甘孜地震臺地電阻率觀測數(shù)據(jù)干擾分析

王 力，曾 程，郎韻宏，王元平，趙民淵，降 城

（四川省地震局甘孜地震監(jiān)測中心站，四川 甘孜 626799）

地電阻率觀測法是觀測地球介質的電化學性質隨著時間的變化來進行預報地震的方法之一。在地震預報研究中，一般說來，與場地的觀測（如地電場、地磁場、形變場和水文場的觀測）相比，物質屬性的定點觀測（如波速、密度、電阻率和熱導率等的觀測）相對要穩(wěn)定得多。作為物質屬性之一的電阻率也可以通過直觀的形態(tài)時間序列對比來發(fā)現(xiàn)它是否發(fā)生變化。但隨著我國經(jīng)濟的飛速發(fā)展及城鎮(zhèn)化的建設，觀測環(huán)境已影響到地電阻率的正常監(jiān)測，造成從地電觀測數(shù)據(jù)中采集有用地震前兆信息的難度加大，如金屬構件的存在或者等效地改變了測區(qū)電性結構，或者等效地改變了觀測系統(tǒng)的裝置參數(shù)，使得地電阻率觀測值造成某種畸變，加之它們的影響大多并不穩(wěn)定，會導致地電阻率觀測中出現(xiàn)無法辨別或者無法定量排除的種種變化（錢家棟，2010）。本研究通過對甘孜地震臺（以下簡稱“甘孜臺”）地電阻率觀測資料中較突出的觀測環(huán)境、儀器故障、人為因素、降雨和雷電等干擾因素進行分析，有助于促進該數(shù)據(jù)在地震分析預報中的應用。

1 臺站電阻率觀測背景

甘孜臺屬于國家級基本臺站，1970年建臺，1973年遷至現(xiàn)址。臺站現(xiàn)位于甘孜縣城郊區(qū)東南方向斯俄鄉(xiāng)境內的布絨郎山下，占地面積15 750 m2；海拔3 360 m；臺站距川藏公路北線主干公路334 m；距甘孜縣縣城4.5 km。臺區(qū)范圍氣候主要受西北寒流影響，屬高山寒溫帶氣候，年降雨量少，空氣干燥，晝夜溫差大，冬季氣候寒冷，平均日溫差20℃，最低氣溫接近-30℃。甘孜臺地處北西向鮮水河斷裂帶與甘孜—玉樹斷裂帶之間的巖橋區(qū)內，臺站距南側的甘孜—玉樹斷裂帶約2.5 km。

1.1 氣象水文及地質情況

地電布極區(qū)處于甘孜縣斯俄盆地布絨朗山腳一線，靠北是布絨朗山脈，其它三個方向地勢平坦、開闊，坡降不大；觀測場設在第四系含碎石的粘土、亞粘土的高階地上的沖積物無鹽堿旱地農田上，其厚度15～40 m，下伏巖石主要為細粒石英砂巖，巖性破碎，裂隙發(fā)育，裂面上有水銹及方解薄膜，其間夾有不到一米厚的炭質板巖，70 m以下的巖石較完整；地下水豐富，埋深7～9 m可見水的流向由北西經(jīng)過測區(qū)轉向南東，屬于低阻層地段。

1.2 地層巖性及布極

鉆孔處地層以三疊系炭質板巖和變質砂巖為主，上部為厚約30 m的第四系覆蓋層，在北方向陡坎部位有變質砂巖露頭。第四系覆蓋層上部碎石土為厚約10 m，下部砂土層、卵石層厚約20 m，結構松散稍密。甘孜臺地電阻率采用非對稱“L”布設，公用公共點（B1、B2），采用N10°E、N60°W兩測線（如圖1和表1）。

圖1 地電阻率布極示意圖

表1 甘孜地震臺水平層狀電性結構

2 干擾數(shù)據(jù)分析

2.1 漏電干擾

常見的觀測裝置系統(tǒng)干擾包括儀器、外線路、電極、電源故障、外線路漏電、電極不穩(wěn)和儀器老化等情況，可造成數(shù)據(jù)畸變或者高頻波動等現(xiàn)象。其中數(shù)采故障、外線路斷線、斷電等會造成觀測系統(tǒng)儀器無法正常工作；電源供電不穩(wěn)、電極老化、外線路漏電等會使數(shù)據(jù)打破日常規(guī)律、出現(xiàn)畸變。從甘孜臺地電阻率儀器ZD8BI安裝好后，數(shù)據(jù)就出現(xiàn)了畸變，產(chǎn)生約3%的跳動（見圖2a），一直找不到原因，直到2009年9月12日才發(fā)現(xiàn)該棟建筑的流體觀測房有漏電現(xiàn)象。原來是在2005年修建綜合辦公房安裝流體觀測室房門時，膨脹螺絲蹭破插座接頭，導致整棟房屋存在漏電，2006年在安裝數(shù)字儀器時，甘孜臺沒有專門的接地地網(wǎng)，儀器的接地是安裝在建筑物（機房房屋）的地網(wǎng)上，電源的不穩(wěn)定加上漏電引起觀測數(shù)據(jù)出現(xiàn)不規(guī)則跳變，對比該時間段的體應變數(shù)據(jù)，也可以明顯看出漏電對數(shù)據(jù)造成的影響（見圖2b）。2009年9月14日取走該螺絲，包扎破損線路后，干擾問題便得到了解決了。圖2c是2009年9月17日、9月19日N10°E測道外線路破損，破損處搭在樹枝上引起漏電造成的數(shù)據(jù)畸變，產(chǎn)生了約0.36%的突跳，重新包扎并砍掉樹枝，數(shù)據(jù)變化便恢復平穩(wěn)（在±0.05%范圍內變化）。

圖2 漏電干擾

2.2 觀測環(huán)境干擾

地電測區(qū)環(huán)境條件的變化是地電觀測中較為常見的一種干擾因素，如周邊農田灌溉、場地施工、地下金屬管線布設、地鐵干擾、強電磁擾動及地球電磁場等的變化均會對地電觀測產(chǎn)生一定的影響。2010年8月1日至8月21日在測區(qū)距離N10°E測量極約20 m的地方開始修建磚廠，引起N10°E測道數(shù)據(jù)變化，主要表現(xiàn)為數(shù)據(jù)不規(guī)律頻繁跳變（如圖3a），變化率在0.85%～0.23%，難以辨別數(shù)據(jù)的真實變化形態(tài)。

2016年8月在測區(qū)內靠近N10°E的地方，工作人員開始修建圍墻，圍墻每隔10 m多就有一個鋼筋水泥柱子，最近的柱子離N10°E測道供電極A極僅2.6 m，導致雨季時地電觀測數(shù)據(jù)突然上升，上升幅度為7.35%，直至10月10日雨季結束后才又開始回落，電阻率值呈現(xiàn)方波變化。經(jīng)分析研究認為，該時間段的變化屬于測區(qū)環(huán)境和降雨共同作用的影響（見圖3b），測區(qū)周圍設施的建設改變了介質的導電結構，從而造成人工電場的分布變化，致使地電阻率觀測值發(fā)生變化。

圖3 觀測環(huán)境干擾

2.3 雷電及降雨干擾

自然環(huán)境的變化對地電阻率的干擾較為普遍，降雨、溫度、大風和降雪等變化均對地電阻率產(chǎn)生一定的影響。甘孜地電阻率的長周期變化形態(tài)主要是伴隨著降雨變化而產(chǎn)生的，也是地電年變化產(chǎn)生的主要原因。甘孜臺地處高原，雷電天氣較多，盡管臺站加強管理措施，遇強雷電時及時關閉交流電源，并在天氣特別惡劣的情況下，斷開交流電，在實際工作中受到的雷電干擾極少，但雷電對觀測數(shù)據(jù)仍然有一定的影響，主要表現(xiàn)為觀測曲線發(fā)生尖銳突跳，測值大幅度增大或減小，如圖4a所示，2011年9月27日15∶00和9月28日17∶00電阻率值因雷電干擾造成數(shù)據(jù)突跳，突跳幅度跟雷電的強弱有關。

甘孜臺每年1～3月和11～12月為少雨或無雨時節(jié)，降雨主要集中在每年的4～10月，歷年平均降雨量在653～917 mm，為附近地區(qū)的少雨中心。甘孜臺2012年1月至2016年12月及2018年1月至2019年12月的地電阻率和降雨量觀測資料如圖4b所示。表層介質電阻率隨季節(jié)變化顯著，夏季降水量較多且表層水為液態(tài)，介質電阻率相對較低，冬季降水較少且甘孜臺表層土壤處于凍結狀態(tài)，介質電阻率較高。甘孜臺兩測道地電阻率在夏季降水量增加時，淺層介質電阻率值降低時觀測值上升，而在冬季降水量減少和地表土層處于封凍，淺層介質電阻率值上升時觀測值下降，年變形態(tài)表現(xiàn)為“夏高冬低”，與我國大多數(shù)臺站地電阻率“夏低冬高”年變形態(tài)相反，同時年變幅度也較大，約為觀測值的8%（圖4b）。解滔等（2013）在分析2013年蘆山地震前甘孜臺地電阻率變化時，針對該現(xiàn)象采用表1中的層狀電性結構，計算N10°E和N60°W測道各層介質影響系數(shù)，甘孜臺兩測道在供電極距250 m時地表兩層介質對地電阻率的影響系數(shù)為負。因此在淺層介質電阻率受降雨影響季節(jié)性變化時，甘孜臺的地電阻率數(shù)據(jù)表現(xiàn)出與之相反的年變化。同時兩測道地表兩層介質的影響系數(shù)也顯著大于其他臺站，表層介質相對變化量對地電阻率變化的貢獻較大，因而甘孜臺地電阻率的年變化幅度較大（劉川琴等，2017）。

圖4 甘孜臺雷電及雨季干擾曲線

2.4 人為干擾

甘孜臺因地理位置特殊，雷電強度大、頻率高。為防止儀器遭雷擊，在雷雨天有時會采取斷電，關閉儀器的做法，引起數(shù)據(jù)缺記。另外，偶爾會因為觀測人員操作不當出現(xiàn)干擾數(shù)據(jù)，如圖5是2009年8月19日儀器遭雷擊損壞，取回修好重新安裝后，N10°E和N60°W兩測道地電阻率值均出現(xiàn)數(shù)據(jù)減小現(xiàn)象，N10°E測道電阻率值較原始數(shù)據(jù)減小76.05%、N60°W測道電阻率值較原始數(shù)據(jù)減小28.6%，在查看相關儀器說明書后，發(fā)現(xiàn)儀器正常運行時裝置系統(tǒng)穩(wěn)定儀的開關應該置于“關”，而在8月19日安裝好儀器后該開關置于“手動斷線”，于9月15日發(fā)現(xiàn)問題后，并將開關置于“關”上后，數(shù)據(jù)恢復正常。

圖5 裝置系統(tǒng)設置錯誤干擾

2.5 其它不明原因干擾

原N10°E測道測量極距為120 m，2011年8月17日因317國道擴建，原測量電極位置被覆蓋，兩新測量電極位置各自向供電電極方向移動10 m，移動后測量極距為140 m。以表1中N10°E測道電性結構，采用二極裝置濾波器算法計算N10°E測道在測量電極移動前后地電阻率變化，計算結果為：測量電極移動前的地電阻率為66.34Ω·m，測量電極移動后的地電阻率為70.38Ω·m，比移動前出現(xiàn)了4.04Ω·m的階躍上升變化（如圖6）。

圖6 甘孜臺N10°E測道測量極遷移前后曲線圖

3 結論

地電阻率觀測歷史悠久，目前已有很多專家學者對地電阻率的干擾因素進行了詳細分析，但各臺站場地和環(huán)境的差異，使得地電干擾特征表現(xiàn)不同，結合甘孜臺2009年以來的地電儀器運行情況及觀測資料分析，甘孜臺地電觀測系統(tǒng)存在的干擾主要有以下五種：漏電、觀測環(huán)境、雷電及降雨、人為因素和其他不明原因干擾。通過對甘孜地震臺地電阻率的各種干擾分析與整理，明確了臺站干擾分析的因素，為今后的觀測數(shù)據(jù)分析及排除干擾奠定基礎。