嘉山臺地電阻率與降雨關(guān)系探究

張偉峰， 王 遠， 潘 潔， 孫亮亮， 肖 攀， 李露露

（安徽省地震局蚌埠中心地震臺， 安徽 蚌埠 230000）

0 引言

地電阻率前兆觀測是利用分布于地表固定觀測點上的特定裝置系統(tǒng)， 定時觀測地球介質(zhì)的視電阻率， 研究其隨時間的變化和這種變化的空間分布規(guī)律， 以尋求與地震孕育過程之間的內(nèi)在聯(lián)系［1］。 嘉山臺地電阻率自1973年觀測至今， 積累了長時間的資料， 2000年嘉山地電阻率實現(xiàn)數(shù)字化觀測， 降雨量也實現(xiàn)時值記錄， 這些都為研究地電阻率與降雨關(guān)系提供了理想的觀測條件。本文根據(jù)近幾年的數(shù)字化資料初步分析兩者之間的關(guān)系， 研究降雨對嘉山臺地電阻率數(shù)據(jù)產(chǎn)生變化的原因并嘗試通過數(shù)學(xué)方法剔除資料中的降雨影響。

1 嘉山臺地電阻率觀測區(qū)情況

嘉山地震臺處于淮陽臺隆的張公嶺臺拱內(nèi)， 屬下?lián)P子地塊， 印支燕山期， 該區(qū)受西側(cè)郯廬斷裂影響有強烈變形， 新生代該區(qū)仍表現(xiàn)為上升， 臺基巖性為玄武巖。 地電測區(qū)為農(nóng)田， 南北向供電極和測量極之間有小型溝壑穿過， 中心桿東北角150 m 有一個小型水塘， 周圍無其他明顯的干擾源（圖1）。

地電布極方式采用四極對稱系統(tǒng)， 共有NS 和EW 兩個測向（表1）。 NS 向供電極距600 m， 測量極距200 m； EW 向供電極距600 m， 測量極距200 m， 電極埋深1.5 m， 南北地形坡度約為2°，根據(jù)電測深曲線顯示地電阻率測區(qū)內(nèi)共有5個電性層， NS、 EW 均為KH（A）型， 第1 層表底深1.76～2.08 m， 電阻率為9.8～11.3 Ω·m， 第2 層為風(fēng)化熔巖層底， 層深10.18～l6.86 m， 電阻率為26.9～28.5 Ω·m， 第3 層和第4 層分別為第二次和第一次噴發(fā)熔底， 層深分別為357～373 m 和766～779 m，電阻率分別為18.5～20.4 Ω·m 和32.1～39. 4 Ω·m，第5 層為高阻基底， 電阻率大于2×104 Ω·m。

表1 嘉山臺地電阻率布極參數(shù)Table 1 Pole parameters of earth resistivity in Jiashan seismic station

圖1 嘉山地震臺地電阻率測區(qū)衛(wèi)星圖Fig.1 Satellite map of resistivity survey area in Jiashan seismic station

2 嘉山臺地電阻率觀測資料分析

2.1 電阻率變化同降雨量的關(guān)系

自觀測以來， 嘉山地電阻率變化的總體形態(tài)基本是“夏高冬低”， NS 向數(shù)據(jù)受降雨的影響極為顯著， 且具有很強的同步性。 一段間期內(nèi)， 本地?zé)o降雨或降雨量較少， NS 向數(shù)據(jù)則會快速上升；若出現(xiàn)較大降雨或持續(xù)降雨， 數(shù)據(jù)會大幅或多次下降。 EW 測向ρs有顯著的年變化， 且該方向的年變化都比較規(guī)律。 從以往的年變規(guī)律可知， 該臺EW 向數(shù)據(jù)自每年1、 2月份開始出現(xiàn)極小值并持續(xù)上升， 到8、 9月份出現(xiàn)峰值并呈下降趨勢。 出現(xiàn)這種情況的原因為淺層水位同時受到地表水和與大氣降水的補給， 大氣降水是面狀補給， 普遍而均勻； 地表水是線狀補給， 局限于地表水體的周邊。 嘉山臺南北地形坡度約為2°， 當降雨之后淺表積水不均衡且地勢低洼處容易形成積水， 東西測向沿線旁有寬約為3 m 的天然水溝（圖2）， 因此EW 測量電極埋設(shè)區(qū)域內(nèi)淺層水位較NS 向相對穩(wěn)定， 主要接受地表水的補給， 受降水的影響要小于NS 測向。 因此當一段時間內(nèi)測區(qū)內(nèi)無降水或降水量較少， NS 向數(shù)據(jù)則會快速上升； 若出現(xiàn)較大降水或持續(xù)降水， 數(shù)據(jù)會大幅或多次下降； EW測向數(shù)據(jù)受降水的影響就沒有NS 測向明顯， 反而在降水時會出現(xiàn)與NS 測向反向的小幅度變化。

2.2 地電阻率年變與降雨量的關(guān)系

通過對嘉山臺2000—2013年的降雨量與歷年的地電阻率年變幅對比分析可以看出（表2）， 對于大多數(shù)年份來說， 降水量比較高時， NS 測向電阻率的變化幅差就大， 同時長期降水或干旱還會影響次年的年變幅， EW 測向電阻率的變化差幅比較平均， 受降水的影響沒有NS 向明顯。

同時， 每年地電阻率變化率最大的5個月，同期的降雨量可占全年降雨總量的70%。 由于引起地電阻率季節(jié)變化的因素在地表淺層， 就嘉山臺地電阻率而言， 測區(qū)地下水位較深， 主要是降雨通過改變電極所在的表層介質(zhì)的電性來影響地電阻率的變化。

圖2 嘉山地震臺地電阻率與降雨量的關(guān)系（2000—2013年）Fig.2 Relationship between earth resistivity of Jiashan seismic station and rainfall（from 2000 to 2013）

表2 地電阻率年變幅和變化量與年降雨量的關(guān)系（2000—2013年）Table 2 Relationship between annual amplitude and variable quantity of earth resistivity and annual rainfall（from 2000 to 2013）

2.3 不同降雨方式對地電阻率變化的影響

根據(jù)嘉山臺電測深資料， NS 向及EW 向均呈KH（A）型。 嘉山臺受河水及降雨影響， 表層電阻率變化明顯， 屬地表薄層電阻率隨各類干擾因素變化影響的干擾模型。 在具有K、 Q 型斷面的臺站， 當?shù)乇頊\層存在電阻率變化干擾層時（如含水量的變化）， 將在某一段AB 距范圍內(nèi)出現(xiàn)反常的季節(jié)性干擾變化， 特別是K 型斷面更為明顯。 K型地電斷面會出現(xiàn)明顯反常季節(jié)干擾， 這是對EW向反季節(jié)變化（降雨時電阻率升高、 長期干旱時電阻率下降）較好的解釋［2］。

（1）突降型。 起始的降雨量較大（≥10 mm)，這時大量的雨水會使表層變?yōu)榈碗娮杞橘|(zhì)， 改變地下人工電場的分布， 并且降雨和地電阻率的突降是同步的， 以嘉山臺2005年7月份數(shù)據(jù)為例（圖3）。 由于這種降雨的特點是雨量集中， 持續(xù)時間一般不超過兩天， 對地電阻率的影響比較顯著，但影響時間較短。

（2）緩降型。 起始降雨量較小， 整個過程雨量比較均勻， 降雨的持續(xù)時間較長（2 天以上），對地電阻率的影響是一個緩慢的過程［4］。 以嘉山臺2007年5月份數(shù)據(jù)為例（圖4）。 當?shù)仉娮杪视^測值在無震時的應(yīng)力作用下， 其年變形態(tài)的特征與地下水位和降水的形態(tài)（極大值或極小值、上升或下降時間等）相似， 且有較好的重復(fù)性。

圖3 嘉山地震臺單次地電阻率變化幅度與降雨量對比（突降型）Fig.3 Comparison of change range of single ground resistivity in Jiashan seismic station and rainfall (dump type)

圖4 嘉山地震臺單次地電阻率變化幅度與降雨量對比（緩降型）Fig.4 Comparison of change range of single ground resistivity in Jiashan seismic station and rainfall (slow type)

2.4 裝置系統(tǒng)對地絕緣性能與地電阻率變化

降雨過程中裝置系統(tǒng)對地絕緣性能的降低也是導(dǎo)致地電阻率觀測數(shù)據(jù)變化的一個重要方面，我臺外線路絕緣電阻在幾十到幾百兆歐姆之間，數(shù)值越大表示裝置對地絕緣性能越好， 由于降雨作用， 裝置的對地絕緣性會變小。 在2013年1～2月份該臺東西向電阻率存在數(shù)據(jù)突跳和粗差現(xiàn)象。如圖5 南北向數(shù)據(jù)也有著同步性的變化， 但變化幅度較小， 且數(shù)據(jù)有異常變化的時段前后大部分都伴隨著降雨。 根據(jù)以往數(shù)據(jù)分析， 嘉山臺降雨量達到25 mm 時才會對地電阻率有明顯影響。 但在數(shù)據(jù)變化較大的1月31日、 2月1日、 2月3日， 2月4日降雨量均在5～15 mm 之間， 均未有強降雨情況出現(xiàn)。 發(fā)現(xiàn)該問題后， 選取天氣條件大致相同的時間段對地電觀測儀器進行檢查和測試， 通過標定， 結(jié)果表明儀器工作正常。 通過測量地電阻率外線路東西向電極的接地電阻和絕緣電阻后發(fā)現(xiàn)， 東西向供電極的絕緣電阻偏低（表3）， 降雨使裝置系統(tǒng)對地絕緣性能的降低是導(dǎo)致地電阻率觀測數(shù)據(jù)變化的根本原因。

表3 嘉山臺東西向電極絕緣和接地電阻Table 3 Insulation resistance value and earthing resistance value of east-west direction electrode of Jiashan seismic station

圖5 嘉山地震臺電阻率日均值和降雨量對比圖Fig.5 Comparison chart of daily mean value of resistivity in Jiashan seismic station and rainfall

3 降雨對地電阻率影響的消除

既然嘉山臺地電阻率的變化與降雨存在較好的相關(guān)關(guān)系， 如果采用較短時期的資料， 可以認為降雨和地電阻率變化之間是一個線性相關(guān)的關(guān)系， 可通過 “相關(guān)分析校正”， 消除降雨對地電阻率變化的影響， 結(jié)果見圖6。 我們看到， 校正后的地電阻率變化中已經(jīng)基本上看不到降雨帶來的影響[2-5]。

4 結(jié)語

嘉山地震臺地電阻率年變幅與年降雨量有一定的相關(guān)關(guān)系， 其中NS 向與降雨的相關(guān)性要高于EW 向， 不同的降雨方式對嘉山地電阻率的影響是不同的。 大量集中降雨對地電阻率的影響就會表現(xiàn)得比較明顯[6]。 由于東西向地形的影響， 造成實際上在測量區(qū)范圍內(nèi)， 水渠對電阻率的影響明顯要高于記錄到的降水量對電阻率的影響,通過對嘉山臺測區(qū)情況分析， 在地電阻率布線過程中如能加大探測深度或加大NS 向AB 極距或可使降雨對電阻率測量的影響會有所降低。

圖6 消除降雨影響后的嘉山地震臺電阻率變化Fig. 6 Resistivity changes of Jiashan seismic station after eliminating influence of rainfall

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