嘉山台地电阻率变化特征分析

尹天杰 孙亮亮 袁勇 赵桂宝

摘  要：嘉山台地电阻率数字化观测时间长、数据精度高，是安徽省内映震能力较好的地电阻率台站之一。该文通过对嘉山台地电阻率日变化、年变化两种特征变化进行分析，发现嘉山台日变化由于受到地铁等背景噪声的影响，其变化形态较不明显，年变化主要是受温度和降雨量的影响，影响因素归根于季节更替带来的气象变化。但是从长期趋势来看，两测向变化形态并不一致，与场地环境和应力场变化有关。

关键词：地电阻率  变化特征  日变化  年变化

中图分类号：P315                             文献标识码：A文章编号：1672-3791（2021）03（a）-0081-03

Analysis on Variation Characteristics of Earth Resistivity at Jiashan Station

YIN Tianjie  SUN Liangliang  YUAN Yong  ZHAO Guibao

（Jiashan Seismic Station of Anhui Seismological Bureau， Mingguang， Anhui Province， 239400  China）

Abstract： The Jiashan Station has a long time for digital observation of resistivity and high data accuracy. It is one of the ground resistivity stations in Anhui Province with good earthquake reflection capabilities. This paper analyzes the two characteristic changes of the resistivity of Jiashan platform， the diurnal change and the annual change. The analysis found that the diurnal change of Jiashan platform is affected by subway and other background noise， and its change form is less obvious. The annual change is mainly affected by temperature and rainfall influence， the influencing factor is attributable to the meteorological changes brought about by the change of seasons. However， from the perspective of long-term trends， the two directional changes are not consistent， and are related to changes in the site environment and stress field.

Key words： earth resistivity; variation characteristics; daily variation; annual variation

經过历年来的发展地电阻率观测已经成为较为成熟的前兆观测手段之一。地电阻率变化趋势和气象变化、固定干扰源等因素有密不可分的关联，因此，研究其变化的机制机理是日常观测的必备基础。对地电阻率的变化趋势分类探究，有助于分析预报人员更好地进行数据处理，提取震前异常。

1  地电阻率观测简述

嘉山台地电阻率于1973年投入观测，初代仪器为DDC—2A地电仪，1991年和2000年分别更换PZ40数字地电仪和ZD8B地电仪。2013年，数字化地电仪ZD8M投入观测并使用至今。地电外线路采用架空方式，外场地布设在半山坡至山下农田里，测区环境较为复杂。布极方式采用四极对称法，共有EW、NS两个测向，供电及测量电极8个。2020年10月，对外装置系统进行改造。

2  地电阻率特征变化

地电阻率是观测区域内地下介质的电阻率，其地下介质的电性结构受水位、气温等影响。四季和昼夜更替是气温和降雨量发生变化的因素，昼夜和四季从时间范围内来讲，是有固定周期变化的。因此，假设当地电阻率仪器分辨率足够高且场地无背景噪时，年变和日变会呈现出明显的周期性[1]。

3  日变化

3.1 日变化特征

嘉山台于2020年10月进行外装置系统改造，为了检测改造后观测数据是否得到优化，选取试运行后2020年12月1～31日期间地电阻率小时值数据进行分析，绘图发现NS、EW两测向形态变化较不明显。

该文利用EIS2000地震前兆信息系统中MATLAB小波去噪分析，对数据进行消噪处理。处理后的日变曲线较处理前大有改善，对随机波动的抗干扰能力增强[2]，但并不能完全呈现出清晰的“V”字型的日变化形态。由图1可知每日极大极小值的时间也并不固定，但是可以观察到，两测向变化具有一致性。

3.2 影响因素分析

对比其他背景噪声极小的地电阻率台站，其日变形态会呈现出典型的“V”字型变化，且每日极大值极小值稳定在某个时间区间内。这种清晰规则的变化形态，在无特定或偶然的干扰影响时，数据变化会和昼夜更替呈现出正负相关性，即昼升夜降或昼降夜升。

从日变的整体趋势中发现，其背景噪声依然很大。排除受偶发的降雨和高压直流输电干扰等因素影响，日变形态至少应在该月某个短周期内呈现出规律性变化，但事实相反。该台初步怀疑装置系统不稳定或者有某固定干扰源对观测环境造成持续性干扰。

由于选取的数据时段是地电外装置系统改造后的。在改造期间，嘉山台技术人员已对新埋电极的接地电阻、电缆线的绝缘性等进行检查，试运行期间对观测主机进行数次标定，结果均符合要求。且此次改造将EW向整体向东迁移了200 m，避开了农户和养殖场，大大降低了漏电影响。因此，排除装置系统不稳定因素。

通过对多日的单天小时值曲线进行对比分析（见图2），发现共性：0～5时两测向均方差值较低，数据变化幅度也较小，其余时段，数据变化较凌晨幅度较大，均方差值也忽高忽低。台站人员发现数据稳定时段和地铁停运时段刚好吻合。由于轨道交通的供电机理是铁轨对列车输电，且铁轨连接于大地。在地铁运行期间，铁轨会向大地释放强度较大的不平衡电流。即使远距离的地电台站也难逃地铁干扰带来的影响[3]。经查询，南京地铁三号线林场站距离台站的直线距离为80 km。

4  年变化

4.1 年变化特征

选取1993年以来月均值数据。通过绘图发现（见图3），NS向年变化不规律，极大值逐年不同，低值基本上在6～8月;EW向年变形态呈现夏高冬低，7～9月为高值，1、2月为低值。

查阅各类文献，众多研究者认为年变主要是受气象因素主导，气象因素主要有温度和降雨两个物理量。台站人员通过对同期温度和降雨量数据与地电阻率月均值进行相关性分析，结果发现：嘉山台地电阻率与测区温度和降雨量都存在着较为明显的正相关性[4]。

4.2 NS、EW两测向年变特征差异性分析

如图3所示，可观察到嘉山台两个方向年变差异较大。2009年5～7月NS向有超过2.5倍方差控制线的现象，从9月份至今一直变化平稳，无趋势异常出现。EW向自2005年出现破年变后，年变化逐年有所不同，2011年下半年才开始逐渐恢复“V”字型形态，同时还伴随着斜型上升[5]，2013年年变形态正常，数值比往年有所抬升，2014年年变异常，数值比往年下降明显，经排查综合震例不考虑为前兆异常;2015年下半年开始逐渐恢复“V”字型形态，同时还伴随着斜型上升;至2020年8月数据稳定，年变规律不明显。

由于降雨量和温度对两测向贡献基本一致，所以基本排除其是主导差异的原因。在外装置系统改造之前，EW向观测环境相对NS向较为复杂，周围有养殖场、工厂 ，甚至有部分电极埋设在农户院内，而NS向却布设在干扰较少的农田里。通过对往期地电阻率报表的查询，对比两测向的漏电检查、绝缘检查及接地电阻值发现，NS向的數值明显优于EW测向[6]。因此，场地环境干扰可能是造成年变差异性的最大原因。目前，已经对外装置系统进行改造，后期两测道的年变差异可能不复存在。

NS向有数个时间周期，数据曲线有斜型向上的趋势，而同期EW向却没有此变化。由于嘉山台地处郯庐断裂带附近，地质构造也比较复杂。根据应力场构造原理分析，NS向可能是受到应力场主力的持续作用，造成主压应力作用的地电阻率测向数据呈上升趋势。

5  结语

（1）嘉山台地电阻率单月整点值在消噪处理后，背景噪声依然很大，日变化形态不规律，每日极大极小值也不固定，但两测向变化具有一致性。经排查分析，背景噪声主要为南京地铁三号线干扰。

（2）嘉山台地电阻率两测向年变与温度和降雨量有周期相关性，两测向变化特征具有差异性，主要因为场地环境不同所导致。NS向数据曲线有部分年份时段出现斜型向上的趋势，可能与应力场作用有关。

参考文献

[1] 沈红会，王丽，王维，等.地电阻率长趋势变化及其预测意义[J].地震学报，2017（4）：495-505.

[2] 解滔，卢军，闫伟.地电阻率日变化成因分析[J].地震地质，2019（6）：1464-1480.

[3] 王燚坤，何康，李军辉，等.合肥中心台地电阻率地铁干扰分析与抑制处理[J].华北地震科学，2019（3）：67-74.

[4] 高立新，戴勇，杨彦明.视电阻率典型变化成因分析[J].国际地震动态，2019（8）：138-139.

[5] 王志栋，雷正超，寇俊阳，等.张掖MS5.0地震前山丹地震台地电阻率异常分析[J].地震地磁观测与研究，2020（4）：83-89.

[6] 张彩艳，雷功明，李通，等.甘肃酒泉地区地电阻率干扰因素分析与研究[J].山西地震，2020（2）：31-35.