Preliminary research on probing depth of borehole geoelectrical resistivity observation
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摘要: 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.Abstract: In this paper, we studied probing depths of borehole geoelectrical resistivity observation by homogeneous half-space model and horizontally layered model with given structure parameters, and analyzed the relationship among probing depth, electrode buried depth of configuration and medium resistivity structure. The results are as follows: ① Compared with surface observation, when electrode distance is about 1 km, probing depth increases with electrode buried depth of configuration, and the increasing rate is closely related with electrode buried depth, as the increasing rate of electrode buried depth less than 100 m is much smaller than that greater than 100 m. ② When electrode buried depth of configuration is within 50 m, probing depth has a slow increase which is less than 10 m, compared with surface observation. For the same electrode buried depth, the greater electrode distance is, the smaller probing depth increases. ③ For the horizontally layered structure of homogeneous resistivity, probing depth in underlying low resistivity structure is significantly larger than that in underlying high resistivity structure under the condition of same electrode buried depth of configurations. Therefore, in order to observe the resistivity variations of deep medium, it is necessary to firstly identify the electrical structure parameters of observation area, and then determine electrode buried depth of borehole geoelectrical resistivity observation through comprehensive analyses.
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根据中国地震台网中心测定,北京时间2021年5月22日02时04分,中国青海省果洛州玛多县发生了震级达到M7.4的地震,震中位于(98.34°E,34.59°N),震源深度为17 km。美国地质调查局(United States Geological Survey,缩写为USGS)国家地震信息中心(National Earthquake Information Centre,缩写为NEIC)也给出了相应的结果,其标定的发震时间为北京时间2021年5月22日02时04分13秒(协调世界时:2021年5月21日18时04分13秒),震中位于(98.254 8°E,34.586 4°N),震源深度为10 km。震后16小时内在震中100 km范围内共发生M>4.3的余震10次。这是自2008年汶川大地震以来我国境内发生的震级最高的一次事件,也是自2017年九寨沟MS7.0地震后时隔1 382天发生的又一次震级大于M7.0的事件。美国地质调查局(USGS,2021)和全球矩心矩张量组(GCMT,2021)在震后数小时发布了本次事件的矩心矩张量解(表1)和最佳双力偶解(表2)。
表 1 GCMT,USGS与本研究所得青海玛多MW7.5地震的矩心矩张量解Table 1. The centroid moment tensor solutions of the MW7.5 Maduo,Qinghai,earthquake from GCMT,USGS and this study机构 矩张量/(1020 N·m) 矩心参数 Mrr Mtt Mpp Mrt Mrp Mtp τc/s 北纬/° 东经/° 深度/km GCMT (2021) −0.220 0.840 −0.620 0.186 −0.224 1.510 15.4 34.65 98.46 12 USGS (2021) −0.598 0.648 −0.050 −0.589 0.402 0.898 12.9 34.59 98.25 23.5 本文 −0.160 0.804 −0.643 −0.058 −0.063 1.745 23.0 34.59 98.55 18 表 2 GCMT,USGS与本研究所得青海玛多MW7.5地震的最佳双力偶解Table 2. The best double-couple solutions of the MW7.5 Maduo,Qinghai, earthquake from GCMT,USGS and this study机构 标量地震矩
/(1020 N·m)双力偶成分
占比节面I 节面II 走向/° 倾角/° 滑动角/° 走向/° 倾角/° 滑动角/° GCMT (2021) 1.710 95% 282 83 −9 13 81 −173 USGS (2021) 1.306 99% 92 67 −40 200 53 −151 本文 1.896 96% 281 88 1 191 89 178 本研究收集震中距处于30°—90°范围内的全球地震台网(Global Seismograph Network,缩写为GSN)和宽频带数字台网联盟(International Federation of Digital Seismograph Network,缩写为FDSN)共435道长周期多分量数据作为初始观测资料,经多次迭代筛选,最终选取震中距处于31.58°— 89.51°范围内的77道数据作为反演资料,利用AK135模型计算相应的格林函数(Wang,1999)。根据震级与半持续时间特征选用频带范围为0.006 7—0.033 0 Hz的长周期P波。为满足速报需求,这里采用我们惯用的网格搜索方法(张喆等,2020;张喆,许力生,2021)在震后短时间内实现了快速反演,得到了相关参数,如图1所示。
图 1 矩心矩张量解反演过程(a) 矩心时间τc的搜索;(b) 矩心水平空间的搜索,黄色圆圈表示矩心水平坐标;(c) 矩心深度hc的搜索;(d) 矩心相对震中位置,红色沙滩球表示矩心矩张量解,红色星形表示震中Figure 1. Inversion process of the centroid moment tensor(a) Search for centroid time τc;(b) Search for the horizontal location of the centroid;(c) Search for centroid depth hc;(d) The centroid location (beach-ball) with respect to the instrumental epicenter (red hexagon)根据矩心矩张量反演结果(图2),最优矩心时间为23 s,矩心的水平坐标为(34.59°N,98.55°E),矩心深度为18 km,双力偶成分占比为96%,最佳双力偶解共轭节面分别为: 节面 Ⅰ :走向281°,倾角88°,滑动角1°;节面 Ⅱ :走向191°,倾角89°,滑动角178°,标量地震矩为1.896×1020 N·m,对应的矩震级约MW7.5,观测数据与合成数据之间的相关度为0.88 (图3),二次误差为5.973×10−8。
对比可见:本研究结果与USGS给出的震源机制解、矩心位置差异较大(表1,图4),USGS给出的矩心位置与预设震中(Preliminary Determination Epicenter,缩写为PDE)重合,而本研究给出的矩心位置处于震中东侧,该结果与GCMT发布的震源机制解非常接近,但矩心位置位于GCMT标定的矩心位置东南约11 km处(图4)。另外,矩心深度明显不同,本研究的结果(18 km)介于USGS的结果(23.5 km)与GCMT的结果(12 km)之间,经过修改模型(如:CRUST1.0模型)并多次重复试验仍未消除这种差异,造成这种深度不确定性的原因是多方面的,除因多数矩心矩张量反演所用的频带较低导致垂直分辨率较弱以外,青藏高原本身地下结构与反演所用的AK135模型(或CRUST1.0模型)存在偏差也会影响矩心深度的定位。本研究反演得到的标量地震矩略高于GCMT和USGS的结果,矩心时间(23 s)也明显滞后(表1)。根据余震展布的总体趋势估计断层面走向约为284°,这与本研究反演得到的281°的节面非常吻合,表明这是发生在走向为281°且近乎直立的断层面上的一次走滑事件。
附录: 本文结果与USGS于2021年5月25日17:53:33 (UTC)更新反演结果的对比
1 GCMT,USGS与本研究所得青海玛多MW7.5地震矩心矩张量解1. The centroid moment tensor solutions of the MW7.5 Maduo,Qinghai,earthquake from GCMT,USGS and this study机构 矩张量/(1020 N·m) 矩心参数 Mrr Mtt Mpp Mrt Mrp Mtp τc/s 北纬/° 东经/° 深度/km GCMT (2021) −0.220 0.840 −0.620 0.186 −0.224 1.510 15.4 34.65 98.46 12 USGS (2021)(W震相) −0.598 0.648 −0.050 −0.589 0.402 0.898 12.9 34.59 98.25 23.5 USGS (2021)(矩心解) −0.454 0.963 −0.509 −1.252 0.718 1.618 15.79 34.81 98.25 26 本文 −0.160 0.804 −0.643 −0.058 −0.063 1.745 23.0 34.59 98.55 18 2 GCMT,USGS与本研究所得青海玛多MW7.5地震最佳双力偶解2. The best double-couple solutions of the MW7.5 Maduo,Qinghai,earthquake from GCMT,USGS and this study机构 MW 标量地震矩
/(1020 N·m)双力偶
成分占比节面I 节面II 走向
/°倾角
/°滑动角
/°走向
/°倾角
/°滑动角
/°GCMT (2021) 7.42 1.710 95% 282 83 −9 13 81 −173 USGS (2021)(W震相) 7.34 1.306 99% 92 67 −40 200 53 −151 USGS (2021)(矩心解) 7.51 2.323 82% 99 79 −38 197 53 −166 本文 7.45 1.896 96% 281 88 1 191 89 178 -
表 1 几种常用观测装置在井下的探测深度 (均匀半空间)
Table 1 The borehole probing depths of several common observation configurations (homogeneous half-space)
装置电极埋深
h/mC1
(L=150 m,
a=25 m)C2
(L=300 m,
a=75 m)C3
(L=400 m,
a=75 m)C4
(L=500 m,
a=125 m)C5
(L=600 m,
a=125 m)0 148.2 292.1 394.1 486.8 589.0 10 148.8 292.3 394.3 486.9 589.1 20 150.2 293.1 394.8 487.4 589.5 50 160.3 298.4 398.8 490.6 592.2 100 190.9 316.3 412.5 501.8 601.5 200 276.5 378.1 462.5 543.9 637.3 300 371.9 459.4 533.4 606.1 691.9 500 569.1 644.2 705.6 765.7 838.2 注:L=AB/2,a=MN/2,下同. 表 2 几种常见观测装置在井下的探测深度 (下伏低阻)
Table 2 The borehole probing depths of several common observation configurations (underlying low resistivity structure)
装置电极埋深
h/mC1
(L=150 m,
a=25 m)C2
(L=300 m,
a=75 m)C3
(L=400 m,
a=75 m)C4
(L=500 m,
a=125 m)C5
(L=600 m,
a=125 m)0 184.4 344.3 458.2 551.3 645.0 10 184.9 344.6 458.5 551.5 645.2 20 186.2 345.3 459.0 551.8 645.6 50 194.9 350.0 462.3 554.7 647.8 100 221.5 365.3 473.6 563.9 655.7 200 297.7 419.4 516.3 600.0 686.4 300 377.9 477.6 563.2 639.6 720.6 500 570.2 646.9 712.9 773.8 841.1 表 3 几种常见观测装置在井下的探测深度 (下伏高阻)
Table 3 The borehole probing depths of several common observation configurations (underlying high resistivity structure)
装置电极埋深
h/mC1
(L=150 m,
a=25 m)C2
(L=300 m,
a=75 m)C3
(L=400 m,
a=75 m)C4
(L=500 m,
a=125 m)C5
(L=600 m,
a=125 m)0 104.5 162.6 238.8 305.6 388.7 10 104.9 162.7 239.0 305.8 388.8 20 105.8 163.3 239.5 306.2 389.2 50 111.0 167.3 242.4 308.6 391.2 100 124.3 180.3 252.4 317.1 398.1 200 251.1 300.0 351.0 402.4 469.7 300 365.5 424.3 472.5 516.3 572.1 500 568.0 632.2 681.2 721.9 769.7 -
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