大柏舍地电阻率干扰分析

赵志远 宋 昭 罗 娜 王 静胡秀娟 张 波 高登平

（中国河北055350红山基准地震台）

大柏舍地电阻率干扰分析

赵志远 宋 昭 罗 娜 王 静胡秀娟 张 波 高登平

（中国河北055350红山基准地震台）

对大柏舍地震台地电阻率常见干扰因素进行调研，分析干扰产生原因及识别方法，着重分析不同干扰源引起的曲线变化特征，以期对地电阻率资料处理、异常识别等工作具有指导意义。

地电阻率；干扰因素；地下水位；降雨

0 引言

地电阻率观测是中国较为成熟的地震前兆监测手段之一，通过多年地电阻率探测研究积累了大量观测资料，取得不少极具价值的震例异常信息（毛桐恩等，1999）。研究发现，地电阻率观测系统供电极距以≥1 000 m为宜，由于观测场地跨度较大，容易受到降雨、大雾霜冻、居民用电等外界因素干扰，只有正确识别和排查各种干扰，才能准确捕捉地震前兆异常信息。本文分析大柏舍地震台（以下简称大柏舍台）多年地电阻率观测资料，发现地电阻率主要受地下水位、气温和降雨影响，大雾霜冻、风扰、大地电流场等也会对观测数据造成一定干扰。

1 台站地电阻率观测参数

大柏舍台位于邢台地区中部的隆尧县，地处新河断裂带。大柏舍台地电阻率采用对称四极法观测，外线路采用架空方式，有NS、EW两个测向，其中供电极距为1500 m，测量极距为500 m，装置系数K=3.142 km，中心杆到观测室距离约609 m。供电电极和测量电极材料均为铅板，尺寸为90 cm×90 cm和70 cm×70 cm，测区内8个电极埋深均2.5 m，测区环境见图1。

2 干扰分析

随着经济的飞速发展和农村城市化进程的有力推进，测区环境发生变化，地电阻率观测经常受到幅度较大的不稳定干扰因素影响（张磊等，2010）。在此收集大柏舍台多年地电阻率观测资料进行异常分析，排查原因并确定干扰源。

2.1 地电阻率中长期变化趋势

地电阻率观测主要反映地下介质的电性变化。由于变化缓慢，需要对多年观测数据进行分析（冯志生等，2004）。大柏舍台地电阻率中长期变化呈准线型缓慢上升，变化幅度小于1.5%，见图2。为了消除各类观测值的随机干扰，突出各参量的周期变化和趋势变化，采用日均值计算地电阻率与气温和降雨的相关程度。相关系数计算公式为

式中，τ为相关系数计算值，xi、yi分别为地电阻率观测值和气温或降雨观测值，分别为地电阻率平均值和气温或降雨平均值。计算结果见表1。

图1　大柏舍台地电阻率测区环境Fig.1 The geo-electric resistivity observation environment around Dabaishe Seismic Station

图2　大柏舍台地电阻率、降雨和温度时序曲线Fig.2 Curves of earth resistivity，rainfall and temperature at Dabaishe Seismic Station

表1　大柏舍台地电阻率与气温、降雨量相关系数Table 1 Correlation of earth resistivity，temperature and rainfall at Dabaishe Seismic Station

图3　大柏舍地电阻率与地下水位关系Fig.3 Relationship between the ground water level and earth resistivity at Dabaishe seismic Station

据研究，地电阻率观测值与气温、降雨变化存在一定负相关关系（钱复业等，1987）。从表1可以看出，大柏舍台地电阻率呈现夏高冬低的形态，与气温、降雨无明显负相关，在某些时段存在一定正相关。调查地震台周围环境，发现台站东南约4 km、隆尧县柏舍乡永兴村北200 m处有一口水井——永兴井。该井1985年1月建井，井深52.7 m，水位观测资料较好。从河北省水文水资源勘测局搜集永兴井2001—2015年水位变化资料，采用月均值数据，与大柏舍台地电阻率EW、NS测道地电阻率数据进行对比分析，见图3。计算得出，地电阻率EW、NS测道与地下水位相关系数分别为0.893、0.889，说明大柏舍地电阻率上升变化与河北平原区地下水位变动有一定关系。

2.2 大雾霜冻干扰

温度具有短周期变化特征，且对地电阻率观测具有明显影响。研究结果表明，温度升高时，离子迁移速率加快，电阻率降低；反之，温度降低，离子迁移速率减慢，电阻率升高（钱复业等，1987）。2013年12月受大雾霜冻天气影响，大柏舍地电阻率观测系统ρs值经常出现明显突跳，幅度1.0%—2.0%（图4）。检查发现，EW测道线路老化，而大雾霜冻天气时容易出现水滴，ρs值突跳可能与此有关。2014年检查地电阻率观测装置线路，更换老化线路，之后大雾霜冻天气时ρs值突跳明显减少。

2.3 风扰

地电阻率观测中的风扰，实际上是悬空的测量线在大风下作不规则大幅度摆动，切割地磁场磁力线，在测量线路中产生感应电动势，对观测造成干扰。大柏舍台地电系统外线路采用架空方式，布设位置地势开阔，容易受到大风干扰，观测数据出现突跳，强风季节尤为明显，幅度约1.2%。根据法拉第电磁感应定律，回路包围面积内的磁通量发生改变，回路上会产生感应电动势εi，且与磁通量Φ的变化率成正比，即

式中a为比例系数。架空线路越长，线路越松，导线在风中摇摆幅度就越大，dΦ/dt可能就越大（国家地震局预测预防司，1998）。

风扰造成大柏舍台2014年12月28日NS测向地电阻率值突跳，幅度为1.5%，见图5。根据法拉第电磁感应定律，当外线路松动时，可以拉近线路减小风扰，或者采取地埋方式避免风扰影响。巡视场地环境时对架空线路进行固定，受风扰影响明显减小。

图4　大柏舍台地电阻率受大雾霜冻干扰Fig.4 Fog and frost disturbance on earth resistivity at Dabaishe Seismic Station

图5　大柏舍台地电阻率风扰曲线Fig.5 Wind disturbance on earth resistivity at Dabaishe Seismic Station

2.4 大地电流场干扰

大地电流场对地电阻率观测值具有不容忽视的影响。大地电流场和地磁场成因上具有相关性，且与太阳活动和电离层活动关系密切。磁暴及强磁扰会对大片区域的地电阻率观测值产生不同程度的扰动（国家地震局预测预防司，1998）。

对于大柏舍台地电阻率均方差时测值，NS测向一般为0.05—0.10，EW测向较小，一般为0.02—0.08，无干扰时均约0.05。图6为2013年10月1日—5日大柏舍台地电阻率均方差时测值曲线，可见10月2日NS向测值达2.5以上，EW向达0.45，此时红山地震台GM4-1仪记录的地磁K指数高达6。由此可知，磁暴持续时间内，磁场水平分量发生大幅变化，产生较强地磁感应电流，对地电阻率观测精度造成很大影响。

图6　大柏舍台地电阻率均方差时测值曲线Fig.6 Mean square error of earth resistivity at Dabaishe Seismic Station

3 结束语

本文对大柏舍地震台地电阻率中长期变化趋势进行分析，认为其变化形态主要受地下水位、气温和降雨的影响，同时分析大风、大雾霜冻、大地电场等因素的干扰特征和干扰幅度，有利于正确识别并排除地电阻率观测常见干扰，提取地震前兆信号，加强对地电阻率观测精度和数据质量的认识。区域应力变化不可能是短期现象，因此大柏舍地震台地电阻率的斜型变化会持续多年，在日常观测中出现突然加速或转折现象时，应及时排查，并定期维护观测系统，提高观测精度。

国家地震局预测预防司.电磁学分析预报方法［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

赵志远（1989—），男，2013年毕业于中国科学技术大学，本科，现主要从事地震前北数据处理与分析报工作。E-mail： shetu2008@163.com