新沂台地电阻率观测实例的探讨及意义

沈红会，孙春仙，叶碧文

(江苏省地震局，江苏 南京 210014)

新沂台地电阻率观测实例的探讨及意义

沈红会，孙春仙，叶碧文

(江苏省地震局，江苏 南京 210014)

新沂台三方向观测的地电阻率结果很不一致，客观地分析了造成这种不同的原因，指出了不同的年变往往是探测深度引起的，较深的探测深度具有更明显年变化量，它受干扰更小，更具前兆意义。合理的电性结构是场地选择时必须考虑的问题。

地电阻率；年变；方向性差异

引言

地电阻率观测应用于地震预测已经几十年了，在所有的前兆观测中，该测项是一个相对成熟的观测手段。对整个前兆观测系统而言，其优势明显，物理意义清楚，物理量明确。地电阻率观测的是反映一定体积范围内的电阻率，在一定的装置系数下就确定了观测的物理量［1］。从长期的试验和观测结果来看，地电阻率的观测系统不会因为变更仪器或电极而改变观测结果，不同仪器和电极的观测试验表明观测结果是完全相关的。

图1为南京台铅电极和pbcl2不极化电极的对比观测曲线。从图中可以看出不同电极观测曲线的形态是一致的，其相关系数为0.98。另外，电阻率观测系统有着完善的标定检查系统［2］，完全可以确定观测的物理量为地下电阻率的真实变化，这些在前兆观测中都是非常重要的。但在现实的观测中，也存在一定的问题，比如说年变化。年变化一般认为是表层的影响，但在具体的实例观测中还是不一样的。笔者处理了全国大部分地电台站的数据，发现有些台的年变化是非常规则的，有些台的却很乱。年变化比较规则的台站往往并不是受很浅层结构的影响。对于那些年变规律不是很好的台站，往往表层结构或电场干扰的影响比较大。年变化不规则的台站要分离异常往往也非常困难，而且很容易产生误导的信息。

本文将通过分析江苏省新沂台观测的三方向地电阻率观测资料 （新沂台三方向的观测结果很不一致，给预报人员带来了很多困惑），探讨地电阻率观测中的变化和相关问题。

图1 为南京台铅电极和pbcl2不极化电极的对比观测曲线Fig.1 Comparison of the observation curves by lead electrode and pbcl2 non－polarizable electrode at nanjing station

图2 新沂地电场地周围构造图Fig.2 Structural map around Xinyi station

1 新沂台电阻率观测概况

新沂台电阻率场地位于郯庐断裂中段江苏境内的F5断裂带上 （如图2所示），地下岩石为白垩纪王氏组紫红色砂岩， 表层厚约 4 m。 共布有 NS、EW、NE三个观测方向，各方向的供电极距为AB=1 000 m，测量极距为MN= 240 m。新仪台地电阻率从1978年开始观测，一直观测至今，从 1978年至1990年之间因更换场地和仪器等原因，数据经常出现突跳，而1999年以后场地内因建蔬菜大棚 （采用了很多铁材料，场地电位已重新分布），而导致观测数据出现较大变化。因此本文选取观测数据比较正常的1991年至1998年来分析，而场地周围最显著的地震是1995年苍山地震。

2 新沂台电阻率观测资料及分析

图3为新沂台1991～1998年地电阻率三方向的观测曲线。EW向 （图3中）一直具有明确的年变规律，年变基本上还是比较规则，每年的低值和高值具有可比性。NS向 （图3上）和NE向 （图3下）最初几年年变特征并不明显，但1993年以后出现了变化，NS向1993年6、7、8三个月出现下降变化，1994～1996年5、6、7三个月出现上升变化，1997～1998年7、8、9三个月出现下降变化。而在同时期NE向除了1993年以外，从1994年开始也出现了较明显的年变化特征。以上这些变化因为发生的时间段和每年的重复性基本上可以认定为是年变，而不是前兆异常。这里就产生了这样的问题，同样地点的三道观测，年变结果却不一样，年变明确的EW向不但每年都有，而且相对较规则，而另外二道年变每年都有不同，这种情况在其它台站也发现过。其本质的问题是不同方向探测的电性结构不相同［3］，导致探测深度不同所致。很明显NS向和NE向受表层的影响更大，EW向的探测深度要更理想一些。

图3 新沂台1991～1998年地电阻率三方向的观测曲线Fig.3 Observation curves of earth resistivity in three directions at xinyi station during 1991～1998

图4为新沂台周围的表层水位1994～1998年的五日均值 （缺1991～1993年的数据）。比较图4和图3，可以看出，水位资料和NE向非常相关，和NS向却存在一定的负相关，而和EW向的相关性就比较差了。这些充分说明NE向和NS向受表层水位的影响较大，而EW向受的影响很小。至于 NS向是负相关也很容易解释，就是NS向的表层影响系数是负数。对于年变比较规则的测道决定年变化的影响因素往往是较深层的水位。在这里举另一个台的例子：江苏江宁台NS向布有多极距观测，它的1 000 m长极距观测显示每年的年变化非常规则，见图5，笔者计算了其多极距观测的反演，见图6。其中第1层的底层为3.2 m，第2层的底层为33.2 m，第3层的底层为209 m，第4层为209 m以下。从图中可以看出，第1层年变化达20%以上却没有影响到整个1 000 m的观测结果，而且第1层年变化和整个1 000 m的观测年变的形态也不一致。第2层到第3层的年变幅度和形态与整个1 000 m的年变比较一致，因此可以认为年变化主要影响深度为几十米到几百米，而不是最表层的几米，所以规则的年变往往反映较深的探测深度。新沂台的EW向显然也具备这个特征，因此EW向的观测对应地震前兆比其它测道更有意义。考虑到新沂台具备三个方向的观测数据，下面从求解电阻率极值方向的角度来分析。

图4 新沂台表层水位五日均值曲线Fig.4 Five days mean value curve of the surface water level at Xinyi station

图5 江宁台NS向地电阻率观测日变曲线Fig.5 Daily variation curve of resistivity in NS direction at Jiangning station

图6 江宁台NS向地电阻率的反演结果Fig.6 Inversion results of resistivity in NS direction at Jiangning station

2 电阻率极值方向

对于三方向观测的地电阻率，可以求解地电阻率的有效极值方向［4］。在均匀各向异性半空间主轴坐标系中，有

如果观测的每道电阻率都能反映比较深部的电阻率的变化，那么ρ1的方位角а显然应保持每年的规则变化或变化很小。图7显示方位角а每年的变化较大，而年变特征接近于NE向电阻率变化，每年没有明显的规则性，这一点说明方位角а受表层影响很大。也说明观测的有些道次受表层电阻率影响较大。最小电阻率方向接近NS向也说明这一点。

图7 新沂台地电阻率三方向计算极值结果Fig.7 Results of the three directions extreme value calculation of ground resistivity at Xinyi station

一般来说，电阻率大的方向的探测深度更深一点。从图7也可以明显看出这一点，最小电阻率ρ1的年变化不是非常规则，表示受表层影响较大，最大电阻率ρ2显示具有很好的年变规则，和EW向比较接近，更具有预报意义。

3 苍山地震前的变化

1995年9月20日发生的5.2级苍山地震距离观测场地约77 km，位于场地的西北方向，是场地周围300 km范围内唯一的一个显著地震。从以上的分析中可以看出，最大电阻率ρ2和EW向的观测更有意义。下面以EW向和最大电阻率ρ2来看一下地震前观测数据的变化。从原始观测数据看，年变在苍山地震前的1年左右时间里，1994～1995的年变特征显然与其它年份有所不同，基本上包括年变在内的观测值整体幅度有所下降。对图3和图7中的数据进行傅里叶滑动和二阶多项式拟合处理后见图8。傅里叶滑动用于去年变周期，二阶多项式用于去除短期的干扰变化。从图中可以看出，在地震之前都出现了观测数据大幅下降的过程，从应变的角度讲处于压性状态，而地震刚好发生在数据转折时，也就是张性阶段，完全符合震源变化的物理意义［5］。这也说明EW向和最大电阻率ρ2方向具有一定的地震前兆观测意义。而图3中另外二道NS向和NE向显然在地震前没有明显的震兆变化，相反由于表层电阻率的影响而导致数据经常出现不规则的变化给前兆预测带来困惑。

图8 地电阻率傅里叶去年变和拟合结果曲线Fig.8 The fitting results of the earth resistivity with Fourier removing the annual variation

4 讨论

（1）困扰地电阻率前兆分析的最大问题是年变。在实际的观测中，年变的表现也是不一样的，不能简单认为年变是表层电阻率引起的变化，不同的电性结构引起的年变变化是不一样的，很多杂乱的年变往往是与最表层的电阻率的变化有关，规则的年变往往影响深度要深的多。所以规则的年变的探测深度更深，更有预报意义，而且通过傅里叶变换或距平等方法容易把年变处理干净。

（2）在地电阻率场地选择时，可以利用电测深数据做反演，对观测场地进行分层处理，然后计算各层的响应系数，尽量避免表层响应系数高的台站。地电阻率的探测深度是一个场地是否优越的重要指标。

［1］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.

［2］国家地震局科技监测司.电磁观测技术 ［M］.北京： 地震出版社，1995.

［3］杜学彬，叶青，马占虎，等.强地震附近电阻率对称四极观测的探测深度 ［J］.地球物理学报，2004，51（6）：1943-1949.

［4］钱复业，黄燕妮.地电阻率各向异性参量计算法及地震前兆实例 ［J］.地震学报,1996，18（4）：480-488.

［5］郭增建，秦保燕.某些震源问题的讨论 ［J］.地震，2000，20（1）：103-108.

［6］梅世蓉.地震前兆场物理模式与前兆时空分布机制研究 ［J］.地震学报，1995，17（3）：273-282.

Abstract：The earth electrical resistivity observed in three direction at Xinyi station is very inconsistent.This paper analyzed the reasons of the differences objectively,and pointed out that detecting depth could cause a variety of annual variations.The deeper detecting depth is,the more obvious annual variation quantity is.It is less effected and more precursory significance. Reasonable electrical structure must be taken into account in field selection.

Keywords：Earth-resistivity;Annual variation quantity；Directional differences

Discussion and Significance on the Cases of the Electronic Resistivity Observation at Xinyi Station

SHEN Honghui,SUN Chunxian,YE Biwen
(Earthquake Adminstration Jiangsu Province,Nanjing 210014,China)

P315.24

A

1001-8662（2010）04-0041-07

2010-04-22

沈红会，男，1972年生，高级工程师.主要从事地震预报工作. E-mail:shhmouse@sina.com.