腾冲地震台地电阻率干扰分析

番绍辉，段胜朝，曾庆堂，杨铭昌，孙自刚

(云南省地震局腾冲地震台，云南 腾冲 679100)

0 引 言

地震在孕育过程中，震源区应力积累以及岩体内的微裂膨胀，均会引起该区域地下介质电性结构改变[1]。地电阻率是地壳介质的一项重要物理参数，地电阻率观测主要反映地下介质的电性变化。利用地电阻率与地震相关的变化信息可以了解地下应力变化和岩体破裂过程，为地震预报提供可能的途径[2]。长期观测实践证明，地电阻率观测是一种可靠的地震中短期异常判定和识别方法。但由于观测技术系统及环境变化等原因，在观测资料中经常出现与地震孕育及地壳区域应力状态无关的变化，这些变化对地电阻率观测造成干扰，从而给地电阻率的异常识别和有效信息的提取带来困难，因此如何正确认识并排除观测数据中的干扰成为一项迫在眉睫的工作。

近年来，随着腾冲市经济建设的快速发展，腾冲地震台测区附近的基建工程和农户生产生活等造成干扰使腾冲台地电阻率观测资料受到严重影响。加之腾冲市位于亚热带季风气候区，雨季较长，降雨量较多，且雷电天气频繁，地电阻率观测数据常年受到雷电、降雨的干扰，使地震监测预报研究受到较大影响。因此，迫切需要对腾冲地震台地电阻率的干扰进行分析、总结和研究，以便快速、有效地识别出不同原因引起的干扰。针对不同的干扰类型，采取合理的处理方法，以保障前兆观测数据的真实性，为震前异常判定提供依据。利用腾冲地震台2015～2019年的地电阻率观测资料，分析地电阻率典型干扰类型，判定其干扰原因，分析不同类型干扰源的物理机制及其引起地电阻率的曲线变化特征，提出合理可行的解决方法。

1 腾冲地震台地电阻率观测背景

腾冲地震台(以下简称腾冲台) 始建于 1970年，位于腾冲城郊东南边前董库自然村闫家塘边，距腾冲市区约3 km，距中缅边界约 70 km。台站地处怒江深大断裂带、泸水—瑞丽断裂带以西，位于印度板块与欧亚板块碰撞俯冲的边界。台址位于以全新世冲积层、熔岩为基底的腾冲盆地东侧近山麓地带，处在腾冲火山分布区内。腾冲盆地属熔岩盆地堆积地貌类型，盆地海拔1 620～1 640 m。测区周围地层为第四系堆积物，堆积物主要由冲积、冲洪积、冲湖积之砂砾石层、粘土层并夹泥炭、硅藻土等组成，岩性为下更新统安山岩类英安岩。

腾冲台地电阻率观测采用四极对称方式布极观测，布极区位于腾越镇尚家寨村西南边基本农田保护区内。布极中心点距离台站约1 600 m，测线布设在腾冲盆地后山断层与上马厂断层交汇的东侧后山断层的南东盘上。布极方位按正南北，正东西，十字交叉垂直架设，供电极距1 700 m，测量极距400 m，装置系数k=5 360，电极板为1×1×0.004 m铅板，电极埋深3 m，埋设电极时铅板水平放置。布极区地下水位埋深较浅，一年之中最低时为70 cm左右，地表泥土含水率很高，布极区地势较为平坦，地形较为开阔，电极埋设处地层岩性为砂质粘土、炭质粘土夹泥炭、砂砾石层，北端供电电极位于腾冲东湖公园内，受公园绿化灌溉干扰较为明显。

图1 地电阻率布极

2 干扰分析

2.1 地电阻率中长期变化趋势

正常情况下，地电阻率的整点值存在着一个比较稳定的背景值，除个别点外，基本在3 倍均方差范围内波动，数值的变化范围都小于0.5%[3]。腾冲台地电阻率自观测以来，观测数据相对稳定，正常动态日变幅低于0.5%，符合地电阻率观测规范要求，腾冲夏秋季节降雨量较多，冬春季节降雨量较少，故中长期变化趋势具有夏秋低、冬春高的特点(图2)。

图2 腾冲地震台地电阻率正常动态变化曲线

2.2 金属管道干扰

关于埋地金属管道对地电阻率观测的影响，已有诸多地震工作者进行了相关研究，胡德军等通过对埋地金属管道影响视电阻率观测的数值模拟分析认为：①金属管道与地下介质的电性差异越大，干扰就越大。②管道在场区的长度越长影响越大,同时与金属管道存在的部位有关，距布极中心或测线越近干扰越大。在其他条件相同时，金属管道处于测量极附近时的干扰大于处于供电极附近时的干扰。③在同一电极附近时，平行于测道的干扰要大于垂直测道的干扰[4]。2016年11月13日受测区农户铺设金属管道的干扰，腾冲台地电阻率东西向观测数据出现测值异常，东西向测值由11时129.21 Ω·m下降至13 时128.54 Ω·m，降低了0.67 Ω·m，降幅超过0.5%；至14日22时，东西向测值下降至127.93 Ω·m，降低了1.28 Ω·m，降幅为1%；11 月15 日13 时，地电阻率观测数据快速转折上升，15 日20时上升至131.02 Ω·m，上升幅度约为2.5%；2016年11月15日～2017年5月23日东西向测值一直处于高值；2017年5月24～26日将金属管道更换为PVC塑料管道后，5月28日地电阻率东西向测值下降并恢复到架设金属管道前的动态观测数据(图3)。

图3 地电阻率东西向受金属管道干扰曲线

2.3 灌溉干扰

地电阻率长趋势变化与地下浅层水位变化具有较强的同步性钱家栋等认为岩石中空隙含水量变化及构造指数变化都对地电阻率观测产生影响，其中孔隙含水量变化影响明显，观测场地地下潜水层水位的变化，使得表层含水量随之增加或减少，是造成表层介质地电阻率变化的一个主要原因[5]。

2019 年12月3～24日，腾冲台地电阻率南北向观测曲线每日呈下降后上升态势，电阻率观测值由126.50 Ω·m 左右下降到125.30 Ω·m，变化幅度为0.95%，观测曲线见图4。巡查观测场地发现，北端供电电极附近园林工人每日9时浇水灌溉草坪，因北端供电极所在农田土质为黏土，孔隙含水量变化较慢，导致每日12时后观测数据缓慢下降，19时后观测数据上升。综合分析认为，公园草坪灌溉造成土壤孔隙含水量发生变化，造成表层介质电阻率变化。

图4 地电阻率南北向受草地灌溉干扰

2.4 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[6]。腾冲地电阻率外线路采用架空方式，布设位置地势开阔，易受大风干扰，观测数据偶尔出现突跳。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Ø 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，dØ/dt 可能就越大[7]。

风扰造成腾冲台2019年4月15日南北测向地电阻率值突跳，幅度为0.5%(图5)。根据以上定律，当外线路出现松动时，可以采取拉紧线路减小风扰的方法，降低刮风对地电阻率观测数据的干扰。

2.5 降雨干扰

降雨对地电阻率即时影响的物理过程如下：在降雨当天或第2 天，地表有极薄的一层饱水层，表层地电阻率迅速下降；降雨过后，随着时间的推移，雨水逐渐下渗、流失、蒸发等，使得受雨水影响的深度逐渐增加，而水的饱和程度逐渐减小并最终恢复到原来的程度，表层地电阻率则缓慢恢复。若表层介质影响系数为正，则降雨使得地电阻率观测下降，反之，表层影响系数为负，则地电阻率上升[8]。

腾冲台地电阻率测值与降雨量有较大关系，夏秋季节降雨量较大，土壤里含水量较多，地电阻率测值偏低；冬春季节降雨量较小，土壤里的含水量相对较少，地电阻率测值相对偏高，存在夏秋低冬春高的年变特征。降雨对地电阻率的干扰比较复杂，不仅有一定即时效应，也存在一定时间的滞后效应[9]。一般情况下，测区范围内降雨后一小时地电阻率测值下降，在降低到一定范围内测值缓慢回升(图6)。

图6 地电阻率受降雨干扰曲线

2.6 漏电干扰

在地电观测系统装置运行正常时,产生漏电影响的干扰源一般有2类：(1)产生电流的干扰源,如家用设备、输电线路及变压设备漏电。(2)造成测区内电性结构发生改变的干扰源，如将金属导线铺设到任意2个测极附近，受到漏电干扰后，地电阻率观测数据曲线的变化形态、幅度主要由漏电设备产生的电流类型及漏电与观测装置的相对位置所决定[10]。大多数漏电干扰在短时间内完成，观测数据一般发生短时间的阶跃变化，如2019年9月6日～10月31日，腾冲台南北向地电阻率观测值由126.0 Ω·m下降到124.2 Ω·m，下降幅度1.4%(图7)。经过现场调查发现，南北向测线北端供电电极位于公园内，距供电电极电极约10 m处安装有金属路灯，线路铺设在地表下，且接头较多，存在漏电的隐患，且路灯运行时，地电阻率测值阶降，路灯关闭时，测值恢复正常，据此判断南北向地电阻率干扰为路灯漏电干扰。综合分析认为，金属路灯的线路埋在地下，且漏电点距离供电极较近，导致电阻率值发生变化。11月1日经路灯管理部门处理好漏电路灯后，数据恢复正常。

图7 地电阻率受路灯漏电干扰曲线

3 结 论

腾冲台地电阻率所受到的干扰类型可按影响程度进行综合分析及排序：(1)地电阻率受电极附近金属管道干扰影响最大，观测曲线变化形态主要表现为噪声大，远远大于正常变化幅度，最大变幅超过2.5%，干扰持续时间较长，自金属管线铺设开始持续影响测值，至去除金属管线后测值才恢复正常；(2)地电阻率受漏电干扰较为明显，最大变幅为1.4%，大多数漏电干扰在短时间内完成，观测数据一般发生短时间的出现瞬间大幅度下降，并持续该低值变化，且时间相对漏电时间一致且固定，去除干扰源后恢复正常测值；(3)地电阻率受灌溉干扰变幅为0.95%，观测数据曲线变化形态主要表现为灌溉开始的一段时间内测值下降，达到峰值之后缓慢恢复至正常观测值；(4)地电阻率常年受降雨干扰，一般干扰幅度与降雨量有关，夏秋季节降雨量较大，土壤里的含水量增加，地电阻率测值降低；冬春季节降雨量较小，土壤里的含水量相对较少，地电阻率相对较高，存在夏秋低冬春高的年变特征。观测数据在降雨后一段时间内下降，达到峰值之后在几小时后缓慢上升，几天后恢复到正常测值；(5)地电阻率受刮风引起的气压激变干扰，观测数据曲线变化形态主要表现为刮风后数据开始上升，上升幅度根据风级大小决定，一般影响较短，风停止后数据恢复正常。

通过分析腾冲台地电阻率典型干扰类型，判定其干扰原因，分析不同类型干扰源的物理机制，可将干扰分为可控干扰和不可控干扰两种干扰类型，可控干扰有金属管线干扰，漏电干扰，灌溉干扰，不可控干扰有刮风造成的气压激变干扰和降雨干扰，其中可控干扰可通过定期巡查观测场地，及时发现并去除干扰源来解决干扰；刮风造成的干扰可在日常巡查中发现外线路松动时，对架空线路进行固定解决；降雨干扰在日常观测中无法排除，但在数据异常识别过程中，可选用褶积滤波法和相关分析法去掉相应干扰。