河北昌黎地电阻率频谱特征分析

张国苓乔子云贾立峰王艳荣佟 鑫1）中国石家庄050021河北省地震局2）中国河北066100秦皇岛中心台



河北昌黎地电阻率频谱特征分析

张国苓1)乔子云1)贾立峰1)王艳荣2)佟 鑫2)
1）中国石家庄050021河北省地震局2）中国河北066100秦皇岛中心台

摘要应用最大熵谱法分析昌黎地电阻率频谱成分特征，结果表明，地电阻率整点值存在明显日变特征，24 h全日波最强，半日波和1/3日波周期成分次之，主要受气温和固体潮影响。气温升高引起地电阻率下降，固体潮引起地下深层承压水位的日扰动变化，导致地电阻率变动。地电阻率日均值存在显著的“冬高夏低”准年变周期，与降雨量有关，利用褶积滤波法可以较好的去除降雨对地电阻率的影响。

关键词地电阻率；日变；年变；固体潮；降雨量

E-mail：zhangguoling002@163.com

本文收到日期：2015-06-11

0 引言

中国自1966年开展地电阻率观测以来，在大震前记录到显著的中短期异常，多以趋势下降变化、破年变为主（钱复业等，1980，1982；桂燮泰等，1989；钱家栋等，1998；Lu et al，1999；赵玉林等，2001；张学民等，2009；杜学彬等，2010）。在地电测量中，多数台站记录到准年周期性的地电阻率变化（简称年变化或年变）。研究发现，年变主要与地电台址电性断面、水文地质条件、布极极距有关（金安忠，1981；王志贤，1981），经理论模型计算和相关性分析，认为年变是在探测深度偏浅时，降雨、地表潜水位年变动态引起地下表层介质电阻率的季节性变化，一种与地震无关的干扰变化（钱家栋等，1985；钱复业等，1987；张学民等，1996，2004；刘允秀等，1999；解用明等，2005；宋晓磊等，2006；严玲琴等，2013；张国苓等，2013）。中国大部分台站的年变形态为“冬高夏低”的“正常年变”，夏季降水多，地表潜水位较高，表层介质含水率升高，电阻率较低，使得视地电阻率观测值较低。在水平层状均匀介质下，表层介质对地电阻率相对变化影响系数为正时，地电阻率年变表现为“冬高夏低”。当台站表层介质电阻率的影响系数为负时（赵和云等，1985；Lu et al，2004；解滔等，2013，2014），如宁夏海原台、四川郫县台、甘孜台，冬季表层介质电阻率升高，视地电阻率观测值降低。

中国部分台站的日变比较明显，存在24 h全日波频谱周期，主要受温度影响（戴勇等，2013）。濒临大海的一些地电阻率台站能观测到固体潮信息，如：1965年日本东京大学山崎良雄得出的东京南60 km神奈川县油壶地区地电阻率变化，与伸缩仪、潮汐应变有较好的对应关系（钱家栋等，1991）。俄罗斯北部巴伦支海边ZEVS台站观测到地电阻率与垂直向潮汐力相关性较好，且具有12 h和24 h日变频谱周期，其中固体潮可以影响约7%的地电阻率变化（Alexander et al，2002）。本文主要利用最大熵谱法（叶青等，2007），对昌黎地电阻率整点值和日均值进行谱成分分析，并从气温、固体潮、降雨等方面，对地电阻率日变、年变成因进行物理解释，其结果对分析观测资料变化及识别前兆异常具有重要意义。

1 台站参数

昌黎地电阻率观测站位于燕山山前冲积平原，处于昌黎—宁河断裂北侧（图1），场地周围地势较为平坦，第四系覆盖埋深约70 m，含水层发育，总厚度20—30 m，下伏岩层为燕山期花岗岩。昌黎台地电阻率观测站建于1968年，1999年7月后使用观测仪器为ZD8B地电仪，布设NS、EW两个相互垂直的测向，采用对称四极装置，供电极距和测量极距分别为1.0 km和0.2 km（图2）。铅板电极埋深3 m，接地良好，外线路采用屏蔽绝缘铜线。昌黎地电台地下电测深结果显示，测区地下介质比较均匀，为4层KH型电性结构，第1层电阻率28.88—32.36 Ω·m，层厚2.6—3.9 m，为粘土层；第2层电阻率573.02—802.60 Ω·m，层厚18.8—28.1 m，为粘土层含细砂；第3层电阻率40.07—109.97 Ω·m，层厚140.2—169.9 m，为混合花岗岩；第4层为169.9 m以下至无穷大处，电阻率436.55—768.79 Ω·m，为角闪斜长片麻岩。地电阻率测区地势平坦，环境干扰噪声较小，产出资料较为可靠，数据连续率98%以上。近年来，在测区西侧1.5 km处进行深部承压热矿水开采，并建立几家粉丝厂，对数据产生一定程度影响。

图1　昌黎台地质构造Fig.1 The faults of Changli Seismic Station

图2　昌黎台地电阻率测区布极Fig.2 Schlumberger monitoring arrays used at Changli Seismic Station

2 数据处理

2.1 最大熵谱法原理

最大熵谱方法的基本思想是不进行任何假设，根据已知数据信息预测未知延迟离散时间上的相关函数，外推相关函数时，每一步均保持事件的不确定性或熵最大（韩大宇，1987）。对于平稳随机序列{Xn}，寻找满足约束条件的自相关函数与功率谱密度的关系，由给定数据求得有限自相关函数，由变分原理求得最大熵功率谱密度（Fougere et al，1976）

式中，f为频率，am为预测误差系数，PM为预测误差功率，M为滤波器阶数。M的选择在最大熵谱估计中具有至关重要的作用，正确选择模型的阶数，可提高谱估计的分辨率，消除谱线分裂现象等（宋治平等，1997）。叶青等（2007）和张国苓等（2014）利用该方法得到首都圈地区地电场和数字电磁波的频谱特征，并从机理上进行解释。

2.2 数据计算

为获取昌黎地电阻率的周期成分，采用最大熵谱法，对地电阻率、气温和台站理论固体潮整点值数据进行最大熵谱分析。年变特征分析的数据样本为2003—2014年日均值时间序列，日变特征分析的数据样本长度为1个月（2014年1月）的小时值时间序列。结果显示，昌黎地电阻率日均值具有较好的年变（365天）周期，整点值观测值具有24 h、12 h和8 h日变周期特征，气温具有24 h日波特征，固体潮有24 h日波和12 h的半日波周期特征。为了图示清楚，在图3中把谱值随频率变化换算为随周期变化。

图3　地电阻率、气温、固体潮最大频谱(a)地电阻率日频谱值；(b)地电阻率整点值；(c)温度；(d)固体潮Fig.3 The maximum entropy spectrum of georesistivity, temperature and solid tide

3 地电阻率日变特征

3.1 气温影响

气象因素中，气温是具有短周期变化特征，对地电阻率具有明显影响的物理量。由实验数据（钱家栋等，1985）得知，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。尤其在0℃附近，水发生相变，地电阻率变化速率最大。图4(a)为2014年1月21日昌黎NS向地电阻率和气温关系图，显示地电阻率随着气温的上升而下降，相关系数为-0.85。冬季地表温度较低，夜晚在0℃以下，地电阻率较高，白天温度在0℃以上，地电阻率较低，上午的冰融化阶段，地电阻率变化较快。

3.2 固体潮影响

地球表层潮汐应力大小随地球与天体（日、月等）在运动中的相对位置变化而规律变化，地下水位必然随之产生规律变化。当潮汐应力增大时，含水岩体膨胀，含水层孔隙水压降低，静水位下降，地电阻率上升。当潮汐应力减少时，含水岩体压缩，含水层孔隙水压升高，静水位上升，地电阻率下降。将2014年1月昌黎NS向地电阻率与昌黎理论固体潮整点值对比分析，发现地电阻率每日的极大值和固体潮极小值时间基本一致。图4(b)为2014年1月21日昌黎地电阻率、承压井动水位、理论固体潮曲线图，显示昌黎动水位与固体潮正相关，地电阻率与固体潮曲线负相关，相关系数分别为0.76、-0.6。固体潮观测主要由日波、半日波等周期的频率信息组成（图3），一般还存在1/3 日波（廖迎春等，2007），地电阻率12 h、8 h频率波也比较明显，表明昌黎地电阻率半日波和1/3日波的周期信息主要源于固体潮的影响。

图4　2014年1月21日昌黎NS向地电阻率变化（a）与气温关系；（b）与固体潮关系Fig.4 The change of georesistivity of NS direction at Changli Seismic Station on January 21, 2014

4 年变特征分析

地电阻率观测台站受台址条件限制，观测深度较浅，观测值受降雨等气象因素的影响，具有准年变周期变化。昌黎地电阻率存在“冬高夏低”的年变形态，年变幅度为5%，与降雨量有较大关系（图5）。降雨对地电阻率的干扰比较复杂，不仅有一定即时效应，也存在一定时间滞后效应，一般，昌黎地区降雨，第2天地电阻率下降，之后缓慢回升。降雨量大的夏季，地下水位高，地电阻率相对较低；降雨量小的冬季，地下水位低，地电阻率相对较高。张学民等（1996）曾利用褶积滤波法对昌黎地电阻率进行降雨校正，效果较好。

褶积滤波法原理：把土层看成一个系统，降雨量CR(t)为输入信号，降雨量对ρs的影响函数为R(t)，对地电阻率的影响量为Δρ(t)，考虑到降雨的即时及滞后效应，则

式中，R(t)为褶积算法的系统系数

根据宋晓磊等（2006）对降雨渗透过程影响视电阻率的研究结果，选取即时影响时间为1个月，滞后影响时间为6个月是比较合理的，则

本文通过Matlab对上述方法进行多元回归计算，对2003—2014年昌黎台地电阻率和月降雨量数据进行分析（图5）。图5(a)为昌黎EW向地电阻率和月降雨量值，图5(b)为降雨量对地电阻率的影响值，存在明显“冬高夏低”的年变规律，年变幅一般为-8 Ω·m，降雨量大的年份影响地电阻率值较大；图5(c)为去掉降雨影响后的昌黎地电阻率值，发现年变不再清晰，说明昌黎地电阻率年变由降雨量引起。

图5　降雨量对昌黎地电阻率影响Fig.5 The effect of rainfall on georesistivity at Changli Seismic Station

5 结论

昌黎地电阻率自投入观测以来资料连续、稳定，观测时间长，日变、年变特征明显，气象要素等辅助资料完备，且有较好的映震效能，在1976年M 7.8唐山地震前有显著前兆异常，深入研究该台地电阻率的变化特征，对唐山老震区及首都圈震情的监视有重要的作用。本文以昌黎台数字化地电阻率观测资料为基础，在分析频谱特征的基础上，探讨了其与气温、固体潮、降雨等对影响因素的关系，可以得出以下结论。

昌黎地电阻率整点值具有较好的日波、半日波、1/3日波周期的频谱特征，主要受气温和固体潮变动影响。地电阻率与气温、固体潮均负相关，气温升高引起地电阻率下降，气温在0℃上下变化时影响尤为显著；固体潮引起地下深层承压水位的日扰动变化，从而引起地电阻率变动。因此，昌黎地电阻率不仅能观测到气温变化影响，还能观测到固体潮对地球应变的响应。可见，昌黎地电台是比较敏感的地电台站。

昌黎地电阻率“冬高夏低”的年变规律主要由地表薄层介质地电阻率季节性变化引起，与当地降雨量有关。降雨量增大，地下表层介质地电阻率降低，地电阻率观测值减小。利用褶积滤波法可较好去除降雨对地电阻率的影响，对地电阻率年变化进行定性、定量分析，对异常提取和地震预报具有重要意义。

中国地震台网中心李美、解滔及内蒙古自治区地震局戴勇给予指导，并进行有益探讨，河北省水文水资源勘测研究院提供昌黎地区地下潜水位资料，昌黎地电台周建青、郭建芳等提供宝贵资料，在此表示感谢。

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Spectrum characteristics of georesistivity at Changli Seismic Station in Hebei Province

Zhang Guoling1)，Qiao Ziyun1)，Jia Lifeng1)，Wang Yanrong2)and Tong Xin2)
1) Earthquake Administration of Hebei Province，Shijiazhuang 050021，China
2) Qinhuangdao Seismic Station，Hebei Province 066100，China

Abstrat

The spectrum characteristics of diurnal and annual variation have been identi fi ed by maximum entropy method， based on georesisticity data at Changli Seismic Station， Hebei Province. The study shows that the amplitude of the 24 h diural wave is the largest in georesistivity diural variation， followed in turn by the 12 h semidiural wave and 8 h periodic wave. Georesistivity diural variation is mainly affected by temperture and solid tide. The temperture arising can cause georesistivity to decline. The solid tide can cause disturbance of con fi ned water level， which leads to changing of georesistivity. Georesistivity has signi fi cant annual period of higher in winter and lower in summer， which was controlled by rainfall. We can remove the effect of rainfall from georesistivity by convolution fi ltering method.

Key words:georesistivity，diurnal variation，annual variation，solid tide，rainfall

doi:10. 3969/j. issn. 1003-3246. 2016. 01. 009

基金项目：由国家自然科学基金（41274079）；中国地震局青年震情跟踪工作任务（2015010403）

作者简介：张国苓(1986—)，女，石家庄人，助理工程师，硕士，主要从事电磁学和地震预测研究工作。