河北興濟(jì)臺地電阻率年變特征分析

賈立峰 張國苓 喬子云 石富強(qiáng) 郭學(xué)增

1）河北省地震局，石家莊市槐中路262號 050021

2）陜西省地震局，西安 710068

0 引言

自1966年我國開展地電阻率觀測以來，在大震前記錄到的顯著的中短期異常多以趨勢性下降變化、破年變?yōu)橹鳎ㄥX復(fù)業(yè)等，1980、1982；桂燮泰等，1989；錢家棟等，1998；Lu et al，1999；趙玉林等，2001，；張學(xué)民等，2009；杜學(xué)彬，2010）。在中國地電測量中，超過 70%的臺站記錄到準(zhǔn)年周期性的地電阻率變化（簡稱年變化或年變）。研究發(fā)現(xiàn)，年變主要與地電臺址電性斷面、水文地質(zhì)條件、布極極距等有關(guān)（金安忠，1981；王志賢，1981），經(jīng)理論模型計(jì)算和相關(guān)性分析認(rèn)為，年變是在探測深度偏淺時(shí)，降雨、地表潛水位年變動(dòng)態(tài)引起地表表層介質(zhì)電阻率的變化，是一種與地震活動(dòng)無關(guān)的干擾變化（錢家棟等，1985；張學(xué)民等，1996；張學(xué)民，2004；劉允秀等，1999；解用明等，2005；宋曉磊等，2006；嚴(yán)玲琴等，2013）。大多數(shù)臺站的地電阻率年變形態(tài)呈“冬高夏低”的“正常年變”（如昌黎臺、大同臺、陽原臺等），臺址表層介質(zhì)的地電阻率相對變化的影響系數(shù)為正，降水多的夏季，地表潛水位較高，表層介質(zhì)含水率升高，表層真電阻率較低，使得地電阻率觀測值低，而冬季降雨量少，地電阻率觀測值較高。部分臺站年變呈“冬低夏高”的“反向年變”形態(tài)，如寧夏海原臺、四川郫縣臺、甘孜臺，當(dāng)臺站表層介質(zhì)電阻率的影響系數(shù)為負(fù)時(shí)（趙和云等，1985、1987；Lu et al，2004；解滔等，2013a），冬季表層介質(zhì)電阻率升高，地電阻率觀測值降低；而地下水位的反常年變化也可引起地電阻率的反向年變，如隆堯大柏舍臺、嘉峪關(guān)（舊）臺、寧夏西吉臺，這與當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)田灌溉、工業(yè)用水、水庫蓄水有關(guān)（張國苓等，2013；錢復(fù)業(yè)等，1987）。還有一類年變化，表現(xiàn)為同一臺站不同測道地電阻率年變形態(tài)相反，如江蘇新沂臺、四平臺，這與測區(qū)地下介質(zhì)的橫向不均勻性有關(guān)（解滔等，2013b、2014）。

興濟(jì)臺地電阻率N30°E向年變形態(tài)不明顯，N60°W存在“冬低夏高”的“反向年變”，年變幅變化較大，最大為1%，且2個(gè)測向的變化趨勢相反。該區(qū)域地下水位較淺，夏季接近地表，冬季在地表下2m左右，存在冬低夏高的年變規(guī)律。本文通過對興濟(jì)地電臺周圍地下水位進(jìn)行調(diào)查，搜集了距離臺站10km處姚官屯地下水位月均值變化資料①河北省氣象局，2015，河北省降雨量匯編和本地的月降雨量資料②河北省水文水資源勘測研究院，2015，河北省地下水位匯編，并與地電阻率進(jìn)行對比分析。結(jié)合興濟(jì)臺地下介質(zhì)電測深曲線，利用轉(zhuǎn)換函數(shù)法計(jì)算地電阻率變化特征；通過對環(huán)境干擾因素的調(diào)研，分析局部異常體對年變形態(tài)和幅度的影響。

1 觀測臺站簡介

興濟(jì)地電觀測站位于河北省滄州市以北約25km的興濟(jì)鎮(zhèn)東3km處，處于滄縣隆起的東翼斜坡上（圖1（a）），與東側(cè)的黃驊拗陷相鄰，位于滄東斷裂附近，滄東斷裂帶走向 NNE，向北延伸與薊運(yùn)河斷裂相交。測區(qū)地層以奧陶系灰?guī)r為主，夾第三系頁巖、砂巖，上覆第四系，下為松散沉積層。興濟(jì)臺地電阻率觀測始于1982年1月1日，目前觀測儀器為ZD8B地電儀，布設(shè)N30°E、N60°W 2個(gè)測向，N30°E向平行滄東斷裂，N60°W向跨斷裂布極，采用對稱四極裝置，供電極距 A2B2和 A4B4均為 2.0km，測量極距 M2N2和 M4N4均為 0.5km（圖1（b））。測區(qū)環(huán)境較好，周圍為農(nóng)田，地表無河流、水庫，N60°W向地電阻率測區(qū)供電極B4和測量極N4之間有個(gè)取土積水坑，本地風(fēng)沙較大，每年3～4月份大風(fēng)引起線路擺動(dòng)，切割磁力線，對地電阻率的觀測精度有一定影響。

圖1 興濟(jì)臺構(gòu)造地質(zhì)（a）和測區(qū)布極（b）

2 資料分析

從變化趨勢看，興濟(jì)臺地電阻率和降雨量、地下水位變化可以分為3個(gè)階段（圖2），圖2中水位值為地下水位的埋深，即地表潛水位距地表的距離，埋深增大代表地下水位下降；反之，埋深減小代表地下水位上升。2004～2007年降雨量較少，地表潛水位埋深增大，地下水位下降，N30°E向地電阻率呈趨勢性上升變化，N60°W向地電阻率下降；2008～2013年降雨量大，地下水位較淺且變化趨勢轉(zhuǎn)平，N30°E向和 N60°W向地電阻率變化平穩(wěn)；2014年降雨量較少，地表潛水位埋深增大，地下水位較2013年大幅下降，2013年9月份以來N30°E向地電阻率呈趨勢性上升，N60°W向地電阻率年變幅減小。結(jié)果表明，興濟(jì)臺地電阻率的變化趨勢可能與該區(qū)域的降雨量和地下水位變化有關(guān)。

圖 2 興濟(jì)地電臺N30°E（a）、N60°W（b）向地電阻率月均值、月降雨量、地下水位

從年變周期看，夏季降雨量大，地表潛水位埋深較小，水位高，表層介質(zhì)地電阻率相對較低；冬季降雨量少，地表潛水位埋深較大，水位低，表層介質(zhì)地電阻率相對較高。興濟(jì)臺N30°E向地電阻率年變形態(tài)不明顯；N60°W向地電阻率的年變化在夏季降雨量較大、地下水位較高、表層介質(zhì)地電阻率降低時(shí)，觀測值反而上升，存在“冬低夏高”的“反向年變”，年變化幅度較大。興濟(jì)臺地下介質(zhì)電測深結(jié)果顯示（圖3（a）），測區(qū)地下介質(zhì)比較均勻，為4層H型電性結(jié)構(gòu)。表1是依據(jù)圖2（a）中電測深曲線以水平層狀模型計(jì)算得到的測區(qū)地層電性結(jié)構(gòu)。

如果將視電阻率測區(qū)任意劃分為N塊區(qū)域，每一塊區(qū)域介質(zhì)電阻率為 ρi，i＝1，2，…，N，在測區(qū)電性結(jié)構(gòu)確定、觀測裝置和極距以及布極位置確定時(shí)，視電阻率ρa(bǔ)是各分區(qū)介質(zhì)電阻率ρi的函數(shù)（錢家棟等，1985、1998；Park et al，1991；Lu et al，2004）

在多數(shù)情況下，各分區(qū)介質(zhì)電阻率在一定時(shí)間內(nèi)的相對變化非常小，Δρi／ρi?1，因此將式（1）作Taylor級數(shù)展開，二階及高階項(xiàng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于一階項(xiàng)，可忽略不計(jì)。視電阻率相對變化可以簡單地表示為各分區(qū)介質(zhì)電阻率相對變化的加權(quán)和，即

表1 興濟(jì)臺水平層狀電性結(jié)構(gòu)

式中，Bi被稱之為影響系數(shù)，

同時(shí)Seigel（1959）影響系數(shù) Bi滿足如下關(guān)系：

采用解析表達(dá)式和四極裝置濾波器算法，按表1的層狀電性結(jié)構(gòu)，在水平層狀均勻模型下計(jì)算地電斷面各層介質(zhì)地電阻率變化對地電阻率觀測的影響系數(shù)（姚文斌，1989；O'Neill，et al，1984），各層介質(zhì)影響系數(shù)隨供電極距AB的變化如圖3（b）所示，供電極距AB增大時(shí)，地表地電阻率第一層介質(zhì)影響系數(shù)迅速減小。用 ρa(bǔ)s表示地表觀測的地電阻率，當(dāng) AB＝2000m，MN＝750m時(shí)，興濟(jì)臺地電阻率ρa(bǔ)s相對變化值為

興濟(jì)臺地下表層介質(zhì)影響系數(shù)為0.0058，表明地表介質(zhì)電阻率對地電阻率觀測影響不大，且隨著地表介質(zhì)地電阻率減小，地電阻率觀測值下降，即夏季降雨量大，表層地表潛水位埋深減小，水位上升時(shí)，地電阻率值略微下降，這與N30°E地電阻率觀測結(jié)果較為一致，與N60°W向地電阻率的觀測結(jié)果恰好相反。

圖3 興濟(jì)臺電測深曲線（a）和各層介質(zhì)影響系數(shù)B（b）

3 地下水位對地電阻率觀測的影響

圖4 興濟(jì)臺地電阻率受地表潛水位影響的模擬結(jié)果

地下水位變化時(shí)探測體上部的電性參數(shù)必然發(fā)生變化，直接影響地電阻率的變化，N60°W向、N30°E向的地電阻率變化與地下水位有較好的相關(guān)性。根據(jù)錢復(fù)業(yè)等（1987）的分析可知：地下潛水位較淺時(shí)，可將潛水面認(rèn)為是地下介質(zhì)第一層和第二層的分界面，可以觀測到地電阻率和地下水位類似的年變化動(dòng)態(tài)。當(dāng)?shù)叵聺撍唤档蜁r(shí)，介質(zhì)表層第一層即高阻層厚度h1增大，第二層飽水的低阻層厚度h2減小。結(jié)合興濟(jì)地電臺電測深曲線，利用地電阻率轉(zhuǎn)換函數(shù)的遞推公式計(jì)算水平層狀模型和對稱四極觀測裝置的地電阻率值。我們模擬了地下水位0～10m時(shí)地電阻率的理論計(jì)算值（圖4），地表潛水位埋深增大，水位下降時(shí)，理論上地表地電阻率增大。2013年8月～2015年2月水位埋深增大了2.21m（圖2），理論上地電阻率增幅為0.02Ω·m，而實(shí)際觀測數(shù)據(jù)顯示，N30°E向地電阻率在此期間由9.19Ω·m上升至9.22Ω·m，增幅為0.03Ω·m。說明近年來興濟(jì)臺N30°E向地電阻率的趨勢性上升變化是由于地表潛水位下降引起的。2004年以來地下潛水位的年變幅度為1m左右，可引起地電阻率的變化小于0.01Ω·m，為地電阻率觀測值的1‰，所以N30°E向地電阻率的年變化不明顯。

4 水坑對地電阻率觀測的影響

興濟(jì)臺地電阻率 N60°W向具有“冬低夏高”的“反向年變”，年變幅較大，部分年份年變幅度高達(dá)0.08Ω·m，為地電阻率觀測值的1%，趨勢性變化與N30°E向的剛好相反。根據(jù)圖3（a），興濟(jì)臺地下介質(zhì)比較均勻，認(rèn)為 N60°W向地電阻率的年變不只是由于電性結(jié)構(gòu)、地表潛水位和降雨量的變化引起的，可能是由于測區(qū)中存在長期干擾。經(jīng)環(huán)境調(diào)研，N60°W向測量電極N4、供電極B4之間有個(gè)長約300m、寬150m的因取土而形成的水坑，坑的深度在逐年加大，目前已超過10m。夏季時(shí)，坑內(nèi)水位較高，接近地表，冬季由于人工抽水，土坑接近干涸，水面到地面的距離接近10m，使得測區(qū)內(nèi)局部地區(qū)水位變化較大。根據(jù) Lu等（2004）針對局部電性異常體對觀測的干擾形態(tài)分布研究，測區(qū)不同區(qū)域介質(zhì)對觀測的三維影響系數(shù)分布顯示，在供電極和測量極之間的一似橢球區(qū)域內(nèi)影響系數(shù)為負(fù)，其余區(qū)域?yàn)檎拷姌O，影響系數(shù)絕對值越大。興濟(jì)臺測區(qū)取土坑位于供電極和測量極之間，這使得興濟(jì) N60°W向地電阻率為負(fù)變化。夏季時(shí)，水坑中存滿水，水的地電阻率小于巖石的地電阻率，N60°W向地電阻率增大，為年變極大值，冬季時(shí)，水坑干涸，空氣的地電阻率大于巖石的地電阻率，N60°W向地電阻率減小，為年變極小值，與觀測結(jié)果相符。因此，興濟(jì)臺N60°W向地電阻率年變動(dòng)態(tài)主要受取土水坑蓄水量的影響。

5 討論與結(jié)論

在興濟(jì)臺地電阻率環(huán)境調(diào)研的基礎(chǔ)上，分析地表潛水位、測區(qū)水坑對興濟(jì)臺不同測道地電阻率年變的影響，得到如下認(rèn)識：

興濟(jì)臺地電阻率N30°E向變化與地表潛水位變化趨勢一致，潛水位埋深增大，水位下降造成地表介質(zhì)地電阻率增大和厚度的增加，地電阻率上升，這與興濟(jì)臺地下介質(zhì)表層影響系數(shù)為正有關(guān)。當(dāng)?shù)氐叵滤荒曜兎炔淮?，N30°E向地電阻率年變動(dòng)態(tài)不明顯，與興濟(jì)臺地下介質(zhì)表層影響系數(shù)較小有關(guān)。對于地下介質(zhì)比較均勻、各測道裝置極距基本相同的情況，同一臺站不同測道年變形態(tài)和年變幅度差別很大，是由于地電阻率測區(qū)內(nèi)存在局部異常體引起的（解滔等，2014）。興濟(jì)臺地電阻率 N60°W向變化趨勢與N30°E向相反，且年變幅較大，與 N60°W向測區(qū)內(nèi)供電極和測量極之間存在水坑有關(guān)，水坑所處位置對地電阻率影響系數(shù)為負(fù)，使得 N60°W向地電阻率出現(xiàn)反向年變化。中國其他的地電臺站也出現(xiàn)過類似的情況，如臨夏臺EW測道供電極和測量極之間開挖土層，其位于測道影響系數(shù)為負(fù)的區(qū)域，將引起地電阻率下降變化；騰沖臺在NS測道N供電極附近開挖了一規(guī)模較大的觀景湖，該觀景湖位于NS測道影響系數(shù)為負(fù)的區(qū)域，位于EW測道為正的區(qū)域，且距離NS測道更近，引起NS測道的上升變化和EW測道的下降變化，且NS測道上升幅度應(yīng)大于EW測道的下降幅度。本文對取土積水坑這個(gè)局部異常體對地電阻率的影響研究還處在定性分析階段，若結(jié)合電測深和地質(zhì)剖面資料建立三維空間非均勻介質(zhì)有限元模型，對干擾源進(jìn)行定量的分析對異常的提取和地震預(yù)測是有意義的。

致謝：中國地震臺網(wǎng)中心盧軍、解滔給予了重要指導(dǎo)，河北省水文水資源勘測研究院提供滄州地區(qū)地下潛水位資料，評審專家提出了中肯有價(jià)值的修改意見。在此一并致謝。