降雨对阳原地震台地电阻率的影响

张国苓，任印国，乔子云，贾立峰，张素欣

(1.河北省地震局，河北 石家庄 050021；2.河北省水文勘测研究中心，河北 石家庄 050000)

0 引言

我国自1966年邢台M7.2地震后，开始连续的定点地电阻率观测，台站通常布设2～3个测道，布极方式普遍采用对称四极装置，地表观测电极埋设深度通常在2～3 m左右，观测极距AB为500～2 400 m左右，地下探测深度为数百米或更深不等[1-2]。经过近50年的连续监测，在多次大地震前记录到显著的中短期地电阻率异常[3-9]，多以趋势下降变化、破年变为主。

地表地电阻率具有规律的季节性变化，受降雨和地下水位的影响较明显。由于降雨或地下水位变动后，引起地表地电阻率的变化。采用线性回归法可较好地去除地下水位引起的地电阻率季节性变化[10]，降雨对地电阻率的影响多为突升或突降的即时响应，还有滞后十天甚至一个月的缓慢恢复，应用褶积滤波法可较好地模拟这个过程，去除其影响[11]。阳原地震台(以下简称阳原台)地电阻率N68°W向的影响幅度远大于N22°E向，究其原因是地层结构不均匀的影响还是与铁轨有关，有待研究。在统计阳原台地电阻率下降幅度和日降雨量相关性的基础上，运用褶积滤波算法模拟降雨对地电阻率的影响过程，最后，应用有限元模型分析铁轨在降雨后对地电阻率的影响。

1 降雨对阳原台地电阻率的影响特征

阳原地电台位于河北省张家口地区，处于张渤地震带和山西地震带的交汇区，附近主要活动断裂为北东东向延展的六棱山山前断裂和八棱山山前断裂，布设N22°E、N68°W两个测向，使用仪器为ZD8B地电仪(2016年正式使用ZD8M地电仪)，供电、测量极距分别为1.2 km和0.2 km。

降雨时阳原台地电阻率出现快速下降变化，NW向的下降幅度大于NE向，降雨后逐渐恢复(见第23页图1)。为研究降雨对阳原台地电阻率的即时影响，取降雨前一天的日均值减去降雨结束之后一天的日均值，统计降雨量和地电阻率下降幅度的关系。由第23页图2可看出，2014至2018年地电阻率下降幅度与单次降雨总量存在良好的线性关系(图中深黑色的点)，绝大多数在一倍均方差以内。图中黑点为2014至2017年每年春季4月份第一场雨时地电阻率下降的幅度(高于一倍均方差上限)；灰点为2014至2017年夏季连续降雨时地电阻率下降的幅度(低于一倍均方差下限)。北方的春季较干旱，通常11月份到次年的3月份是少雨的季节，地表较干燥，含水率较低，第一场雨后，地表表层电阻率改变较大，因此，雨后地电阻率下降较快。夏季雨量较充沛，如果大雨前五六天以内未下一场雨，地表土层的含水量相对变化较小，因此，连续降雨时，地电阻率改变较小。

图1 阳原台地电阻率及降雨量的观测曲线

图2 降雨量对阳原台地电阻率的即时影响

2 研究方法

降雨对地电阻率的影响具有一定的即时影响和滞后效应，褶积滤波能较好地处理这种干扰[8]。褶积滤波算法为：

式中: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);R(t)为褶积算法的系统参数：

Δρ(t)=A0C0+A1C1+A2C2+A3C3+A4C4+A5C5

根据降雨渗透过程对地电阻率的影响研究结果，选取瞬时影响时间M为1 d，滞后影响时间N为6个月。观测数据为2014至2018年阳原台地电阻率日均值，给出降雨影响地电阻率变化量Δρ(t)的变化曲线。

3 研究结果

3.1 即时影响分析

结合电测深曲线实际观测值计算水平地层电性结构参数，电性介质可视为水平层状4层QH型结构(见第24页图3)。第1层为第四纪黄土层，夹有砾石，电阻率为110 (Ω·m)，层厚10 m；第2层为泥层，电阻率为33 (Ω·m)，层厚50 m；第3层为砂质灰岩层，电阻率为22 (Ω·m)，层厚330 m；其下为基岩，电阻率为500 (Ω·m)。应用电测深参数计算NE测道地下各层水平介质的影响系数，在供电极距AB/2=500 m时，各层介质对地电阻率的影响系数均为正(见第24页图4)。地电阻率观测受地表浅层介质电阻率夏低冬高的季节性变动时，应表现出相同的年变。降雨后，地表形成一个饱水层，表层地电阻率下降，地电阻率也出现下降，与观测事实相符。

图3 阳原台电测深曲线实测值和计算值

图4 各层介质影响系数随极距的变化

如第35页图5所示，当降雨影响厚度为20 cm时，地表薄层电阻率由原来的110 降至40 (Ω·m)，地电阻率的降幅约0.003 (Ω·m)，降至5 (Ω·m)，地电阻率的降幅约0.04 (Ω·m)，远小于阳原台地电阻率NE向和NW向地电阻率观测到的下降幅度。因此，仅从水平层状介质结构上不能完全解释地电阻率受降雨的影响量，也不能解释NW向大于NE向的观测事实。

图5 模拟计算阳原台地电阻率受降雨的影响

阳原台地电阻率观测场地有铁轨通过，晴天时，铁轨下有枕木和地下绝缘，对地电阻率影响较小；下雨时，枕木湿透，铁轨和地面联通，可能导致地电阻率下降较大。应用稳恒电流场有限元方法建立三维物理模型，为水平层状均匀结构，大小为6×6×4.167 km3。采用滤波器算法[12]计算图2a所示NE向地电阻率ρa=35.25 (Ω·m)，有限元模型的计算值ρb=36.256 (Ω·m)，2003至2015年地电阻率观测均值为ρb=36 (Ω·m)，误差较小，计算结果与实际观测结果相符，因此，模型及单元网格满足计算要求。钢轨的电阻率低，在地电阻率测线附近小范围内出现也会产生较大的干扰。铁介质的电阻率为9.78×10-8(Ω·m)，取横截面积为0.01 m2。应用有限元软件建立三维有限元模型计算铁轨对阳原台地电阻率的变化，钢轨与地为接触模式，布设方位为铁轨的实际位置(见图6)。

图6 地电阻率测区模型示意图

假设铁轨可沿着NW测向远离测区移动，距NW向B2点的距离越远，对NW向的影响越小(见第25页图7)。NE向呈增大后变小的过程，原因是NE向测区是跨铁路的，当铁轨离NE向A1点靠近时，对NE向地电阻率的影响增大；反之，影响越小。当铁轨离B2点2 km以上，对两个测道的影响都会变小，且影响量基本一致。当前铁轨距NW向B2电极大约100 m，对NW向的影响大于NE向，这个结果跟观测事实相符。铁轨对NW向的影响约3.6 (Ω·m)，跟观测数据相吻合。因此，认为阳原台地电阻率降雨后大幅度的下降变化可能与大秦铁路有关。

图7 铁轨位置对地电阻率观测的影响

3.2 年变影响分析

地电阻率具有趋势性和季节性变化，降雨对地电阻率的瞬时影响是1 d，滞后影响大约是半月。因此，先运用小波变换法提取地电阻率的中短期变化。地电阻率季节性年变基本是恒定的，应用小波变换对地电阻率原始观测数据进行处理，即原始数据减去6阶尺度函数数据，得到地电阻率相对变化波形数据(见图8c)。图9为单次降雨对阳原NE向地电阻率的影响。图9a黑色曲线为阳原NE向地电阻率原始观测曲线，灰色曲线为通过褶积滤波法计算阳原地电台降雨对地电阻率观测的影响，模拟结果显示，降雨短期内会造成地电阻率观测值的突然下降，随着雨水的渗透和流失，观测值出现缓慢上升，且褶积拟合的结果与实际观测结果基本一致。图9b为地电阻率原始观测数据与降雨对地电阻率影响值之差，结果显示，去掉降雨的影响后，地电阻率变化较平稳。褶积滤波法可较好地拟合降雨对地电阻率的影响过程，能有效去除干扰。

图8 地电阻率短周期数据提取

图9 褶积滤波法消除降雨量对地电阻率的影响

选取1985-1991年月降雨量，用褶积滤波法计算降雨对地电阻率年变和趋势性变化的响应。第26页图10中，阳原NW向地电阻率、月降雨量值和降雨量对地电阻率的影响值，都存在明显冬高夏低的年变规律，年变幅一般为-0.5 (Ω·m)。1985-1986年降雨量较小，地电阻率年变幅较小；1987-1988年降雨量较大，年变幅较大；1989年是降雨量较小的年份，年变幅也较大。1989-1991年，在晋冀蒙交界地区发生3次中强地震，因此，1989年NE向和NW向的破年变异常可能包含一定的孕震信息。图10a显示去掉降雨影响后地电阻率的变化曲线比较平稳，年变不再清晰，但1990年的年变幅增大的破年变依旧存在，说明去掉降雨的影响后更加凸显1991年忻州5.1级和大同5.8级地震的震兆异常。

图10 降雨量对地电阻率年变的影响

4 结论与讨论

阳原台地表地电阻率观测易受地表干扰的影响，降雨后地电阻率出现快速下降变化，部分原因为地表形成一个饱水层，为表层的地电阻率降低导致，但未能完全解释地电阻率的下降幅度及不同测向下降幅度不一致的问题。测区有大秦铁路穿过，金属管线是对地电阻率观测干扰较为显著的一类干扰源，降雨时地下电极与铁轨形成通路，供电后有部分电流流向铁轨，造成测值降低，因此，降雨后，阳原台地电阻率大幅下降变化还与大秦铁路有关。

降雨对地电阻率的即时影响和滞后影响较明显，褶积滤波法能较好地模拟此过程，去掉降雨影响后，地电阻率观测曲线变化较平稳。阳原台地电阻率冬高夏低的季节性年变与降雨量关系密切。运用褶积滤波法去掉降雨的影响后，更加凸显1991年忻州5.1级和大同5.8级地震震前的地电阻率破年变异常。