降雨對大柏舍地電臺地電阻率觀測的影響

吳鶴帥 羅 娜 趙志遠 張 波 尹小兵

（中國河北 054000 紅山基準地震臺）

0 引言

1966 年邢臺地震發(fā)生后，我國將地球物理勘探電阻率方法用于地震監(jiān)測預(yù)報（杜學(xué)彬，2010；解滔等，2016；張國苓等，2019）。在1976年唐山MS7.8、1988年瀾滄—耿馬MS7.6、2008 年汶川MS8.0 等中強地震前多次記錄到地電阻率異常，且異常通常表現(xiàn)為趨勢性下降、破年變異常變化（錢復(fù)業(yè)等，1980，1991；錢家棟，1993；汪志亮等，1995；王志賢等，1996；張學(xué)民等，2009；錢家棟等，2013；杜學(xué)彬等，2015）。地電阻率觀測已成為研究地震預(yù)報的有效手段之一。

地電阻率觀測易受到觀測系統(tǒng)、電流、局部異常體、水位、降雨等因素的影響（李菊珍等，2004；陳遠東等，2007；張國苓等，2013；羅娜等，2016）。降雨對地電阻率的干擾比較復(fù)雜，既存在即時效應(yīng)，又存在滯后效應(yīng)，與地電阻率季節(jié)性變化相關(guān)較好，需綜合考慮滲透過程、蒸發(fā)作用、電性結(jié)構(gòu)、降雨方式、地形等因素的影響（金安忠，1981；李飛等，2004；張偉峰等，2015）。如：昌黎地電臺地電阻率在降雨當(dāng)天出現(xiàn)大幅下降變化；嘉峪關(guān)地電臺地電阻率在降雨時數(shù)據(jù)反而上升（趙和云等，1986；喬子云等，2019）；代縣臺地電阻率年變動態(tài)主要由降雨造成，且表層介質(zhì)影響系數(shù)為負，具有“反向年變”特征；周至臺地電阻率年變主要是因為地表薄層受降雨、溫度等季節(jié)因素影響（石富強等，2014；郭文峰等，2019）。可以建立滲透模型，分析降雨及滲透過程對地電阻率的影響機制，利用褶積濾波法去除降雨對地電阻率的影響（張學(xué)民等，1996；宋曉磊等，2006）。

河北省大柏舍地電臺（下文簡稱大柏舍臺）始建于1966 年邢臺地震之后，當(dāng)時由蘭州地震大隊建立和管理，屬于國家基本臺，是我國建設(shè)較早的地電臺站。文中以大柏舍地電臺地電阻率觀測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，結(jié)合觀測日志、降雨量數(shù)據(jù)及電性結(jié)構(gòu)，分析不同降雨方式對地電阻率觀測的影響，為地電阻率異常識別提供依據(jù)。

1 大柏舍臺地電阻率觀測概況

大柏舍臺臺址位于邢臺市隆堯縣柏舍村，地處隆堯斷裂和新河斷裂交叉部位（圖1），所在區(qū)域?qū)傩吓_老震區(qū)，周圍斷裂較為發(fā)育，為地震監(jiān)測敏感點，觀測數(shù)據(jù)較為可靠，映震效能較好（王志賢，1987；王志賢等，1997）。多年來監(jiān)測預(yù)報評估結(jié)果為A，震例R值平均評分約為0.24。

圖1 大柏舍臺地質(zhì)構(gòu)造Fig.1 Geological structure graph at Dabaishe station

該臺地電阻率測區(qū)地勢平坦，采用對稱四極法進行觀測。“九五”時期，使用ZD8B 儀進行觀測，整點值采樣，布設(shè)NS向測道和EW向測道，兩測道相互垂直，裝置系數(shù)均為3.142，供電、測量電極布設(shè)在農(nóng)田中，采用60 cm × 50 cm × 2 cm 方形鉛板電極，均埋深2 m，供電極距A1B1=A2B2=1.5 km，測量極距M1N1=M2N2=0.5 km（圖2），外線路采用橫擔(dān)絕緣子架空方式。2016 年ZD8M 儀器入庫觀測，外線路采用地埋方式。2017 年11 月，大柏舍臺利用DUK-2A 電法測量系統(tǒng)重新進行電測深勘探，采用水平層狀介質(zhì)模型，得到電測深電性結(jié)構(gòu)與影響系數(shù)，見表1。

表1 大柏舍電測深曲線反演的電性結(jié)構(gòu)Table 1 The electrical structure obtained by inverting electric sounding data at Dabaishe station

圖2 大柏舍臺地電阻率測區(qū)環(huán)境Fig.2 The geoelectric resistivity observation environment around Dabaishe station

2 影響系數(shù)理論

將視電阻率測區(qū)劃分為任意N塊區(qū)域，每塊區(qū)域視為介質(zhì)均勻，設(shè)電阻率為ρi，i=1，2，…，N，在測區(qū)電性結(jié)構(gòu)確定、觀測裝置和極距以及布極位置確定時，視電阻率ρa為各分區(qū)介質(zhì)電阻率的函數(shù)（錢家棟等，1985；Park et al，1991），公式如下

一般，各區(qū)域介質(zhì)電阻率在一定時間內(nèi)相對變化量較小，可對式（1）進行Taylor 級數(shù)展開，其中二階及高階項遠小于一階項，可略去不計，則視電阻率相對變化可表示為各區(qū)域介質(zhì)電阻率相對變化加權(quán)和，公式如下

同時，影響系數(shù)Bi滿足如下關(guān)系

3 降雨對地電阻率觀測的影響

選取大柏舍臺2011—2019 年地電阻率和降雨量資料，分析單日降雨、連續(xù)降雨、雷雨、強降雨對地電阻率觀測的影響。

3.1 單日降雨

2014 年4 月25 日，大柏舍地電測區(qū)出現(xiàn)降雨天氣，臺站記錄降雨量為27.3 mm。觀測數(shù)據(jù)顯示，該臺地電阻率無明顯變化，自然電位差受到影響（圖3），其中：NS 測道自然電位差出現(xiàn)上升—下降變化，上升幅度11.7 mV；EW 測道自然電位差出現(xiàn)下降—上升變化，下降幅度17.2 mV。降雨停止后，隨著天氣放晴地面慢慢變干，兩測道自然電位差在幾天內(nèi)逐步恢復(fù)。

七是打好精準扶貧攻堅戰(zhàn)，走中國特色減貧之路。黨的十八大以來，黨中央以前所未有的政策力度向貧困宣戰(zhàn)，脫貧攻堅取得了舉世矚目的偉大成就。解決好脫貧問題的“最后一公里”，需要充分發(fā)揮政治和制度優(yōu)勢，精準施策，把提高脫貧質(zhì)量放在首位，將發(fā)展農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)、易地扶貧搬遷、生態(tài)補償、發(fā)展教育、社會保障兜底的舉措做細做實，為建成全面小康社會打贏這場具有決定意義的攻堅戰(zhàn)。

圖3 單日降雨對地電阻率和自然電位差影響Fig.3 The effect of single-day rainfall on earth resistivity and spontaneous potential difference observations

3.2 連續(xù)降雨

2015 年5 月1 日至7 日，大柏舍臺當(dāng)?shù)爻霈F(xiàn)連續(xù)降雨，降雨總量達45 mm，其中5 月1 日降雨量25.1 mm。此次降雨對地電觀測的影響見圖4。由圖4 可見，大柏舍臺地電阻率未受降雨影響，NS 測道自然電位差5 月1 日起出現(xiàn)快速上升—下降變化，上升幅度9.5 mV，EW 測道自然電位差出現(xiàn)快速下降—上升變化，下降幅度4.3 mV；在自然電位差數(shù)據(jù)恢復(fù)過程中，5 日再次出現(xiàn)降雨，降雨量12.9 mm，NS、EW 測道數(shù)據(jù)再次出現(xiàn)快速上升、下降變化，降雨結(jié)束后，觀測數(shù)據(jù)緩慢恢復(fù)正常。

圖4 連續(xù)降雨對地電阻率和自然電位差影響Fig.4 The effect of continuous rainfall on earth resistivity and spontaneous potential difference observations

3.3 雷雨

2017 年10 月8 日至10 日，大柏舍地電測區(qū)內(nèi)出現(xiàn)降雨天氣，其中8 日為雷雨天氣，降雨總量為53.3 mm。此次降雨對該臺地電觀測的影響見圖5。由圖5 可見，NS 測道自然電位差8 日出現(xiàn)快速大幅上升—小幅下降變化，18 時至19 時上升幅度41.8 mV，19 時至20 時突降16.4 mV，21 時后開始緩慢下降；EW 測道自然電位差18 時至19 時快速小幅上升6.5 mV，19 時至20 時大幅下降15.3 mV，隨后緩慢上升；9 日、10 日再次降雨，兩測道自然電位差雖有小幅波動，但整體呈恢復(fù)狀態(tài)。

圖5 雷雨對地電阻率和自然電位差影響Fig.5 The effect of thunderstorms on earth resistivity and spontaneous potential difference observations

3.4 強降雨

2016 年7 月18 日—21 日，河北省在低渦及副高外圍暖濕氣流共同影響下，出現(xiàn)當(dāng)年最強一次強暴雨過程，全省平均降水量達154.6 mm，其中邢臺市平均降水204 mm，柏鄉(xiāng)、寧晉、隆堯等4 縣相繼滯洪進水0.2—1.5 m。大柏舍臺19 日、20 日單日降雨量為64.5 mm、50.5 mm，當(dāng)月累計降雨總量高達173.4 mm，較2015 年同期偏多5 倍（邢臺市水務(wù)局，2016；吳麗英等，2018）。

此次降雨過程突發(fā)性強、范圍廣、強度大，大柏舍臺不僅自然電位差受到暴雨干擾，地電阻率觀測也受到影響，見圖6。由圖6 可見，7 月19 日至20 日，大柏舍臺自然電位差出現(xiàn)數(shù)次大幅階變，EW 測道最大變化幅度為43 mV，NS 測道最大變化幅度為20 mV，21 日后逐步恢復(fù)正常變化；7 月19 日以來，地電阻率NS 測道僅7 月20 日出現(xiàn)階變，最大變化幅度為0.37 Ω·m，而EW 測道出現(xiàn)大幅臺階變化，且持續(xù)至8 月14 日，最大變化幅度為1.27 Ω·m，8 月15 日起逐漸恢復(fù)正常形態(tài)。

圖6 強降雨對地電阻率和自然電位差影響Fig.6 The effect of heavy rainfall on earth resistivity and spontaneous potential difference observations

4 討論

降雨當(dāng)天或者第二天，地表形成薄飽水層，表層介質(zhì)含水率升高，表層真電阻率下降。若臺站表層介質(zhì)影響系數(shù)為正，地電阻率觀測值上升；若臺站表層介質(zhì)影響系數(shù)為負，地電阻率觀測值將下降。隨著雨水下滲、蒸發(fā)等，雨水影響深度逐漸增加，水飽和程度逐步減小，至恢復(fù)原有程度（趙和云等，1986）。

根據(jù)大柏舍電測深曲線反演的電性結(jié)構(gòu)（表1），計算AB/2=750 m 時各層影響系數(shù)，結(jié)果見表2。由表2 可見，B3是大柏舍臺地下第三層的影響系數(shù)，所占比重較大，表明該臺地電阻率觀測主要反映第三層介質(zhì)變化，而B1系數(shù)相對較小，小幅降雨對大柏舍地電阻率短期影響不明顯，僅自然電位差受到干擾。

雷電是一種強大的電磁干擾，近距離雷電電壓較高，在放電瞬間引起觀測數(shù)據(jù)大幅度改變，嚴重時對地充電，可導(dǎo)致測區(qū)自然電位急劇增長，且數(shù)日不穩(wěn)定（錢家棟等，1985；王燚坤等，2011）。降雨伴隨雷電現(xiàn)象時，大柏舍臺自然電位差變化幅度較大。

表層影響系數(shù)B1較小，降雨量較少時，可以看出地電阻率觀測不受影響，但2016 年7 月19 日至20 日降雨量高達115 mm，大柏舍臺表層介質(zhì)電阻率發(fā)生改變，從而引起地電阻率變化。同時，ZD8M 儀器EW 向地電阻率出現(xiàn)階升變化，幅度約0.1 Ω·m，證明此次降雨確實對地電阻率觀測造成了影響（圖7）。

圖7 2016 年7 月5 日—8 月23 日大柏舍地電阻率測值（ZD8M）Fig.7 The earth resistivity observations by ZD8M at Dabaishe station from July 5 to August 23,2016

持續(xù)幾天的強降雨造成空氣濕度增大，同時，因ZD8B 地電阻率觀測系統(tǒng)外線路使用年限較長，出現(xiàn)老化現(xiàn)象，線路絕緣性能明顯降低。7 月21 日臨時檢查結(jié)果顯示，EW 方向M 極測量線路絕緣電阻為80 MΩ，N 極測量線路絕緣電阻為200 MΩ（表3），線路出現(xiàn)漏電現(xiàn)象，線路漏電導(dǎo)致ZD8B 儀地電阻率觀測數(shù)據(jù)出現(xiàn)大幅階降變化。而用于背景場觀測的ZD8M 儀采用地埋線路，因表層介質(zhì)影響系數(shù)B1為負，強降雨造成地電阻率觀測值上升，階變幅度比ZD8B 儀數(shù)據(jù)記錄幅度小。

表3 EW 向測量線路絕緣電阻Table 3 EW measuring component insulation resistance

5 結(jié)論

文中總結(jié)了不同降雨方式及降雨量對大柏舍地電阻率觀測的影響，并通過影響系數(shù)理論對結(jié)果進行了探討，得到以下結(jié)論。

（1）降雨對地電觀測的影響。在降雨較小或者雷雨天氣條件下，自然電位差變化較大。大柏舍臺表層介質(zhì)系數(shù)較小，單日降雨且降雨量較小時，地電阻率觀測不受影響，自然電位差受到影響，并于降雨結(jié)束后緩慢恢復(fù)；出現(xiàn)連續(xù)降雨時，在自然電位差恢復(fù)過程中再次出現(xiàn)上升、下降變化；受雷雨影響時，自然電位差NS 測道出現(xiàn)快速大幅上升—小幅下降變化，EW 測道出現(xiàn)小幅下降—大幅上升變化，變化幅度比單純降雨時偏大。大范圍強暴雨時，大柏舍臺自然電位差和地電阻率觀測同時受到影響。因測區(qū)表層介質(zhì)對地電阻率相對變化影響系數(shù)為負值，降雨后地表形成薄飽水層，表層真電阻率降低，地電阻率觀測值升高。

（2）觀測裝置老化對地電阻率觀測的影響。由于ZD8B 儀外線路采用架空方式，線路老化現(xiàn)象嚴重，降雨時線路漏電影響程度大于降雨對地電阻率觀測的影響，導(dǎo)致ZD8B 東西向地電阻率呈現(xiàn)階降變化；而背景場觀測的ZD8M 儀采用地埋線路，階變幅度比ZD8B儀小。

（3）地電臺站可采取一些措施降低降雨影響。一般，地電阻率觀測受降雨影響較明顯，自然電位差則無變化，例如：昌黎臺受降雨影響，地電阻率測值出現(xiàn)大幅度下降；嘉峪關(guān)臺大雨當(dāng)日，地電阻率測值出現(xiàn)大幅度突升。而大柏舍臺在小幅降雨時，僅自然電位差受到影響，大范圍強降雨才會對地電阻率產(chǎn)生影響。為此，在日常觀測、臺站建設(shè)中，可增加電極距或采用深井地電阻率觀測，抑制降雨對地電觀測產(chǎn)生的干擾。

降雨對地電阻率的影響機制較復(fù)雜，文中僅定性分析降雨對大柏舍臺地電阻率觀測的影響，至于引起該臺地電阻率發(fā)生變化的降雨量大小及相應(yīng)的變化幅度，尚需大量數(shù)值模擬工作來進行量化分析。