金屬護欄對洛陽地震臺地電阻率干擾定量分析

侯博文 孫召華 謝佳興 劉慶華 李志濤

（中國鄭州 450000 河南省地震局）

0 引言

在地震孕育過程中，震源區(qū)應(yīng)力的積累以及巖體內(nèi)的膨脹破裂，均會導(dǎo)致該區(qū)域地下介質(zhì)電性結(jié)構(gòu)的改變（王志賢等，1993）。電阻率為地下介質(zhì)重要的物理參數(shù)之一，合理地利用其觀測資料，可以了解地下巖體應(yīng)力積累、釋放過程。在地震臺站進行的地電阻率觀測，實質(zhì)上是定點電阻率觀測，其測值為同一地點地下固定體積內(nèi)電阻率隨時間的變化。作為一種主動源觀測方法，該方法來源于物探中的直流電法，但又區(qū)別于物探電法觀測所強調(diào)的電阻率隨空間的變化。因此，地震臺站測區(qū)內(nèi)場地條件的變化都會引起該區(qū)域電阻率的變化。在實際觀測中，除了地表溫度、濕度等氣象因素及水文條件的季節(jié)性變化可引起測區(qū)地電阻率變化外，電磁干擾、金屬導(dǎo)線類干擾和測區(qū)內(nèi)大面積施工，也都會改變測區(qū)內(nèi)的電性結(jié)構(gòu)從而引起測區(qū)地電阻率變化，而這種干擾變化往往具有破環(huán)性。

針對金屬導(dǎo)線類干擾，我國地電工作者開展了許多理論研究和實驗分析工作。衛(wèi)定軍等（2009）采用等效電路分析方法，對固原地震臺地電阻率的鐵絲網(wǎng)干擾作了定性分析和解釋，指出鐵絲網(wǎng)搭建使得測量極電位差增加，進而造成固原地震臺視電阻率測值增加。張秀霞等（2009）利用絕緣裝置處理鐵絲網(wǎng)，成功將鐵絲網(wǎng)對地電阻率觀測的影響進行消除，并結(jié)合測區(qū)電性結(jié)構(gòu)作出定性分析與解釋。張磊等（2010）對全國多數(shù)地電阻率臺站進行調(diào)研分析，認(rèn)為金屬類管網(wǎng)產(chǎn)生的干擾與其長度、方位密切相關(guān)。汪志亮等（2002）分析了太原地震臺測區(qū)附近埋設(shè)金屬灌溉管道對地電阻率觀測的影響，并指出平行于測道鋪設(shè)的金屬管線的影響最顯著，斜角或垂直鋪設(shè)的影響相對較小。解滔等（2013）利用三維有限元模型下計算了寶昌地震臺測區(qū)內(nèi)埋設(shè)鋼纜對地電阻率觀測的影響，指出表層土壤在穩(wěn)定凍結(jié)階段鋼纜對觀測的影響非常小，在完全融通階段的影響最大，在非穩(wěn)定凍結(jié)階段的影響介于二者之間，并給出對稱四級裝置觀測時測區(qū)介質(zhì)對地電阻率觀測的三維影響系數(shù)分布情況。楊龍翔等（2020）利用有限元法對周口地震臺地電阻率進行數(shù)值計算，認(rèn)為2015年周口地震臺地電阻率年變異常主要受測區(qū)內(nèi)建立金屬大棚的影響。王同利等（2017）采用三維有限元模型對延慶地震臺地電阻率測區(qū)內(nèi)鐵管、鐵腳架和鐵質(zhì)地基對觀測數(shù)據(jù)的影響進行數(shù)值模擬分析，指出鐵質(zhì)干擾介質(zhì)的排列方向與測線方向密切相關(guān)，當(dāng)干擾介質(zhì)與觀測測線方向一致時，干擾變化較大。張國苓等（2017）利用有限元法定量計算了挖土水坑蓄水量和磚廠建設(shè)對興濟地震臺地電阻率觀測的影響。

洛陽地震臺定點地電阻率觀測始于1972年，觀測資料質(zhì)量較好，年變化和趨勢性變化清晰。2018年11月臺站測區(qū)內(nèi)238省道上陸續(xù)安裝了金屬導(dǎo)線狀護欄，導(dǎo)致地電阻率NS、EW測道觀測數(shù)據(jù)均出現(xiàn)了不同程度的階躍變化，對觀測產(chǎn)生了較大干擾。為了對該臺地電阻率數(shù)據(jù)異常進行較準(zhǔn)確的判定，本文利用洛陽地震臺建臺時的鉆孔資料和觀測資料，結(jié)合電測深曲線建立三維地電阻率觀測物理模型，采用有限元數(shù)值分析方法，定量計算金屬護欄對洛陽地震臺地電阻率觀測的影響，并討論了測區(qū)內(nèi)位于地表的金屬導(dǎo)線在不同屬性（與測道夾角、長度、電阻率、有效橫截面積）情況下對觀測產(chǎn)生的干擾隨時間的變化特征，以期為其他臺站判別和定量分析類似干擾提供參考。

1 臺站基本情況

1.1 臺站簡介

洛陽地震臺位于河南省洛陽市南郊，距市區(qū)約5 km，隸屬洛陽市洛龍區(qū)魏灣村轄區(qū)。臺站地電阻率觀測場地位于洛陽市南郊洛龍區(qū)龍門山，地質(zhì)構(gòu)造上處于秦嶺緯向構(gòu)造帶東段、華北板塊的西南部，位于祁呂賀“山”字型構(gòu)造的弧頂部位，并與新華夏構(gòu)造在此交匯。測區(qū)附近有2條大斷層，其一是測區(qū)東的伊河斷層，沿伊河展布，走向NE，傾向NW；其二是新安—草店斷層，走向NW，傾向WS，傾角為60°—70°。2個斷層均為活斷層，而測區(qū)位于伊河斷層的破碎帶邊緣，即南側(cè)（上盤）伊河的一級或二級階地上（河南省地震局，2005）。

目前，洛陽地震臺使用中國地震局預(yù)測研究所監(jiān)制的ZD8BI型地電儀進行地電阻率觀測，采用對稱四級直流供電觀測裝置，因受場地條件限制，觀測中選用“L”型布極方法，分別沿近NS、EW兩個互相垂直的方向布設(shè)測線，其中，供電極距LAB均為1 000 m，測量極距LMN均為300 m（圖1），電極埋深均為2.0 m，外線路采用電纜架空方式。臺站觀測裝置、測量儀器、外線路和電極等均符合地電阻率臺站觀測的技術(shù)要求（中國地震局，2006）。

1.2 干擾情況簡介

自2018年12月金屬護欄安裝完成后地電阻率數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常變化，其中，NS測道數(shù)據(jù)階躍變化幅度0.51 Ω·m，相對日均值變化0.86%；EW測道數(shù)據(jù)階躍變化幅度0.23 Ω·m，相對日均值變化0.47%。數(shù)據(jù)出現(xiàn)變化的時間與護欄安裝時間同步，并且安裝護欄對地電阻率年變曲線亦有一定影響。將2015—2017年洛陽地震臺地震平靜期地電阻率數(shù)據(jù)進行平均并時序疊加后得到的數(shù)值作為正常預(yù)測值（圖1虛線），與后期的觀測值對比后發(fā)現(xiàn)，2018—2019年洛陽地震臺NS測道地電阻率出現(xiàn)明顯抬升變化，EW測道的出現(xiàn)小幅下降變化，并且2020年該異常變化持續(xù)，未恢復(fù)正常（圖1實線）。

圖1 洛陽地震臺地電阻率觀測布極方位及月均值（a）地電阻率觀測布極方位；（b）NS測道地電阻率實際值與預(yù)測值；（c）EW測道地電阻率實際值與預(yù)測值Fig.1 The electrode layout of the geoelectrical resistivity observation and the monthly mean value observation curve of the Luoyang Seismic Station

根據(jù)洛陽地震臺建臺時巖性資料和電測深曲線（圖2），洛陽地震臺測區(qū)地下介質(zhì)覆蓋層為第四紀(jì)松散沉積層，其主要成分為亞粘土并含有少量粉砂，電阻率較高；第2層 主要為含水的砂卵石層，砂卵石大小不均，并且孔隙中含有少量砂土，電阻率最低；第3層以石灰?guī)r和泥質(zhì)灰?guī)r為主，較松軟，夾有泥質(zhì)；第4層以石灰?guī)r為主，質(zhì)地堅硬，電阻率最高。將電測深反演結(jié)果作為地層電性結(jié)構(gòu)參數(shù)，建立水平層狀4層模型并假定每層介質(zhì)電阻率均勻（表1）。

圖2 洛陽地震臺電測深曲線Fig.2 Resistivity sounding curves of Luoyang Seismic Station

表1 洛陽地震臺水平層狀電性結(jié)構(gòu)Table 1 Horizontal layered electrical structure at Luoyang station

2 有限元數(shù)值分析

2.1 穩(wěn)恒電流場有限元方法

有限元法是一種求解偏微分方程邊值近似解的數(shù)值分析方法，其優(yōu)點是通過采用小單元最大程度地逼近幾何模型。地震臺站定點地電阻率觀測時采用的是直流電對稱四級觀測裝置，可將該觀測系統(tǒng)視為穩(wěn)恒電流場進行計算，計算時滿足麥克斯韋方程組和電荷守恒定律，電位分布滿足泊松方程，公式為

式中，V為直流電源I產(chǎn)生的電位；σ為介質(zhì)電導(dǎo)率；δ（x,y,z）為狄拉克δ函數(shù)。

有限介質(zhì)空間的全部邊界為Γ；一部分邊界（地表）沒有電流流出，滿足紐曼邊界條件記為Γn；其余邊界記為Γd，滿足狄利克雷邊界條件。因此，式（1）滿足邊界條件Γ=Γn+Γd，其中，Γn滿足(?V/?n)|Γn=0；n為邊界指向區(qū)域外的法線方向；Γd滿足V|Γd=p。應(yīng)用虛功原理可得到穩(wěn)恒電流場泊松方程的有限元弱解形式（解滔等，2015）

式中，Ω為計算區(qū)域；φ為任意的虛位移函數(shù)，在滿足狄利克雷條件的邊界上，虛位移函數(shù)φ=0。通過對模型單元離散化，施加電流源和邊界條件，再對每個單元的點位進行有限元數(shù)值計算，得出測量電極之間的電位差，最后通過裝置系數(shù)計算出電阻率值。

2.2 模型建立

利用有限元法建立三維水平層狀介質(zhì)模型，采用表1所示的電性結(jié)構(gòu)參數(shù)，地層單元采用soild69八節(jié)點熱—電六面體單元，金屬護欄采用link68二節(jié)點熱—電單軸線單元。導(dǎo)線單元電阻率設(shè)置為合金材質(zhì)電阻率1.6×10-6Ω·m，有效橫截面積為0.001 m2。地表模型中供電極距LAB=1 000 m，測量極距LMN=300 m，電極埋深為2 m，供電電流為2 A，與實際電阻率觀測裝置一致。地表邊界滿足紐曼邊界條件，水平方向和垂直方向可視為無窮遠(yuǎn)邊界，施加狄利克雷邊界條件（V=0），當(dāng)模型水平尺寸滿足大于6倍AB、模型厚度滿足大于2倍AB時，此時邊界效應(yīng)對計算的影響已小于儀器精度（解滔等，2014）。最終模型水平尺寸設(shè)置為6倍AB，最底層厚度設(shè)置為2倍AB，模型大小為6.0 km× 6.0 km×2.3 km。因NS、EW兩測道電性結(jié)構(gòu)不一致，因此，本文將采用實際解釋結(jié)果分別建立模型進行計算。為了驗證模型單元劃分的合理性，將模型計算結(jié)果與由電阻率轉(zhuǎn)換函數(shù)遞推公式得到的理論解進行對比（表2），由表2可見，二者具有較好的一致性。

表2 洛陽地震臺視電阻率計算值與理論值對比（Ω·m）Table 2 Comparison between theoretical and calculated apparent resistivities at Luoyang station

實際觀測中臺站地電阻率存在年變現(xiàn)象，該現(xiàn)象主要受地表淺層介質(zhì)電阻率的影響而表現(xiàn)出同步變化。通常，夏季氣溫上升，降雨量增加，淺層介質(zhì)電阻率下降；冬季氣溫下降，降雨量減少，淺層介質(zhì)電阻率上升。而中深部介質(zhì)受氣溫和含水率季節(jié)性變化的影響較小，因而電阻率相對穩(wěn)定。

溫度對淺層介質(zhì)電阻率的影響可分為2個方面，一是溫度對地層中土壤骨架及孔隙水電阻率的影響；二是當(dāng)溫度低于0℃時，土壤中水凝結(jié)成冰晶之后對淺層介質(zhì)電阻率的影響。根據(jù)大氣溫度與地表溫度間的經(jīng)驗關(guān)系，本文以氣溫為基礎(chǔ)，設(shè)地氣溫差為2.0℃，計算地溫數(shù)據(jù)。由于地表淺層較薄，因此，地溫梯度忽略不計。當(dāng)?shù)販卦?℃以上時，淺層介質(zhì)電阻率隨著溫度的下降而上升；當(dāng)?shù)販卦?℃附近時，水溶液會逐漸凝結(jié)成冰，因此，在結(jié)冰前后淺層介質(zhì)電阻率將會突變；當(dāng)?shù)販卦?℃以下時，淺層介質(zhì)電阻率主要取決于溶液中未凍水的含量?；诼尻柕卣鹋_地理位置，主要考慮地溫在0℃以上時淺層介質(zhì)電阻率隨溫度的變化情況。根據(jù)前人（李成保等，1989）研究結(jié)果可知，對于一定的土壤介質(zhì)來說，電導(dǎo)溫變率為常數(shù)，不隨溫度而變。因此，只要精確測定2個溫度下的電導(dǎo)率，就可求得電導(dǎo)溫變率，并換算成不同溫度（0℃以上）下的電阻率。經(jīng)過對模型的多次調(diào)試，最終發(fā)現(xiàn)當(dāng)受溫度影響的地表淺層厚度為8 m時，往年無干擾的實際觀測值年變幅度與模型計算值年變幅度基本接近。

降雨對地電阻率的干擾不但包括可引起淺層電阻值的變化，同時隨著雨水的滲透，淺層厚度、濕度也發(fā)生變化。當(dāng)土壤濕度較小時，土壤中水分稍增加，孔隙連通性即可得以極大改善，進而孔隙溶液中離子濃度增加，電阻率下降較快。當(dāng)濕度達到一定程度時，土壤電阻率趨于10 Ω·m，并基本保持穩(wěn)定（孫旭等，2019）。洛陽地震臺測區(qū)內(nèi)地表潛水位面較淺，常年為2 m左右，因此當(dāng)雨水滲透深度大于2 m時，并不會引起2 m以下地層電性結(jié)構(gòu)的變化。對受降雨影響的地表淺層厚度模型進行多次調(diào)試后發(fā)現(xiàn)，當(dāng)受降雨影響的地表淺層厚度與潛水位面深度一致時，受降雨影響的實際觀測值變化量與模型計算值變化量接近，而此時降雨對模型計算值年變幅度的影響基本沒有改變。因此，本文僅將溫度變化作為影響洛陽地震臺地電阻率年變化的主要因素。

3 有限元法計算結(jié)果

3.1 金屬護欄對洛陽地震臺地電阻率短時干擾

洛陽地震臺地電阻率數(shù)據(jù)自2018年12月開始出現(xiàn)異常，通過現(xiàn)場異常核實發(fā)現(xiàn)，238省道金屬護欄已經(jīng)全部安裝完畢，其在NS、EW測道附近的分布如圖1所示。因此，分2018年12月金屬護欄安裝前、后2個時間節(jié)點進行研究。

由洛陽地震臺安裝金屬護欄前后地電阻率觀測值與計算值對比（表3）可見，位于NS測道的金屬護欄會導(dǎo)致地電阻率觀測值上升，而位于EW測道的金屬護欄則會導(dǎo)致地電阻率觀測值下降。NS測道安裝護欄前后模型計算值之差與實際觀測值之差相差不大，但略大于實際觀測結(jié)果，這可能與模型中導(dǎo)線單元的電阻率有關(guān)。在模型計算中，金屬護欄與地面接觸良好，導(dǎo)線單元的作用可以充分體現(xiàn)；而在實際觀測中，金屬護欄的電阻率大于模型設(shè)定值。此外，模型計算值總體比實際觀測值小，這種計算結(jié)果的差異可能是地下電性結(jié)構(gòu)簡化程度較高造成的。

表3 洛陽地震臺安裝金屬護欄前后地電阻率觀測值與計算值對比（Ω·m）Table 3 Comparison of observed and calculated geoelectrical resistivity before and after the installation of metal barriers at Luoyang seismic station

3.2 金屬護欄對洛陽地震臺地電阻率年變干擾

地表低阻干擾源對地電阻率觀測的影響不是固定不變的，而是隨著測區(qū)介質(zhì)電阻率的改變而發(fā)生變化（解滔等，2016）。模型中受溫度影響的地表淺層厚度設(shè)置為8 m，淺層介質(zhì)電阻率的獲取方式為：采用2016年8月至2020年10月氣溫月均值數(shù)據(jù)，通過電導(dǎo)溫變率換算公式（李成保等，1989）計算電阻率，將其作為淺層介質(zhì)電阻率的年變化值。據(jù)此，計算洛陽地震臺地電阻率在有無金屬護欄干擾下的變化情況。

將洛陽地震臺2015—2017年地震平靜期數(shù)據(jù)進行平均并時序疊加（因此次干擾自2018年開始，所以未加入2018年實測數(shù)據(jù)進行計算），所得結(jié)果作為2019—2020年預(yù)測值。將受溫度影響且無金屬護欄干擾的模型計算結(jié)果作為模型計算值。在消除簡化電性結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的誤差后，將二者進行對比（圖3），由圖3可見，年變化趨勢基本一致。說明溫度變化是洛陽地震臺地電阻率年變化的主要影響因素，并且可將該模型可以作為洛陽地震臺的基本模型來分析數(shù)據(jù)異常變化。在添加金屬護欄后，模型計算值基本接近于測區(qū)有護欄干擾的實際觀測數(shù)據(jù)，總體受影響趨勢與實際觀測值上升或下降變化同步。根據(jù)地電阻率三維影響系數(shù)理論（解滔等，2015），低阻干擾源位于影響系數(shù)為正的區(qū)域會導(dǎo)致地電阻率觀測值的下降變化，而位于影響系數(shù)為負(fù)的區(qū)域則會導(dǎo)致地電阻率觀測值的上升變化，這與洛陽地震臺實際觀測數(shù)據(jù)相符。因此，金屬護欄是造成洛陽地震臺地電阻率年變趨勢性改變的主要因素。

圖3 洛陽地震臺地電阻率觀測受金屬護欄干擾的有限元分析（a）NS測道地電阻率預(yù)測值與模型計算值（無干擾）；（b）EW測道地電阻率預(yù)測值與模型計算值（無干擾）；（c）NS測道地電阻率實際觀測值與模型計算值（有干擾）；（d）EW測道地電阻率實際觀測值與模型計算值（有干擾）Fig.3 Finite element analysis of metal barrier interference

4 干擾特征討論

在計算過程中發(fā)現(xiàn)，金屬護欄對觀測產(chǎn)生干擾的幅度與測區(qū)電性結(jié)構(gòu)、相對測線位置、金屬護欄自身的基本屬性等密切相關(guān)。將采用典型“H”型電性結(jié)構(gòu)參數(shù)，建立3層水平層狀均勻介質(zhì)模型（圖4）。供電極距LAB=1 000 m，測量極距LMN=300 m，供電電流為2 A，均與我國大多數(shù)地電阻率臺站一致。下面討論地電阻率測區(qū)內(nèi)位于地表的金屬導(dǎo)線在不同屬性（與測道夾角、長度、電阻率、有效橫截面積）情況下對觀測產(chǎn)生干擾的形態(tài)和幅度隨時間的變化特征。

圖4 地電阻率三維模型Fig.4 3D model of geoelectrical resistivity

4.1 不同夾角的金屬導(dǎo)線對地電阻率年變的影響

3層水平層狀介質(zhì)模型參數(shù)如圖5（a）所示，分別計算金屬導(dǎo)線位于電極MN與電極AM之間且與測道不同夾角的情況下地電阻率觀測年變情況。設(shè)置金屬導(dǎo)線長度為100 m，使其位于電極MN以及電極AM的中間，導(dǎo)線與測道間夾角如圖5（b）所示，分別為0°、30°、60°、90°，導(dǎo)線電阻率為鐵質(zhì)電阻率9.78×10-8Ω·m，導(dǎo)線有效橫截面積為0.001 m2。假設(shè)地表淺層介質(zhì)電阻率季節(jié)性變化為模型第1層介質(zhì)電阻率變化，變化范圍如圖5（c）所示。

圖5 不同夾角金屬導(dǎo)線對地電阻率觀測影響模型（a）3層水平層狀模型；（b）不同方位金屬導(dǎo)線布設(shè)模型；（c）第1層介質(zhì)電阻率隨季節(jié)的變化Fig.5 Influence model of geoelectrical resistivity observation for metal wires with different angles

當(dāng)金屬導(dǎo)線位于電極MN之間時，模型中無干擾時的計算值與金屬導(dǎo)線與測道之間不同夾角時的計算值如圖6（a）所示。此時，受干擾曲線位于無干擾曲線的下方，即金屬導(dǎo)線將引起地電阻率觀測值的下降變化。隨著金屬導(dǎo)線與測道間夾角增大，該變化量逐漸減小。當(dāng)金屬導(dǎo)線與測道垂直時，地電阻率觀測值基本不受金屬導(dǎo)線影響。當(dāng)金屬導(dǎo)線位于電極AM之間時，模型中無干擾時的計算值與金屬導(dǎo)線與測道之間不同夾角時的計算值如圖6（b）所示。此時，受干擾曲線位于無干擾曲線的上方，即金屬導(dǎo)線將引起地電阻率觀測值的上升變化。隨著金屬導(dǎo)線與測道間夾角增大，該變化量逐漸減小。當(dāng)金屬導(dǎo)線與測道垂直時，地電阻率觀測值基本不受金屬導(dǎo)線影響。

金屬導(dǎo)線與測道間夾角的不同對地電阻率年變形態(tài)的影響也不同。當(dāng)金屬導(dǎo)線位于電極MN之間時[圖6（c）]，金屬導(dǎo)線的存在對無干擾時的地電阻率年變形態(tài)具有放大作用，但隨著夾角的增大，放大作用逐漸減小，直到導(dǎo)線與測道垂直時該影響消失。而當(dāng)金屬導(dǎo)線位于電極AM之間時[圖6（d）]，金屬導(dǎo)線的存在對地電阻率年變形態(tài)有抑制作用，隨著夾角的增大，抑制作用逐漸減小，直到導(dǎo)線與測道垂直時該影響消失。

圖6 金屬導(dǎo)線夾角對地電阻率年變的影響（a）不同夾角金屬導(dǎo)線位于MN之間季節(jié)性變化；（b）不同夾角金屬導(dǎo)線位于AM之間季節(jié)性變化；（c）不同夾角金屬導(dǎo)線位于MN之間年變幅度；（d）不同夾角金屬導(dǎo)線位于AM之間年變幅度Fig.6 The influence of metal wire angles on the long-term variation of geoelectrical resistivity observation

4.2 不同長度的金屬導(dǎo)線對地電阻率年變的影響

模型中采用相同的電性結(jié)構(gòu)，金屬導(dǎo)線分別位于電極MN與電極AM之間，與測道夾角為0°，導(dǎo)線有效橫截面積為0.001 m2，導(dǎo)線電阻率為鐵質(zhì)電阻率9.78×10-8Ω·m，長度分別設(shè)置為50 m、100 m、150 m、200 m、250 m。根據(jù)模型第1層介質(zhì)電阻率變化，地電阻率年變形態(tài)計算結(jié)果如圖7所示。

由圖7可見，金屬導(dǎo)線位于電極MN之間時，導(dǎo)線長度的增加將引起地電阻率觀測值減小，此時地電阻率年變形態(tài)與正常年變一致，并且導(dǎo)線長度的增加對地電阻率年變形態(tài)具有放大作用。當(dāng)金屬導(dǎo)線位于電極AM之間時，導(dǎo)線長度的增加將引起地電阻率觀測值增大，并且對地電阻率年變形態(tài)具有抑制作用。當(dāng)抑制作用持續(xù)加強時，干擾動態(tài)變化幅度大于原有的年變幅度，此時將引起年變的反向變化，隨著導(dǎo)線長度的增加，該反向變化形態(tài)會逐漸放大。

圖7 金屬導(dǎo)線長度對地電阻率年變的影響（a）不同長度金屬導(dǎo)線位于MN之間季節(jié)性變化；（b）不同長度金屬導(dǎo)線位于AM之間季節(jié)性變化；（c）不同長度金屬導(dǎo)線位于MN之間年變幅度；（d）不同長度金屬導(dǎo)線位于AM之間年變幅度Fig.7 The influence of metal wire length on the long-term variation of geoelectrical resistivity observation

4.3 不同電阻率的金屬導(dǎo)線對地電阻率年變的影響

不同電阻率的金屬導(dǎo)線對地電阻率觀測產(chǎn)生的影響是不同的，導(dǎo)線電阻率越低，干擾幅度越大，但是否會對地電阻率年變產(chǎn)生類似影響呢？設(shè)置金屬導(dǎo)線長度為100 m，將其置于電極MN與電極AM中間，與測道夾角為0°，導(dǎo)線有效橫截面積為0.001 m2，導(dǎo)線電阻率分別為1.0×10-2Ω·m、1.0×10-4Ω·m、1.0×10-5Ω·m、1.0×10-7Ω·m。計算結(jié)果如圖8所示。

圖8 金屬導(dǎo)線電阻率對地電阻率年變的影響（a）干擾幅度隨金屬導(dǎo)線電阻率的變化；（b）不同電阻率金屬導(dǎo)線位于電極MN之間；（c）不同電阻率金屬導(dǎo)線位于電極AM之間Fig.8 The influence of metal wire resistivity on the long-term variation of geoelectrical resistivity observation

由圖8可見，當(dāng)導(dǎo)線電阻率＞1.0×10-3Ω·m時，該導(dǎo)線對地電阻率觀測數(shù)據(jù)幾乎沒有影響。隨著電阻率降低，干擾幅度快速增加，并且對地電阻率年變形態(tài)的放大或抑制作用增強。當(dāng)導(dǎo)線電阻率＜1.0×10-7Ω·m時，干擾幅度趨于穩(wěn)定并達到最大值，此時導(dǎo)線對地電阻率年變形態(tài)影響最大。

4.4 不同橫截面積的金屬導(dǎo)線對地電阻率年變的影響

金屬導(dǎo)線對地電阻率年變的干擾幅度與導(dǎo)線有效橫截面積間的關(guān)系如圖9（a）所示。由圖9（a）可見，橫截面積越大，干擾幅度越大。當(dāng)橫截面積＞1.0×10-3m2時，干擾幅度達到最大值，并趨于穩(wěn)定。同樣以圖5所示模型為例，其他參數(shù)固定不變，導(dǎo)線有效橫截面積分別設(shè)置為1.0×10-3m2、1.0×10-5m2、1.0×10-6m2、1.0×10-8m2，計算導(dǎo)線位于電極MN與電極AM之間時對地電阻率年變的影響，計算結(jié)果如圖9（b）、9（c）所示。由 圖9（b）、9（c）可見，無論導(dǎo)線位于電極MN還是電極AM之間，導(dǎo)線橫截面積的增加均會使地電阻率正常年變形態(tài)有較大的改變。橫截面積在一定的范圍內(nèi)，該作用會快速加強直至達到最大值，此時對地電阻率年變形態(tài)影響最大。

圖9 不同橫截面積金屬導(dǎo)線對地電阻率年變的影響（a）干擾幅度隨金屬導(dǎo)線橫截面積的變化；（b）不同橫截面積金屬導(dǎo)線位于電極MN之間年變曲線；（c）不同橫截面積金屬導(dǎo)線位于電極AM之間年變曲線Fig.9 The influence of metal wire cross-sectional areas on the long-term variation of geoelectrical resistivity observation

5 結(jié)論

采用三維有限元數(shù)值計算方法定量分析了洛陽地震臺測區(qū)內(nèi)金屬護欄對地電阻率觀測數(shù)據(jù)的影響，并計算了地表金屬導(dǎo)線在不同屬性情況下對觀測產(chǎn)生的影響，得到以下認(rèn)識。

（1）洛陽地震臺測區(qū)內(nèi)金屬護欄會引起NS測道地電阻率觀測值的上升變化，引起EW測道地電阻率觀測值的下降變化，對年變影響趨勢與實際觀測數(shù)據(jù)同步。低阻體干擾源所在位置不同，對實際觀測產(chǎn)生影響的變化方向和幅度也不同，這與前人結(jié)果吻合。在計算過程中還發(fā)現(xiàn)，溫度是影響洛陽地震臺地電阻率觀測數(shù)據(jù)年變的主要因素，這可為今后該臺地電阻率異常分析提供一定參考。

（2）在有限元數(shù)值計算中，初始的電性結(jié)構(gòu)模型非常關(guān)鍵。洛陽地震臺地電阻率模型計算值比實際觀測值小，原因可能是數(shù)值計算模型與測區(qū)內(nèi)實際地下電性結(jié)構(gòu)之間存在一定差異，說明應(yīng)用水平層狀模型替代實際地下電性結(jié)構(gòu)有一定的局限性，但從趨勢上對觀測數(shù)據(jù)異常進行快速判定時，該模型仍有一定的參考意義。

（3）不同參數(shù)的金屬導(dǎo)線對地電阻率年變形態(tài)的影響是不同的。導(dǎo)線與測道夾角減小、導(dǎo)線長度增加、導(dǎo)線電阻率減小及導(dǎo)線橫截面積增加等，均使導(dǎo)線對地電阻率年變形態(tài)的影響作用增強。其中，導(dǎo)線長度的變化對地電阻率年變影響最大，在影響系數(shù)為負(fù)的區(qū)域，導(dǎo)線長度增加甚至?xí)鸬仉娮杪誓曜冃螒B(tài)的反向變化。

（4）測區(qū)內(nèi)低阻體干擾源對地電阻率觀測的影響往往是具有破環(huán)性的，破壞程度取決于低阻體的自身性質(zhì)，所以在日常觀測中，應(yīng)盡量保護好地電阻率場地觀測環(huán)境，避免干擾源給數(shù)據(jù)帶來的影響，以免干擾數(shù)據(jù)與地震信息耦合在一起，影響利用地電阻率數(shù)據(jù)的地震前兆分析。