陽(yáng)原地電阻率觀測(cè)分析

韓和平 馬 佳 張廣莉

（中國(guó)河北075800陽(yáng)原地震臺(tái)）

陽(yáng)原地電阻率觀測(cè)分析

韓和平 馬 佳 張廣莉

（中國(guó)河北075800陽(yáng)原地震臺(tái)）

由于大秦鐵路橫穿測(cè)區(qū)，夏季降雨時(shí)電極與鐵軌形成通路，對(duì)地電阻率觀測(cè)造成較大影響，使觀測(cè)精度下降。ZD8M觀測(cè)系統(tǒng)遠(yuǎn)離鐵路并深埋電極后，可以減小地表降雨及地下水位對(duì)地電阻率觀測(cè)數(shù)據(jù)的影響，使觀測(cè)精度提高。河北陽(yáng)原地震臺(tái)地電阻率觀測(cè)系統(tǒng)較好，數(shù)據(jù)可靠、穩(wěn)定、連續(xù)，觀測(cè)時(shí)間較長(zhǎng)，對(duì)晉冀蒙交界地區(qū)的成組地震有較好響應(yīng)，對(duì)晉冀蒙及首都圈地區(qū)地震監(jiān)測(cè)、預(yù)報(bào)、地震科學(xué)研究中具有重要意義。

地電阻率；精度；干擾；監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)；映震效果

0 引言

陽(yáng)原地電臺(tái)（以下簡(jiǎn)稱陽(yáng)原臺(tái)）地電阻率觀測(cè)始于1976年，是中國(guó)開(kāi)展地電阻率觀測(cè)比較早的專業(yè)臺(tái)站之一，地處晉冀蒙交界地區(qū)，該區(qū)作為華北地區(qū)強(qiáng)震監(jiān)視跟蹤的重點(diǎn)區(qū)域，曾發(fā)生1981年豐鎮(zhèn)M 5.5、1989年大同M 5.9、1991年大同M 5.8、1998年張北M 6.2等顯著地震。陽(yáng)原臺(tái)地電阻率觀測(cè)系統(tǒng)較好，觀測(cè)儀器歷經(jīng)電子自動(dòng)補(bǔ)償儀DDC-2A到數(shù)字地電儀ZD8B、ZD8M的變革，觀測(cè)時(shí)間較長(zhǎng)，數(shù)據(jù)可靠、穩(wěn)定、連續(xù)，強(qiáng)震前表現(xiàn)出顯著的地震前兆異常，對(duì)晉冀蒙交界地區(qū)的成組地震有較好響應(yīng)（張學(xué)民等，2003），具有較好的映震效果，對(duì)晉冀蒙及首都圈地區(qū)地震監(jiān)測(cè)、預(yù)報(bào)、地震科學(xué)研究具有重要作用和意義。

1 觀測(cè)背景

1.1 地質(zhì)構(gòu)造

陽(yáng)原臺(tái)位于陽(yáng)原縣西城鎮(zhèn)北關(guān)村，處于晉冀蒙3省交界處，張渤地震帶和山西地震帶交匯處，主要活動(dòng)斷裂為北東東向延展的南山山前斷裂（六棱山山前斷裂）和北山山前斷裂（八棱山山前斷裂），兩條斷裂均為傾向盆地中心的正斷層，地震活動(dòng)頻繁（圖1）。測(cè)點(diǎn)位于斷裂帶和沖積扇上，有利于觀測(cè)到來(lái)自地殼深部的信息。臺(tái)址具有大陸季風(fēng)性氣候，常年少雨多風(fēng)，空氣濕度較低。

測(cè)區(qū)電測(cè)深曲線類型為QQ型（圖2），地下電性結(jié)構(gòu)為4層，第1層為第四紀(jì)黃土層，夾有礫石；第2層為游泥層；第3層為粘土層；第4層為砂質(zhì)灰?guī)r層。測(cè)區(qū)符合地電阻率臺(tái)站淺部地電阻率大于10 Ω·m的要求。NE和NW向深部地電阻率差別較小，該區(qū)地層具有水平層狀介質(zhì)結(jié)構(gòu)。

圖1 陽(yáng)原臺(tái)構(gòu)造地質(zhì)Fig.1 The tectonic geological map at Yangyuan station

圖2 陽(yáng)原臺(tái)電測(cè)深曲線Fig.2 Electric sounding curve at Yangyuan station

1.2 觀測(cè)環(huán)境

陽(yáng)原臺(tái)地電阻率測(cè)區(qū)大部分為農(nóng)田覆蓋，觀測(cè)環(huán)境較好，工業(yè)設(shè)施、變電站、高壓線路等符合《地震及前兆數(shù)字觀測(cè)技術(shù)規(guī)范》（簡(jiǎn)稱《規(guī)范》）的要求。大秦鐵路（1987年修建）橫跨陽(yáng)原臺(tái)地電阻率觀測(cè)環(huán)境保護(hù)區(qū)，已不滿足《規(guī)范》要求，距NW道東供電極（B3）只有20 m。在雨季降雨時(shí)電極與鐵軌形成通路，對(duì)地電阻率觀測(cè)有顯著影響。測(cè)區(qū)內(nèi)還有一液化氣站（1993年9月修建），埋設(shè)金屬管道，對(duì)地電阻率觀測(cè)有一定影響（韓和平等，2005）。測(cè)區(qū)周?chē)鸀檗r(nóng)田，NW道西測(cè)量電極（M3）附近有一個(gè)小型養(yǎng)羊場(chǎng)，建于2014年4月，位于NW測(cè)線北邊，距M3電極約100 m； NW道東測(cè)量電極（N3）附近有2個(gè)蘑菇大棚，建于2010年，位于NW測(cè)線南邊，距N3電極約200 m（圖3）。這2個(gè)建筑規(guī)模較小，用電用水量較小，對(duì)地電阻率觀測(cè)影響不大。

1.3 觀測(cè)系統(tǒng)

陽(yáng)原地震臺(tái)地電阻率觀測(cè)布設(shè)N22°E 和N68°W 測(cè)道，供電極距AB=1.2 km，測(cè)量極距MN=0.2 km，采取正十字交叉布極，布極示意見(jiàn)圖3。1976年7月—2001年6月使用DDC-2A模擬儀器觀測(cè)，標(biāo)稱精度不大于1.5%測(cè)值；2001年6月至今使用ZD8B數(shù)字地電儀觀測(cè)，電壓測(cè)量最大容許誤差為±1%讀數(shù)+0.1%滿度值。2013年上半年在中國(guó)地震背景場(chǎng)項(xiàng)目河北分項(xiàng)目建設(shè)中，對(duì)陽(yáng)原臺(tái)地電阻率觀測(cè)進(jìn)行改造，觀測(cè)系統(tǒng)升級(jí)為ZD8M地電儀，布設(shè)N45°E、N45°W測(cè)道，測(cè)區(qū)向北進(jìn)行移動(dòng)，供電極距1 km，測(cè)量極距0.3 km，供電、測(cè)量電極采用100 cm×150 cm×5 cm 長(zhǎng)方體鉛板制作，電極埋深15—20 m。目前兩套觀測(cè)系統(tǒng)并行觀測(cè)，穩(wěn)流源隨地電儀更換而變更（表1）。

圖3 地電阻率觀測(cè)示意Fig.3 The resistivity pole and environmental

表1 陽(yáng)原地震臺(tái)地電阻率觀測(cè)使用儀器和穩(wěn)流源Table 1 Resistivity observation instrument and current source list at Yangyuan Seismic Station

2 觀測(cè)精度

陽(yáng)原地電阻率自1976年觀測(cè)以來(lái)，具有較清晰的冬高夏低年變規(guī)律，觀測(cè)資料穩(wěn)定，數(shù)據(jù)產(chǎn)出連續(xù)。DDC-2A 模擬觀測(cè)系統(tǒng)每日觀測(cè)5次，產(chǎn)出地電阻率每次觀測(cè)值和日均值；ZD8B和ZD8M數(shù)字觀測(cè)系統(tǒng)每日整點(diǎn)觀測(cè)24次，產(chǎn)出地電阻率小時(shí)值和日均值。表2為該臺(tái)不同時(shí)期、不同儀器的數(shù)據(jù)完整率和觀測(cè)精度統(tǒng)計(jì)結(jié)果。1976—2000年模擬觀測(cè)地電阻率數(shù)據(jù)完整率n/N為100%，2001年數(shù)字地電儀投入觀測(cè)以來(lái)n/N為99.80%，背景場(chǎng)儀器ZD8M儀器觀測(cè)2年數(shù)據(jù)完整率為99.95%，滿足《規(guī)范》要求。地電阻率觀測(cè)精度由相對(duì)均方差σn-1/ρs(%)、日均值相對(duì)均方差/ρs(%)、小時(shí)值均方差的月均值/ρs(%)來(lái)衡量，數(shù)據(jù)越小證明地電阻率觀測(cè)精度越高，當(dāng)觀測(cè)精度/ρs(%)＜0.3%時(shí)，日常小時(shí)觀測(cè)值相對(duì)于前一天的日均值變化一般不超過(guò)1%，測(cè)數(shù)據(jù)可利用性高，映震能力強(qiáng)。從表2可以看出：3套觀測(cè)系統(tǒng)地電阻率觀測(cè)數(shù)據(jù)月均值的相對(duì)均方差σn-1/ρs(%)為0.12—0.24，日均值相對(duì)均方差月均值/ρs(%)為0.20—0.35，小時(shí)值均方差月均值/ρs(%)為0.20—0.42。由于背景場(chǎng)ZD8M儀器電極埋深大且布極區(qū)遠(yuǎn)離大秦鐵路，從而減小了降雨對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)的干擾，觀測(cè)精度高、觀測(cè)數(shù)據(jù)穩(wěn)定、映震能力強(qiáng)，從試運(yùn)行近兩年觀測(cè)數(shù)據(jù)穩(wěn)定，每月觀測(cè)精度均不大于0.20，數(shù)據(jù)可用性強(qiáng)； ZD8B儀器電極埋深淺，測(cè)區(qū)有大秦鐵路穿過(guò)，在降雨時(shí)電極與鐵軌形成通路，觀測(cè)數(shù)據(jù)干擾比較嚴(yán)重，觀測(cè)精度低；模擬觀測(cè)DDC-2A儀器雖然電極埋深較淺，但測(cè)區(qū)無(wú)大秦鐵路穿過(guò)，精度略高于ZD8B儀器。

表2 陽(yáng)原臺(tái)地電阻率數(shù)據(jù)完整率與觀測(cè)精度Table 2 Integrity and accuracy of resistivity data at Yangyuan Seismic Station

3 主要干擾

3.1 降雨影響

陽(yáng)原臺(tái)地電阻率資料每逢雨季出現(xiàn)突變，且N68°W測(cè)道比N22°E測(cè)道受降雨影響嚴(yán)重。統(tǒng)計(jì)2003年以來(lái)陽(yáng)原地區(qū)降雨量，發(fā)現(xiàn)陽(yáng)原日電阻率受降雨影響較明顯，降雨

后地電阻率測(cè)值開(kāi)始下降，且降雨量越大下降幅度越大；降雨停止后，隨著地面慢慢變干，測(cè)值逐漸恢復(fù)到變化前狀態(tài)。地電阻率在夏季呈現(xiàn)“山羊胡子”狀變化，主要原因是降雨，機(jī)理上與大秦鐵路有關(guān)（圖4），降雨時(shí)地下電極與鐵軌形成通路，供電后部分電流流向鐵軌，從而造成測(cè)值降低。背景場(chǎng)ZD8M觀測(cè)系統(tǒng)遠(yuǎn)離大秦鐵路，降雨對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)影響降低，觀測(cè)精度有很大提高，觀測(cè)數(shù)據(jù)符合《規(guī)范》要求。

3.2 地表潛水位影響

與陽(yáng)原附近地下潛水位對(duì)比（圖5），發(fā)現(xiàn)NE向地電阻率年變與地表潛水位埋深呈鏡像關(guān)系（圖中地下水位指地表潛水位埋深，即水面到地表的距離，水位埋深大，代表水位下降）。地表潛水位埋深年變?yōu)槎拖母?，地電阻率年變?yōu)槎呦牡停疵磕甑叵滤裆钤龃?，水位下降時(shí)間段，地電阻率下降，年變相關(guān)系數(shù)為0.80。年變是在探測(cè)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，是一種與地震無(wú)關(guān)的干擾變化（張國(guó)苓等，2013）。大多數(shù)臺(tái)站的年變形態(tài)為“冬高夏低”的“正增常年變”（如昌黎臺(tái)、大同臺(tái)等），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(cè)值低，反之冬季降水量少，地電阻率觀測(cè)值較高。背景場(chǎng)ZD8M觀測(cè)系統(tǒng)由于電極進(jìn)行深埋（15—20 m），所以觀測(cè)數(shù)據(jù)受地表潛水位的影響幾乎不存在，觀測(cè)精度得到進(jìn)一步提高，觀測(cè)數(shù)據(jù)可利用性進(jìn)一步提高。

圖4 地電阻率與日降雨量的關(guān)系Fig.4 The relationship between resistivity and ainfall

圖5 地電阻率與地下水位關(guān)系Fig.5 The relationship between resistivity and groundwater level

4 映震效果

自1976年以來(lái)，陽(yáng)原臺(tái)地電阻率共監(jiān)測(cè)到臺(tái)站300 km范圍內(nèi)7次MS5.0以上地震（去除余震），具體參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 陽(yáng)原地電阻率映震統(tǒng)計(jì)Table3 Correlation of earthquakes and resistivity at Yangyuan Seismic Station

由表3可見(jiàn)，陽(yáng)原地電阻率對(duì)震中距300 km以內(nèi)地震映震效果較好，尤其是晉冀

蒙交界地區(qū)發(fā)生的中強(qiáng)地震，在地震前均出現(xiàn)異常變化。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?？傮w表現(xiàn)為趨勢(shì)變化背景下的反復(fù)升降，呈現(xiàn)異常持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、幅度大和恢復(fù)慢的特點(diǎn)。

4.1 1989年大同成組地震

1989年大同成組地震包括1989年10月18日大同5.7級(jí)、10月19日大同5.9級(jí)和5.5級(jí)、1991年1月29日忻州5.1級(jí)地震和1991年3月26日大同5.8級(jí)地震。考慮到地電阻率測(cè)值時(shí)間間隔的有限性，有些地震的前兆異常在時(shí)間上難以區(qū)分，把10月18日和19日地震合并，以主震考慮，1991年的兩次地震也只考慮大同5.8級(jí)地震（張學(xué)民等，2003）。陽(yáng)原臺(tái)地電阻率在1989年大同震前變化穩(wěn)定，在之后的成組地震前卻出現(xiàn)大幅度年變畸變現(xiàn)象，無(wú)論是年變化下降幅度還是上升幅度均明顯超出往年（圖6）。

圖6 大同地震和張北地震前陽(yáng)原地電阻率變化曲線Fig.6 The change of resistivity before Datong and Zhangbei earthquakes at Yangyuan Seismic Station

4.2 1998年張北成組地震

1998年張北成組地震主要包括1998年1月10日張北6.2級(jí)地震、1999年3月11日張北5.6級(jí)地震和1999年11月1日大同5.7級(jí)地震（張學(xué)民等，2003）。1998年陽(yáng)原地電阻率出現(xiàn)年變畸變，主震發(fā)生后兩個(gè)地震表現(xiàn)為下降—轉(zhuǎn)平—震后恢復(fù)的類型，在1998年和1999年出現(xiàn)年變幅度減小甚至消失的特征，1999年3月張北地震發(fā)生在低值異常中段，之后異常持續(xù)低值，1999年10月恢復(fù)上升，l1月發(fā)生大同5.7級(jí)地震（圖6）。

5 結(jié)束語(yǔ)

陽(yáng)原地震臺(tái)經(jīng)過(guò)測(cè)區(qū)環(huán)境調(diào)查，測(cè)區(qū)內(nèi)大秦鐵路對(duì)地電阻率觀測(cè)有較大影響，降雨時(shí)電極與鐵軌形成通路影響觀測(cè)數(shù)據(jù)，是引起陽(yáng)原地電阻率數(shù)據(jù)變化的主要因素。通過(guò)把觀測(cè)系統(tǒng)北移，遠(yuǎn)離鐵路并深埋電極后，觀測(cè)精度（ZD8M觀測(cè)系統(tǒng)）得到提高，減小了降雨對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)的影響。地電阻率觀測(cè)系統(tǒng)常年穩(wěn)定，觀測(cè)數(shù)據(jù)連續(xù)率好，符合規(guī)范要求。陽(yáng)原地電臺(tái)觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)晉冀蒙交界地區(qū)多次中強(qiáng)地震反應(yīng)敏感，映震能力強(qiáng)，地電阻率作為前兆異常，異常多以年變畸變?yōu)橹?。?yáng)原地電阻率觀測(cè)對(duì)晉冀蒙及首都圈地區(qū)震情監(jiān)視具有重要的作用和意義。

韓和平，王長(zhǎng)江，任佳，等.陽(yáng)原地震臺(tái)的改造建設(shè)——地電阻率觀測(cè)中的干擾及排除[J].華北地震科學(xué)，2005，23（1）：57-59.

張學(xué)民，劉素英.華北地區(qū)成組地震前后的地電阻率異常特征[J].華北地震科學(xué)，2003，21（4）：10-1.

張國(guó)苓，喬子云，賈立峰，等.隆堯地電阻率與地下水位關(guān)系分析[J].地震地磁觀測(cè)與研究，2013，34（5/6）：141-143.

Observation and analysis of earth resistivity in Yangyuan

Han Heping，Ma Jia and Zhang Guangli
(Yangyuan Seismic Station,Hebei Province 075800,China)

Since Datong-Qinhuangdao railway passes through the survey area of Yuanyang Seismic Station,and the rail and electrode consist of electric path during summer rainfall,the ground resistivity observation accuracy in the station is greatly impacted on.After the ZD8M observation system is reconstructed by moving far away from the railway and increasing the depth of the electrode,which can reduce the influence of surface rainfall and underground water level on the earth resistivity observation data and improve the accuracy of the observation,the resistivity observation system in Yangyuan station,Hebei Province is in good status,with reliable data and long time stable continuous observation.It has a good response to the grouped earthquakes in the junction of Shanxi,Hebei and Inner Mongolia areas and is of great signifi cance to the earthquake monitoring,prediction and scientifi c research of Jin-Ji-Meng and capital circle area.

resistivity，accuracy，interference，monitoring and forecasting，earthquake response effect

10.3969/j.issn.1003-3246.2016.05.009

韓和平（1974— ），男，臺(tái)長(zhǎng)，高級(jí)工程師，從事地震監(jiān)測(cè)工作。E-mail： he6f@eq-he.ac.cn

本文收到日期：2016-03-30