甘肃酒泉地区地电阻率干扰因素分析与研究

张彩艳，雷功明，李 通，赵月梅，张贵文，刘 帅

(甘肃省地震局嘉峪关中心地震台，甘肃 嘉峪关 735100)

0 引言

地震地电阻率前兆观测是利用分布于地表固定观测点上的特定装置系统,定时观测地球介质的视电阻率,研究其随时间的变化和这种变化的空间分布规律,以寻求与地震孕育过程之间的内在联系。由于存在自然现象、观测系统及观测环境干扰等原因,在观测资料中会出现与地震孕育及地壳区域应力状态无关的变化[1]。在日常观测中，有些干扰无论在形态还是变幅量级上，都极易与震兆混淆，从而给地电阻率异常判别和地震预报带来困难。为此，该文通过对甘肃酒泉地区的嘉峪关、四0四(玉门)台地电阻率观测干扰因素进行分析研究，积累正确识别地电阻率干扰因素的经验，做好地震预报的基础工作。

1 甘肃酒泉地区地电阻率观测概况

嘉峪关台、四0四(玉门)台为甘肃酒泉地区两个地电阻率台站，观测装置均采用四极对称系统，观测系统的建设及布极区的环境状况均符合相关规范的技术要求[2]。地电阻率台站分布及布极图如表1、图1、第3页图2所示。

表1 甘肃酒泉地区地电阻率观测系统参数Table 1 Parameters of the earth resistivity observation system in Jiuquan area, Gansu Province

图1 甘肃酒泉地区地电阻率台站分布图Fig.1 Distribution of the earth resistivity stations in Jiuquan area, Gansu Province

2 干扰分析

在地电阻率观测中，对观测数据能够产生干扰的主要因素为自然现象、观测系统及观测环境。其中，自然现象干扰是由自然环境的变化造成的，主要包括地电暴、降雨及雷电干扰等；观测系统干扰是由于仪器、各类线路、电极等故障对观测数据产生的影响；观测环境干扰主要包括修建公路、电焊机、铸铁输水管道等。下面对影响两台地电阻率观测数据的各类干扰进行总结与讨论。

图2 甘肃酒泉地区地电阻率观测台布极示意图Fig.2 Layout of the earth resistivity observation station in Jiuquan area, Gansu Province

2.1 自然现象干扰

2.1.1 地电暴干扰

从图3可以看出，四0四(玉门)台地电阻率均方差和自然电位差在2017年10月11日至16日NS向测道均方差及自然电位差整点值，均出现突跳干扰变化，均方差变化0.44 Ω·m，自然电位差最大变化幅度7.7 mV。与嘉峪关台地磁水平分量EW向比较，变化形态一致。通过多次巡视、检查观测场地及测量系统等，发现一切正常。经与该台地磁水平分量观测数据进行对比分析，在该时间段内发生过一次地电暴。由于在磁暴时，空间电磁场变化十分强烈且变化频次较高，在地电阻率测量时，无法全部补偿所有的极化电位，造成均方差及自然电位差正常时段发生了较为明显的变化。

2.1.2 降雨干扰

从四0四(玉门)台地电阻率受降雨影响小时值曲线变化形态可以看出(见图4)，2018年6月1日至9月30日，分别在6月19日、7月14日、28日、8月15日、30日出现降雨，其中8月15日最大降水量达9.2 mm，四0四(玉门)台2个测道地电阻率同步突降，NS向、EW向地电阻率下降幅度分别为0.21%、0.23%。检查观测系统及装置系统均正常，分析认为，由于电极埋深较浅，地电阻率下降的时间与降雨时间基本同步，形态为快速下降-缓慢上升，即降雨时快速下降，降雨结束后缓慢上升，下降幅度和降雨量大小有一定关系。

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[3]。若表层介质影响系数为正，则降雨使得地电阻率测值下降；反之，表层影响系数为负，则地电阻率值上升(见第33页图5)。

图3 四0四(玉门)台地电阻率与嘉峪关地磁整点值曲线Fig.3 The curve of the earth resistivity and the whole point value of Jiayuguan geomagnetism of the 404 (Yumen) station

图4 四0四(玉门)台地电阻率小时值曲线图Fig.4 Hourly curve of the earth resistivity of 404 (Yumen) station

2.1.3 雷电干扰

当雷电发生时，带有电荷的雷雨云与地面的突起物接近，就会发生激烈的放电，改变了区域电场的分布环境[4]，从而引起观测数据的大幅度改变，严重时还会直接烧毁仪器设备[5]。图5给出了嘉峪关地电阻率测值因雷电干扰引起变化的曲线形态。2018年7月28日16时、8月11日18时测值曲线均出现较大的台阶变化，经查询观测日志证实，此时段测区内存在雷阵雨。从图6看出，最大变幅可达1%。

图5 嘉峪关台地电阻率小时值曲线图Fig.5 Hourly curve of the earth resistivity at Jiayuguan station

图6 嘉峪关台地电阻率小时值曲线Fig.6 Hourly curve of the earth resistivity at Jiayuguan station

2.2 观测系统故障干扰

2.2.1 测量外线破损

外线路是指供电线和测量线，对观测结果影响最大的主要原因是外线路漏电，无论是供电线和测量线之间的漏电，还是供电线、测量线对大地漏电，都会使供电电流不完全从A、B极流入(出)大地，或使接收到的人工电场信号不完全来自M、N，这就改变了实际供电电流的大小，同时，也改变了装置系数，造成观测装置不稳定(1)王兰民.甘肃省地震监测人员培训讲义第一版(上)，2007.。2016年2月26日至9月24日四0四(玉门)台NS向地电阻率自然电位数据出现大幅度阶跃变化，最大变化幅度302.2 mV。经多次排查，发现南测量极外线与地埋套管(隐蔽)内的引线破损，线路接触不良，造成在该时段内由于刮风、霜冻、降雨潮湿引起测量极线路间漏电，从而导致NS向自然电位出现阶跃变化，9月24日更换电极引线之后，数据恢复正常(见图7)。

2.2.2 供电电极引线脱落

图7 四0四(玉门)台自然电位整点值曲线Fig.7 Whole point curve of natural potential of 404 (Yumen) station

图8 四0四(玉门)台地电阻率电极故障整点值曲线Fig.8 Whole point curve of the earth resistivity electrode fault of 404 (Yumen) station

四0四(玉门)台地电阻率自2015年1月28日至2月8日，NS测道断断续续出现断记现象(见图8)，通过网页监控发现无电流输出提示，而自然电位差测量正常。经多次检查，确定为北供外线与电极引线脱离所致，2月6日至8日进行相关处理，数据恢复正常。

2.2.3 测量电极引线虚接

四0四(玉门)台EW向地电阻率自2016年4月23日至5月15日开始出现突跳变化(见第34页图9)，测量东西测道M3测量极的接地电阻值大于100 Ω。经检查发现，系M3电极引线与外线路虚接引起，进行相关处理后，数据恢复正常。

2.2.4 供电电极引线接头氧化

嘉峪关地电阻率2016年3月25日至5月24日N45°W测道A4电极引线接头氧化，造成数据突跳上升(见第34页图10)，4月11日出现上升变化，幅度达到2.77%，15日测量A4电极接地电阻值达到47 Ω，超过规范《地震及前兆数字观测技术规范》要求，怀疑电极引线接头氧化，接触不良，按照规范要求重新对电极引线接头处理后，观测数据恢复正常。

图9 四0四(玉门)台地电阻率整点值曲线Fig.9 Whole point curve of the earth resistivity of 404 (Yumen) station

图10 嘉峪关台地电阻率小时值曲线Fig.10 Hourly curve of the earth resistivity at Jiayuguan station

2.2.5 仪器故障

2018年4月2日更换备用仪器，发现数据阶跃上升变化(见图11)，通过检查仪器工作状态及仪器零点校准、满度校准及仪器校准等工作，发现参数设置无法存储，造成零点校准工作不能正常进行，判断为主机芯片SD1225故障，于5月11日对主用仪器SD1225芯片进行更换，之后观测数据恢复正常。

图11 嘉峪关台自然电位整点值曲线Fig.11 Whole point curve of natural potential at Jiayuguan station

2.3 环境变化干扰

2.3.1 修建旅游公路干扰

2016年9月18日11:00至19日嘉峪关台NE向地电阻率、自然电位差小时值连续出现粗差错误数据，最大变化幅度77.1%，自然电位差最大变化幅度为341.8 mV。地电阻率N45°W向最大变化幅度达到1.34%。于是，立即巡视测区环境，发现观测环境保护区内修建旅游公路，铲车将地埋线M2测量极线路铲破造成粗差及错误数据，明显压制曲线形态(见图12)。通过与施工方协调，对破损的测量线进行处理，之后数据恢复正常。

图12 嘉峪关台电阻率及自然电位差整点值曲线Fig.12 Whole point curve of resistivity and natural potential difference at Jiayuguan station

2.3.2 电焊机干扰

2016年3月25日18:00至28日21:00嘉峪关台地电阻率N45°W向观测数据出现连续不稳定现象，表现为多处突跳、阶变及曲线畸变(见图13)，多个小时值的变化幅度超过1%。28日晚上9时经过工作人员走访核实，发现干扰源来自距离台站200 m处居民使用大型功率电焊机施工导致，经劝阻停止电焊作业后，22时的观测数据恢复正常。

图13 嘉峪关台地电阻率整点值曲线Fig.13 Whole point curve of the earth resistivity at Jiayuguan station

2.3.3 铸铁输水管道干扰

嘉峪关旅游景区在2017年9月28日上午09:00，对原有东面输水管道进行位置改造。其中，横穿马路输水管均采用了直径40 cm、总长228 m铸铁管。在施工的同时及其之后，观测数据出现两次阶跃下降(见图14)，N50°E测道ρs小时值较前一天日均值最大变化了7.46%，N45°W测道ρs小时值较前一天日均值最大变化了2.77%。经检查，铸铁输水管距离N50°E测道只有94 m，距离N45°W测道248 m，不符合地电规范大于300 m的要求。由于数据变化与施工准同步，因此，判断数据的变化系铺设铸铁输水管造成。

图14 嘉峪关台地电阻率整点值曲线Fig.14 Whole point curve of the earth resistivity at Jiayuguan station

3 结论与讨论

通过对甘肃酒泉地区嘉峪关、四0四(玉门)两个台站地电阻率的观测数据干扰因素进行分析，得出以

下认识：

(1) 自然干扰是短期干扰，表现特征为突跳和阶跃，对观测数据影响是短暂的。对于长期降雨影响，可采用深埋电极及加大供电极距的办法来减少干扰。

(2) 观测系统干扰原因主要是仪器、线路、电极等的影响，一般在短时期内通过快速故障判定，采取一些措施消除、改善，可使观测数据即刻恢复正常。

(3) 观测环境变化对地电阻率观测影响是不可忽视的，主要表现为长期的数据影响。例如，嘉峪关测区埋设铸铁管线对地电阻率的影响较大，使地电阻率出现台阶性下降变化，主要跟本身埋设的方式、长度、横截面积、连接方式及测线的相对位置有关。目前，嘉峪关台地电阻率只能采用搬迁或改造深井观测来解决环境干扰问题。

(4) 随着社会经济的发展，对地电观测环境的破坏日益严重，使得地电阻率观测资料质量下降，如何在有限的资源条件下，识别与排除干扰异常，提取与确认有预报意义的前兆异常，是目前地震监测预报实践面临的主要问题。同时，加大对深井地电阻率观测系统的推广也是一种思路。