河北省地电阻率干扰分析

罗 娜乔子云贾立峰盛艳蕊王 静宋 昭赵志远张 波1）中国河北055350红山基准地震台2）中国石家庄050021河北省地震局



河北省地电阻率干扰分析

罗 娜1)乔子云2)贾立峰2)盛艳蕊2)王 静1)宋 昭1)赵志远1)张 波1)
1）中国河北055350红山基准地震台2）中国石家庄050021河北省地震局

摘要通过河北省地电阻率观测资料整理、干扰源调研及时序分析，总结各类干扰源表现形态及干扰机制，并提出排除干扰的方法，为有效识别地电阻率干扰、异常判定及地震预测预报提供依据。

关键词地电阻率；变化形态；干扰机制

E-mail: luona0104@163.com

本文收到日期：2015-09-10

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（程鑫等，2011）。电阻率是地壳介质的一项重要物理参数，利用地电阻率观测，可以了解地下应力变化和岩体破裂过程，地电观测来已成为地震预报的主要手段之一，在中期和短期地震监测预报中起着重要作用（荆红亮等，2009；解滔等，2011）。

随着社会经济的快速发展，城市化进程的加快，地电阻率观测资料受到不同程度的干扰，无论从形态还是变幅量级，某些干扰易与震兆混淆，给地电阻率异常判别和地震预报实际应用带来很大困难。因此，有效排除地电阻率观测的干扰，正确拾取震兆信息，已成为一项重要工作（张磊等，2010；王燚坤等，2011）。地电阻率数字化改造以来，部分省份逐渐总结出一些干扰类型（李菊珍等，2004；何康等，2010；陈远东等，2010；解滔等，2013），主要包括观测系统故障、气候变化（雷电、降雨、大风、大雾）、游散电流（工农业漏电、直流运输系统干扰等）、测区内局部异常体（金属管网、挖土水坑等），并对其特征进行分析。

本文主要针对河北省4个台站地电阻率资料，结合观测系统运行及观测日志，对常见干扰的变化形态和干扰机制进行分析，对资料影响的时间长度进行分类整理，提出解决干扰问题的建议，为地电阻率干扰识别、震情跟踪及异常提取提供依据。

1 观测概况

1966年邢台地震后，河北省开展规模化、规范化的地电阻率监测，经过近50年发展，目前地电台网包括大柏舍、昌黎、阳原、兴济4个观测台站。地电阻率观测采用对称四极法，观测仪器为ZD8B，供电极距1 000—2 000 m，测量极距200—500 m（表1），供电电极和测量电极埋深约2 m。4个台站均分布在断裂带上，基础资料完备，数据观测质量较好，在唐山MS7.8、大同MS5.9、张北MS6.2等地震前均有较好反映，对首都圈地区震情监视起到重要作用。

表1　河北省地电阻率布极参数Table 1 The electrode arrangement parameters of Earth resistivity in Hebei Province

2 短期干扰

2.1 观测系统故障

地电阻率观测系统由供电系统和测量系统两大部分组成（钱家栋等，1985），当观测系统中任一观测环节出现仪器故障、线路接触不良、线路漏电等情况时，地电阻率出现超出稳定背景值范围变化，有时甚至无法观测。

2010年2月8日—9日大柏舍台EW向地电阻率数据出现大幅突跳上升变化，最大变化幅度7.27 Ω·m，调查发现，此段时间为大雾霜冻天气，由于外线路老化，恶劣天气易引起线路局部漏电，从而导致地电阻率突变［图1(a)］。大柏舍台NS向地电阻率数据2014年7月8日6时至13时发生突变，最大变化幅度0.74 Ω·m［图1(b)］，检查外线路发现，北供电极引线遭受腐蚀，线路接触不良，导致观测数据发生突变，更换电极引线后，观测数据恢复正常。

图1　大柏舍台地电阻率整点值曲线Fig.1 Earth resistivity hour-point values at Dabaishe Seismic Station

由于测量电极的引线长期暴露在空气中，经风吹、日照、雨淋及氧化等，容易破损，造成观测数据突变。现增加巡检次数，以便及时发现问题，避免此类干扰引起观测数据变化，尽快恢复观测。

2.2 大风干扰

每年3—4月，由于冷暖空气强对流作用和地面低气压的快速移动，大柏舍台和兴济台风力量大、刮风次数频繁，平均风力4级左右，最大风力可达6级。大风可以使悬空的测量线做不规则大幅度摆动，切割地磁场磁力线，在测量线路中产生感应电动势（钱家栋等，1985）。大柏舍和兴济地电台观测系统外线路采用架空方式，地电阻率测量受大风天气影响，造成数据观测精度降低，出现多组较大幅度的突跳变化。由于地电阻率采样率是小时值，测数间隔时间较长，所以风扰记录具有较大的随机性。2010年4月，大柏舍台有8天大风天气，地电阻率观测噪声增大，数据突跳变化，突跳值与正常值（无大风天气的月均值）相差3.5 Ω·m左右［图2(a)］；兴济台由于大风天气影响，4月8日17时至18时N60°W测向由8.33 Ω·m下降到7.47 Ω·m，下降幅度0.86 Ω·m，8日日均值较无风扰日变化超过0.3%［图2(b)］。

目前，河北省兴济台经国家“十二五”背景场项目改造工程，将地电阻率观测外线路地埋，经1年试运行观测，发现观测数据受大风干扰明显减小。

图2　2010年4月地电阻率受大风干扰Fig.2 Earth resistivity disturbed by gale

2.3 直流用电系统干扰

兴济台距离天津城铁100 km，地电阻率每天0时—5时观测精度较高，6时—23时左右干扰较大，电阻率出现较大扰动，数据离散度增大，与城铁运营时间较为一致。图3为兴济台2015年3月1—8日地电阻率整点值及均方差曲线。图中显示，城铁运营期间，地电阻率出现较大扰动变化，均方差较大，城铁停止后，地电阻率数据比较稳定光滑，均方差较小。

图3　2015年3月兴济台地电阻率受城铁影响(a)N60°W向地电阻率整点值变化曲线；(b)N60°W向地电阻率均方差变化曲线Fig.3 Earth resistivity disturbed by railway

城铁、地铁为大功率直流用电设备，当列车运行时，直流电由牵引变电所供给，流经接触轨中的馈电线，向机车输送电能驱动机车前进，并经由钢轨中的一条流回牵引变电所，由于钢轨自身特性及轨—地绝缘技术、天气因素等，在钢轨中的杂散电流对地漏电，形成泄露电流（谢凡等，2011），从而造成对地电阻率观测的干扰。

2.4 雷雨干扰

雷电是一种强大的电磁干扰（功率在109W以上），雷电距离近，电压高， 放电瞬间会引起观测数据的大幅度改变，严重时对地充电可导致测区自然电位的急剧增长，并数日不稳定，在落雷区，甚至有可能烧毁仪器或造成人员伤亡（钱家栋等，1985；王燚坤等，2011）。阳原台2012年8月27日地电阻率仪器遭雷击，造成数据缺测。

昌黎台、阳原台地电阻率降雨时会出现下降变化，下降幅度随着降雨量的增大而增大，降雨停止后，随着地面慢慢变干，随后几天内观测值逐渐恢复，变化幅度一般超过0.5%（图4）。阳原台N68°W测道比N22°E测道受降雨干扰程度大，是因为N68°W测道南面供电极紧靠大秦铁路，降雨时地下电极与铁轨形成通路，供电时有部分电流流向铁轨。

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（赵和云等，1986）。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，如甘肃嘉峪关台、宁夏海原台。

图4　2014年地电阻率受降雨影响Fig.4 Earth resistivity disturbed by rainfall in the year 2014

3 中长期干扰

地电阻率观测台站受自身台址条件限制，观测深度较浅，观测值受到气温、降雨、地下水位等因素的影响，具有准年变周期和趋势变化。

3.1 降雨量影响

昌黎台地电阻率存在“冬高夏低”的年变形态，年变幅度为5%，与降水量有较大关系（图5）。降水量大的夏季，地下水位高，地电阻率相对较低；降水量小的冬季，地下水位低，地电阻率相对较高。昌黎台地电阻率长趋势变化与降水量也有关系，统计2003年以来昌黎地区降水量，2004—2008年降水量比较少，是较为干旱时段，同时昌黎台地电阻率2005—2009年为趋势上升变化；2009—2012年降水量较多，尤其是2012年降水量大约是往年的2倍，而昌黎台地电阻率从2010年2月开始出现下降变化，2013—2014年降雨量偏少，地电阻率转为趋势上升变化。地电阻率的趋势变化与降水量有相吻合之处，但同时存在一定的滞后效应。张学民等（1996）曾利用褶积滤波法，对昌黎台地电阻率进行降水校正，效果较好。

3.2 地下水位干扰

地下水位变化时探测体上部电性参数必然发生变化，直接影响地电阻率变化（刘允秀等，1999）。大柏舍台地电阻率存在夏高冬低的“反年变”规律，且具有阶段性不同速率的趋势上升变化。对台站周边地下水位调查显示，地下水埋深受农业开采及降雨的影响，具有夏低冬高年周期变化和趋势上升变化特征（图6）。

图5　2003—2015年昌黎台EW向地电阻率受降雨影响（a）地电阻率月均值变化曲线；(b)降雨量统计Fig.5 Earth resistivity in the east-west direction, disturbed by rainfall at Changli station

图6　大柏舍台地电阻率与地下水位曲线Fig.6 The relationship between groundwater level and earth resistivity at Dabaishe Seismic Station

从年变周期（如2012年、2013年）看，每年3—6月，受冬小麦灌溉影响，水位持续下降；7月雨季开始，地下水开采量减小，地下水位开始回升，11月中旬，受冬灌影响，地下水位上升缓慢或有稍微下降；次年1—2月，由于农业开采地下水减少和太行山前侧向径流的补给作用，2月底达到年内最高水位。这与地电阻率的季节性年变化有较好的对应关系。夏季地下水位比较低时，地电阻率较高，冬季地下水位较高，地电阻率达最低值。从趋势变化看，2006—2010年地下水位下降，期间隆尧地电阻率上升；2010—2014年地下水位和隆尧地电阻率转平。通过对大柏舍台地电阻率NS、EW测向地电阻率与地下水位变化比较分析，计算得出地电阻率NS、EW测向地电阻率与地下水位的相关系数分别为0.92、0.88，说明大柏舍地电阻率与地下水位相关性较好，年变周期变化受地下水位干扰较明显。张国苓等（2013）通过线性回归方法有效排除地下水位干扰。

4 结论

河北省地电阻率短期干扰因素主要有观测系统、雷电、风扰、直流用电系统干扰、降雨等，表现为突跳、台阶，干扰时段结束后，数据逐渐恢复正常。观测系统故障对地电阻率的影响，自系统恢复后，干扰结束。大风、降雨等气象因素对地电阻率的影响，采用线路地埋方式可以有效减小。随着经济发展，越来越多台站受到交通轨道影响，兴济台受城铁影响，观测数据信噪比增大，精度降低。交通轨道干扰来自较近车站或远端的漏电电场，而现有技术无法有效排除此类干扰，因此数据处理采用列车非运行时段的观测数据。

地电阻率中长期变化主要是降雨量和地下水位引起的，异常识别过程中，应当选用褶积滤波法和相关分析法去掉相应干扰。河北平原地区受地下水开采的影响，已形成巨大漏斗区，近几年政府限制部分地区地下水开采，地下水位下降速率减慢或者转平，导致地电阻率发生变化，而非前兆地震异常。

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The analysis of interference factors of earth resistivity in Hebei Province

Luo Na1)，Qiao Ziyun2)，Jia Lifeng2)，Sheng Yanrui2)，Wang Jing1)，Song Zhao1)，Zhao Zhiyuan1)and Zhang Bo1)
1) Hongshan Benchmark Seismic Station， Hebei Province 055350， China 2) Earthquake Administration of Hebei Province， Shijiazhuang 050021， China

Abstract

By sorting out the observation data of earth resistivity in Hebei Province， investigating the interference source and time sequence analysis， summarizing the forms of various interference sources and interference mechanism， the method for eliminating the interference is then put forward. It provides the basis for the effective distinguishing the interference， determining abnormity in the earth resistivity data and predicting earthquake.

Key words:earth resistivity，change shape，interference mechanism

doi:10. 3969/j. issn. 1003-3246. 2016. 01. 012

基金项目：中国地震局青年震情跟踪工作任务（2015010403）、河北省地震局星火计划项目（DZ20150422048）和河北省地震科技星火计划项目(DZ20141226079)联合资助

作者简介：罗娜（1981—），女，保定人，工程师，硕士，主要从事电磁学和地震预测研究工作。