有限元直接迭代算法及其在线源频率域电磁响应计算中的应用

采用有限元直接迭代算法实现了线源频率域测深电磁响应的二维正演计算. 首先给出了线源正演问题的有限元直接迭代格式,然后由迭代法进行求解. 在处理奇异源问题上,采用向内递推的组合网格技巧,在源点附近可进行局部加密,并实现粗细网格的对接,从而较好地解决了奇异源附近的计算问题. 还提出一种迭代求取全区视电阻率的方法,避免了远近区的划分. 通过对均匀半空间、层状介质和二维模型电磁响应的计算,获得了与大地电磁测深相似的视电阻率曲线,验证了算法的正确性;通过对计算结果的分析,在理论上说明了线源频率域近区测深的可行性.