嘉山臺(tái)地電阻率變化特征分析

尹天杰 孫亮亮 袁勇 趙桂寶

摘 ?要：嘉山臺(tái)地電阻率數(shù)字化觀測(cè)時(shí)間長(zhǎng)、數(shù)據(jù)精度高，是安徽省內(nèi)映震能力較好的地電阻率臺(tái)站之一。該文通過(guò)對(duì)嘉山臺(tái)地電阻率日變化、年變化兩種特征變化進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)嘉山臺(tái)日變化由于受到地鐵等背景噪聲的影響，其變化形態(tài)較不明顯，年變化主要是受溫度和降雨量的影響，影響因素歸根于季節(jié)更替帶來(lái)的氣象變化。但是從長(zhǎng)期趨勢(shì)來(lái)看，兩測(cè)向變化形態(tài)并不一致，與場(chǎng)地環(huán)境和應(yīng)力場(chǎng)變化有關(guān)。

關(guān)鍵詞：地電阻率 ?變化特征 ?日變化 ?年變化

中圖分類(lèi)號(hào)：P315 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1672-3791（2021）03（a）-0081-03

Analysis on Variation Characteristics of Earth Resistivity at Jiashan Station

YIN Tianjie ?SUN Liangliang ?YUAN Yong ?ZHAO Guibao

（Jiashan Seismic Station of Anhui Seismological Bureau， Mingguang， Anhui Province， 239400 ?China）

Abstract： The Jiashan Station has a long time for digital observation of resistivity and high data accuracy. It is one of the ground resistivity stations in Anhui Province with good earthquake reflection capabilities. This paper analyzes the two characteristic changes of the resistivity of Jiashan platform， the diurnal change and the annual change. The analysis found that the diurnal change of Jiashan platform is affected by subway and other background noise， and its change form is less obvious. The annual change is mainly affected by temperature and rainfall influence， the influencing factor is attributable to the meteorological changes brought about by the change of seasons. However， from the perspective of long-term trends， the two directional changes are not consistent， and are related to changes in the site environment and stress field.

Key words： earth resistivity; variation characteristics; daily variation; annual variation

經(jīng)過(guò)歷年來(lái)的發(fā)展地電阻率觀測(cè)已經(jīng)成為較為成熟的前兆觀測(cè)手段之一。地電阻率變化趨勢(shì)和氣象變化、固定干擾源等因素有密不可分的關(guān)聯(lián)，因此，研究其變化的機(jī)制機(jī)理是日常觀測(cè)的必備基礎(chǔ)。對(duì)地電阻率的變化趨勢(shì)分類(lèi)探究，有助于分析預(yù)報(bào)人員更好地進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，提取震前異常。

1 ?地電阻率觀測(cè)簡(jiǎn)述

嘉山臺(tái)地電阻率于1973年投入觀測(cè)，初代儀器為DDC—2A地電儀，1991年和2000年分別更換PZ40數(shù)字地電儀和ZD8B地電儀。2013年，數(shù)字化地電儀ZD8M投入觀測(cè)并使用至今。地電外線(xiàn)路采用架空方式，外場(chǎng)地布設(shè)在半山坡至山下農(nóng)田里，測(cè)區(qū)環(huán)境較為復(fù)雜。布極方式采用四極對(duì)稱(chēng)法，共有EW、NS兩個(gè)測(cè)向，供電及測(cè)量電極8個(gè)。2020年10月，對(duì)外裝置系統(tǒng)進(jìn)行改造。

2 ?地電阻率特征變化

地電阻率是觀測(cè)區(qū)域內(nèi)地下介質(zhì)的電阻率，其地下介質(zhì)的電性結(jié)構(gòu)受水位、氣溫等影響。四季和晝夜更替是氣溫和降雨量發(fā)生變化的因素，晝夜和四季從時(shí)間范圍內(nèi)來(lái)講，是有固定周期變化的。因此，假設(shè)當(dāng)?shù)仉娮杪蕛x器分辨率足夠高且場(chǎng)地?zé)o背景噪時(shí)，年變和日變會(huì)呈現(xiàn)出明顯的周期性[1]。

3 ?日變化

3.1 日變化特征

嘉山臺(tái)于2020年10月進(jìn)行外裝置系統(tǒng)改造，為了檢測(cè)改造后觀測(cè)數(shù)據(jù)是否得到優(yōu)化，選取試運(yùn)行后2020年12月1～31日期間地電阻率小時(shí)值數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，繪圖發(fā)現(xiàn)NS、EW兩測(cè)向形態(tài)變化較不明顯。

該文利用EIS2000地震前兆信息系統(tǒng)中MATLAB小波去噪分析，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行消噪處理。處理后的日變曲線(xiàn)較處理前大有改善，對(duì)隨機(jī)波動(dòng)的抗干擾能力增強(qiáng)[2]，但并不能完全呈現(xiàn)出清晰的“V”字型的日變化形態(tài)。由圖1可知每日極大極小值的時(shí)間也并不固定，但是可以觀察到，兩測(cè)向變化具有一致性。

3.2 影響因素分析

對(duì)比其他背景噪聲極小的地電阻率臺(tái)站，其日變形態(tài)會(huì)呈現(xiàn)出典型的“V”字型變化，且每日極大值極小值穩(wěn)定在某個(gè)時(shí)間區(qū)間內(nèi)。這種清晰規(guī)則的變化形態(tài)，在無(wú)特定或偶然的干擾影響時(shí)，數(shù)據(jù)變化會(huì)和晝夜更替呈現(xiàn)出正負(fù)相關(guān)性，即晝升夜降或晝降夜升。

從日變的整體趨勢(shì)中發(fā)現(xiàn)，其背景噪聲依然很大。排除受偶發(fā)的降雨和高壓直流輸電干擾等因素影響，日變形態(tài)至少應(yīng)在該月某個(gè)短周期內(nèi)呈現(xiàn)出規(guī)律性變化，但事實(shí)相反。該臺(tái)初步懷疑裝置系統(tǒng)不穩(wěn)定或者有某固定干擾源對(duì)觀測(cè)環(huán)境造成持續(xù)性干擾。

由于選取的數(shù)據(jù)時(shí)段是地電外裝置系統(tǒng)改造后的。在改造期間，嘉山臺(tái)技術(shù)人員已對(duì)新埋電極的接地電阻、電纜線(xiàn)的絕緣性等進(jìn)行檢查，試運(yùn)行期間對(duì)觀測(cè)主機(jī)進(jìn)行數(shù)次標(biāo)定，結(jié)果均符合要求。且此次改造將EW向整體向東遷移了200 m，避開(kāi)了農(nóng)戶(hù)和養(yǎng)殖場(chǎng)，大大降低了漏電影響。因此，排除裝置系統(tǒng)不穩(wěn)定因素。

通過(guò)對(duì)多日的單天小時(shí)值曲線(xiàn)進(jìn)行對(duì)比分析（見(jiàn)圖2），發(fā)現(xiàn)共性：0～5時(shí)兩測(cè)向均方差值較低，數(shù)據(jù)變化幅度也較小，其余時(shí)段，數(shù)據(jù)變化較凌晨幅度較大，均方差值也忽高忽低。臺(tái)站人員發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)穩(wěn)定時(shí)段和地鐵停運(yùn)時(shí)段剛好吻合。由于軌道交通的供電機(jī)理是鐵軌對(duì)列車(chē)輸電，且鐵軌連接于大地。在地鐵運(yùn)行期間，鐵軌會(huì)向大地釋放強(qiáng)度較大的不平衡電流。即使遠(yuǎn)距離的地電臺(tái)站也難逃地鐵干擾帶來(lái)的影響[3]。經(jīng)查詢(xún)，南京地鐵三號(hào)線(xiàn)林場(chǎng)站距離臺(tái)站的直線(xiàn)距離為80 km。

4 ?年變化

4.1 年變化特征

選取1993年以來(lái)月均值數(shù)據(jù)。通過(guò)繪圖發(fā)現(xiàn)（見(jiàn)圖3），NS向年變化不規(guī)律，極大值逐年不同，低值基本上在6～8月;EW向年變形態(tài)呈現(xiàn)夏高冬低，7～9月為高值，1、2月為低值。

查閱各類(lèi)文獻(xiàn)，眾多研究者認(rèn)為年變主要是受氣象因素主導(dǎo)，氣象因素主要有溫度和降雨兩個(gè)物理量。臺(tái)站人員通過(guò)對(duì)同期溫度和降雨量數(shù)據(jù)與地電阻率月均值進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：嘉山臺(tái)地電阻率與測(cè)區(qū)溫度和降雨量都存在著較為明顯的正相關(guān)性[4]。

4.2 NS、EW兩測(cè)向年變特征差異性分析

如圖3所示，可觀察到嘉山臺(tái)兩個(gè)方向年變差異較大。2009年5～7月NS向有超過(guò)2.5倍方差控制線(xiàn)的現(xiàn)象，從9月份至今一直變化平穩(wěn)，無(wú)趨勢(shì)異常出現(xiàn)。EW向自2005年出現(xiàn)破年變后，年變化逐年有所不同，2011年下半年才開(kāi)始逐漸恢復(fù)“V”字型形態(tài)，同時(shí)還伴隨著斜型上升[5]，2013年年變形態(tài)正常，數(shù)值比往年有所抬升，2014年年變異常，數(shù)值比往年下降明顯，經(jīng)排查綜合震例不考慮為前兆異常;2015年下半年開(kāi)始逐漸恢復(fù)“V”字型形態(tài)，同時(shí)還伴隨著斜型上升;至2020年8月數(shù)據(jù)穩(wěn)定，年變規(guī)律不明顯。

由于降雨量和溫度對(duì)兩測(cè)向貢獻(xiàn)基本一致，所以基本排除其是主導(dǎo)差異的原因。在外裝置系統(tǒng)改造之前，EW向觀測(cè)環(huán)境相對(duì)NS向較為復(fù)雜，周?chē)叙B(yǎng)殖場(chǎng)、工廠 ，甚至有部分電極埋設(shè)在農(nóng)戶(hù)院內(nèi)，而NS向卻布設(shè)在干擾較少的農(nóng)田里。通過(guò)對(duì)往期地電阻率報(bào)表的查詢(xún)，對(duì)比兩測(cè)向的漏電檢查、絕緣檢查及接地電阻值發(fā)現(xiàn)，NS向的數(shù)值明顯優(yōu)于EW測(cè)向[6]。因此，場(chǎng)地環(huán)境干擾可能是造成年變差異性的最大原因。目前，已經(jīng)對(duì)外裝置系統(tǒng)進(jìn)行改造，后期兩測(cè)道的年變差異可能不復(fù)存在。

NS向有數(shù)個(gè)時(shí)間周期，數(shù)據(jù)曲線(xiàn)有斜型向上的趨勢(shì)，而同期EW向卻沒(méi)有此變化。由于嘉山臺(tái)地處郯廬斷裂帶附近，地質(zhì)構(gòu)造也比較復(fù)雜。根據(jù)應(yīng)力場(chǎng)構(gòu)造原理分析，NS向可能是受到應(yīng)力場(chǎng)主力的持續(xù)作用，造成主壓應(yīng)力作用的地電阻率測(cè)向數(shù)據(jù)呈上升趨勢(shì)。

5 ?結(jié)語(yǔ)

（1）嘉山臺(tái)地電阻率單月整點(diǎn)值在消噪處理后，背景噪聲依然很大，日變化形態(tài)不規(guī)律，每日極大極小值也不固定，但兩測(cè)向變化具有一致性。經(jīng)排查分析，背景噪聲主要為南京地鐵三號(hào)線(xiàn)干擾。

（2）嘉山臺(tái)地電阻率兩測(cè)向年變與溫度和降雨量有周期相關(guān)性，兩測(cè)向變化特征具有差異性，主要因?yàn)閳?chǎng)地環(huán)境不同所導(dǎo)致。NS向數(shù)據(jù)曲線(xiàn)有部分年份時(shí)段出現(xiàn)斜型向上的趨勢(shì)，可能與應(yīng)力場(chǎng)作用有關(guān)。

參考文獻(xiàn)

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