河北省地電阻率干擾分析

羅 娜喬子云賈立峰盛艷蕊王 靜宋 昭趙志遠張 波1）中國河北055350紅山基準地震臺2）中國石家莊050021河北省地震局

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河北省地電阻率干擾分析

羅 娜1)喬子云2)賈立峰2)盛艷蕊2)王 靜1)宋 昭1)趙志遠1)張 波1)
1）中國河北055350紅山基準地震臺2）中國石家莊050021河北省地震局

摘要通過河北省地電阻率觀測資料整理、干擾源調研及時序分析，總結各類干擾源表現形態及干擾機制，并提出排除干擾的方法，為有效識別地電阻率干擾、異常判定及地震預測預報提供依據。

關鍵詞地電阻率；變化形態；干擾機制

E-mail: luona0104@163.com

本文收到日期：2015-09-10

0 引言

地震在孕育過程中，震源區應力積累以及巖體內的微裂膨脹，均會引起該區域地下介質電性結構改變（程鑫等，2011）。電阻率是地殼介質的一項重要物理參數，利用地電阻率觀測，可以了解地下應力變化和巖體破裂過程，地電觀測來已成為地震預報的主要手段之一，在中期和短期地震監測預報中起著重要作用（荊紅亮等，2009；解滔等，2011）。

隨著社會經濟的快速發展，城市化進程的加快，地電阻率觀測資料受到不同程度的干擾，無論從形態還是變幅量級，某些干擾易與震兆混淆，給地電阻率異常判別和地震預報實際應用帶來很大困難。因此，有效排除地電阻率觀測的干擾，正確拾取震兆信息，已成為一項重要工作（張磊等，2010；王燚坤等，2011）。地電阻率數字化改造以來，部分省份逐漸總結出一些干擾類型（李菊珍等，2004；何康等，2010；陳遠東等，2010；解滔等，2013），主要包括觀測系統故障、氣候變化（雷電、降雨、大風、大霧）、游散電流（工農業漏電、直流運輸系統干擾等）、測區內局部異常體（金屬管網、挖土水坑等），并對其特征進行分析。

本文主要針對河北省4個臺站地電阻率資料，結合觀測系統運行及觀測日志，對常見干擾的變化形態和干擾機制進行分析，對資料影響的時間長度進行分類整理，提出解決干擾問題的建議，為地電阻率干擾識別、震情跟蹤及異常提取提供依據。

1 觀測概況

1966年邢臺地震后，河北省開展規模化、規范化的地電阻率監測，經過近50年發展，目前地電臺網包括大柏舍、昌黎、陽原、興濟4個觀測臺站。地電阻率觀測采用對稱四極法，觀測儀器為ZD8B，供電極距1 000—2 000 m，測量極距200—500 m（表1），供電電極和測量電極埋深約2 m。4個臺站均分布在斷裂帶上，基礎資料完備，數據觀測質量較好，在唐山MS7.8、大同MS5.9、張北MS6.2等地震前均有較好反映，對首都圈地區震情監視起到重要作用。

表1　河北省地電阻率布極參數Table 1 The electrode arrangement parameters of Earth resistivity in Hebei Province

2 短期干擾

2.1 觀測系統故障

地電阻率觀測系統由供電系統和測量系統兩大部分組成（錢家棟等，1985），當觀測系統中任一觀測環節出現儀器故障、線路接觸不良、線路漏電等情況時，地電阻率出現超出穩定背景值范圍變化，有時甚至無法觀測。

2010年2月8日—9日大柏舍臺EW向地電阻率數據出現大幅突跳上升變化，最大變化幅度7.27 Ω·m，調查發現，此段時間為大霧霜凍天氣，由于外線路老化，惡劣天氣易引起線路局部漏電，從而導致地電阻率突變［圖1(a)］。大柏舍臺NS向地電阻率數據2014年7月8日6時至13時發生突變，最大變化幅度0.74 Ω·m［圖1(b)］，檢查外線路發現，北供電極引線遭受腐蝕，線路接觸不良，導致觀測數據發生突變，更換電極引線后，觀測數據恢復正常。

圖1　大柏舍臺地電阻率整點值曲線Fig.1 Earth resistivity hour-point values at Dabaishe Seismic Station

由于測量電極的引線長期暴露在空氣中，經風吹、日照、雨淋及氧化等，容易破損，造成觀測數據突變。現增加巡檢次數，以便及時發現問題，避免此類干擾引起觀測數據變化，盡快恢復觀測。

2.2 大風干擾

每年3—4月，由于冷暖空氣強對流作用和地面低氣壓的快速移動，大柏舍臺和興濟臺風力量大、刮風次數頻繁，平均風力4級左右，最大風力可達6級。大風可以使懸空的測量線做不規則大幅度擺動，切割地磁場磁力線，在測量線路中產生感應電動勢（錢家棟等，1985）。大柏舍和興濟地電臺觀測系統外線路采用架空方式，地電阻率測量受大風天氣影響，造成數據觀測精度降低，出現多組較大幅度的突跳變化。由于地電阻率采樣率是小時值，測數間隔時間較長，所以風擾記錄具有較大的隨機性。2010年4月，大柏舍臺有8天大風天氣，地電阻率觀測噪聲增大，數據突跳變化，突跳值與正常值（無大風天氣的月均值）相差3.5 Ω·m左右［圖2(a)］；興濟臺由于大風天氣影響，4月8日17時至18時N60°W測向由8.33 Ω·m下降到7.47 Ω·m，下降幅度0.86 Ω·m，8日日均值較無風擾日變化超過0.3%［圖2(b)］。

目前，河北省興濟臺經國家“十二五”背景場項目改造工程，將地電阻率觀測外線路地埋，經1年試運行觀測，發現觀測數據受大風干擾明顯減小。

圖2　2010年4月地電阻率受大風干擾Fig.2 Earth resistivity disturbed by gale

2.3 直流用電系統干擾

興濟臺距離天津城鐵100 km，地電阻率每天0時—5時觀測精度較高，6時—23時左右干擾較大，電阻率出現較大擾動，數據離散度增大，與城鐵運營時間較為一致。圖3為興濟臺2015年3月1—8日地電阻率整點值及均方差曲線。圖中顯示，城鐵運營期間，地電阻率出現較大擾動變化，均方差較大，城鐵停止后，地電阻率數據比較穩定光滑，均方差較小。

圖3　2015年3月興濟臺地電阻率受城鐵影響(a)N60°W向地電阻率整點值變化曲線；(b)N60°W向地電阻率均方差變化曲線Fig.3 Earth resistivity disturbed by railway

城鐵、地鐵為大功率直流用電設備，當列車運行時，直流電由牽引變電所供給，流經接觸軌中的饋電線，向機車輸送電能驅動機車前進，并經由鋼軌中的一條流回牽引變電所，由于鋼軌自身特性及軌—地絕緣技術、天氣因素等，在鋼軌中的雜散電流對地漏電，形成泄露電流（謝凡等，2011），從而造成對地電阻率觀測的干擾。

2.4 雷雨干擾

雷電是一種強大的電磁干擾（功率在109W以上），雷電距離近，電壓高， 放電瞬間會引起觀測數據的大幅度改變，嚴重時對地充電可導致測區自然電位的急劇增長，并數日不穩定，在落雷區，甚至有可能燒毀儀器或造成人員傷亡（錢家棟等，1985；王燚坤等，2011）。陽原臺2012年8月27日地電阻率儀器遭雷擊，造成數據缺測。

昌黎臺、陽原臺地電阻率降雨時會出現下降變化，下降幅度隨著降雨量的增大而增大，降雨停止后，隨著地面慢慢變干，隨后幾天內觀測值逐漸恢復，變化幅度一般超過0.5%（圖4）。陽原臺N68°W測道比N22°E測道受降雨干擾程度大，是因為N68°W測道南面供電極緊靠大秦鐵路，降雨時地下電極與鐵軌形成通路，供電時有部分電流流向鐵軌。

降雨對地電阻率即時影響的物理過程如下：在降雨當天或第2天，地表有極薄的一層飽水層，表層地電阻率迅速下降；降雨過后，隨著時間的推移，雨水逐漸下滲、流失、蒸發等，使得受雨水影響的深度逐漸增加，而水的飽和程度逐漸減小并最終恢復到原來的程度，表層地電阻率則緩慢恢復（趙和云等，1986）。若表層介質影響系數為正，則降雨使得地電阻率觀測下降，反之，表層影響系數為負，則地電阻率上升，如甘肅嘉峪關臺、寧夏海原臺。

圖4　2014年地電阻率受降雨影響Fig.4 Earth resistivity disturbed by rainfall in the year 2014

3 中長期干擾

地電阻率觀測臺站受自身臺址條件限制，觀測深度較淺，觀測值受到氣溫、降雨、地下水位等因素的影響，具有準年變周期和趨勢變化。

3.1 降雨量影響

昌黎臺地電阻率存在“冬高夏低”的年變形態，年變幅度為5%，與降水量有較大關系（圖5）。降水量大的夏季，地下水位高，地電阻率相對較低；降水量小的冬季，地下水位低，地電阻率相對較高。昌黎臺地電阻率長趨勢變化與降水量也有關系，統計2003年以來昌黎地區降水量，2004—2008年降水量比較少，是較為干旱時段，同時昌黎臺地電阻率2005—2009年為趨勢上升變化；2009—2012年降水量較多，尤其是2012年降水量大約是往年的2倍，而昌黎臺地電阻率從2010年2月開始出現下降變化，2013—2014年降雨量偏少，地電阻率轉為趨勢上升變化。地電阻率的趨勢變化與降水量有相吻合之處，但同時存在一定的滯后效應。張學民等（1996）曾利用褶積濾波法，對昌黎臺地電阻率進行降水校正，效果較好。

3.2 地下水位干擾

地下水位變化時探測體上部電性參數必然發生變化，直接影響地電阻率變化（劉允秀等，1999）。大柏舍臺地電阻率存在夏高冬低的“反年變”規律，且具有階段性不同速率的趨勢上升變化。對臺站周邊地下水位調查顯示，地下水埋深受農業開采及降雨的影響，具有夏低冬高年周期變化和趨勢上升變化特征（圖6）。

圖5　2003—2015年昌黎臺EW向地電阻率受降雨影響（a）地電阻率月均值變化曲線；(b)降雨量統計Fig.5 Earth resistivity in the east-west direction, disturbed by rainfall at Changli station

圖6　大柏舍臺地電阻率與地下水位曲線Fig.6 The relationship between groundwater level and earth resistivity at Dabaishe Seismic Station

從年變周期（如2012年、2013年）看，每年3—6月，受冬小麥灌溉影響，水位持續下降；7月雨季開始，地下水開采量減小，地下水位開始回升，11月中旬，受冬灌影響，地下水位上升緩慢或有稍微下降；次年1—2月，由于農業開采地下水減少和太行山前側向徑流的補給作用，2月底達到年內最高水位。這與地電阻率的季節性年變化有較好的對應關系。夏季地下水位比較低時，地電阻率較高，冬季地下水位較高，地電阻率達最低值。從趨勢變化看，2006—2010年地下水位下降，期間隆堯地電阻率上升；2010—2014年地下水位和隆堯地電阻率轉平。通過對大柏舍臺地電阻率NS、EW測向地電阻率與地下水位變化比較分析，計算得出地電阻率NS、EW測向地電阻率與地下水位的相關系數分別為0.92、0.88，說明大柏舍地電阻率與地下水位相關性較好，年變周期變化受地下水位干擾較明顯。張國苓等（2013）通過線性回歸方法有效排除地下水位干擾。

4 結論

河北省地電阻率短期干擾因素主要有觀測系統、雷電、風擾、直流用電系統干擾、降雨等，表現為突跳、臺階，干擾時段結束后，數據逐漸恢復正常。觀測系統故障對地電阻率的影響，自系統恢復后，干擾結束。大風、降雨等氣象因素對地電阻率的影響，采用線路地埋方式可以有效減小。隨著經濟發展，越來越多臺站受到交通軌道影響，興濟臺受城鐵影響，觀測數據信噪比增大，精度降低。交通軌道干擾來自較近車站或遠端的漏電電場，而現有技術無法有效排除此類干擾，因此數據處理采用列車非運行時段的觀測數據。

地電阻率中長期變化主要是降雨量和地下水位引起的，異常識別過程中，應當選用褶積濾波法和相關分析法去掉相應干擾。河北平原地區受地下水開采的影響，已形成巨大漏斗區，近幾年政府限制部分地區地下水開采，地下水位下降速率減慢或者轉平，導致地電阻率發生變化，而非前兆地震異常。

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The analysis of interference factors of earth resistivity in Hebei Province

Luo Na1)，Qiao Ziyun2)，Jia Lifeng2)，Sheng Yanrui2)，Wang Jing1)，Song Zhao1)，Zhao Zhiyuan1)and Zhang Bo1)
1) Hongshan Benchmark Seismic Station， Hebei Province 055350， China 2) Earthquake Administration of Hebei Province， Shijiazhuang 050021， China

Abstract

By sorting out the observation data of earth resistivity in Hebei Province， investigating the interference source and time sequence analysis， summarizing the forms of various interference sources and interference mechanism， the method for eliminating the interference is then put forward. It provides the basis for the effective distinguishing the interference， determining abnormity in the earth resistivity data and predicting earthquake.

Key words:earth resistivity，change shape，interference mechanism

doi:10. 3969/j. issn. 1003-3246. 2016. 01. 012

基金項目：中國地震局青年震情跟蹤工作任務（2015010403）、河北省地震局星火計劃項目（DZ20150422048）和河北省地震科技星火計劃項目(DZ20141226079)聯合資助

作者簡介：羅娜（1981—），女，保定人，工程師，碩士，主要從事電磁學和地震預測研究工作。