降雨對(duì)陽原地震臺(tái)地電阻率的影響

張國苓，任印國，喬子云，賈立峰，張素欣

(1.河北省地震局，河北 石家莊 050021；2.河北省水文勘測(cè)研究中心，河北 石家莊 050000)

0 引言

我國自1966年邢臺(tái)M7.2地震后，開始連續(xù)的定點(diǎn)地電阻率觀測(cè)，臺(tái)站通常布設(shè)2～3個(gè)測(cè)道，布極方式普遍采用對(duì)稱四極裝置，地表觀測(cè)電極埋設(shè)深度通常在2～3 m左右，觀測(cè)極距AB為500～2 400 m左右，地下探測(cè)深度為數(shù)百米或更深不等[1-2]。經(jīng)過近50年的連續(xù)監(jiān)測(cè)，在多次大地震前記錄到顯著的中短期地電阻率異常[3-9]，多以趨勢(shì)下降變化、破年變?yōu)橹鳌?/p>

地表地電阻率具有規(guī)律的季節(jié)性變化，受降雨和地下水位的影響較明顯。由于降雨或地下水位變動(dòng)后，引起地表地電阻率的變化。采用線性回歸法可較好地去除地下水位引起的地電阻率季節(jié)性變化[10]，降雨對(duì)地電阻率的影響多為突升或突降的即時(shí)響應(yīng)，還有滯后十天甚至一個(gè)月的緩慢恢復(fù)，應(yīng)用褶積濾波法可較好地模擬這個(gè)過程，去除其影響[11]。陽原地震臺(tái)(以下簡(jiǎn)稱陽原臺(tái))地電阻率N68°W向的影響幅度遠(yuǎn)大于N22°E向，究其原因是地層結(jié)構(gòu)不均勻的影響還是與鐵軌有關(guān)，有待研究。在統(tǒng)計(jì)陽原臺(tái)地電阻率下降幅度和日降雨量相關(guān)性的基礎(chǔ)上，運(yùn)用褶積濾波算法模擬降雨對(duì)地電阻率的影響過程，最后，應(yīng)用有限元模型分析鐵軌在降雨后對(duì)地電阻率的影響。

1 降雨對(duì)陽原臺(tái)地電阻率的影響特征

陽原地電臺(tái)位于河北省張家口地區(qū)，處于張渤地震帶和山西地震帶的交匯區(qū)，附近主要活動(dòng)斷裂為北東東向延展的六棱山山前斷裂和八棱山山前斷裂，布設(shè)N22°E、N68°W兩個(gè)測(cè)向，使用儀器為ZD8B地電儀(2016年正式使用ZD8M地電儀)，供電、測(cè)量極距分別為1.2 km和0.2 km。

降雨時(shí)陽原臺(tái)地電阻率出現(xiàn)快速下降變化，NW向的下降幅度大于NE向，降雨后逐漸恢復(fù)(見第23頁圖1)。為研究降雨對(duì)陽原臺(tái)地電阻率的即時(shí)影響，取降雨前一天的日均值減去降雨結(jié)束之后一天的日均值，統(tǒng)計(jì)降雨量和地電阻率下降幅度的關(guān)系。由第23頁圖2可看出，2014至2018年地電阻率下降幅度與單次降雨總量存在良好的線性關(guān)系(圖中深黑色的點(diǎn))，絕大多數(shù)在一倍均方差以內(nèi)。圖中黑點(diǎn)為2014至2017年每年春季4月份第一場(chǎng)雨時(shí)地電阻率下降的幅度(高于一倍均方差上限)；灰點(diǎn)為2014至2017年夏季連續(xù)降雨時(shí)地電阻率下降的幅度(低于一倍均方差下限)。北方的春季較干旱，通常11月份到次年的3月份是少雨的季節(jié)，地表較干燥，含水率較低，第一場(chǎng)雨后，地表表層電阻率改變較大，因此，雨后地電阻率下降較快。夏季雨量較充沛，如果大雨前五六天以內(nèi)未下一場(chǎng)雨，地表土層的含水量相對(duì)變化較小，因此，連續(xù)降雨時(shí)，地電阻率改變較小。

圖1 陽原臺(tái)地電阻率及降雨量的觀測(cè)曲線

圖2 降雨量對(duì)陽原臺(tái)地電阻率的即時(shí)影響

2 研究方法

降雨對(duì)地電阻率的影響具有一定的即時(shí)影響和滯后效應(yīng)，褶積濾波能較好地處理這種干擾[8]。褶積濾波算法為：

式中:降雨量CR(t)為輸入信號(hào);降雨量對(duì)ρs的影響函數(shù)為R(t)，對(duì)地電阻率的影響量為Δρ(t);R(t)為褶積算法的系統(tǒng)參數(shù)：

Δρ(t)=A0C0+A1C1+A2C2+A3C3+A4C4+A5C5

根據(jù)降雨滲透過程對(duì)地電阻率的影響研究結(jié)果，選取瞬時(shí)影響時(shí)間M為1 d，滯后影響時(shí)間N為6個(gè)月。觀測(cè)數(shù)據(jù)為2014至2018年陽原臺(tái)地電阻率日均值，給出降雨影響地電阻率變化量Δρ(t)的變化曲線。

3 研究結(jié)果

3.1 即時(shí)影響分析

結(jié)合電測(cè)深曲線實(shí)際觀測(cè)值計(jì)算水平地層電性結(jié)構(gòu)參數(shù)，電性介質(zhì)可視為水平層狀4層QH型結(jié)構(gòu)(見第24頁圖3)。第1層為第四紀(jì)黃土層，夾有礫石，電阻率為110 (Ω·m)，層厚10 m；第2層為泥層，電阻率為33 (Ω·m)，層厚50 m；第3層為砂質(zhì)灰?guī)r層，電阻率為22 (Ω·m)，層厚330 m；其下為基巖，電阻率為500 (Ω·m)。應(yīng)用電測(cè)深參數(shù)計(jì)算NE測(cè)道地下各層水平介質(zhì)的影響系數(shù)，在供電極距AB/2=500 m時(shí)，各層介質(zhì)對(duì)地電阻率的影響系數(shù)均為正(見第24頁圖4)。地電阻率觀測(cè)受地表淺層介質(zhì)電阻率夏低冬高的季節(jié)性變動(dòng)時(shí)，應(yīng)表現(xiàn)出相同的年變。降雨后，地表形成一個(gè)飽水層，表層地電阻率下降，地電阻率也出現(xiàn)下降，與觀測(cè)事實(shí)相符。

圖3 陽原臺(tái)電測(cè)深曲線實(shí)測(cè)值和計(jì)算值

圖4 各層介質(zhì)影響系數(shù)隨極距的變化

如第35頁圖5所示，當(dāng)降雨影響厚度為20 cm時(shí)，地表薄層電阻率由原來的110 降至40 (Ω·m)，地電阻率的降幅約0.003 (Ω·m)，降至5 (Ω·m)，地電阻率的降幅約0.04 (Ω·m)，遠(yuǎn)小于陽原臺(tái)地電阻率NE向和NW向地電阻率觀測(cè)到的下降幅度。因此，僅從水平層狀介質(zhì)結(jié)構(gòu)上不能完全解釋地電阻率受降雨的影響量，也不能解釋NW向大于NE向的觀測(cè)事實(shí)。

圖5 模擬計(jì)算陽原臺(tái)地電阻率受降雨的影響

陽原臺(tái)地電阻率觀測(cè)場(chǎng)地有鐵軌通過，晴天時(shí)，鐵軌下有枕木和地下絕緣，對(duì)地電阻率影響較?。幌掠陼r(shí)，枕木濕透，鐵軌和地面聯(lián)通，可能導(dǎo)致地電阻率下降較大。應(yīng)用穩(wěn)恒電流場(chǎng)有限元方法建立三維物理模型，為水平層狀均勻結(jié)構(gòu)，大小為6×6×4.167 km3。采用濾波器算法[12]計(jì)算圖2a所示NE向地電阻率ρa(bǔ)=35.25 (Ω·m)，有限元模型的計(jì)算值ρb=36.256 (Ω·m)，2003至2015年地電阻率觀測(cè)均值為ρb=36 (Ω·m)，誤差較小，計(jì)算結(jié)果與實(shí)際觀測(cè)結(jié)果相符，因此，模型及單元網(wǎng)格滿足計(jì)算要求。鋼軌的電阻率低，在地電阻率測(cè)線附近小范圍內(nèi)出現(xiàn)也會(huì)產(chǎn)生較大的干擾。鐵介質(zhì)的電阻率為9.78×10-8(Ω·m)，取橫截面積為0.01 m2。應(yīng)用有限元軟件建立三維有限元模型計(jì)算鐵軌對(duì)陽原臺(tái)地電阻率的變化，鋼軌與地為接觸模式，布設(shè)方位為鐵軌的實(shí)際位置(見圖6)。

圖6 地電阻率測(cè)區(qū)模型示意圖

假設(shè)鐵軌可沿著NW測(cè)向遠(yuǎn)離測(cè)區(qū)移動(dòng)，距NW向B2點(diǎn)的距離越遠(yuǎn)，對(duì)NW向的影響越小(見第25頁圖7)。NE向呈增大后變小的過程，原因是NE向測(cè)區(qū)是跨鐵路的，當(dāng)鐵軌離NE向A1點(diǎn)靠近時(shí)，對(duì)NE向地電阻率的影響增大；反之，影響越小。當(dāng)鐵軌離B2點(diǎn)2 km以上，對(duì)兩個(gè)測(cè)道的影響都會(huì)變小，且影響量基本一致。當(dāng)前鐵軌距NW向B2電極大約100 m，對(duì)NW向的影響大于NE向，這個(gè)結(jié)果跟觀測(cè)事實(shí)相符。鐵軌對(duì)NW向的影響約3.6 (Ω·m)，跟觀測(cè)數(shù)據(jù)相吻合。因此，認(rèn)為陽原臺(tái)地電阻率降雨后大幅度的下降變化可能與大秦鐵路有關(guān)。

圖7 鐵軌位置對(duì)地電阻率觀測(cè)的影響

3.2 年變影響分析

地電阻率具有趨勢(shì)性和季節(jié)性變化，降雨對(duì)地電阻率的瞬時(shí)影響是1 d，滯后影響大約是半月。因此，先運(yùn)用小波變換法提取地電阻率的中短期變化。地電阻率季節(jié)性年變基本是恒定的，應(yīng)用小波變換對(duì)地電阻率原始觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，即原始數(shù)據(jù)減去6階尺度函數(shù)數(shù)據(jù)，得到地電阻率相對(duì)變化波形數(shù)據(jù)(見圖8c)。圖9為單次降雨對(duì)陽原NE向地電阻率的影響。圖9a黑色曲線為陽原NE向地電阻率原始觀測(cè)曲線，灰色曲線為通過褶積濾波法計(jì)算陽原地電臺(tái)降雨對(duì)地電阻率觀測(cè)的影響，模擬結(jié)果顯示，降雨短期內(nèi)會(huì)造成地電阻率觀測(cè)值的突然下降，隨著雨水的滲透和流失，觀測(cè)值出現(xiàn)緩慢上升，且褶積擬合的結(jié)果與實(shí)際觀測(cè)結(jié)果基本一致。圖9b為地電阻率原始觀測(cè)數(shù)據(jù)與降雨對(duì)地電阻率影響值之差，結(jié)果顯示，去掉降雨的影響后，地電阻率變化較平穩(wěn)。褶積濾波法可較好地?cái)M合降雨對(duì)地電阻率的影響過程，能有效去除干擾。

圖8 地電阻率短周期數(shù)據(jù)提取

圖9 褶積濾波法消除降雨量對(duì)地電阻率的影響

選取1985-1991年月降雨量，用褶積濾波法計(jì)算降雨對(duì)地電阻率年變和趨勢(shì)性變化的響應(yīng)。第26頁圖10中，陽原NW向地電阻率、月降雨量值和降雨量對(duì)地電阻率的影響值，都存在明顯冬高夏低的年變規(guī)律，年變幅一般為-0.5 (Ω·m)。1985-1986年降雨量較小，地電阻率年變幅較?。?987-1988年降雨量較大，年變幅較大；1989年是降雨量較小的年份，年變幅也較大。1989-1991年，在晉冀蒙交界地區(qū)發(fā)生3次中強(qiáng)地震，因此，1989年NE向和NW向的破年變異?？赡馨欢ǖ脑姓鹦畔?。圖10a顯示去掉降雨影響后地電阻率的變化曲線比較平穩(wěn)，年變不再清晰，但1990年的年變幅增大的破年變依舊存在，說明去掉降雨的影響后更加凸顯1991年忻州5.1級(jí)和大同5.8級(jí)地震的震兆異常。

圖10 降雨量對(duì)地電阻率年變的影響

4 結(jié)論與討論

陽原臺(tái)地表地電阻率觀測(cè)易受地表干擾的影響，降雨后地電阻率出現(xiàn)快速下降變化，部分原因?yàn)榈乇硇纬梢粋€(gè)飽水層，為表層的地電阻率降低導(dǎo)致，但未能完全解釋地電阻率的下降幅度及不同測(cè)向下降幅度不一致的問題。測(cè)區(qū)有大秦鐵路穿過，金屬管線是對(duì)地電阻率觀測(cè)干擾較為顯著的一類干擾源，降雨時(shí)地下電極與鐵軌形成通路，供電后有部分電流流向鐵軌，造成測(cè)值降低，因此，降雨后，陽原臺(tái)地電阻率大幅下降變化還與大秦鐵路有關(guān)。

降雨對(duì)地電阻率的即時(shí)影響和滯后影響較明顯，褶積濾波法能較好地模擬此過程，去掉降雨影響后，地電阻率觀測(cè)曲線變化較平穩(wěn)。陽原臺(tái)地電阻率冬高夏低的季節(jié)性年變與降雨量關(guān)系密切。運(yùn)用褶積濾波法去掉降雨的影響后，更加凸顯1991年忻州5.1級(jí)和大同5.8級(jí)地震震前的地電阻率破年變異常。