寶昌臺地電阻率變化特征*

戴 勇，高立新，高昌志，趙蒙生，張國清

0 引言

由于氣象、環(huán)境等因素影響，地電阻率觀測數(shù)據(jù)通常情況下并不是一條平直的曲線，而是具有趨勢變化、年變和脈沖等多種變化形態(tài)的曲線。與地震孕育、發(fā)生有關(guān)系的地震前兆異常因上述變化的存在，通常被弱化甚至被掩蓋，因此分析地電阻率曲線典型變化特征，并研究其產(chǎn)生機理，對于識別和提取前兆異常具有非常重要的意義。寶昌臺 (41.90°N，115.27°E)位于內(nèi)蒙古太仆寺旗，地貌為低山丘陵地帶，覆蓋層較淺 (內(nèi)蒙古自治區(qū)地震局，2006)，該臺地電阻率自1980年投入觀測，對曾發(fā)生于晉冀蒙交界地區(qū)的地震，在震前有不同程度異常反映 (高立新，黃根喜，1999;黃根喜，2000;戴勇等，2009)。本文主要通過小波變換、相關(guān)分析等方法研究寶昌臺地電阻率存在的典型變化特征，并從氣象因素、區(qū)域應(yīng)力場等角度解釋其產(chǎn)生機理。

1 地電阻率變化特征

寶昌臺地電阻率變化主要有非周期性變化和周期性變化。典型的非周期性變化主要為地電阻率NS測道，自1993年至今呈現(xiàn)長期下降變化(圖1)。而處于同一測區(qū)的地電阻率EW測道觀測數(shù)據(jù)卻沒有出現(xiàn)類似NS測道的顯著的趨勢下降，從這一角度來說，寶昌臺地電阻率長期變化具有各向異性變化。

為準(zhǔn)確獲取寶昌臺地電阻率存在的周期性成分，采用快速傅里葉變換方法 (FFT)(萬永革，2007)對2008年1月1日至2012年4月30日的地電阻率整點值數(shù)據(jù)和1993年1月1日至2012年4月30日的日均值數(shù)據(jù)分別進行振幅譜分析。結(jié)果顯示，地電阻率兩測道整點值數(shù)據(jù)對應(yīng)振幅譜都存在一個變化幅度大的單峰值形態(tài) (圖2)，其峰值頻率一致，都為1.157×10－5Hz(對應(yīng)周期24 h)，這說明寶昌臺地電阻率整點值曲線存在典型的日變特征;地電阻率兩測道日均值數(shù)據(jù)對應(yīng)振幅譜也都存在一個變化幅度大的單峰值形態(tài)，其峰值頻率一致，都為3.115×10－8Hz(對應(yīng)周期是372 d)，這說明寶昌臺地電阻率日均值曲線存在典型的年變特征。

圖1 寶昌臺地電阻率日均值曲線Fig.1 Daily mean value curve of earth resistivity rate recorded by Baochang Station

圖2 寶昌臺地電阻率整點值振幅譜Fig.2 Amplitude spectrum of the earth resistivity rate hour value recorded by Baochang Station

2 日變特征

2.1 日變特征分析

筆者選取寶昌臺2012年4月1～30日的地電阻率整點值資料進行分析，發(fā)現(xiàn)EW測道具有明顯的日變形態(tài)，但NS測道該形態(tài)并不十分明顯。在此采用小波方法對地電阻率數(shù)據(jù)進行去噪處理。去噪后的地電阻率NS測道整點值曲線，與去噪前相比，對隨機波動的抗干擾能力強，且具有明顯的日變形態(tài)，將其與去噪后的地電EW向整點值曲線進行比較，注意到兩者基本重合(圖3)，說明寶昌地電兩測道整點值曲線日變形態(tài)基本一致，同時也注意到兩測道出現(xiàn)日變畸變時段也較為一致。

圖4顯示的是寶昌臺地電阻率 (NS)整點值日變最大值和最小值對應(yīng)時刻隨時間變化關(guān)系，2008年1月至2009年6月最大值和最小值時刻雖總體分屬于0～11 h、12～23 h兩個區(qū)間，但是較為離散，2009年7月之后，最大值和最小值時刻趨于集中，其中最大值時刻集中于C區(qū)間，而最小值時刻集中于A和B區(qū)間，這說明2009年7月之后地電阻率日變形態(tài)趨于穩(wěn)定。

圖3 寶昌臺地電阻率整點值曲線 (2012年04月)Fig.3 Hour value curve of earth resistivity recorded by Baochang Station(Apr.，2012)

圖4 寶昌臺地電阻率 (NS)日變最大值和最小值對應(yīng)時刻隨時間變化關(guān)系Fig.4 The corresponding moment of the maximum and the minimun daily of earth resistivity rate recorded by Baochang Station varing with time

2.2 影響因素分析

寶昌臺地電阻率整點值曲線，類似于大地電場等，也存在規(guī)則的日變形態(tài) (李飛等，2011)，可能是由一個或者多個具有周期特征的影響因素對地電阻率獨立或者疊加施加作用產(chǎn)生的。

首先選取寶昌臺地電場、錫林浩特地磁及寶昌臺固體潮汐理論值，與同時段的寶昌地電阻率兩測道整點值進行對比，結(jié)果顯示:(1)寶昌臺地電阻率日變形態(tài)與地電場、地磁形態(tài)相差甚遠;(2)將寶昌臺地電阻率整點值 (去噪)與該臺固體潮汐理論值以及濾除半日潮汐波之后的固體潮汐理論值進行逐日相關(guān)性分析，二者之間具有一定相關(guān)性，但關(guān)系不顯著。

氣象因素中，具有短周期性變化特征，且對地電阻率變化具有明顯影響的物理量，僅有溫度。

(1)通過相關(guān)系數(shù)方法，定量分析寶昌地電阻率與測區(qū)內(nèi)氣溫之間的相關(guān)性特征，以尋找出制約地電阻率變化的主要因素。選取寶昌臺地電阻率和溫度2008年1月1日至2012年4月30日整點值數(shù)據(jù)，首先利用小波方法對地電阻率進行去噪處理，在此基礎(chǔ)之上逐日計算地電阻率與溫度之間的簡單相關(guān)系數(shù)，2012年4月30日溫度缺數(shù)未參與計算。地電阻率NS測道與溫度的相關(guān)性結(jié)果 (圖5)顯示，相關(guān)系數(shù)r為負數(shù)，且r≥0.60的天數(shù)占參與計算的總天數(shù)的49.34%，顯著性水平 p≤0.05的天數(shù)占參與計算的總天數(shù)的70.84%;地電阻率EW測道與溫度的相關(guān)性結(jié)果顯示，相關(guān)系數(shù)r為負數(shù)，且r≥0.60的天數(shù)占參與計算的總天數(shù)的37.63%，顯著性水平p≤0.05的天數(shù)占參與計算的總天數(shù)的68.31%。統(tǒng)計結(jié)果表明，寶昌臺地電阻率與測區(qū)溫度之間的日相關(guān)主要是以負相關(guān)為主，且相關(guān)關(guān)系顯著。

(2)僅從數(shù)學(xué)角度定量研究，結(jié)果顯示溫度是導(dǎo)致寶昌臺地電日變的主要原因，但這是否是真實情況的反應(yīng)，還需作進一步討論:① 寶昌臺地電阻率自2006年開始采用ZD8B地電儀，觀測室內(nèi)溫度為18～22℃。地電外線路主要按照NS、EW兩測道布線，其中兩測道供電極距和測量極距均相同，分別為560、80 m;2005年9月對外線路進行了改造，外線路全部更換為銅芯屏蔽電纜，電極全部更換為新的鉛電極，電極埋深3.5 m;改造初期由于用于固定電纜的鋼絞線與電線桿之間未用瓷瓶隔開，導(dǎo)致下雨時地電阻率出現(xiàn)初期上升變化，之后才下降的現(xiàn)象，2007年5月采用瓷瓶隔開后，該現(xiàn)象不明顯。②自瓷瓶安裝之后，至今沒有清潔過，這可能是導(dǎo)致地電阻率日變的主要原因:由于瓷瓶未定期清潔，外線系統(tǒng)在對地絕緣方面穩(wěn)定性差，每天進入晚間之后隨著溫度的降低，空氣中冷凝水附著在瓷瓶上造成鋼絞線與大地連通，電阻率整體上升，進入白天之后溫度升高瓷瓶絕緣性增加，地電阻率整體下降。為驗證這一分析是否準(zhǔn)確，2012年8月26、27日對NS測道的瓷瓶進行了清潔，之后地電阻率NS向日變雖仍存在，但幅度有所減小 (圖6)。

圖5 寶昌臺地電阻率NS測道與溫度整點值逐日相關(guān)統(tǒng)計結(jié)果Fig.5 Daily correlation stastics of the earth resistivity rate in NS-direction and tempreture hour value recorded by Baochang Station

圖6 寶昌臺地電阻率NS測道整點值曲線Fig.6 Hour value curve of earth resistivity rate in NS-direction recorded by Baochang Station

3 年變特征

寶昌臺地電阻率NS、EW兩測道都具有明顯的年變，一般情況下，3月最高、9月最低，即具有典型的“夏低冬高”的年變形態(tài)。眾多學(xué)者研究表明，地電阻率年變主要是由氣象因素等周期性年變引起的 (徐世浙，1985;劉允秀，陳華靜，1999;李飛，姚偉中，2004;張學(xué)民，2004)。為定量研究寶昌臺地電阻率年變是由氣象因素中哪一個物理量主導(dǎo)的，在此選取寶昌臺地電阻率1993年1月至2008年12月的月均值數(shù)據(jù)和寶昌臺測區(qū)同期溫度、降雨量數(shù)據(jù)進行了相關(guān)分析。統(tǒng)計結(jié)果顯示，寶昌臺地電阻率與測區(qū)溫度、降雨量之間均存在較為顯著的年相關(guān)，且以負相關(guān)為主，溫度、降雨量在對地電阻率產(chǎn)生年變的貢獻上基本相同 (表1)。部分年相關(guān)系數(shù)較低，甚至出現(xiàn)正相關(guān)現(xiàn)象，這可能是由于地震前兆異常或者短期干擾等對地電阻率年變產(chǎn)生影響，導(dǎo)致年變畸變。

同處于內(nèi)蒙古中部的烏加河臺地電阻率曲線具有“夏高冬低”的反向年變特征，正好與寶昌臺地電阻率曲線具有的年變特征相反。烏加河臺、寶昌臺干擾模型雖然同屬a類干擾 (即一層電阻率發(fā)生季節(jié)性變化的模型)，但兩臺站地下電性結(jié)構(gòu)不同，其中烏加河臺地電斷面為KQQ型 (中間層電阻率高于表層及底層電阻率)(國家地震局預(yù)測預(yù)防司，1998)，寶昌臺地電斷面為H型 (中間層電阻率低于表層及底層電阻率)(國家地震局科技監(jiān)測司，1988)。依據(jù)錢復(fù)業(yè)等 (1987)的研究成果，當(dāng)烏加河臺供電極距在180～2 000 m之間時，a類干擾K型地電斷面出現(xiàn)明顯反常的季節(jié)變化 (夏高冬低)，而當(dāng)寶昌臺供電極距為560 m時，a類干擾H型地電斷面出現(xiàn)明顯正常的季節(jié)變化。

表1 寶昌臺地電阻率與溫度、降雨量整點值逐日相關(guān)統(tǒng)計結(jié)果Tab.1 Daily correlation stastic result between earth resistivity rate and tempreture，rainfall hour values

4 長期變化特征

寶昌臺地電阻率NS測道自1993年至今一直存在長期下降變化，而EW測道沒有出現(xiàn)長期單調(diào)變化。全國地電臺網(wǎng)中有很多地電臺站存在著類似于寶昌臺地電阻率NS測道的長期單調(diào)變化的現(xiàn)象，如天津?qū)氎媾_存在單調(diào)下降變化，山西大同臺存在單調(diào)上升變化等。雖然這一變化和形變數(shù)據(jù)由于零漂造成的單調(diào)變化，在形態(tài)上類似，但機理上不一樣，該現(xiàn)象的出現(xiàn)并不是儀器本身造成的。對于地電阻率長期變化，趙和云 (1994)總結(jié)了26年來全國近百個臺站的地電阻率觀測資料，認(rèn)為“斜”型趨勢變化一般不對應(yīng)地震。在對地電阻率存在的長期單調(diào)變化現(xiàn)象異常信度判定，以及是否將其納入會商判定依據(jù)，存在著不同的意見。因此，對地電長期變化產(chǎn)生的機理研究，具有十分重要的意義。本文采用擬合等方法，從氣象、應(yīng)力等角度，結(jié)合前人提出的各向異性理論，來解釋寶昌臺地電阻率NS測道長期下降變化機理。

4.1 地下水位、氣象因素對地電阻率影響分析

位于寶昌臺測區(qū)南端有一口水井，記錄了2004年4月至2008年7月地下潛水位埋深數(shù)據(jù)，寶昌臺測區(qū)潛水位埋深平均為6.21 m，每年因灌溉等有波動，變化幅度為14%。依據(jù)寶昌臺鉆孔剖面圖及電測深曲線，該臺地下電性結(jié)構(gòu)可分3層，第一層主要是高電阻率的砂碎石層 (0～8.5 m)，第二層是由精砂、細砂和砂土組成的低電阻率層 (8.5～62.5 m)，第三層是由砂礫巖及石英斑巖組成的高電阻率層 (62.5 m以下)。寶昌臺水位雖逐年趨于下降，但這并不是導(dǎo)致地電阻率NS測道下降的主要因素，因為寶昌臺水位主要在第一層內(nèi)變化，對決定該臺地電阻率長期變化的第二、三層電阻率影響較小。

為確定寶昌臺地電長期變化是否由降雨量、溫度等氣象因素引起的，在此將寶昌臺地電阻率NS測道1993年1月至2008年12月月均值數(shù)據(jù)ρ與同期的降雨量Y、溫度W進行了線性回歸，得到的回歸關(guān)系為 ρ=a0+a1Y+a2W，其中 a0=142.626 7，a1= －0.001 0，a2= －0.052 1，并依據(jù)擬合關(guān)系給出了僅由降雨量、溫度引起的地電阻率NS測道變化曲線 (圖7)。結(jié)果顯示，由氣象因素引起的地電阻率變化沒有明顯的趨勢下降特征。這說明寶昌地電NS測道長期變化有可能是由于區(qū)域應(yīng)力作用產(chǎn)生的。

4.2 應(yīng)力場對寶昌地電阻率影響分析

寶昌臺所在的華北地區(qū)構(gòu)造復(fù)雜，斷裂縱橫交錯，形成了一系列大的構(gòu)造帶。徐菊生等(1999)利用GPS觀測結(jié)果，通過反復(fù)調(diào)整應(yīng)力邊界條件，計算得到了華北地區(qū)的應(yīng)力、應(yīng)變、位移數(shù)據(jù)，結(jié)果表明，華北地區(qū)現(xiàn)今構(gòu)造應(yīng)力場的基本特征是優(yōu)勢壓應(yīng)力方向為北東東。本文采用《中國震例》提供的資料 (張肇誠，1990;張肇誠等，2000;陳棋福等，2003)，統(tǒng)計了寶昌臺周邊區(qū)域典型地震震源機制解特征 (表2)，結(jié)果表明地震震源機制反映出的主壓應(yīng)力方位均為NEESWW。因此可確定寶昌臺所在區(qū)域受到的主壓應(yīng)力是近EW向的。

在地震孕育發(fā)展階段，直至地震發(fā)生過程中，通?？梢杂^察到位于孕震區(qū)的地電存在各向異性變化現(xiàn)象，很多學(xué)者通過實驗或者模型，對該現(xiàn)象進行了驗證和解釋 (毛桐恩等，1999;馮志生等，2004)，筆者借用杜學(xué)彬等 (2001)解釋強震近震中區(qū)地電變化速率的各向異性理論，來分析寶昌地電NS測道長期變化特征。寶昌臺所在區(qū)域由于長期受到近EW向主壓應(yīng)力持續(xù)作用，造成介質(zhì)內(nèi)部裂隙走向逐漸沿主壓應(yīng)力方向優(yōu)勢排列，導(dǎo)電通道連通、導(dǎo)電流體 (如水)進入或重新分布，造成以主壓應(yīng)力方向真電阻率持續(xù)下降為主的真電阻率變化各向異性，導(dǎo)致以垂直主壓應(yīng)力方向的寶昌臺地電NS測道持續(xù)下降為主的視各向異性。

圖7 寶昌臺地電阻率NS測道理論值曲線Fig.7 Theoretical value of earth resistivity rate in NS direction at Baochang Station

表2 寶昌臺周邊區(qū)域典型地震應(yīng)力特征Tab.2 Typical seismic stress characteristic in Baochang Station and its adjacent area

5 結(jié)論與討論

寶昌臺位于晉冀蒙交界地區(qū)，自投入觀測以來地電阻率連續(xù)、穩(wěn)定，典型變化特征明顯，且對臺站所在區(qū)域的地震具有較好的前兆異常反映。寶昌臺地電阻率既有時間段較長的模擬數(shù)據(jù)，也有質(zhì)量較為理想的整點值數(shù)據(jù)，氣象要素等輔助觀測較為完善。寶昌臺地電阻率在全國地電臺網(wǎng)的地電資料中具有代表性，研究該臺地電阻率的典型變化特征，對于今后研究全國其它地電阻率變化特征具有重要意義。

(1)通過快速傅里葉變換方法，分別得到寶昌臺地電阻率整點值、日均值對應(yīng)的振幅譜。寶昌臺地電阻率不僅具有早已熟知的年變特征，還具有日變特征。

(2)寶昌臺地電阻率EW測道具有較為清晰的日變特征，但是NS測道由于噪聲較大，日變特征不明顯。通過小波方法對寶昌臺地電阻率進行了去噪處理，發(fā)現(xiàn)兩測道都具有清晰的日變形態(tài)，且基本重合。將地電阻率去噪后的結(jié)果，與同期的溫度進行相關(guān)性分析，發(fā)現(xiàn)二者之間具有顯著相關(guān)性。進一步分析認(rèn)為，該現(xiàn)象可能是由于外線路系統(tǒng)對地絕緣不良造成的。

(3)寶昌臺地電阻率具有明顯的“夏低冬高”年變特征，這主要是由溫度和降雨量等氣象因素年變引起的。寶昌臺和烏加河臺地電阻率年變形態(tài)相反，這主要是由兩臺站地下電性結(jié)構(gòu)差異引起的。

(4)寶昌臺地電阻率長期變化存在各向異性特征，其中NS測道具有下降變化，而EW測道則沒有。將寶昌臺地電阻率NS測道1993～2008年月均值數(shù)據(jù)與該臺所在區(qū)域溫度、降雨量同期月均值數(shù)據(jù)進行定量分析，發(fā)現(xiàn)NS測道具有的長期變化與測區(qū)的水位、溫度和降雨量的長期變化無關(guān)，主要是由于受到臺站所在區(qū)域近EW向應(yīng)力場長期、持續(xù)作用引起的。

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