大柏舍地電阻率干擾分析

趙志遠(yuǎn) 宋 昭 羅 娜 王 靜胡秀娟 張 波 高登平

（中國(guó)河北055350紅山基準(zhǔn)地震臺(tái)）

大柏舍地電阻率干擾分析

趙志遠(yuǎn) 宋 昭 羅 娜 王 靜胡秀娟 張 波 高登平

（中國(guó)河北055350紅山基準(zhǔn)地震臺(tái)）

對(duì)大柏舍地震臺(tái)地電阻率常見(jiàn)干擾因素進(jìn)行調(diào)研，分析干擾產(chǎn)生原因及識(shí)別方法，著重分析不同干擾源引起的曲線變化特征，以期對(duì)地電阻率資料處理、異常識(shí)別等工作具有指導(dǎo)意義。

地電阻率；干擾因素；地下水位；降雨

0 引言

地電阻率觀測(cè)是中國(guó)較為成熟的地震前兆監(jiān)測(cè)手段之一，通過(guò)多年地電阻率探測(cè)研究積累了大量觀測(cè)資料，取得不少極具價(jià)值的震例異常信息（毛桐恩等，1999）。研究發(fā)現(xiàn)，地電阻率觀測(cè)系統(tǒng)供電極距以≥1 000 m為宜，由于觀測(cè)場(chǎng)地跨度較大，容易受到降雨、大霧霜凍、居民用電等外界因素干擾，只有正確識(shí)別和排查各種干擾，才能準(zhǔn)確捕捉地震前兆異常信息。本文分析大柏舍地震臺(tái)（以下簡(jiǎn)稱大柏舍臺(tái)）多年地電阻率觀測(cè)資料，發(fā)現(xiàn)地電阻率主要受地下水位、氣溫和降雨影響，大霧霜凍、風(fēng)擾、大地電流場(chǎng)等也會(huì)對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)造成一定干擾。

1 臺(tái)站地電阻率觀測(cè)參數(shù)

大柏舍臺(tái)位于邢臺(tái)地區(qū)中部的隆堯縣，地處新河斷裂帶。大柏舍臺(tái)地電阻率采用對(duì)稱四極法觀測(cè)，外線路采用架空方式，有NS、EW兩個(gè)測(cè)向，其中供電極距為1500 m，測(cè)量極距為500 m，裝置系數(shù)K=3.142 km，中心桿到觀測(cè)室距離約609 m。供電電極和測(cè)量電極材料均為鉛板，尺寸為90 cm×90 cm和70 cm×70 cm，測(cè)區(qū)內(nèi)8個(gè)電極埋深均2.5 m，測(cè)區(qū)環(huán)境見(jiàn)圖1。

2 干擾分析

隨著經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展和農(nóng)村城市化進(jìn)程的有力推進(jìn)，測(cè)區(qū)環(huán)境發(fā)生變化，地電阻率觀測(cè)經(jīng)常受到幅度較大的不穩(wěn)定干擾因素影響（張磊等，2010）。在此收集大柏舍臺(tái)多年地電阻率觀測(cè)資料進(jìn)行異常分析，排查原因并確定干擾源。

2.1 地電阻率中長(zhǎng)期變化趨勢(shì)

地電阻率觀測(cè)主要反映地下介質(zhì)的電性變化。由于變化緩慢，需要對(duì)多年觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析（馮志生等，2004）。大柏舍臺(tái)地電阻率中長(zhǎng)期變化呈準(zhǔn)線型緩慢上升，變化幅度小于1.5%，見(jiàn)圖2。為了消除各類觀測(cè)值的隨機(jī)干擾，突出各參量的周期變化和趨勢(shì)變化，采用日均值計(jì)算地電阻率與氣溫和降雨的相關(guān)程度。相關(guān)系數(shù)計(jì)算公式為

式中，τ為相關(guān)系數(shù)計(jì)算值，xi、yi分別為地電阻率觀測(cè)值和氣溫或降雨觀測(cè)值，分別為地電阻率平均值和氣溫或降雨平均值。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

圖1　大柏舍臺(tái)地電阻率測(cè)區(qū)環(huán)境Fig.1 The geo-electric resistivity observation environment around Dabaishe Seismic Station

圖2　大柏舍臺(tái)地電阻率、降雨和溫度時(shí)序曲線Fig.2 Curves of earth resistivity，rainfall and temperature at Dabaishe Seismic Station

表1　大柏舍臺(tái)地電阻率與氣溫、降雨量相關(guān)系數(shù)Table 1 Correlation of earth resistivity，temperature and rainfall at Dabaishe Seismic Station

圖3　大柏舍地電阻率與地下水位關(guān)系Fig.3 Relationship between the ground water level and earth resistivity at Dabaishe seismic Station

據(jù)研究，地電阻率觀測(cè)值與氣溫、降雨變化存在一定負(fù)相關(guān)關(guān)系（錢復(fù)業(yè)等，1987）。從表1可以看出，大柏舍臺(tái)地電阻率呈現(xiàn)夏高冬低的形態(tài)，與氣溫、降雨無(wú)明顯負(fù)相關(guān)，在某些時(shí)段存在一定正相關(guān)。調(diào)查地震臺(tái)周圍環(huán)境，發(fā)現(xiàn)臺(tái)站東南約4 km、隆堯縣柏舍鄉(xiāng)永興村北200 m處有一口水井——永興井。該井1985年1月建井，井深52.7 m，水位觀測(cè)資料較好。從河北省水文水資源勘測(cè)局搜集永興井2001—2015年水位變化資料，采用月均值數(shù)據(jù)，與大柏舍臺(tái)地電阻率EW、NS測(cè)道地電阻率數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，見(jiàn)圖3。計(jì)算得出，地電阻率EW、NS測(cè)道與地下水位相關(guān)系數(shù)分別為0.893、0.889，說(shuō)明大柏舍地電阻率上升變化與河北平原區(qū)地下水位變動(dòng)有一定關(guān)系。

2.2 大霧霜凍干擾

溫度具有短周期變化特征，且對(duì)地電阻率觀測(cè)具有明顯影響。研究結(jié)果表明，溫度升高時(shí)，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（錢復(fù)業(yè)等，1987）。2013年12月受大霧霜凍天氣影響，大柏舍地電阻率觀測(cè)系統(tǒng)ρs值經(jīng)常出現(xiàn)明顯突跳，幅度1.0%—2.0%（圖4）。檢查發(fā)現(xiàn)，EW測(cè)道線路老化，而大霧霜凍天氣時(shí)容易出現(xiàn)水滴，ρs值突跳可能與此有關(guān)。2014年檢查地電阻率觀測(cè)裝置線路，更換老化線路，之后大霧霜凍天氣時(shí)ρs值突跳明顯減少。

2.3 風(fēng)擾

地電阻率觀測(cè)中的風(fēng)擾，實(shí)際上是懸空的測(cè)量線在大風(fēng)下作不規(guī)則大幅度擺動(dòng)，切割地磁場(chǎng)磁力線，在測(cè)量線路中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，對(duì)觀測(cè)造成干擾。大柏舍臺(tái)地電系統(tǒng)外線路采用架空方式，布設(shè)位置地勢(shì)開(kāi)闊，容易受到大風(fēng)干擾，觀測(cè)數(shù)據(jù)出現(xiàn)突跳，強(qiáng)風(fēng)季節(jié)尤為明顯，幅度約1.2%。根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，回路包圍面積內(nèi)的磁通量發(fā)生改變，回路上會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)εi，且與磁通量Φ的變化率成正比，即

式中a為比例系數(shù)。架空線路越長(zhǎng)，線路越松，導(dǎo)線在風(fēng)中搖擺幅度就越大，dΦ/dt可能就越大（國(guó)家地震局預(yù)測(cè)預(yù)防司，1998）。

風(fēng)擾造成大柏舍臺(tái)2014年12月28日NS測(cè)向地電阻率值突跳，幅度為1.5%，見(jiàn)圖5。根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，當(dāng)外線路松動(dòng)時(shí)，可以拉近線路減小風(fēng)擾，或者采取地埋方式避免風(fēng)擾影響。巡視場(chǎng)地環(huán)境時(shí)對(duì)架空線路進(jìn)行固定，受風(fēng)擾影響明顯減小。

圖4　大柏舍臺(tái)地電阻率受大霧霜凍干擾Fig.4 Fog and frost disturbance on earth resistivity at Dabaishe Seismic Station

圖5　大柏舍臺(tái)地電阻率風(fēng)擾曲線Fig.5 Wind disturbance on earth resistivity at Dabaishe Seismic Station

2.4 大地電流場(chǎng)干擾

大地電流場(chǎng)對(duì)地電阻率觀測(cè)值具有不容忽視的影響。大地電流場(chǎng)和地磁場(chǎng)成因上具有相關(guān)性，且與太陽(yáng)活動(dòng)和電離層活動(dòng)關(guān)系密切。磁暴及強(qiáng)磁擾會(huì)對(duì)大片區(qū)域的地電阻率觀測(cè)值產(chǎn)生不同程度的擾動(dòng)（國(guó)家地震局預(yù)測(cè)預(yù)防司，1998）。

對(duì)于大柏舍臺(tái)地電阻率均方差時(shí)測(cè)值，NS測(cè)向一般為0.05—0.10，EW測(cè)向較小，一般為0.02—0.08，無(wú)干擾時(shí)均約0.05。圖6為2013年10月1日—5日大柏舍臺(tái)地電阻率均方差時(shí)測(cè)值曲線，可見(jiàn)10月2日NS向測(cè)值達(dá)2.5以上，EW向達(dá)0.45，此時(shí)紅山地震臺(tái)GM4-1儀記錄的地磁K指數(shù)高達(dá)6。由此可知，磁暴持續(xù)時(shí)間內(nèi)，磁場(chǎng)水平分量發(fā)生大幅變化，產(chǎn)生較強(qiáng)地磁感應(yīng)電流，對(duì)地電阻率觀測(cè)精度造成很大影響。

圖6　大柏舍臺(tái)地電阻率均方差時(shí)測(cè)值曲線Fig.6 Mean square error of earth resistivity at Dabaishe Seismic Station

3 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)大柏舍地震臺(tái)地電阻率中長(zhǎng)期變化趨勢(shì)進(jìn)行分析，認(rèn)為其變化形態(tài)主要受地下水位、氣溫和降雨的影響，同時(shí)分析大風(fēng)、大霧霜凍、大地電場(chǎng)等因素的干擾特征和干擾幅度，有利于正確識(shí)別并排除地電阻率觀測(cè)常見(jiàn)干擾，提取地震前兆信號(hào)，加強(qiáng)對(duì)地電阻率觀測(cè)精度和數(shù)據(jù)質(zhì)量的認(rèn)識(shí)。區(qū)域應(yīng)力變化不可能是短期現(xiàn)象，因此大柏舍地震臺(tái)地電阻率的斜型變化會(huì)持續(xù)多年，在日常觀測(cè)中出現(xiàn)突然加速或轉(zhuǎn)折現(xiàn)象時(shí)，應(yīng)及時(shí)排查，并定期維護(hù)觀測(cè)系統(tǒng)，提高觀測(cè)精度。

國(guó)家地震局預(yù)測(cè)預(yù)防司.電磁學(xué)分析預(yù)報(bào)方法［M］.北京：地震出版社，1998.

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Abstract

Based on the research of different disturbance source，which is so common at the observation data at Dabaishe Seismic Station，we have summarized some reasons and recognition methods for different disturbance factors.At the same time，we pay more attention to earthquake reflecting ability in order to guide our work about earthquake monitoring and prediction such as data analysis and anomaly identification.

Analysis of the disturbance factors of earth resistivity at Dabaishe Seismic Station

Zhao Zhiyuan，Song Zhao，Luo Na，Wang Jing，Hu Xiujuan，Zhang Bo and Gao Dengping
（Hongshan Benchmark Seismic Station，Hebei Province 055350，China）

earth resistivity，disturbance factors，ground water level，rainfall

10.3969/j.issn.1003-3246.2016.03.023

趙志遠(yuǎn)（1989—），男，2013年畢業(yè)于中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)，本科，現(xiàn)主要從事地震前北數(shù)據(jù)處理與分析報(bào)工作。E-mail： shetu2008@163.com