固原台地电阻率N45°E向异常变化原因分析

卫定军，马继文，余生勤，周志雄，乐云轩

（1.宁夏回族自治区地震局，银川 750001；2.固原地震台，宁夏 固原 756000）

固原台地电阻率N45°E向异常变化原因分析

卫定军1，马继文2，余生勤2，周志雄1，乐云轩2

（1.宁夏回族自治区地震局，银川 750001；2.固原地震台，宁夏 固原 756000）

卫定军，马继文，余生勤，等.固原台地电阻率N45°E向异常变化原因分析[J].华南地震，2016，36（1）：24-29.[WEI Dingjun，MA Jiwen，YU Shengqin，et al.Causes for Abnormal Changes of Earth Resistivity in N45°E Direction at Guyuan Station[J].South china journal of seismology，2016，36（1）：24-29.]

通过检查、实验和理论计算，探讨了固原台北东测道地电阻率测值异常变化的原因，定量地计算了测量线路漏电和降水对固原台地电阻率观测的影响，并研究和总结了这种影响的机制。从而认为，2012年12月下旬以来固原地电阻率出现的异常变化不属于地震异常，并为今后判断引起地电测值变化的原因提供了依据。

地电阻率；异常；原因分析；漏电

0 前言

固原地电台是宁夏较早开展地电阻率观测的台站之一，始建于1970年。由于观测环境遭到破坏，先后两次搬迁观测场地。2004年11月搬迁至固原市原州区彭堡乡彭堡村，距离固原市区14 km。该台处于青藏和鄂尔多斯两大活动块体的交汇部位，其中发育有六盘山东麓断裂，该断裂是我国南北地震带中北段的重要组成部分，距离该台仅有8 km，构造位置非常突出。

固原台地电阻率在多次中强地震前均有短临异常反映，如1989年11月2日宁夏固原MS5.0级地震和1998年7月29日宁夏海原MS4.9级地震前，该台地电阻率均出现了明显的短临异常，为这两次地震预报提供了有力的依据[1]。但是该台资料也存在一些由干扰因素引起的异常变化，如2003年7～9月由降雨引起的地电阻率上升异常变化[2]和2008年3～10月由蔬菜大棚引起的地电阻率上升异常变化[3]等。在地电阻率观测中，测量系统、装置系统和场地电磁环境的变动，均会造成地电阻率异常变化[4-5]，因此在地电阻率资料的应用和研究中，当地电阻率出现异常变化时，首先要进行影响因素确认。本文针对固原台地电阻率N45°E向异常变化，着重从观测系统、环境干扰等方面的因素进行影响分析，并对这些因素的影响机制进行了理论上的探讨，最终确定了该异常变化产生的原因，其变异现象及干扰分析对地电阻率观测有实际应用意义。

1 台站基本概况

固原地电台位于清水河压陷型盆地内，盆地内的次级地貌主要为清水河冲积平原，测区在清水河古冲沟塬面上，地势相对平坦，测区为农田。测区属于盆地的沉降中心区，第四系发育齐全，厚约372 m，岩性为粘质砂土、砂质粘土夹少量的砂砾石和粘土[6]。该台采用对称四极装置进行观测，布设测线3道（NS、EW、N45°E向），供电极距约为1 000 m，测量极距200 m（图1），2013年7月观测仪器由ZD8B更换为ZD8M地电阻率仪。2004年11月外线路采用铠装电缆以地埋的方式架设，电极采用1 m×1 m×0.005 m的铅板。2011年12月对电极进行了深埋处理，电极埋深由原来的2 m变为11～23 m不等。值得一提的是，在此次电极改造时不慎将N45°E向的N2测量线打断，在断点处进行了拼接和线芯、金属铠的绝缘处理。该接头距极杆约1 m，埋深约0.5 m，粘土填埋。

该台自观测以来，积累了较长的数据，在宁夏几次中强地震前均有不同程度的异常反映，是宁夏南部对中强地震活动较为敏感的台站之一，表1给出了自2005年以来该台曾出现的异常及异常变化的产生原因。特别需要指出，2008年3～10月出现该台出现的高值异常变化系由蔬菜大棚造成，2008 年10月下旬后蔬菜大棚拆除，该异常变化消失。

图1 固原台地电阻率观测布极示意图Fig.1 Schematic diagram of pole arrangement for earth resistivity at Guyuan station

表1 固原台地电阻率观测资料异常变化及产生的原因Table 1 The anomaly changes of earth resistivity observation and their causes at Guyuan station

2 异常变化特征及干扰因素

固原台地电阻率N45°E向异常变化开始于2012年12月20日，基本特征为快速下降，低值持平，然后快速恢复到下降前的水平，变化幅度约为0.4～0.5％，明显异于此前的平稳持平变化，其它2个测向未出现这种变化，见图2a。在随后的观测中，该测道不断重复出现类似的变化，见图2b。

图2 固原地电阻率整点值曲线Fig.2 The hour-point value curve of earth resistivity at Guyuan station

在固原台地电阻率出现异常变化后，对观测仪器进行了标定，结果显示仪器工作正常，符合地电观测规范的要求，台站工作人员也未对其作过调整，排除了仪器的影响。另对外线路绝缘情况进行了测试。测试的方法为将测量线和供电线从仪器和电极的连接处断开，然后用兆欧表测量整条导线对地的绝缘电阻，结果见表2。测量的结果显示B1供电线绝缘电阻偏低，N2测量线绝缘电阻不符合观测规范要求，其它测量线路均在规范要求的范围内[7]。此次供电线漏电检查未按照观测规范的要求进行，但是通过查阅2013年3月8日外线检查结果可知，NS、N45°E、EW向3个测向供电回路的漏电影响系数ε1分别为0.003％、0.002％、0.003％。虽然B1供电线绝缘电阻偏低，但是漏电电流影响并未超过观测规范要求的0.1％，因此认为该台供电线路不存在漏电情况。综合以上检查结果可知，仅有出现异常变化的N45°E向N2测量极的测量线存在漏电情况。同时也对观测环境进行了调查。通过现场勘查，测区内及周边环境未发生明显变化，也未修建新的工、农业设施。经调查，在N45°E向出现异常的时段，该台测区周围总是存在降水的天气过程，图3给出了测区附近气象站的降雨量观测资料和地电阻率资料的对比曲线。需注意，图3中降雨量资料截至到2013年4月底，由于5月的降雨资料未收集到，从而无法在该图中展示。2013年5月中旬出现的地电阻率大幅度的跃变也存在降雨的情况。由该图可知，地电阻率的异常变化和降水存在显著地对应性，分析认为N45°E向异常的出现和降水有密切的关系。通过台站观测系统的检查、测区观测环境的调查、辅助资料分析等工作，初步认为能够影响N45°E向异常变化的因素，主要集中在N45°E向测量极线路漏电和降水两个方面。下面，本文针对发现的两个干扰因素进行了详细的分析。

表2 固原地电阻率供电线和测量线对地绝缘电阻（单位：MΩ）Table 2 Insulation resistance to ground of the power supply line and measuring line for earth resistivity at Guyuan station（unit：MΩ）

图3 固原台N45°E向地电阻率（黑色）与降雨量（蓝色）对比曲线Fig.3 Comparison of N45°E earth resistivity (black) and rainfall（blue）at Guyuan station

3 干扰因素影响分析

3.1 N2极测量线路漏电影响分析

该台在2011年12月电极改造时，曾将N2极杆下的测量线打断，在断线处做了接头处理，怀疑线路漏电点可能在该处。2013年5月将该接头挖出，发现接头的绝缘处理已失效，铠装电缆的金属线芯和金属铠完全裸露在土壤中，由此证实了初步判断。但根据以往的经验和观测技术[8]，测量线路在极坑处漏电不会对资料产生较大影响，那么如果该测量线仅此一个漏电点，观测值不会产生显著的变化，因此怀疑存在别的漏电点。通过线路排查，发现观测室地下坑道中也存在一个接头。如果该接头漏电，必将对观测值产生影响。为了验证这个想法，在现场进行了一个实验。在实验时，极坑处的接头保持原状态，而将观测室地下坑道中的接头剥开，金属铠和线芯彼此分开，暴露在空气中。首先，测量金属铠与线芯的之间的绝缘性，结果显示为0 MΩ，这说明金属铠和线芯之间是连通的。然后观测N45°E向视电阻率，其结果为24.15 Ω·m，与正常值一致。随后将金属铠用导线接地，再次观测N45°E向视电阻率，其测量值由正常的24.15 Ω·m变成了24.05 Ω·m，变化幅度约为0.4％。这一变化幅度符合N45°E向异常变化幅度。由此判断，N2测量线存在两个漏电点，极坑处接头绝缘处理破损导致线芯和金属铠通过土壤连通，而观测室地下坑道里的接头由于金属铠对地绝缘变差导致测量线再次接地，在这两个漏电点的共同作用下，该台N45°E向测量值产生了显著变化[8]。

3.2 降水影响分析

根据以往对该台资料的认识，降水不会对该台资料产生较大影响，这一点从图3b所示的2012 年1至11月固原视电阻率与降雨量的对比曲线中可以证实。特别是2012年6至9月几次较大的降水，N45°E向视电阻率资料变化平稳，并未产生明显的异常变化。但是从图3b所示的2012年12月至2013年4月固原视电阻率与降雨量的对比曲线中可以发现，在N45°E向出现的异常变化时，总是对应着降水过程，两者之间存在显著地对应性和相关性，图3a所示更加清晰。该台N45°E向视电阻率变化与降水在异常出现之前并无相关性，但在异常出现之后变为显著相关，这种截然不同的变化必定和某种因素有关。而由线路漏电点分析可知，N45°E向N2测量极线路存在漏电，该测向测量线在观测室漏电会引起观测值变化。那么可以认为，由于降水导致接头处的漏电可能成为了必然，由此产生视电阻率异常变化和降水显著相关的现象，而漏电点的出现导致了该台N45°E向视电阻率变化与降水的相关性由弱变强。由此分析认为N45°E的异常变化是由这两种因素共同影响的结果。

3.3 干扰因素影响机理分析

如图4a所示测量线路的漏电情况，由钱家栋等[9]的研究结果可知，当测量回路存在漏电时，它对视电阻率所产生的误差可用（1）式表示。

图4 固原台漏电点C位置示意（a）及地电阻率随漏电点接地电阻变化的曲线（b）Fig.4 Position of leakage point C in Guyuan station and variation of earth resistivity with the leakage point grounding resistance changes

由（1）式，根据固原台实际情况，计算该台测量线路漏电对观测值的影响。须注意，由于漏电点的位置并不在两个测量极的连线上，因而应用（1）式计算可能存在理论上的误差。RM取漏电的N2测量极的接地电阻，为33 Ω。R0取值是由测量接地电阻间接获取，分别在观测室和极坑处测量电极接地，两者的测值差可视为导线电阻，由实际测量结果可估算为2 Ω。x为漏电点到中心点距离，由于该台观测室在NE方向偏离中心点约60 m，而漏电点恰好在观测室地坑中，因此x取值为60 m。AB和MN分别为973 m和200 m。RC的取值为5 MΩ～1 000 Ω之间，它反映了降水对漏电点的影响。当无降水时，漏电点对地绝缘较好，相应的接地电阻可取为5 MΩ；但有降水时，由于漏电点湿度的增大，对地绝缘变差，相应的接地电阻可逐步降低阻值，在计算时取最低接地电阻为1 000 Ω。图4b为当漏电点取不同的接地电阻时，观测系统所测得的地电阻率ρS，无漏电时该台的地电阻率ρS为24.15 Ω·m。由该图可知，当漏电点接地电阻逐步降低时，地电阻率值随之降低，而当漏电点接地电阻逐步升高时，地电阻率值也逐步恢复。图4所示的漏电点接地电阻下降-恢复过程，恰好反映了降水对漏电点的影响过程。当降水出现后，漏电点对地绝缘变差，接地电阻减小，而降水结束后，随着水汽的蒸发，漏电点对地绝缘逐步恢复，接地电阻逐步增大。这一过程反映到地电阻率的变化就表现为快速下降，之后又快速恢复。地电阻率下降的速度与降水的多少有关，而恢复的速度与漏电点水汽的蒸发快慢有关。针对固原台的实际情况，可进一步详细分析。该台异常变化出现在冬季，冬季降水主要以雪为主。由于气温较低，雪的消融和水汽的蒸发都较慢，从而导致漏电点对地绝缘恢复较慢，地电阻率的变化幅度大且时间较长，这一点从2013年12月至2014年2月地电阻率受影响时的变化情况可看出。2014年3月后，由于气温回升，地表水汽的蒸发增大并加快，从而导致漏电点对地绝缘恢复也加快，地电阻率的变化幅度小且时间短。这也正是，该时段降雨量比冬季大，地电阻率变化反而不如冬季显著的原因。

4 结语

通过以上的实际检查、实验和理论分析，我们有如下认识：

（1）固原地电阻率N45°E向2012年12月至2013年5月的异常变化属于干扰而非地震异常，线路漏电是造成该异常变化的主要原因，而降水在其中起到了重要作用。

（2）漏电点接地电阻的大小决定了观测资料受影响的程度。由理论计算结果可知，漏电点接地电阻越小，观测资料受影响的程度越大，反之亦然。同样，漏电点位置的不同也对观测资料影响不同。本文所述的漏电现象由两个漏电点共同作用形成，如果该台仅存在极坑处的漏电点，由文中所列出的理论计算公式可知，该点处漏电影响近似为零，并不会产生本文提到的异常变化。

（3）随着观测技术的发展，越来越多的地电台站选择外线路地埋的架设方式，该架设方式对地埋线缆的绝缘性、强度等方面有较高的要求，同时在架设电缆时应尽量避免出现不必要的接线处理，这样才能为良好的资料产出打下坚实的基础。本文所提到的异常变化正是由于不应该出现的接头漏电所产生的，希望本文所做的分析工作对存在类似问题的台站有所帮助与启发。

[1]张肇诚，郑大林，徐京华，等.中国震例（1989-1991）[M].北京：地震出版社，2000.

[2]卫定军，李英，赵卫明，等.2003年7～9月固原地电阻率异常变化分析[J].高原地震，2004，16（4）：49-54.

[3]卫定军，李春贵.搭建蔬菜大棚对固原台视电阻率观测影响的分析[J].地震地磁观测与研究，2009，30（2），77-82.

[4]中国地震局监测预报司编著.地震前兆异常落实工作指南[M].北京：地震出版社，2000.

[5]中国地震局监测预报司.地震电磁学理论基础与观测技术[M].北京：地震出版社，2010.

[6]杨明芝，廖玉华，马和青.宁夏地震活动与研究[M].北京：地震出版社，2007.

[7]中国地震局.地震及前兆数字观测技术规范（电磁观测）[M].北京：地震出版社，2001.

[9]李 飞，秦 磊，杨冯威.新沂台地电阻率新旧场地对比观测分析[J].华南地震，2015，35（3）：7-14.

[8]钱家栋，陈有发，金安忠.地电阻率法在地震预报中的应用[M].北京：地震出版社，1985.

Causes for Abnormal Changes of Earth Resistivity in N45°E Direction at Guyuan Station

WEI Dingjun1，MA Jiwen2，YU Shengqin2，ZHOU Zhixiong1，YUE Yunxuan2
（1.Earthquake Administration of Ningxia Hui Autonomous Region，Yinchuan 750001；China; 2.Guyuan Seismic Station，Guyuan 756000，China）

Based on examining, experiment and theoretical calculations, the paper discussed the cause of abnormal changes of earth resistivity observation in the N45°E direction at Guyuan seismic station.The paper quantitatively calculated the influence of measuring circuit leakage and precipitation on earth resistivity observation in the N45°E direction, summarized the mechanism of the influence.It was proved that the abnormal changes of earth resistivity observation occurred in late December 2012 is not seismic anomaly.This result provides us the foundation to identify the cause of abnormal changes of earth resistivity observation.

Earth resistivity；Anomaly；Reason analysis；Electric leakage

P315.92

A

1001-8662（2016）01-0024-06

10.13512/j.hndz.2016.01.004

2015-03-16

地震科技星火计划项目“固原地电台浅部地下结构对视电阻率观测的影响研究”（XH14053Y）资助

卫定军（1975-），男，工程师，主要从事地震电磁前兆数据分析与预测研究.

E-mail：wdj308@aliyun.com.