嘉山臺地電阻率變化特征分析

尹天杰 孫亮亮 袁勇 趙桂寶

摘 ?要：嘉山臺地電阻率數字化觀測時間長、數據精度高，是安徽省內映震能力較好的地電阻率臺站之一。該文通過對嘉山臺地電阻率日變化、年變化兩種特征變化進行分析，發現嘉山臺日變化由于受到地鐵等背景噪聲的影響，其變化形態較不明顯，年變化主要是受溫度和降雨量的影響，影響因素歸根于季節更替帶來的氣象變化。但是從長期趨勢來看，兩測向變化形態并不一致，與場地環境和應力場變化有關。

關鍵詞：地電阻率 ?變化特征 ?日變化 ?年變化

中圖分類號：P315 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A文章編號：1672-3791（2021）03（a）-0081-03

Analysis on Variation Characteristics of Earth Resistivity at Jiashan Station

YIN Tianjie ?SUN Liangliang ?YUAN Yong ?ZHAO Guibao

（Jiashan Seismic Station of Anhui Seismological Bureau， Mingguang， Anhui Province， 239400 ?China）

Abstract： The Jiashan Station has a long time for digital observation of resistivity and high data accuracy. It is one of the ground resistivity stations in Anhui Province with good earthquake reflection capabilities. This paper analyzes the two characteristic changes of the resistivity of Jiashan platform， the diurnal change and the annual change. The analysis found that the diurnal change of Jiashan platform is affected by subway and other background noise， and its change form is less obvious. The annual change is mainly affected by temperature and rainfall influence， the influencing factor is attributable to the meteorological changes brought about by the change of seasons. However， from the perspective of long-term trends， the two directional changes are not consistent， and are related to changes in the site environment and stress field.

Key words： earth resistivity; variation characteristics; daily variation; annual variation

經過歷年來的發展地電阻率觀測已經成為較為成熟的前兆觀測手段之一。地電阻率變化趨勢和氣象變化、固定干擾源等因素有密不可分的關聯，因此，研究其變化的機制機理是日常觀測的必備基礎。對地電阻率的變化趨勢分類探究，有助于分析預報人員更好地進行數據處理，提取震前異常。

1 ?地電阻率觀測簡述

嘉山臺地電阻率于1973年投入觀測，初代儀器為DDC—2A地電儀，1991年和2000年分別更換PZ40數字地電儀和ZD8B地電儀。2013年，數字化地電儀ZD8M投入觀測并使用至今。地電外線路采用架空方式，外場地布設在半山坡至山下農田里，測區環境較為復雜。布極方式采用四極對稱法，共有EW、NS兩個測向，供電及測量電極8個。2020年10月，對外裝置系統進行改造。

2 ?地電阻率特征變化

地電阻率是觀測區域內地下介質的電阻率，其地下介質的電性結構受水位、氣溫等影響。四季和晝夜更替是氣溫和降雨量發生變化的因素，晝夜和四季從時間范圍內來講，是有固定周期變化的。因此，假設當地電阻率儀器分辨率足夠高且場地無背景噪時，年變和日變會呈現出明顯的周期性[1]。

3 ?日變化

3.1 日變化特征

嘉山臺于2020年10月進行外裝置系統改造，為了檢測改造后觀測數據是否得到優化，選取試運行后2020年12月1～31日期間地電阻率小時值數據進行分析，繪圖發現NS、EW兩測向形態變化較不明顯。

該文利用EIS2000地震前兆信息系統中MATLAB小波去噪分析，對數據進行消噪處理。處理后的日變曲線較處理前大有改善，對隨機波動的抗干擾能力增強[2]，但并不能完全呈現出清晰的“V”字型的日變化形態。由圖1可知每日極大極小值的時間也并不固定，但是可以觀察到，兩測向變化具有一致性。

3.2 影響因素分析

對比其他背景噪聲極小的地電阻率臺站，其日變形態會呈現出典型的“V”字型變化，且每日極大值極小值穩定在某個時間區間內。這種清晰規則的變化形態，在無特定或偶然的干擾影響時，數據變化會和晝夜更替呈現出正負相關性，即晝升夜降或晝降夜升。

從日變的整體趨勢中發現，其背景噪聲依然很大。排除受偶發的降雨和高壓直流輸電干擾等因素影響，日變形態至少應在該月某個短周期內呈現出規律性變化，但事實相反。該臺初步懷疑裝置系統不穩定或者有某固定干擾源對觀測環境造成持續性干擾。

由于選取的數據時段是地電外裝置系統改造后的。在改造期間，嘉山臺技術人員已對新埋電極的接地電阻、電纜線的絕緣性等進行檢查，試運行期間對觀測主機進行數次標定，結果均符合要求。且此次改造將EW向整體向東遷移了200 m，避開了農戶和養殖場，大大降低了漏電影響。因此，排除裝置系統不穩定因素。

通過對多日的單天小時值曲線進行對比分析（見圖2），發現共性：0～5時兩測向均方差值較低，數據變化幅度也較小，其余時段，數據變化較凌晨幅度較大，均方差值也忽高忽低。臺站人員發現數據穩定時段和地鐵停運時段剛好吻合。由于軌道交通的供電機理是鐵軌對列車輸電，且鐵軌連接于大地。在地鐵運行期間，鐵軌會向大地釋放強度較大的不平衡電流。即使遠距離的地電臺站也難逃地鐵干擾帶來的影響[3]。經查詢，南京地鐵三號線林場站距離臺站的直線距離為80 km。

4 ?年變化

4.1 年變化特征

選取1993年以來月均值數據。通過繪圖發現（見圖3），NS向年變化不規律，極大值逐年不同，低值基本上在6～8月;EW向年變形態呈現夏高冬低，7～9月為高值，1、2月為低值。

查閱各類文獻，眾多研究者認為年變主要是受氣象因素主導，氣象因素主要有溫度和降雨兩個物理量。臺站人員通過對同期溫度和降雨量數據與地電阻率月均值進行相關性分析，結果發現：嘉山臺地電阻率與測區溫度和降雨量都存在著較為明顯的正相關性[4]。

4.2 NS、EW兩測向年變特征差異性分析

如圖3所示，可觀察到嘉山臺兩個方向年變差異較大。2009年5～7月NS向有超過2.5倍方差控制線的現象，從9月份至今一直變化平穩，無趨勢異常出現。EW向自2005年出現破年變后，年變化逐年有所不同，2011年下半年才開始逐漸恢復“V”字型形態，同時還伴隨著斜型上升[5]，2013年年變形態正常，數值比往年有所抬升，2014年年變異常，數值比往年下降明顯，經排查綜合震例不考慮為前兆異常;2015年下半年開始逐漸恢復“V”字型形態，同時還伴隨著斜型上升;至2020年8月數據穩定，年變規律不明顯。

由于降雨量和溫度對兩測向貢獻基本一致，所以基本排除其是主導差異的原因。在外裝置系統改造之前，EW向觀測環境相對NS向較為復雜，周圍有養殖場、工廠 ，甚至有部分電極埋設在農戶院內，而NS向卻布設在干擾較少的農田里。通過對往期地電阻率報表的查詢，對比兩測向的漏電檢查、絕緣檢查及接地電阻值發現，NS向的數值明顯優于EW測向[6]。因此，場地環境干擾可能是造成年變差異性的最大原因。目前，已經對外裝置系統進行改造，后期兩測道的年變差異可能不復存在。

NS向有數個時間周期，數據曲線有斜型向上的趨勢，而同期EW向卻沒有此變化。由于嘉山臺地處郯廬斷裂帶附近，地質構造也比較復雜。根據應力場構造原理分析，NS向可能是受到應力場主力的持續作用，造成主壓應力作用的地電阻率測向數據呈上升趨勢。

5 ?結語

（1）嘉山臺地電阻率單月整點值在消噪處理后，背景噪聲依然很大，日變化形態不規律，每日極大極小值也不固定，但兩測向變化具有一致性。經排查分析，背景噪聲主要為南京地鐵三號線干擾。

（2）嘉山臺地電阻率兩測向年變與溫度和降雨量有周期相關性，兩測向變化特征具有差異性，主要因為場地環境不同所導致。NS向數據曲線有部分年份時段出現斜型向上的趨勢，可能與應力場作用有關。

參考文獻

[1] 沈紅會，王麗，王維，等.地電阻率長趨勢變化及其預測意義[J].地震學報，2017（4）：495-505.

[2] 解滔，盧軍，閆偉.地電阻率日變化成因分析[J].地震地質，2019（6）：1464-1480.

[3] 王燚坤，何康，李軍輝，等.合肥中心臺地電阻率地鐵干擾分析與抑制處理[J].華北地震科學，2019（3）：67-74.

[4] 高立新，戴勇，楊彥明.視電阻率典型變化成因分析[J].國際地震動態，2019（8）：138-139.

[5] 王志棟，雷正超，寇俊陽，等.張掖MS5.0地震前山丹地震臺地電阻率異常分析[J].地震地磁觀測與研究，2020（4）：83-89.

[6] 張彩艷，雷功明，李通，等.甘肅酒泉地區地電阻率干擾因素分析與研究[J].山西地震，2020（2）：31-35.