河北陽原臺(tái)地電阻率變化分析1

張國(guó)苓 喬子云 賈立峰 梁紅杰 韓和平 王艷榮

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河北陽原臺(tái)地電阻率變化分析1

張國(guó)苓1）喬子云1）賈立峰1）梁紅杰1）韓和平2）王艷榮3）

1）河北省地震局，石家莊050021?2）陽原地電臺(tái)，張家口075800?3）三河地震臺(tái)，三河065200

河北陽原臺(tái)地電阻率NE測(cè)向2014年以來出現(xiàn)年變幅變小的年變畸變現(xiàn)象，經(jīng)核實(shí)，這時(shí)的觀測(cè)系統(tǒng)工作正常，而降雨量與地電阻率的異常變化具有一定的相關(guān)性，但通過褶積濾波法去除降雨量的影響后，這種異常變化依舊存在。同時(shí)，陽原臺(tái)NE測(cè)向的地電阻率與自然電位在2014年的變化具有同步性，也進(jìn)一步驗(yàn)證了異常變化的可靠性。陽原臺(tái)地電阻率觀測(cè)位于晉冀蒙交界地區(qū)，對(duì)地殼的應(yīng)力-應(yīng)變響應(yīng)比較敏感，其地電阻率異常變化與1989年大同地震和1998年張北地震有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，并顯示出持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、幅度大和恢復(fù)慢的特點(diǎn)。因此，陽原臺(tái)地電阻率異常變化的可信度較高，可為監(jiān)測(cè)晉冀蒙交界地區(qū)的地震活動(dòng)提供參考。

地電阻率 陽原 異常分析

引言

在孕震過程中震中區(qū)及附近應(yīng)力場(chǎng)的改變，將會(huì)引起巖石的裂隙度及裂隙的連通性發(fā)生變化，此時(shí)地電阻率也會(huì)隨之發(fā)生改變。野外原地地電阻率的實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在低應(yīng)力下地電阻率會(huì)隨著巖石介質(zhì)體積被壓縮導(dǎo)致地電阻率的下降，相反，巖石介質(zhì)體積膨脹時(shí)地電阻率會(huì)上升（趙玉林等，1983）。近40年來地電阻率觀測(cè)在地震監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)工作中已經(jīng)積累了大量的實(shí)際案例，例如：錢復(fù)業(yè)等（1982；1987）和錢家棟（1993）發(fā)現(xiàn)，在大震發(fā)生前，震中區(qū)及其附近地區(qū)的地電阻率一般會(huì)表現(xiàn)出2—3年、幅度為百分之幾到百分之十幾的趨勢(shì)性變化，其中多以下降型負(fù)異常為主；同時(shí)趙玉林等（1978）也發(fā)現(xiàn)，在1976年唐山地震發(fā)生前，昌黎臺(tái)、寶坻臺(tái)、唐山臺(tái)等的地電阻率也出現(xiàn)了下降變化，另外，在1976年松潘地震發(fā)生前，武都臺(tái)的地電阻率也出現(xiàn)了下降變化；還有張學(xué)民等（2009）也發(fā)現(xiàn)，在2008年汶川地震發(fā)生前，郫縣臺(tái)的地電阻率在單測(cè)向下降的幅度達(dá)到7.2%，下降持續(xù)時(shí)間在2年左右，并在震前5個(gè)月出現(xiàn)異常轉(zhuǎn)折，而地震就發(fā)生在地電阻率恢復(fù)上升的階段。

本文基于陽原臺(tái)地電阻率觀測(cè)呈現(xiàn)出的有規(guī)則的冬高、夏低年周期變化特征，以及2014年2月出現(xiàn)的NE測(cè)向年變幅減?。曜兓儸F(xiàn)象）和NW測(cè)向的年變形態(tài)及幅度與往年相當(dāng)?shù)馁Y料（圖1），并結(jié)合觀測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)和背景場(chǎng)環(huán)境以及各年度日均值數(shù)據(jù)的相關(guān)性分析結(jié)果，重點(diǎn)分析了降雨量對(duì)陽原臺(tái)地電阻率NE測(cè)向的趨勢(shì)性影響。同時(shí)還進(jìn)一步驗(yàn)證了陽原臺(tái)地電阻率NE測(cè)向出現(xiàn)的異常變化（年變畸變現(xiàn)象）的可靠性。

1 陽原臺(tái)地電阻率觀測(cè)概況

陽原臺(tái)位于陽原縣西城鎮(zhèn)北關(guān)村，處于晉冀蒙三省交界處，屬陰山—燕山和太行山兩大構(gòu)造交匯處。本地區(qū)主要活動(dòng)斷裂為北東東向延展的南山山前斷裂（又稱六棱山山前斷裂）和北山山前斷裂（又稱八棱山山前斷裂），兩條斷裂均為傾向盆地中心的正斷層。由于陽原臺(tái)的地電阻率測(cè)點(diǎn)位于斷裂帶和沖積扇上，因此有利于監(jiān)測(cè)來自地殼深部的信息。

陽原臺(tái)地電阻率觀測(cè)有N22°E和N68°W兩個(gè)測(cè)向，使用的儀器為ZD8B型地電儀，供電極距和測(cè)量極距分別為1.2km和0.2km。測(cè)區(qū)的電測(cè)深曲線為QQ型，地下電性結(jié)構(gòu)可分為三層：第一層為第四紀(jì)黃土層，夾有礫石，電阻率為125.19—130.61Ω·m，層厚為18.0—19.8m；第二層為泥層，電阻率為11.29—15.27Ω·m，層厚為51.2—101.9m；第三層為粘土層，電阻率為4.12—4.21Ω·m，層厚為113.6—145.3m。第三層以下為砂質(zhì)灰?guī)r層，電阻率為2.75—3.24Ω·m。圖2為陽原臺(tái)巖性柱狀圖、電測(cè)深曲線和區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造圖。由于測(cè)區(qū)內(nèi)有大秦鐵路穿過，同時(shí)還有小型液化氣站位于測(cè)區(qū)中央，所以對(duì)數(shù)據(jù)觀測(cè)有一定的影響。

2 陽原臺(tái)地電阻率變化分析

2.1 觀測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)

根據(jù)《地震及前兆數(shù)字觀測(cè)技術(shù)規(guī)范（電場(chǎng)觀測(cè)）》（中國(guó)地震局科技監(jiān)測(cè)司，2001）的要求，陽原臺(tái)地電阻率觀測(cè)儀器和系統(tǒng)每個(gè)季度定期檢測(cè)一次，其結(jié)果顯示測(cè)量?jī)x器校檢、穩(wěn)流電源性能、供電線、測(cè)量線絕緣等均符合規(guī)范的要求，同時(shí)各電極接地電阻穩(wěn)定。2014年6月16日，由河北省地震局預(yù)測(cè)研究中心電磁組和中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心組成的工作組，到陽原臺(tái)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)考察，給出了電極連接良好、外線路無破損、線桿及瓷瓶無損毀的測(cè)評(píng)意見。同時(shí)，工作組還用ZC-8型接地電阻儀測(cè)量了各電極的接地電阻，并利用ZC-7型兆歐表測(cè)量了各測(cè)量線的絕緣電阻，其結(jié)果與2013年、2014年的各季度校驗(yàn)基本一致，具體如表1所示。從表中可以看出，供電極接地電阻小于或等于30Ω，測(cè)量線路對(duì)地絕緣電阻大于或等于5MΩ，均符合規(guī)范要求。

表1 部分電極的接地電阻結(jié)果

2.2 背景場(chǎng)環(huán)境

工作組對(duì)陽原臺(tái)周邊一定范圍內(nèi)新建（或改建）工程以及其它環(huán)境變化情況進(jìn)行了專門的巡查和走訪。在測(cè)區(qū)內(nèi)，有一個(gè)1993年9月修建的小型液化氣站；1987年修建的大秦鐵路從測(cè)區(qū)通過，鐵路距NW道的東供電極（B3）只有20m；同時(shí)NW道的西測(cè)量電極（M3）附近有一個(gè)小型養(yǎng)羊場(chǎng)，其建于2014年4月位于NW測(cè)線的北邊，距M3 電極約100m；另外NW道的東測(cè)量電極（N3）附近有兩個(gè)蘑菇大棚，其建于2010年位于NW測(cè)線的南邊，距N3電極約200m。由于養(yǎng)羊場(chǎng)和蘑菇大棚采用鋼絲網(wǎng)接地，所以形成了一個(gè)低阻體，在雨季時(shí)其對(duì)NW道地電阻率有一定影響，但對(duì)NE道干擾不大，如圖3所示。根據(jù)筆者核實(shí)，周邊建筑物造成的環(huán)境影響在時(shí)間上與2014年陽原臺(tái)地電阻率NE測(cè)向出現(xiàn)的年變畸變并不同步。

2.3 地電阻率與降雨的關(guān)系

陽原臺(tái)的地電阻率觀測(cè)資料顯示，每逢雨季地電阻率就會(huì)出現(xiàn)突變，且N68°W測(cè)道比N22°E測(cè)道受降雨影響更明顯。筆者統(tǒng)計(jì)了2003年以來陽原地區(qū)的降雨量后發(fā)現(xiàn)，陽原的日地電阻率受降雨的影響比較明顯，降雨后地電阻率測(cè)值開始下降，而且表現(xiàn)為降雨越大，測(cè)值下降的幅度越大；降雨停止后，隨著地面慢慢變干，測(cè)值又逐漸恢復(fù)到變化前的狀態(tài)。陽原臺(tái)地電阻率在夏季呈現(xiàn)“山羊胡子”狀變化，其主要原因是受降雨影響（見圖1）。從月降雨量和地電阻率的關(guān)系（圖4）可以看出，每年的6—9月為降雨量較大的季節(jié)，地電阻率較低，存在冬高、夏低的年變規(guī)律。筆者通過統(tǒng)計(jì)地電阻率月均值與月降雨總量的相關(guān)關(guān)系后發(fā)現(xiàn)，其相關(guān)系數(shù)達(dá)0.7左右，說明地電阻率與降雨量有較好的相關(guān)性。另外從機(jī)理上看，這可能也與大秦鐵路穿過測(cè)區(qū)有關(guān)（圖5），降雨時(shí)地下電極與鐵軌形成通路，供電后就會(huì)有部分電流流向鐵軌，從而造成測(cè)值降低。

地電阻率觀測(cè)的是一定體積內(nèi)巖層電性結(jié)構(gòu)隨時(shí)間的變化，而區(qū)域內(nèi)表層電性可能受測(cè)區(qū)內(nèi)環(huán)境、氣象和水文條件變化的影響（劉允秀等，1999）。降雨對(duì)地電阻率的影響比較復(fù)雜，它不僅有一定的即時(shí)效應(yīng)，還存在一定的時(shí)間滯后效應(yīng)，利用褶積濾波法可以較好地去除降雨對(duì)地電阻率的影響（張學(xué)民等，1996）。

根據(jù)褶積濾波法原理，即把土層看成一個(gè)系統(tǒng)，降雨量C()作為輸入信號(hào)，當(dāng)降雨量對(duì)s的影響函數(shù)為()、地電阻率的趨勢(shì)變化為()=0+1時(shí)，則地電阻率，如果將降雨的即時(shí)及滯后效應(yīng)考慮進(jìn)去的話，則有：

例如選取滯后影響時(shí)間為5個(gè)月時(shí)，則上式可表示為：

張學(xué)民等（1996）曾利用上述方法對(duì)昌黎臺(tái)的地電阻率進(jìn)行了降雨量校正，計(jì)算結(jié)果表明其效果要比使用一般的回歸方法好。筆者利用Matlab軟件對(duì)2003—2014年陽原臺(tái)降雨量對(duì)NE向地電阻率的影響值進(jìn)行了多元回歸計(jì)算，其結(jié)果如圖6所示。從圖中可以看出，陽原臺(tái)NE向地電阻率年變主要是由降雨量引起的，當(dāng)去掉降雨量的影響后，地電阻率相對(duì)穩(wěn)定一些，年變不再清晰，但是還是存在趨勢(shì)性變化，也就是說這種趨勢(shì)性的地電阻率年變畸變下降變化，不是僅由降雨量造成的。

2.4 地電阻率與自然電位的對(duì)比

圖7是陽原臺(tái)NE向自然電位變化曲線，從圖中可以看出，NE測(cè)向的自然電位在2014年的幅值要比往年的高，出現(xiàn)了年變畸變，而NW測(cè)向的自然電位變化不明顯，這表明在時(shí)間和測(cè)向上自然電位與地電阻率有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。尹相好等（2010）在總結(jié)了前人的研究后認(rèn)為，當(dāng)自然電位和地電阻率同時(shí)發(fā)生異常變化時(shí)，可提高異常的可信度。同時(shí)異常出現(xiàn)的時(shí)間與地震的發(fā)生也有比較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，例如：1998年12月9日山東莒縣陵陽L4.1級(jí)地震和2001年4月14日山東五蓮于里L(fēng)3.8級(jí)地震發(fā)生前，在山東莒縣深井的地電阻率和自然電位同時(shí)出現(xiàn)了異常變化。從物理成因上來說，在地震發(fā)生前由于應(yīng)力的積累，地下介質(zhì)會(huì)發(fā)生變化，裂隙的膨脹和發(fā)展以及地下流體的共同作用，可能會(huì)造成自然電位和地電阻率同時(shí)發(fā)生變化。

2.5 震例總結(jié)

張國(guó)民等（1995）的研究表明，在中國(guó)大陸發(fā)生的地震往往具有成組活動(dòng)的特征，即地震的發(fā)生在時(shí)間和空間上具有相對(duì)集中的特點(diǎn)。同時(shí)，大量的地震案例也證實(shí)，地電阻率的異常變化與成組地震的發(fā)生有一定的對(duì)應(yīng)性，這種現(xiàn)象在地電阻率臺(tái)站密集的華北地區(qū)表現(xiàn)的尤為顯著。在1989年大同地震和1998年張北成組地震發(fā)生時(shí)，就有多個(gè)臺(tái)站記錄到了長(zhǎng)時(shí)間的地電阻率異常，并且異常的時(shí)空變化對(duì)成組強(qiáng)震活動(dòng)的遷移有一定的指示意義。這種異常多呈現(xiàn)出比單個(gè)地震更為復(fù)雜的形態(tài)特征，異常往往持續(xù)到成組地震中最后一個(gè)強(qiáng)震發(fā)生后才結(jié)束（王志賢等，1994；1996a；1996b；汪志亮等，2000；2002；張學(xué)民等，2003）?？傮w表現(xiàn)為趨勢(shì)性變化背景下的反復(fù)升降，并呈現(xiàn)出異常持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、幅度大和恢復(fù)慢的特點(diǎn)（嚴(yán)玲琴等，2013）。

自1977年至今，陽原臺(tái)地電阻率觀測(cè)已經(jīng)連續(xù)進(jìn)行了37年，在此期間，距離臺(tái)站300km范圍內(nèi)發(fā)生的S5.0級(jí)以上地震共有8次（去除余震）。在張學(xué)民等（2003）總結(jié)震例的基礎(chǔ)上，筆者對(duì)陽原臺(tái)地電阻率觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了重新分析后發(fā)現(xiàn)，在幾次地震發(fā)生前陽原臺(tái)的地電阻率都曾出現(xiàn)過顯著的年變畸變異常變化，這種地電阻率的異常變化對(duì)距離陽原臺(tái)300km以內(nèi)的地震具有很好的映震能力，尤其是對(duì)晉冀蒙交界地區(qū)發(fā)生的中強(qiáng)地震，具體映震能力如表2所示。

表2 陽原臺(tái)地電阻率異常變化對(duì)地震的映震能力

3 結(jié)論與討論

通過對(duì)觀測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)，確認(rèn)陽原臺(tái)地電觀測(cè)儀器、外線路、電極工作狀態(tài)正常。測(cè)區(qū)背景場(chǎng)環(huán)境調(diào)查和輔助資料分析表明，降雨量和地下水位引起地電阻率數(shù)據(jù)異常的可能性較小，陽原臺(tái)的地電阻率變化反映了真實(shí)的應(yīng)力變化，可視為地震前兆異常。同時(shí)，通過地電阻率與自然電位的對(duì)比分析后發(fā)現(xiàn)，陽原臺(tái)地電阻率的NE測(cè)向與自然電位在2014年的變化具有同步性，驗(yàn)證了地電阻率異常的可靠性；陽原臺(tái)地電阻率的異常變化多以年變畸變?yōu)橹鳎?014年以來的異常形態(tài)與1998年大同地震和2006年文安地震發(fā)生前的異常形態(tài)較為類似。綜合分析認(rèn)為，陽原臺(tái)地電阻率異常變化的可信度較高，可視為地震前兆異常，類型為背景異常。

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Analysis on the Anomaly of Resistivity at Yangyuan Station, Hebei Province

Zhang Guoling1), Qiao Ziyun1), Jia Lifeng1), Liang Hongjie1), Han Heping2)and Wang Yanrong3)

1）Earthquake Administration of Hebei Province, Shijiazhuang 050021, China?2）Yangyuan Seismic Station, Zhangjiakou 075800, China?3）Sanhe Seismic Station, Sanhe 066600, China

The Geoelectric resistivity monitoring from Yangyuan station detected that the annual amplitude of resistivity in NE direction became smaller since 2014. After verification, we found that the observation system is working properly and there was correlation between rainfall and ground resistivity. The abnormal is still exist after removing the effects of rain by convolution filtering method. The NE resistivity and natural potential changes in 2014 is synchronous, so the reliability of earth resistivity anomaly is improving. The ground resistivity variation has a good relationship with the history of earthquake group at Shanxi, Hebei and Inner Mongolia border area, such as 1989 Datong earthquake, 1998 Zhangbei earthquake, et al.. The anomaly of resistivity at Yangyuan station is sensitive to stress change of the earth crust. Therefore, the anomaly of the earth resistivity has a higher reliability to earthquake prediction, and we should pay close attention to the seismic activity at Shanxi, Hebei and Inner Mongolia border area.

Resistivity; Yangyuan Station; Anomaly analysis

國(guó)家自然科學(xué)基金（41274079）和震情跟蹤定向工作任務(wù)（2015010403）共同資助

2015-02-01

張國(guó)苓，女，生于1986年。河北省地震局工程師。主要研究方向：地震電磁學(xué)和地震預(yù)測(cè)研究。 E-mail：zhangguoling002@163.com．