河北昌黎地電阻率頻譜特征分析

張國苓喬子云賈立峰王艷榮佟 鑫1）中國石家莊050021河北省地震局2）中國河北066100秦皇島中心臺

?

河北昌黎地電阻率頻譜特征分析

張國苓1)喬子云1)賈立峰1)王艷榮2)佟 鑫2)
1）中國石家莊050021河北省地震局2）中國河北066100秦皇島中心臺

摘要應用最大熵譜法分析昌黎地電阻率頻譜成分特征，結果表明，地電阻率整點值存在明顯日變特征，24 h全日波最強，半日波和1/3日波周期成分次之，主要受氣溫和固體潮影響。氣溫升高引起地電阻率下降，固體潮引起地下深層承壓水位的日擾動變化，導致地電阻率變動。地電阻率日均值存在顯著的“冬高夏低”準年變周期，與降雨量有關，利用褶積濾波法可以較好的去除降雨對地電阻率的影響。

關鍵詞地電阻率；日變；年變；固體潮；降雨量

E-mail：zhangguoling002@163.com

本文收到日期：2015-06-11

0 引言

中國自1966年開展地電阻率觀測以來，在大震前記錄到顯著的中短期異常，多以趨勢下降變化、破年變為主（錢復業等，1980，1982；桂燮泰等，1989；錢家棟等，1998；Lu et al，1999；趙玉林等，2001；張學民等，2009；杜學彬等，2010）。在地電測量中，多數臺站記錄到準年周期性的地電阻率變化（簡稱年變化或年變）。研究發現，年變主要與地電臺址電性斷面、水文地質條件、布極極距有關（金安忠，1981；王志賢，1981），經理論模型計算和相關性分析，認為年變是在探測深度偏淺時，降雨、地表潛水位年變動態引起地下表層介質電阻率的季節性變化，一種與地震無關的干擾變化（錢家棟等，1985；錢復業等，1987；張學民等，1996，2004；劉允秀等，1999；解用明等，2005；宋曉磊等，2006；嚴玲琴等，2013；張國苓等，2013）。中國大部分臺站的年變形態為“冬高夏低”的“正常年變”，夏季降水多，地表潛水位較高，表層介質含水率升高，電阻率較低，使得視地電阻率觀測值較低。在水平層狀均勻介質下，表層介質對地電阻率相對變化影響系數為正時，地電阻率年變表現為“冬高夏低”。當臺站表層介質電阻率的影響系數為負時（趙和云等，1985；Lu et al，2004；解滔等，2013，2014），如寧夏海原臺、四川郫縣臺、甘孜臺，冬季表層介質電阻率升高，視地電阻率觀測值降低。

中國部分臺站的日變比較明顯，存在24 h全日波頻譜周期，主要受溫度影響（戴勇等，2013）。瀕臨大海的一些地電阻率臺站能觀測到固體潮信息，如：1965年日本東京大學山崎良雄得出的東京南60 km神奈川縣油壺地區地電阻率變化，與伸縮儀、潮汐應變有較好的對應關系（錢家棟等，1991）。俄羅斯北部巴倫支海邊ZEVS臺站觀測到地電阻率與垂直向潮汐力相關性較好，且具有12 h和24 h日變頻譜周期，其中固體潮可以影響約7%的地電阻率變化（Alexander et al，2002）。本文主要利用最大熵譜法（葉青等，2007），對昌黎地電阻率整點值和日均值進行譜成分分析，并從氣溫、固體潮、降雨等方面，對地電阻率日變、年變成因進行物理解釋，其結果對分析觀測資料變化及識別前兆異常具有重要意義。

1 臺站參數

昌黎地電阻率觀測站位于燕山山前沖積平原，處于昌黎—寧河斷裂北側（圖1），場地周圍地勢較為平坦，第四系覆蓋埋深約70 m，含水層發育，總厚度20—30 m，下伏巖層為燕山期花崗巖。昌黎臺地電阻率觀測站建于1968年，1999年7月后使用觀測儀器為ZD8B地電儀，布設NS、EW兩個相互垂直的測向，采用對稱四極裝置，供電極距和測量極距分別為1.0 km和0.2 km（圖2）。鉛板電極埋深3 m，接地良好，外線路采用屏蔽絕緣銅線。昌黎地電臺地下電測深結果顯示，測區地下介質比較均勻，為4層KH型電性結構，第1層電阻率28.88—32.36 Ω·m，層厚2.6—3.9 m，為粘土層；第2層電阻率573.02—802.60 Ω·m，層厚18.8—28.1 m，為粘土層含細砂；第3層電阻率40.07—109.97 Ω·m，層厚140.2—169.9 m，為混合花崗巖；第4層為169.9 m以下至無窮大處，電阻率436.55—768.79 Ω·m，為角閃斜長片麻巖。地電阻率測區地勢平坦，環境干擾噪聲較小，產出資料較為可靠，數據連續率98%以上。近年來，在測區西側1.5 km處進行深部承壓熱礦水開采，并建立幾家粉絲廠，對數據產生一定程度影響。

圖1　昌黎臺地質構造Fig.1 The faults of Changli Seismic Station

圖2　昌黎臺地電阻率測區布極Fig.2 Schlumberger monitoring arrays used at Changli Seismic Station

2 數據處理

2.1 最大熵譜法原理

最大熵譜方法的基本思想是不進行任何假設，根據已知數據信息預測未知延遲離散時間上的相關函數，外推相關函數時，每一步均保持事件的不確定性或熵最大（韓大宇，1987）。對于平穩隨機序列{Xn}，尋找滿足約束條件的自相關函數與功率譜密度的關系，由給定數據求得有限自相關函數，由變分原理求得最大熵功率譜密度（Fougere et al，1976）

式中，f為頻率，am為預測誤差系數，PM為預測誤差功率，M為濾波器階數。M的選擇在最大熵譜估計中具有至關重要的作用，正確選擇模型的階數，可提高譜估計的分辨率，消除譜線分裂現象等（宋治平等，1997）。葉青等（2007）和張國苓等（2014）利用該方法得到首都圈地區地電場和數字電磁波的頻譜特征，并從機理上進行解釋。

2.2 數據計算

為獲取昌黎地電阻率的周期成分，采用最大熵譜法，對地電阻率、氣溫和臺站理論固體潮整點值數據進行最大熵譜分析。年變特征分析的數據樣本為2003—2014年日均值時間序列，日變特征分析的數據樣本長度為1個月（2014年1月）的小時值時間序列。結果顯示，昌黎地電阻率日均值具有較好的年變（365天）周期，整點值觀測值具有24 h、12 h和8 h日變周期特征，氣溫具有24 h日波特征，固體潮有24 h日波和12 h的半日波周期特征。為了圖示清楚，在圖3中把譜值隨頻率變化換算為隨周期變化。

圖3　地電阻率、氣溫、固體潮最大頻譜(a)地電阻率日頻譜值；(b)地電阻率整點值；(c)溫度；(d)固體潮Fig.3 The maximum entropy spectrum of georesistivity, temperature and solid tide

3 地電阻率日變特征

3.1 氣溫影響

氣象因素中，氣溫是具有短周期變化特征，對地電阻率具有明顯影響的物理量。由實驗數據（錢家棟等，1985）得知，溫度升高時，離子遷移速率加快，電阻率降低；反之，溫度降低，離子遷移速率減慢，電阻率升高。尤其在0℃附近，水發生相變，地電阻率變化速率最大。圖4(a)為2014年1月21日昌黎NS向地電阻率和氣溫關系圖，顯示地電阻率隨著氣溫的上升而下降，相關系數為-0.85。冬季地表溫度較低，夜晚在0℃以下，地電阻率較高，白天溫度在0℃以上，地電阻率較低，上午的冰融化階段，地電阻率變化較快。

3.2 固體潮影響

地球表層潮汐應力大小隨地球與天體（日、月等）在運動中的相對位置變化而規律變化，地下水位必然隨之產生規律變化。當潮汐應力增大時，含水巖體膨脹，含水層孔隙水壓降低，靜水位下降，地電阻率上升。當潮汐應力減少時，含水巖體壓縮，含水層孔隙水壓升高，靜水位上升，地電阻率下降。將2014年1月昌黎NS向地電阻率與昌黎理論固體潮整點值對比分析，發現地電阻率每日的極大值和固體潮極小值時間基本一致。圖4(b)為2014年1月21日昌黎地電阻率、承壓井動水位、理論固體潮曲線圖，顯示昌黎動水位與固體潮正相關，地電阻率與固體潮曲線負相關，相關系數分別為0.76、-0.6。固體潮觀測主要由日波、半日波等周期的頻率信息組成（圖3），一般還存在1/3 日波（廖迎春等，2007），地電阻率12 h、8 h頻率波也比較明顯，表明昌黎地電阻率半日波和1/3日波的周期信息主要源于固體潮的影響。

圖4　2014年1月21日昌黎NS向地電阻率變化（a）與氣溫關系；（b）與固體潮關系Fig.4 The change of georesistivity of NS direction at Changli Seismic Station on January 21, 2014

4 年變特征分析

地電阻率觀測臺站受臺址條件限制，觀測深度較淺，觀測值受降雨等氣象因素的影響，具有準年變周期變化。昌黎地電阻率存在“冬高夏低”的年變形態，年變幅度為5%，與降雨量有較大關系（圖5）。降雨對地電阻率的干擾比較復雜，不僅有一定即時效應，也存在一定時間滯后效應，一般，昌黎地區降雨，第2天地電阻率下降，之后緩慢回升。降雨量大的夏季，地下水位高，地電阻率相對較低；降雨量小的冬季，地下水位低，地電阻率相對較高。張學民等（1996）曾利用褶積濾波法對昌黎地電阻率進行降雨校正，效果較好。

褶積濾波法原理：把土層看成一個系統，降雨量CR(t)為輸入信號，降雨量對ρs的影響函數為R(t)，對地電阻率的影響量為Δρ(t)，考慮到降雨的即時及滯后效應，則

式中，R(t)為褶積算法的系統系數

根據宋曉磊等（2006）對降雨滲透過程影響視電阻率的研究結果，選取即時影響時間為1個月，滯后影響時間為6個月是比較合理的，則

本文通過Matlab對上述方法進行多元回歸計算，對2003—2014年昌黎臺地電阻率和月降雨量數據進行分析（圖5）。圖5(a)為昌黎EW向地電阻率和月降雨量值，圖5(b)為降雨量對地電阻率的影響值，存在明顯“冬高夏低”的年變規律，年變幅一般為-8 Ω·m，降雨量大的年份影響地電阻率值較大；圖5(c)為去掉降雨影響后的昌黎地電阻率值，發現年變不再清晰，說明昌黎地電阻率年變由降雨量引起。

圖5　降雨量對昌黎地電阻率影響Fig.5 The effect of rainfall on georesistivity at Changli Seismic Station

5 結論

昌黎地電阻率自投入觀測以來資料連續、穩定，觀測時間長，日變、年變特征明顯，氣象要素等輔助資料完備，且有較好的映震效能，在1976年M 7.8唐山地震前有顯著前兆異常，深入研究該臺地電阻率的變化特征，對唐山老震區及首都圈震情的監視有重要的作用。本文以昌黎臺數字化地電阻率觀測資料為基礎，在分析頻譜特征的基礎上，探討了其與氣溫、固體潮、降雨等對影響因素的關系，可以得出以下結論。

昌黎地電阻率整點值具有較好的日波、半日波、1/3日波周期的頻譜特征，主要受氣溫和固體潮變動影響。地電阻率與氣溫、固體潮均負相關，氣溫升高引起地電阻率下降，氣溫在0℃上下變化時影響尤為顯著；固體潮引起地下深層承壓水位的日擾動變化，從而引起地電阻率變動。因此，昌黎地電阻率不僅能觀測到氣溫變化影響，還能觀測到固體潮對地球應變的響應?？梢?，昌黎地電臺是比較敏感的地電臺站。

昌黎地電阻率“冬高夏低”的年變規律主要由地表薄層介質地電阻率季節性變化引起，與當地降雨量有關。降雨量增大，地下表層介質地電阻率降低，地電阻率觀測值減小。利用褶積濾波法可較好去除降雨對地電阻率的影響，對地電阻率年變化進行定性、定量分析，對異常提取和地震預報具有重要意義。

中國地震臺網中心李美、解滔及內蒙古自治區地震局戴勇給予指導，并進行有益探討，河北省水文水資源勘測研究院提供昌黎地區地下潛水位資料，昌黎地電臺周建青、郭建芳等提供寶貴資料，在此表示感謝。

參考文獻

戴勇，高立新，高昌志，等. 寶昌臺地電阻率變化特征[J]. 地震研究，2013，36（3）：358-363.

杜學彬.在地震預報中的兩類視電阻率變化[J]. 中國科學（地球科學），2010，40（10）：1 321-1 330.

桂燮泰，關華平，戴經安.唐山、松潘地震前視電阻率短臨異常圖像重現性[J]．西北地震學報，1989，11（4）：71-75.

韓大宇. 滑動AR譜分析與地震信息處理[J]. 地震學報，1987，9（4）：427-432.

金安忠.地電阻率正常變化和臺站電性剖面關系初步研究[J].地震學報，1981，3（4）：389-396.

廖迎春，等.小波變化在固體潮觀測資料處理中的應用[D].華中科技大學碩士學位論文，2007：17-18.

劉允秀，陳華靜，程瑞年，等. 地電阻率與地下水位、大氣降水關系研究[J].中國地震，1999，15（2）：184-189.

錢復業，趙玉林. 地震前地電阻率變化十例[J].地震學報，1980，2（2）：186-197.

錢復業，趙玉林，于謀明. 地震前地電阻率異常變化[J]．中國科學（B輯），1982，（9）：831-839.

錢復業，趙玉林，許同春. 地電阻率季節干擾變化分析[J]. 地震學報，1987，9（3）：289-302.

錢家棟，陳有發，金安忠. 地電阻率法在地震預報中的應用[M]. 北京：地震出版社，1985.

錢家棟，趙玉林，桂燮泰等. 中國地震預報方法研究——國內外地電預報地震研究動態與展望[M]. 北京：地震出版社，1991：266-276.

錢家棟，曹愛民. 1976年唐山7.8級地震地電阻率和地下水前兆綜合物理機制研究[J]. 地震，1998，18（Sup.）：1-9.

宋曉磊，黃清華. 降水滲透過程分析及其對視電阻率的影響[J]. 北京大學學報（自然科學版），2006，42（4）：470-477.

宋志平，梅世容，武安緒，等. 巨震前后地震活動度的最大熵譜特征[J]. 地震學報，1997，19（1）：7-12.

王志賢. 地電阻率年變化的一種物理解釋：大柏舍臺不同極距地電阻率觀測結果[J]. 西北地震學報，1981，3（3）：43-47.

解滔，李飛，沈紅會，等.新沂地震臺地電阻率反向年變分析[J]. 地震學報，2013，35（6）：856-864.

解滔，王洪岐，劉立波，等.四平臺地電阻率相反年變有限元數值分析[J].地球物理學進展，2014，29（2）：588-591.

解用明，喬子云，張躍剛，等.降雨與電阻率的變化[J]. 山西地震，2005，（3）：17-19.

嚴玲琴，鄭衛平，張輝，等.臨夏臺地電阻率變化與震兆現象分析[J]. 中國地震，2013，29（1）：168-176.

葉青，杜學彬， 周克昌，等.大地電場變化的頻譜特征[J]. 地震學報，2007，29（4）：382-390.

張國苓，喬子云，賈立峰，等.隆堯地電阻率與地下水位關系分析[J]. 地震地磁觀測與研究，2013，34（5/6）：141-143.

張國苓，喬子云，賈立峰，等. 首都圈數字電磁波變化特征[J]. 地震地磁觀測與研究，2014，35（1/2）：104-108.

張學民，王志賢，臧明珍，等. 降雨對地電阻率干擾的分析[J]. 華北地震科學，1996，14（4）：71-75.

張學民．地電阻率的年變畸變異常分析[J].地震地磁觀測與研究，2004，25（1）：68-74.

張學民，李美，關華平. 汶川8.0級地震前的地電阻率異常分析[J]. 地震，2009，29（1）：108-115.

趙和云，張文孝，楊明芝. 地電阻率觀測中一類反常年變化的分析討論[J]. 西北地震學報，1985，7（01）：4-11.

趙玉林，盧軍，張洪魁，等. 電測量在中國地震預報中的應用[J]. 地震地質， 2001，23（02）： 277-285.

Alexander KS, Mikhail I P, Zinovy MM. Correction of the electromagnetic monitoring data for tidal variations of apparent resistivity[J]. Journal of Applied Geophysics, 2002, 49: 91-100.

Fougere P F，Zawalick E，Radoskc H R. Spontaneous line splitting in maximum entropy power spectral analysis [J]. Phys Earth Planet Interi，1976, 12: 201-207.

Lu J, Qian F Y, Zhao Y L. Sensitivityanalysis of the Schlumberger monitoring array: Application to changes of resistivityproior to the 1976 rathquake in Tangshan, China [J]. Tectonophysics, 1999, 307（3）： 397-405.

Lu J, Xue S Z, Qian F Y, et al. Unexpectedchanges in resistivity monitoring for earthquakes of the LongmenShan in Sichuan, China, with a fi xed Schlumberger soundingarray[J]. Physics Earth Planet Inter, 2004, 145（1/2/3/4）： 87-97.

Spectrum characteristics of georesistivity at Changli Seismic Station in Hebei Province

Zhang Guoling1)，Qiao Ziyun1)，Jia Lifeng1)，Wang Yanrong2)and Tong Xin2)
1) Earthquake Administration of Hebei Province，Shijiazhuang 050021，China
2) Qinhuangdao Seismic Station，Hebei Province 066100，China

Abstrat

The spectrum characteristics of diurnal and annual variation have been identi fi ed by maximum entropy method， based on georesisticity data at Changli Seismic Station， Hebei Province. The study shows that the amplitude of the 24 h diural wave is the largest in georesistivity diural variation， followed in turn by the 12 h semidiural wave and 8 h periodic wave. Georesistivity diural variation is mainly affected by temperture and solid tide. The temperture arising can cause georesistivity to decline. The solid tide can cause disturbance of con fi ned water level， which leads to changing of georesistivity. Georesistivity has signi fi cant annual period of higher in winter and lower in summer， which was controlled by rainfall. We can remove the effect of rainfall from georesistivity by convolution fi ltering method.

Key words:georesistivity，diurnal variation，annual variation，solid tide，rainfall

doi:10. 3969/j. issn. 1003-3246. 2016. 01. 009

基金項目：由國家自然科學基金（41274079）；中國地震局青年震情跟蹤工作任務（2015010403）

作者簡介：張國苓(1986—)，女，石家莊人，助理工程師，碩士，主要從事電磁學和地震預測研究工作。