降雨對陽原地震臺地電阻率的影響

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.河北省水文勘測研究中心，河北 石家莊 050000)

0 引言

我國自1966年邢臺M7.2地震后，開始連續的定點地電阻率觀測，臺站通常布設2～3個測道，布極方式普遍采用對稱四極裝置，地表觀測電極埋設深度通常在2～3 m左右，觀測極距AB為500～2 400 m左右，地下探測深度為數百米或更深不等[1-2]。經過近50年的連續監測，在多次大地震前記錄到顯著的中短期地電阻率異常[3-9]，多以趨勢下降變化、破年變為主。

地表地電阻率具有規律的季節性變化，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性變化[10]，降雨對地電阻率的影響多為突升或突降的即時響應，還有滯后十天甚至一個月的緩慢恢復，應用褶積濾波法可較好地模擬這個過程，去除其影響[11]。陽原地震臺(以下簡稱陽原臺)地電阻率N68°W向的影響幅度遠大于N22°E向，究其原因是地層結構不均勻的影響還是與鐵軌有關，有待研究。在統計陽原臺地電阻率下降幅度和日降雨量相關性的基礎上，運用褶積濾波算法模擬降雨對地電阻率的影響過程，最后，應用有限元模型分析鐵軌在降雨后對地電阻率的影響。

1 降雨對陽原臺地電阻率的影響特征

陽原地電臺位于河北省張家口地區，處于張渤地震帶和山西地震帶的交匯區，附近主要活動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N22°E、N68°W兩個測向，使用儀器為ZD8B地電儀(2016年正式使用ZD8M地電儀)，供電、測量極距分別為1.2 km和0.2 km。

降雨時陽原臺地電阻率出現快速下降變化，NW向的下降幅度大于NE向，降雨后逐漸恢復(見第23頁圖1)。為研究降雨對陽原臺地電阻率的即時影響，取降雨前一天的日均值減去降雨結束之后一天的日均值，統計降雨量和地電阻率下降幅度的關系。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系(圖中深黑色的點)，絕大多數在一倍均方差以內。圖中黑點為2014至2017年每年春季4月份第一場雨時地電阻率下降的幅度(高于一倍均方差上限)；灰點為2014至2017年夏季連續降雨時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，地表較干燥，含水率較低，第一場雨后，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未下一場雨，地表土層的含水量相對變化較小，因此，連續降雨時，地電阻率改變較小。

圖1 陽原臺地電阻率及降雨量的觀測曲線

圖2 降雨量對陽原臺地電阻率的即時影響

2 研究方法

降雨對地電阻率的影響具有一定的即時影響和滯后效應，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;降雨量對ρs的影響函數為R(t)，對地電阻率的影響量為Δρ(t);R(t)為褶積算法的系統參數：

Δρ(t)=A0C0+A1C1+A2C2+A3C3+A4C4+A5C5

根據降雨滲透過程對地電阻率的影響研究結果，選取瞬時影響時間M為1 d，滯后影響時間N為6個月。觀測數據為2014至2018年陽原臺地電阻率日均值，給出降雨影響地電阻率變化量Δρ(t)的變化曲線。

3 研究結果

3.1 即時影響分析

結合電測深曲線實際觀測值計算水平地層電性結構參數，電性介質可視為水平層狀4層QH型結構(見第24頁圖3)。第1層為第四紀黃土層，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層為砂質灰巖層，電阻率為22 (Ω·m)，層厚330 m；其下為基巖，電阻率為500 (Ω·m)。應用電測深參數計算NE測道地下各層水平介質的影響系數，在供電極距AB/2=500 m時，各層介質對地電阻率的影響系數均為正(見第24頁圖4)。地電阻率觀測受地表淺層介質電阻率夏低冬高的季節性變動時，應表現出相同的年變。降雨后，地表形成一個飽水層，表層地電阻率下降，地電阻率也出現下降，與觀測事實相符。

圖3 陽原臺電測深曲線實測值和計算值

圖4 各層介質影響系數隨極距的變化

如第35頁圖5所示，當降雨影響厚度為20 cm時，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)，遠小于陽原臺地電阻率NE向和NW向地電阻率觀測到的下降幅度。因此，僅從水平層狀介質結構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向的觀測事實。

圖5 模擬計算陽原臺地電阻率受降雨的影響

陽原臺地電阻率觀測場地有鐵軌通過，晴天時，鐵軌下有枕木和地下絕緣，對地電阻率影響較??；下雨時，枕木濕透，鐵軌和地面聯通，可能導致地電阻率下降較大。應用穩恒電流場有限元方法建立三維物理模型，為水平層狀均勻結構，大小為6×6×4.167 km3。采用濾波器算法[12]計算圖2a所示NE向地電阻率ρa=35.25 (Ω·m)，有限元模型的計算值ρb=36.256 (Ω·m)，2003至2015年地電阻率觀測均值為ρb=36 (Ω·m)，誤差較小，計算結果與實際觀測結果相符，因此，模型及單元網格滿足計算要求。鋼軌的電阻率低，在地電阻率測線附近小范圍內出現也會產生較大的干擾。鐵介質的電阻率為9.78×10-8(Ω·m)，取橫截面積為0.01 m2。應用有限元軟件建立三維有限元模型計算鐵軌對陽原臺地電阻率的變化，鋼軌與地為接觸模式，布設方位為鐵軌的實際位置(見圖6)。

圖6 地電阻率測區模型示意圖

假設鐵軌可沿著NW測向遠離測區移動，距NW向B2點的距離越遠，對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向測區是跨鐵路的，當鐵軌離NE向A1點靠近時，對NE向地電阻率的影響增大；反之，影響越小。當鐵軌離B2點2 km以上，對兩個測道的影響都會變小，且影響量基本一致。當前鐵軌距NW向B2電極大約100 m，對NW向的影響大于NE向，這個結果跟觀測事實相符。鐵軌對NW向的影響約3.6 (Ω·m)，跟觀測數據相吻合。因此，認為陽原臺地電阻率降雨后大幅度的下降變化可能與大秦鐵路有關。

圖7 鐵軌位置對地電阻率觀測的影響

3.2 年變影響分析

地電阻率具有趨勢性和季節性變化，降雨對地電阻率的瞬時影響是1 d，滯后影響大約是半月。因此，先運用小波變換法提取地電阻率的中短期變化。地電阻率季節性年變基本是恒定的，應用小波變換對地電阻率原始觀測數據進行處理，即原始數據減去6階尺度函數數據，得到地電阻率相對變化波形數據(見圖8c)。圖9為單次降雨對陽原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曲線，灰色曲線為通過褶積濾波法計算陽原地電臺降雨對地電阻率觀測的影響，模擬結果顯示，降雨短期內會造成地電阻率觀測值的突然下降，隨著雨水的滲透和流失，觀測值出現緩慢上升，且褶積擬合的結果與實際觀測結果基本一致。圖9b為地電阻率原始觀測數據與降雨對地電阻率影響值之差，結果顯示，去掉降雨的影響后，地電阻率變化較平穩。褶積濾波法可較好地擬合降雨對地電阻率的影響過程，能有效去除干擾。

圖8 地電阻率短周期數據提取

圖9 褶積濾波法消除降雨量對地電阻率的影響

選取1985-1991年月降雨量，用褶積濾波法計算降雨對地電阻率年變和趨勢性變化的響應。第26頁圖10中，陽原NW向地電阻率、月降雨量值和降雨量對地電阻率的影響值，都存在明顯冬高夏低的年變規律，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??；1987-1988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，在晉冀蒙交界地區發生3次中強地震，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，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級和大同5.8級地震的震兆異常。

圖10 降雨量對地電阻率年變的影響

4 結論與討論

陽原臺地表地電阻率觀測易受地表干擾的影響，降雨后地電阻率出現快速下降變化，部分原因為地表形成一個飽水層，為表層的地電阻率降低導致，但未能完全解釋地電阻率的下降幅度及不同測向下降幅度不一致的問題。測區有大秦鐵路穿過，金屬管線是對地電阻率觀測干擾較為顯著的一類干擾源，降雨時地下電極與鐵軌形成通路，供電后有部分電流流向鐵軌，造成測值降低，因此，降雨后，陽原臺地電阻率大幅下降變化還與大秦鐵路有關。

降雨對地電阻率的即時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，地電阻率觀測曲線變化較平穩。陽原臺地電阻率冬高夏低的季節性年變與降雨量關系密切。運用褶積濾波法去掉降雨的影響后，更加凸顯1991年忻州5.1級和大同5.8級地震震前的地電阻率破年變異常。