甘肅酒泉地區(qū)地電阻率干擾因素分析與研究

張彩艷，雷功明，李 通，趙月梅，張貴文，劉 帥

(甘肅省地震局嘉峪關(guān)中心地震臺(tái)，甘肅 嘉峪關(guān) 735100)

0 引言

地震地電阻率前兆觀測(cè)是利用分布于地表固定觀測(cè)點(diǎn)上的特定裝置系統(tǒng),定時(shí)觀測(cè)地球介質(zhì)的視電阻率,研究其隨時(shí)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(guò)程之間的內(nèi)在聯(lián)系。由于存在自然現(xiàn)象、觀測(cè)系統(tǒng)及觀測(cè)環(huán)境干擾等原因,在觀測(cè)資料中會(huì)出現(xiàn)與地震孕育及地殼區(qū)域應(yīng)力狀態(tài)無(wú)關(guān)的變化[1]。在日常觀測(cè)中，有些干擾無(wú)論在形態(tài)還是變幅量級(jí)上，都極易與震兆混淆，從而給地電阻率異常判別和地震預(yù)報(bào)帶來(lái)困難。為此，該文通過(guò)對(duì)甘肅酒泉地區(qū)的嘉峪關(guān)、四0四(玉門(mén))臺(tái)地電阻率觀測(cè)干擾因素進(jìn)行分析研究，積累正確識(shí)別地電阻率干擾因素的經(jīng)驗(yàn)，做好地震預(yù)報(bào)的基礎(chǔ)工作。

1 甘肅酒泉地區(qū)地電阻率觀測(cè)概況

嘉峪關(guān)臺(tái)、四0四(玉門(mén))臺(tái)為甘肅酒泉地區(qū)兩個(gè)地電阻率臺(tái)站，觀測(cè)裝置均采用四極對(duì)稱系統(tǒng)，觀測(cè)系統(tǒng)的建設(shè)及布極區(qū)的環(huán)境狀況均符合相關(guān)規(guī)范的技術(shù)要求[2]。地電阻率臺(tái)站分布及布極圖如表1、圖1、第3頁(yè)圖2所示。

表1 甘肅酒泉地區(qū)地電阻率觀測(cè)系統(tǒng)參數(shù)Table 1 Parameters of the earth resistivity observation system in Jiuquan area, Gansu Province

圖1 甘肅酒泉地區(qū)地電阻率臺(tái)站分布圖Fig.1 Distribution of the earth resistivity stations in Jiuquan area, Gansu Province

2 干擾分析

在地電阻率觀測(cè)中，對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)能夠產(chǎn)生干擾的主要因素為自然現(xiàn)象、觀測(cè)系統(tǒng)及觀測(cè)環(huán)境。其中，自然現(xiàn)象干擾是由自然環(huán)境的變化造成的，主要包括地電暴、降雨及雷電干擾等；觀測(cè)系統(tǒng)干擾是由于儀器、各類線路、電極等故障對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)產(chǎn)生的影響；觀測(cè)環(huán)境干擾主要包括修建公路、電焊機(jī)、鑄鐵輸水管道等。下面對(duì)影響兩臺(tái)地電阻率觀測(cè)數(shù)據(jù)的各類干擾進(jìn)行總結(jié)與討論。

圖2 甘肅酒泉地區(qū)地電阻率觀測(cè)臺(tái)布極示意圖Fig.2 Layout of the earth resistivity observation station in Jiuquan area, Gansu Province

2.1 自然現(xiàn)象干擾

2.1.1 地電暴干擾

從圖3可以看出，四0四(玉門(mén))臺(tái)地電阻率均方差和自然電位差在2017年10月11日至16日NS向測(cè)道均方差及自然電位差整點(diǎn)值，均出現(xiàn)突跳干擾變化，均方差變化0.44 Ω·m，自然電位差最大變化幅度7.7 mV。與嘉峪關(guān)臺(tái)地磁水平分量EW向比較，變化形態(tài)一致。通過(guò)多次巡視、檢查觀測(cè)場(chǎng)地及測(cè)量系統(tǒng)等，發(fā)現(xiàn)一切正常。經(jīng)與該臺(tái)地磁水平分量觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，在該時(shí)間段內(nèi)發(fā)生過(guò)一次地電暴。由于在磁暴時(shí)，空間電磁場(chǎng)變化十分強(qiáng)烈且變化頻次較高，在地電阻率測(cè)量時(shí)，無(wú)法全部補(bǔ)償所有的極化電位，造成均方差及自然電位差正常時(shí)段發(fā)生了較為明顯的變化。

2.1.2 降雨干擾

從四0四(玉門(mén))臺(tái)地電阻率受降雨影響小時(shí)值曲線變化形態(tài)可以看出(見(jiàn)圖4)，2018年6月1日至9月30日，分別在6月19日、7月14日、28日、8月15日、30日出現(xiàn)降雨，其中8月15日最大降水量達(dá)9.2 mm，四0四(玉門(mén))臺(tái)2個(gè)測(cè)道地電阻率同步突降，NS向、EW向地電阻率下降幅度分別為0.21%、0.23%。檢查觀測(cè)系統(tǒng)及裝置系統(tǒng)均正常，分析認(rèn)為，由于電極埋深較淺，地電阻率下降的時(shí)間與降雨時(shí)間基本同步，形態(tài)為快速下降-緩慢上升，即降雨時(shí)快速下降，降雨結(jié)束后緩慢上升，下降幅度和降雨量大小有一定關(guān)系。

降雨對(duì)地電阻率即時(shí)影響的物理過(guò)程如下：在降雨當(dāng)天或第2天，地表有極薄的一層飽水層，表層地電阻率迅速下降；降雨過(guò)后，隨著時(shí)間的推移，雨水逐漸下滲、流失、蒸發(fā)等，使得受雨水影響的深度逐漸增加，而水的飽和程度逐漸減小并最終恢復(fù)到原來(lái)的程度，表層地電阻率則緩慢恢復(fù)[3]。若表層介質(zhì)影響系數(shù)為正，則降雨使得地電阻率測(cè)值下降；反之，表層影響系數(shù)為負(fù)，則地電阻率值上升(見(jiàn)第33頁(yè)圖5)。

圖3 四0四(玉門(mén))臺(tái)地電阻率與嘉峪關(guān)地磁整點(diǎn)值曲線Fig.3 The curve of the earth resistivity and the whole point value of Jiayuguan geomagnetism of the 404 (Yumen) station

圖4 四0四(玉門(mén))臺(tái)地電阻率小時(shí)值曲線圖Fig.4 Hourly curve of the earth resistivity of 404 (Yumen) station

2.1.3 雷電干擾

當(dāng)雷電發(fā)生時(shí)，帶有電荷的雷雨云與地面的突起物接近，就會(huì)發(fā)生激烈的放電，改變了區(qū)域電場(chǎng)的分布環(huán)境[4]，從而引起觀測(cè)數(shù)據(jù)的大幅度改變，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)直接燒毀儀器設(shè)備[5]。圖5給出了嘉峪關(guān)地電阻率測(cè)值因雷電干擾引起變化的曲線形態(tài)。2018年7月28日16時(shí)、8月11日18時(shí)測(cè)值曲線均出現(xiàn)較大的臺(tái)階變化，經(jīng)查詢觀測(cè)日志證實(shí)，此時(shí)段測(cè)區(qū)內(nèi)存在雷陣雨。從圖6看出，最大變幅可達(dá)1%。

圖5 嘉峪關(guān)臺(tái)地電阻率小時(shí)值曲線圖Fig.5 Hourly curve of the earth resistivity at Jiayuguan station

圖6 嘉峪關(guān)臺(tái)地電阻率小時(shí)值曲線Fig.6 Hourly curve of the earth resistivity at Jiayuguan station

2.2 觀測(cè)系統(tǒng)故障干擾

2.2.1 測(cè)量外線破損

外線路是指供電線和測(cè)量線，對(duì)觀測(cè)結(jié)果影響最大的主要原因是外線路漏電，無(wú)論是供電線和測(cè)量線之間的漏電，還是供電線、測(cè)量線對(duì)大地漏電，都會(huì)使供電電流不完全從A、B極流入(出)大地，或使接收到的人工電場(chǎng)信號(hào)不完全來(lái)自M、N，這就改變了實(shí)際供電電流的大小，同時(shí)，也改變了裝置系數(shù)，造成觀測(cè)裝置不穩(wěn)定(1)王蘭民.甘肅省地震監(jiān)測(cè)人員培訓(xùn)講義第一版(上)，2007.。2016年2月26日至9月24日四0四(玉門(mén))臺(tái)NS向地電阻率自然電位數(shù)據(jù)出現(xiàn)大幅度階躍變化，最大變化幅度302.2 mV。經(jīng)多次排查，發(fā)現(xiàn)南測(cè)量極外線與地埋套管(隱蔽)內(nèi)的引線破損，線路接觸不良，造成在該時(shí)段內(nèi)由于刮風(fēng)、霜凍、降雨潮濕引起測(cè)量極線路間漏電，從而導(dǎo)致NS向自然電位出現(xiàn)階躍變化，9月24日更換電極引線之后，數(shù)據(jù)恢復(fù)正常(見(jiàn)圖7)。

2.2.2 供電電極引線脫落

圖7 四0四(玉門(mén))臺(tái)自然電位整點(diǎn)值曲線Fig.7 Whole point curve of natural potential of 404 (Yumen) station

圖8 四0四(玉門(mén))臺(tái)地電阻率電極故障整點(diǎn)值曲線Fig.8 Whole point curve of the earth resistivity electrode fault of 404 (Yumen) station

四0四(玉門(mén))臺(tái)地電阻率自2015年1月28日至2月8日，NS測(cè)道斷斷續(xù)續(xù)出現(xiàn)斷記現(xiàn)象(見(jiàn)圖8)，通過(guò)網(wǎng)頁(yè)監(jiān)控發(fā)現(xiàn)無(wú)電流輸出提示，而自然電位差測(cè)量正常。經(jīng)多次檢查，確定為北供外線與電極引線脫離所致，2月6日至8日進(jìn)行相關(guān)處理，數(shù)據(jù)恢復(fù)正常。

2.2.3 測(cè)量電極引線虛接

四0四(玉門(mén))臺(tái)EW向地電阻率自2016年4月23日至5月15日開(kāi)始出現(xiàn)突跳變化(見(jiàn)第34頁(yè)圖9)，測(cè)量東西測(cè)道M3測(cè)量極的接地電阻值大于100 Ω。經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)，系M3電極引線與外線路虛接引起，進(jìn)行相關(guān)處理后，數(shù)據(jù)恢復(fù)正常。

2.2.4 供電電極引線接頭氧化

嘉峪關(guān)地電阻率2016年3月25日至5月24日N45°W測(cè)道A4電極引線接頭氧化，造成數(shù)據(jù)突跳上升(見(jiàn)第34頁(yè)圖10)，4月11日出現(xiàn)上升變化，幅度達(dá)到2.77%，15日測(cè)量A4電極接地電阻值達(dá)到47 Ω，超過(guò)規(guī)范《地震及前兆數(shù)字觀測(cè)技術(shù)規(guī)范》要求，懷疑電極引線接頭氧化，接觸不良，按照規(guī)范要求重新對(duì)電極引線接頭處理后，觀測(cè)數(shù)據(jù)恢復(fù)正常。

圖9 四0四(玉門(mén))臺(tái)地電阻率整點(diǎn)值曲線Fig.9 Whole point curve of the earth resistivity of 404 (Yumen) station

圖10 嘉峪關(guān)臺(tái)地電阻率小時(shí)值曲線Fig.10 Hourly curve of the earth resistivity at Jiayuguan station

2.2.5 儀器故障

2018年4月2日更換備用儀器，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)階躍上升變化(見(jiàn)圖11)，通過(guò)檢查儀器工作狀態(tài)及儀器零點(diǎn)校準(zhǔn)、滿度校準(zhǔn)及儀器校準(zhǔn)等工作，發(fā)現(xiàn)參數(shù)設(shè)置無(wú)法存儲(chǔ)，造成零點(diǎn)校準(zhǔn)工作不能正常進(jìn)行，判斷為主機(jī)芯片SD1225故障，于5月11日對(duì)主用儀器SD1225芯片進(jìn)行更換，之后觀測(cè)數(shù)據(jù)恢復(fù)正常。

圖11 嘉峪關(guān)臺(tái)自然電位整點(diǎn)值曲線Fig.11 Whole point curve of natural potential at Jiayuguan station

2.3 環(huán)境變化干擾

2.3.1 修建旅游公路干擾

2016年9月18日11:00至19日嘉峪關(guān)臺(tái)NE向地電阻率、自然電位差小時(shí)值連續(xù)出現(xiàn)粗差錯(cuò)誤數(shù)據(jù)，最大變化幅度77.1%，自然電位差最大變化幅度為341.8 mV。地電阻率N45°W向最大變化幅度達(dá)到1.34%。于是，立即巡視測(cè)區(qū)環(huán)境，發(fā)現(xiàn)觀測(cè)環(huán)境保護(hù)區(qū)內(nèi)修建旅游公路，鏟車(chē)將地埋線M2測(cè)量極線路鏟破造成粗差及錯(cuò)誤數(shù)據(jù)，明顯壓制曲線形態(tài)(見(jiàn)圖12)。通過(guò)與施工方協(xié)調(diào)，對(duì)破損的測(cè)量線進(jìn)行處理，之后數(shù)據(jù)恢復(fù)正常。

圖12 嘉峪關(guān)臺(tái)電阻率及自然電位差整點(diǎn)值曲線Fig.12 Whole point curve of resistivity and natural potential difference at Jiayuguan station

2.3.2 電焊機(jī)干擾

2016年3月25日18:00至28日21:00嘉峪關(guān)臺(tái)地電阻率N45°W向觀測(cè)數(shù)據(jù)出現(xiàn)連續(xù)不穩(wěn)定現(xiàn)象，表現(xiàn)為多處突跳、階變及曲線畸變(見(jiàn)圖13)，多個(gè)小時(shí)值的變化幅度超過(guò)1%。28日晚上9時(shí)經(jīng)過(guò)工作人員走訪核實(shí)，發(fā)現(xiàn)干擾源來(lái)自距離臺(tái)站200 m處居民使用大型功率電焊機(jī)施工導(dǎo)致，經(jīng)勸阻停止電焊作業(yè)后，22時(shí)的觀測(cè)數(shù)據(jù)恢復(fù)正常。

圖13 嘉峪關(guān)臺(tái)地電阻率整點(diǎn)值曲線Fig.13 Whole point curve of the earth resistivity at Jiayuguan station

2.3.3 鑄鐵輸水管道干擾

嘉峪關(guān)旅游景區(qū)在2017年9月28日上午09:00，對(duì)原有東面輸水管道進(jìn)行位置改造。其中，橫穿馬路輸水管均采用了直徑40 cm、總長(zhǎng)228 m鑄鐵管。在施工的同時(shí)及其之后，觀測(cè)數(shù)據(jù)出現(xiàn)兩次階躍下降(見(jiàn)圖14)，N50°E測(cè)道ρs小時(shí)值較前一天日均值最大變化了7.46%，N45°W測(cè)道ρs小時(shí)值較前一天日均值最大變化了2.77%。經(jīng)檢查，鑄鐵輸水管距離N50°E測(cè)道只有94 m，距離N45°W測(cè)道248 m，不符合地電規(guī)范大于300 m的要求。由于數(shù)據(jù)變化與施工準(zhǔn)同步，因此，判斷數(shù)據(jù)的變化系鋪設(shè)鑄鐵輸水管造成。

圖14 嘉峪關(guān)臺(tái)地電阻率整點(diǎn)值曲線Fig.14 Whole point curve of the earth resistivity at Jiayuguan station

3 結(jié)論與討論

通過(guò)對(duì)甘肅酒泉地區(qū)嘉峪關(guān)、四0四(玉門(mén))兩個(gè)臺(tái)站地電阻率的觀測(cè)數(shù)據(jù)干擾因素進(jìn)行分析，得出以

下認(rèn)識(shí)：

(1) 自然干擾是短期干擾，表現(xiàn)特征為突跳和階躍，對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)影響是短暫的。對(duì)于長(zhǎng)期降雨影響，可采用深埋電極及加大供電極距的辦法來(lái)減少干擾。

(2) 觀測(cè)系統(tǒng)干擾原因主要是儀器、線路、電極等的影響，一般在短時(shí)期內(nèi)通過(guò)快速故障判定，采取一些措施消除、改善，可使觀測(cè)數(shù)據(jù)即刻恢復(fù)正常。

(3) 觀測(cè)環(huán)境變化對(duì)地電阻率觀測(cè)影響是不可忽視的，主要表現(xiàn)為長(zhǎng)期的數(shù)據(jù)影響。例如，嘉峪關(guān)測(cè)區(qū)埋設(shè)鑄鐵管線對(duì)地電阻率的影響較大，使地電阻率出現(xiàn)臺(tái)階性下降變化，主要跟本身埋設(shè)的方式、長(zhǎng)度、橫截面積、連接方式及測(cè)線的相對(duì)位置有關(guān)。目前，嘉峪關(guān)臺(tái)地電阻率只能采用搬遷或改造深井觀測(cè)來(lái)解決環(huán)境干擾問(wèn)題。

(4) 隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，對(duì)地電觀測(cè)環(huán)境的破壞日益嚴(yán)重，使得地電阻率觀測(cè)資料質(zhì)量下降，如何在有限的資源條件下，識(shí)別與排除干擾異常，提取與確認(rèn)有預(yù)報(bào)意義的前兆異常，是目前地震監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)實(shí)踐面臨的主要問(wèn)題。同時(shí)，加大對(duì)深井地電阻率觀測(cè)系統(tǒng)的推廣也是一種思路。