河北興濟臺地電阻率年變特征分析

賈立峰 張國苓 喬子云 石富強 郭學增

1）河北省地震局，石家莊市槐中路262號 050021

2）陜西省地震局，西安 710068

0 引言

自1966年我國開展地電阻率觀測以來，在大震前記錄到的顯著的中短期異常多以趨勢性下降變化、破年變?yōu)橹鳎ㄥX復業(yè)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，2010）。在中國地電測量中，超過 70%的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(fā)現(xiàn)，年變主要與地電臺址電性斷面、水文地質條件、布極極距等有關（金安忠，1981；王志賢，1981），經(jīng)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(tài)引起地表表層介質電阻率的變化，是一種與地震活動無關的干擾變化（錢家棟等，1985；張學民等，1996；張學民，2004；劉允秀等，1999；解用明等，2005；宋曉磊等，2006；嚴玲琴等，2013）。大多數(shù)臺站的地電阻率年變形態(tài)呈“冬高夏低”的“正常年變”（如昌黎臺、大同臺、陽原臺等），臺址表層介質的地電阻率相對變化的影響系數(shù)為正，降水多的夏季，地表潛水位較高，表層介質含水率升高，表層真電阻率較低，使得地電阻率觀測值低，而冬季降雨量少，地電阻率觀測值較高。部分臺站年變呈“冬低夏高”的“反向年變”形態(tài)，如寧夏海原臺、四川郫縣臺、甘孜臺，當臺站表層介質電阻率的影響系數(shù)為負時（趙和云等，1985、1987；Lu et al，2004；解滔等，2013a），冬季表層介質電阻率升高，地電阻率觀測值降低；而地下水位的反常年變化也可引起地電阻率的反向年變，如隆堯大柏舍臺、嘉峪關（舊）臺、寧夏西吉臺，這與當?shù)氐霓r田灌溉、工業(yè)用水、水庫蓄水有關（張國苓等，2013；錢復業(yè)等，1987）。還有一類年變化，表現(xiàn)為同一臺站不同測道地電阻率年變形態(tài)相反，如江蘇新沂臺、四平臺，這與測區(qū)地下介質的橫向不均勻性有關（解滔等，2013b、2014）。

興濟臺地電阻率N30°E向年變形態(tài)不明顯，N60°W存在“冬低夏高”的“反向年變”，年變幅變化較大，最大為1%，且2個測向的變化趨勢相反。該區(qū)域地下水位較淺，夏季接近地表，冬季在地表下2m左右，存在冬低夏高的年變規(guī)律。本文通過對興濟地電臺周圍地下水位進行調查，搜集了距離臺站10km處姚官屯地下水位月均值變化資料①河北省氣象局，2015，河北省降雨量匯編和本地的月降雨量資料②河北省水文水資源勘測研究院，2015，河北省地下水位匯編，并與地電阻率進行對比分析。結合興濟臺地下介質電測深曲線，利用轉換函數(shù)法計算地電阻率變化特征；通過對環(huán)境干擾因素的調研，分析局部異常體對年變形態(tài)和幅度的影響。

1 觀測臺站簡介

興濟地電觀測站位于河北省滄州市以北約25km的興濟鎮(zhèn)東3km處，處于滄縣隆起的東翼斜坡上（圖1（a）），與東側的黃驊拗陷相鄰，位于滄東斷裂附近，滄東斷裂帶走向 NNE，向北延伸與薊運河斷裂相交。測區(qū)地層以奧陶系灰?guī)r為主，夾第三系頁巖、砂巖，上覆第四系，下為松散沉積層。興濟臺地電阻率觀測始于1982年1月1日，目前觀測儀器為ZD8B地電儀，布設N30°E、N60°W 2個測向，N30°E向平行滄東斷裂，N60°W向跨斷裂布極，采用對稱四極裝置，供電極距 A2B2和 A4B4均為 2.0km，測量極距 M2N2和 M4N4均為 0.5km（圖1（b））。測區(qū)環(huán)境較好，周圍為農田，地表無河流、水庫，N60°W向地電阻率測區(qū)供電極B4和測量極N4之間有個取土積水坑，本地風沙較大，每年3～4月份大風引起線路擺動，切割磁力線，對地電阻率的觀測精度有一定影響。

圖1 興濟臺構造地質（a）和測區(qū)布極（b）

2 資料分析

從變化趨勢看，興濟臺地電阻率和降雨量、地下水位變化可以分為3個階段（圖2），圖2中水位值為地下水位的埋深，即地表潛水位距地表的距離，埋深增大代表地下水位下降；反之，埋深減小代表地下水位上升。2004～2007年降雨量較少，地表潛水位埋深增大，地下水位下降，N30°E向地電阻率呈趨勢性上升變化，N60°W向地電阻率下降；2008～2013年降雨量大，地下水位較淺且變化趨勢轉平，N30°E向和 N60°W向地電阻率變化平穩(wěn)；2014年降雨量較少，地表潛水位埋深增大，地下水位較2013年大幅下降，2013年9月份以來N30°E向地電阻率呈趨勢性上升，N60°W向地電阻率年變幅減小。結果表明，興濟臺地電阻率的變化趨勢可能與該區(qū)域的降雨量和地下水位變化有關。

圖 2 興濟地電臺N30°E（a）、N60°W（b）向地電阻率月均值、月降雨量、地下水位

從年變周期看，夏季降雨量大，地表潛水位埋深較小，水位高，表層介質地電阻率相對較低；冬季降雨量少，地表潛水位埋深較大，水位低，表層介質地電阻率相對較高。興濟臺N30°E向地電阻率年變形態(tài)不明顯；N60°W向地電阻率的年變化在夏季降雨量較大、地下水位較高、表層介質地電阻率降低時，觀測值反而上升，存在“冬低夏高”的“反向年變”，年變化幅度較大。興濟臺地下介質電測深結果顯示（圖3（a）），測區(qū)地下介質比較均勻，為4層H型電性結構。表1是依據(jù)圖2（a）中電測深曲線以水平層狀模型計算得到的測區(qū)地層電性結構。

如果將視電阻率測區(qū)任意劃分為N塊區(qū)域，每一塊區(qū)域介質電阻率為 ρi，i＝1，2，…，N，在測區(qū)電性結構確定、觀測裝置和極距以及布極位置確定時，視電阻率ρa是各分區(qū)介質電阻率ρi的函數(shù)（錢家棟等，1985、1998；Park et al，1991；Lu et al，2004）

在多數(shù)情況下，各分區(qū)介質電阻率在一定時間內的相對變化非常小，Δρi／ρi?1，因此將式（1）作Taylor級數(shù)展開，二階及高階項遠遠小于一階項，可忽略不計。視電阻率相對變化可以簡單地表示為各分區(qū)介質電阻率相對變化的加權和，即

表1 興濟臺水平層狀電性結構

式中，Bi被稱之為影響系數(shù)，

同時Seigel（1959）影響系數(shù) Bi滿足如下關系：

采用解析表達式和四極裝置濾波器算法，按表1的層狀電性結構，在水平層狀均勻模型下計算地電斷面各層介質地電阻率變化對地電阻率觀測的影響系數(shù)（姚文斌，1989；O'Neill，et al，1984），各層介質影響系數(shù)隨供電極距AB的變化如圖3（b）所示，供電極距AB增大時，地表地電阻率第一層介質影響系數(shù)迅速減小。用 ρas表示地表觀測的地電阻率，當 AB＝2000m，MN＝750m時，興濟臺地電阻率ρas相對變化值為

興濟臺地下表層介質影響系數(shù)為0.0058，表明地表介質電阻率對地電阻率觀測影響不大，且隨著地表介質地電阻率減小，地電阻率觀測值下降，即夏季降雨量大，表層地表潛水位埋深減小，水位上升時，地電阻率值略微下降，這與N30°E地電阻率觀測結果較為一致，與N60°W向地電阻率的觀測結果恰好相反。

圖3 興濟臺電測深曲線（a）和各層介質影響系數(shù)B（b）

3 地下水位對地電阻率觀測的影響

圖4 興濟臺地電阻率受地表潛水位影響的模擬結果

地下水位變化時探測體上部的電性參數(shù)必然發(fā)生變化，直接影響地電阻率的變化，N60°W向、N30°E向的地電阻率變化與地下水位有較好的相關性。根據(jù)錢復業(yè)等（1987）的分析可知：地下潛水位較淺時，可將潛水面認為是地下介質第一層和第二層的分界面，可以觀測到地電阻率和地下水位類似的年變化動態(tài)。當?shù)叵聺撍唤档蜁r，介質表層第一層即高阻層厚度h1增大，第二層飽水的低阻層厚度h2減小。結合興濟地電臺電測深曲線，利用地電阻率轉換函數(shù)的遞推公式計算水平層狀模型和對稱四極觀測裝置的地電阻率值。我們模擬了地下水位0～10m時地電阻率的理論計算值（圖4），地表潛水位埋深增大，水位下降時，理論上地表地電阻率增大。2013年8月～2015年2月水位埋深增大了2.21m（圖2），理論上地電阻率增幅為0.02Ω·m，而實際觀測數(shù)據(jù)顯示，N30°E向地電阻率在此期間由9.19Ω·m上升至9.22Ω·m，增幅為0.03Ω·m。說明近年來興濟臺N30°E向地電阻率的趨勢性上升變化是由于地表潛水位下降引起的。2004年以來地下潛水位的年變幅度為1m左右，可引起地電阻率的變化小于0.01Ω·m，為地電阻率觀測值的1‰，所以N30°E向地電阻率的年變化不明顯。

4 水坑對地電阻率觀測的影響

興濟臺地電阻率 N60°W向具有“冬低夏高”的“反向年變”，年變幅較大，部分年份年變幅度高達0.08Ω·m，為地電阻率觀測值的1%，趨勢性變化與N30°E向的剛好相反。根據(jù)圖3（a），興濟臺地下介質比較均勻，認為 N60°W向地電阻率的年變不只是由于電性結構、地表潛水位和降雨量的變化引起的，可能是由于測區(qū)中存在長期干擾。經(jīng)環(huán)境調研，N60°W向測量電極N4、供電極B4之間有個長約300m、寬150m的因取土而形成的水坑，坑的深度在逐年加大，目前已超過10m。夏季時，坑內水位較高，接近地表，冬季由于人工抽水，土坑接近干涸，水面到地面的距離接近10m，使得測區(qū)內局部地區(qū)水位變化較大。根據(jù) Lu等（2004）針對局部電性異常體對觀測的干擾形態(tài)分布研究，測區(qū)不同區(qū)域介質對觀測的三維影響系數(shù)分布顯示，在供電極和測量極之間的一似橢球區(qū)域內影響系數(shù)為負，其余區(qū)域為正，愈靠近電極，影響系數(shù)絕對值越大。興濟臺測區(qū)取土坑位于供電極和測量極之間，這使得興濟 N60°W向地電阻率為負變化。夏季時，水坑中存滿水，水的地電阻率小于巖石的地電阻率，N60°W向地電阻率增大，為年變極大值，冬季時，水坑干涸，空氣的地電阻率大于巖石的地電阻率，N60°W向地電阻率減小，為年變極小值，與觀測結果相符。因此，興濟臺N60°W向地電阻率年變動態(tài)主要受取土水坑蓄水量的影響。

5 討論與結論

在興濟臺地電阻率環(huán)境調研的基礎上，分析地表潛水位、測區(qū)水坑對興濟臺不同測道地電阻率年變的影響，得到如下認識：

興濟臺地電阻率N30°E向變化與地表潛水位變化趨勢一致，潛水位埋深增大，水位下降造成地表介質地電阻率增大和厚度的增加，地電阻率上升，這與興濟臺地下介質表層影響系數(shù)為正有關。當?shù)氐叵滤荒曜兎炔淮螅琋30°E向地電阻率年變動態(tài)不明顯，與興濟臺地下介質表層影響系數(shù)較小有關。對于地下介質比較均勻、各測道裝置極距基本相同的情況，同一臺站不同測道年變形態(tài)和年變幅度差別很大，是由于地電阻率測區(qū)內存在局部異常體引起的（解滔等，2014）。興濟臺地電阻率 N60°W向變化趨勢與N30°E向相反，且年變幅較大，與 N60°W向測區(qū)內供電極和測量極之間存在水坑有關，水坑所處位置對地電阻率影響系數(shù)為負，使得 N60°W向地電阻率出現(xiàn)反向年變化。中國其他的地電臺站也出現(xiàn)過類似的情況，如臨夏臺EW測道供電極和測量極之間開挖土層，其位于測道影響系數(shù)為負的區(qū)域，將引起地電阻率下降變化；騰沖臺在NS測道N供電極附近開挖了一規(guī)模較大的觀景湖，該觀景湖位于NS測道影響系數(shù)為負的區(qū)域，位于EW測道為正的區(qū)域，且距離NS測道更近，引起NS測道的上升變化和EW測道的下降變化，且NS測道上升幅度應大于EW測道的下降幅度。本文對取土積水坑這個局部異常體對地電阻率的影響研究還處在定性分析階段，若結合電測深和地質剖面資料建立三維空間非均勻介質有限元模型，對干擾源進行定量的分析對異常的提取和地震預測是有意義的。

致謝：中國地震臺網(wǎng)中心盧軍、解滔給予了重要指導，河北省水文水資源勘測研究院提供滄州地區(qū)地下潛水位資料，評審專家提出了中肯有價值的修改意見。在此一并致謝。