陽原地電阻率觀測分析

韓和平 馬 佳 張廣莉

（中國河北075800陽原地震臺）

陽原地電阻率觀測分析

韓和平 馬 佳 張廣莉

（中國河北075800陽原地震臺）

由于大秦鐵路橫穿測區，夏季降雨時電極與鐵軌形成通路，對地電阻率觀測造成較大影響，使觀測精度下降。ZD8M觀測系統遠離鐵路并深埋電極后，可以減小地表降雨及地下水位對地電阻率觀測數據的影響，使觀測精度提高。河北陽原地震臺地電阻率觀測系統較好，數據可靠、穩定、連續，觀測時間較長，對晉冀蒙交界地區的成組地震有較好響應，對晉冀蒙及首都圈地區地震監測、預報、地震科學研究中具有重要意義。

地電阻率；精度；干擾；監測預報；映震效果

0 引言

陽原地電臺（以下簡稱陽原臺）地電阻率觀測始于1976年，是中國開展地電阻率觀測比較早的專業臺站之一，地處晉冀蒙交界地區，該區作為華北地區強震監視跟蹤的重點區域，曾發生1981年豐鎮M 5.5、1989年大同M 5.9、1991年大同M 5.8、1998年張北M 6.2等顯著地震。陽原臺地電阻率觀測系統較好，觀測儀器歷經電子自動補償儀DDC-2A到數字地電儀ZD8B、ZD8M的變革，觀測時間較長，數據可靠、穩定、連續，強震前表現出顯著的地震前兆異常，對晉冀蒙交界地區的成組地震有較好響應（張學民等，2003），具有較好的映震效果，對晉冀蒙及首都圈地區地震監測、預報、地震科學研究具有重要作用和意義。

1 觀測背景

1.1 地質構造

陽原臺位于陽原縣西城鎮北關村，處于晉冀蒙3省交界處，張渤地震帶和山西地震帶交匯處，主要活動斷裂為北東東向延展的南山山前斷裂（六棱山山前斷裂）和北山山前斷裂（八棱山山前斷裂），兩條斷裂均為傾向盆地中心的正斷層，地震活動頻繁（圖1）。測點位于斷裂帶和沖積扇上，有利于觀測到來自地殼深部的信息。臺址具有大陸季風性氣候，常年少雨多風，空氣濕度較低。

測區電測深曲線類型為QQ型（圖2），地下電性結構為4層，第1層為第四紀黃土層，夾有礫石；第2層為游泥層；第3層為粘土層；第4層為砂質灰巖層。測區符合地電阻率臺站淺部地電阻率大于10 Ω·m的要求。NE和NW向深部地電阻率差別較小，該區地層具有水平層狀介質結構。

圖1 陽原臺構造地質Fig.1 The tectonic geological map at Yangyuan station

圖2 陽原臺電測深曲線Fig.2 Electric sounding curve at Yangyuan station

1.2 觀測環境

陽原臺地電阻率測區大部分為農田覆蓋，觀測環境較好，工業設施、變電站、高壓線路等符合《地震及前兆數字觀測技術規范》（簡稱《規范》）的要求。大秦鐵路（1987年修建）橫跨陽原臺地電阻率觀測環境保護區，已不滿足《規范》要求，距NW道東供電極（B3）只有20 m。在雨季降雨時電極與鐵軌形成通路，對地電阻率觀測有顯著影響。測區內還有一液化氣站（1993年9月修建），埋設金屬管道，對地電阻率觀測有一定影響（韓和平等，2005）。測區周圍為農田，NW道西測量電極（M3）附近有一個小型養羊場，建于2014年4月，位于NW測線北邊，距M3電極約100 m； NW道東測量電極（N3）附近有2個蘑菇大棚，建于2010年，位于NW測線南邊，距N3電極約200 m（圖3）。這2個建筑規模較小，用電用水量較小，對地電阻率觀測影響不大。

1.3 觀測系統

陽原地震臺地電阻率觀測布設N22°E 和N68°W 測道，供電極距AB=1.2 km，測量極距MN=0.2 km，采取正十字交叉布極，布極示意見圖3。1976年7月—2001年6月使用DDC-2A模擬儀器觀測，標稱精度不大于1.5%測值；2001年6月至今使用ZD8B數字地電儀觀測，電壓測量最大容許誤差為±1%讀數+0.1%滿度值。2013年上半年在中國地震背景場項目河北分項目建設中，對陽原臺地電阻率觀測進行改造，觀測系統升級為ZD8M地電儀，布設N45°E、N45°W測道，測區向北進行移動，供電極距1 km，測量極距0.3 km，供電、測量電極采用100 cm×150 cm×5 cm 長方體鉛板制作，電極埋深15—20 m。目前兩套觀測系統并行觀測，穩流源隨地電儀更換而變更（表1）。

圖3 地電阻率觀測示意Fig.3 The resistivity pole and environmental

表1 陽原地震臺地電阻率觀測使用儀器和穩流源Table 1 Resistivity observation instrument and current source list at Yangyuan Seismic Station

2 觀測精度

陽原地電阻率自1976年觀測以來，具有較清晰的冬高夏低年變規律，觀測資料穩定，數據產出連續。DDC-2A 模擬觀測系統每日觀測5次，產出地電阻率每次觀測值和日均值；ZD8B和ZD8M數字觀測系統每日整點觀測24次，產出地電阻率小時值和日均值。表2為該臺不同時期、不同儀器的數據完整率和觀測精度統計結果。1976—2000年模擬觀測地電阻率數據完整率n/N為100%，2001年數字地電儀投入觀測以來n/N為99.80%，背景場儀器ZD8M儀器觀測2年數據完整率為99.95%，滿足《規范》要求。地電阻率觀測精度由相對均方差σn-1/ρs(%)、日均值相對均方差/ρs(%)、小時值均方差的月均值/ρs(%)來衡量，數據越小證明地電阻率觀測精度越高，當觀測精度/ρs(%)＜0.3%時，日常小時觀測值相對于前一天的日均值變化一般不超過1%，測數據可利用性高，映震能力強。從表2可以看出：3套觀測系統地電阻率觀測數據月均值的相對均方差σn-1/ρs(%)為0.12—0.24，日均值相對均方差月均值/ρs(%)為0.20—0.35，小時值均方差月均值/ρs(%)為0.20—0.42。由于背景場ZD8M儀器電極埋深大且布極區遠離大秦鐵路，從而減小了降雨對觀測數據的干擾，觀測精度高、觀測數據穩定、映震能力強，從試運行近兩年觀測數據穩定，每月觀測精度均不大于0.20，數據可用性強； ZD8B儀器電極埋深淺，測區有大秦鐵路穿過，在降雨時電極與鐵軌形成通路，觀測數據干擾比較嚴重，觀測精度低；模擬觀測DDC-2A儀器雖然電極埋深較淺，但測區無大秦鐵路穿過，精度略高于ZD8B儀器。

表2 陽原臺地電阻率數據完整率與觀測精度Table 2 Integrity and accuracy of resistivity data at Yangyuan Seismic Station

3 主要干擾

3.1 降雨影響

陽原臺地電阻率資料每逢雨季出現突變，且N68°W測道比N22°E測道受降雨影響嚴重。統計2003年以來陽原地區降雨量，發現陽原日電阻率受降雨影響較明顯，降雨

后地電阻率測值開始下降，且降雨量越大下降幅度越大；降雨停止后，隨著地面慢慢變干，測值逐漸恢復到變化前狀態。地電阻率在夏季呈現“山羊胡子”狀變化，主要原因是降雨，機理上與大秦鐵路有關（圖4），降雨時地下電極與鐵軌形成通路，供電后部分電流流向鐵軌，從而造成測值降低。背景場ZD8M觀測系統遠離大秦鐵路，降雨對觀測數據影響降低，觀測精度有很大提高，觀測數據符合《規范》要求。

3.2 地表潛水位影響

與陽原附近地下潛水位對比（圖5），發現NE向地電阻率年變與地表潛水位埋深呈鏡像關系（圖中地下水位指地表潛水位埋深，即水面到地表的距離，水位埋深大，代表水位下降）。地表潛水位埋深年變為冬低夏高，地電阻率年變為冬高夏低，即每年地下水埋深增大，水位下降時間段，地電阻率下降，年變相關系數為0.80。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表表層介質電阻率的變化，是一種與地震無關的干擾變化（張國苓等，2013）。大多數臺站的年變形態為“冬高夏低”的“正增常年變”（如昌黎臺、大同臺等），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，反之冬季降水量少，地電阻率觀測值較高。背景場ZD8M觀測系統由于電極進行深埋（15—20 m），所以觀測數據受地表潛水位的影響幾乎不存在，觀測精度得到進一步提高，觀測數據可利用性進一步提高。

圖4 地電阻率與日降雨量的關系Fig.4 The relationship between resistivity and ainfall

圖5 地電阻率與地下水位關系Fig.5 The relationship between resistivity and groundwater level

4 映震效果

自1976年以來，陽原臺地電阻率共監測到臺站300 km范圍內7次MS5.0以上地震（去除余震），具體參數見表3。

表3 陽原地電阻率映震統計Table3 Correlation of earthquakes and resistivity at Yangyuan Seismic Station

由表3可見，陽原地電阻率對震中距300 km以內地震映震效果較好，尤其是晉冀

蒙交界地區發生的中強地震，在地震前均出現異常變化。這種異常多呈現出比單個地震更為復雜的形態特征，異常往往持續到成組地震中最后一個強震發生后才結束。總體表現為趨勢變化背景下的反復升降，呈現異常持續時間長、幅度大和恢復慢的特點。

4.1 1989年大同成組地震

1989年大同成組地震包括1989年10月18日大同5.7級、10月19日大同5.9級和5.5級、1991年1月29日忻州5.1級地震和1991年3月26日大同5.8級地震。考慮到地電阻率測值時間間隔的有限性，有些地震的前兆異常在時間上難以區分，把10月18日和19日地震合并，以主震考慮，1991年的兩次地震也只考慮大同5.8級地震（張學民等，2003）。陽原臺地電阻率在1989年大同震前變化穩定，在之后的成組地震前卻出現大幅度年變畸變現象，無論是年變化下降幅度還是上升幅度均明顯超出往年（圖6）。

圖6 大同地震和張北地震前陽原地電阻率變化曲線Fig.6 The change of resistivity before Datong and Zhangbei earthquakes at Yangyuan Seismic Station

4.2 1998年張北成組地震

1998年張北成組地震主要包括1998年1月10日張北6.2級地震、1999年3月11日張北5.6級地震和1999年11月1日大同5.7級地震（張學民等，2003）。1998年陽原地電阻率出現年變畸變，主震發生后兩個地震表現為下降—轉平—震后恢復的類型，在1998年和1999年出現年變幅度減小甚至消失的特征，1999年3月張北地震發生在低值異常中段，之后異常持續低值，1999年10月恢復上升，l1月發生大同5.7級地震（圖6）。

5 結束語

陽原地震臺經過測區環境調查，測區內大秦鐵路對地電阻率觀測有較大影響，降雨時電極與鐵軌形成通路影響觀測數據，是引起陽原地電阻率數據變化的主要因素。通過把觀測系統北移，遠離鐵路并深埋電極后，觀測精度（ZD8M觀測系統）得到提高，減小了降雨對觀測數據的影響。地電阻率觀測系統常年穩定，觀測數據連續率好，符合規范要求。陽原地電臺觀測數據對晉冀蒙交界地區多次中強地震反應敏感，映震能力強，地電阻率作為前兆異常，異常多以年變畸變為主。陽原地電阻率觀測對晉冀蒙及首都圈地區震情監視具有重要的作用和意義。

韓和平，王長江，任佳，等.陽原地震臺的改造建設——地電阻率觀測中的干擾及排除[J].華北地震科學，2005，23（1）：57-59.

張學民，劉素英.華北地區成組地震前后的地電阻率異常特征[J].華北地震科學，2003，21（4）：10-1.

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.

Observation and analysis of earth resistivity in Yangyuan

Han Heping，Ma Jia and Zhang Guangli
(Yangyuan Seismic Station,Hebei Province 075800,China)

Since Datong-Qinhuangdao railway passes through the survey area of Yuanyang Seismic Station,and the rail and electrode consist of electric path during summer rainfall,the ground resistivity observation accuracy in the station is greatly impacted on.After the ZD8M observation system is reconstructed by moving far away from the railway and increasing the depth of the electrode,which can reduce the influence of surface rainfall and underground water level on the earth resistivity observation data and improve the accuracy of the observation,the resistivity observation system in Yangyuan station,Hebei Province is in good status,with reliable data and long time stable continuous observation.It has a good response to the grouped earthquakes in the junction of Shanxi,Hebei and Inner Mongolia areas and is of great signifi cance to the earthquake monitoring,prediction and scientifi c research of Jin-Ji-Meng and capital circle area.

resistivity，accuracy，interference，monitoring and forecasting，earthquake response effect

10.3969/j.issn.1003-3246.2016.05.009

韓和平（1974— ），男，臺長，高級工程師，從事地震監測工作。E-mail： he6f@eq-he.ac.cn

本文收到日期：2016-03-30