解 滔 盧 軍

(中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心， 北京 100045)

地表固定干擾源影響下地電阻率觀測(cè)隨時(shí)間變化特征分析

解 滔 盧 軍

(中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心， 北京 100045)

在水平層狀介質(zhì)模型下，采用有限元數(shù)值計(jì)算方法建立三維模型，分析了地電阻率測(cè)區(qū)中位于地表的金屬導(dǎo)線和局部電性異常體對(duì)觀測(cè)產(chǎn)生的干擾形態(tài)和幅度隨時(shí)間的變化特征。 分析結(jié)果顯示： 1)低阻干擾源位于影響系數(shù)為正的區(qū)域時(shí)， 將引起地電阻率觀測(cè)值的下降變化， 位于影響系數(shù)為負(fù)的區(qū)域時(shí)， 將引起觀測(cè)值的上升變化， 高阻干擾源對(duì)觀測(cè)的影響與之相反； 2)地表干擾源影響的動(dòng)態(tài)特征表現(xiàn)為，在淺層介質(zhì)電阻率較低時(shí)對(duì)觀測(cè)的干擾幅度要大于淺層介質(zhì)電阻率較高時(shí)； 3)對(duì)于正常年變的測(cè)道， 低阻干擾源位于影響系數(shù)為正的區(qū)域時(shí)引起年變幅度增大， 位于影響系數(shù)為負(fù)的區(qū)域時(shí)引起年變幅度減小， 高阻干擾源對(duì)年變形態(tài)的影響與之相反； 對(duì)于反常年變的測(cè)道， 干擾源對(duì)年變形態(tài)的影響則與對(duì)正常年變測(cè)道的影響相反； 4)金屬導(dǎo)線對(duì)觀測(cè)的干擾幅度受自身電阻率和橫截面積影響： 電阻率越低干擾幅度越大； 有效橫截面積越大干擾幅度越大。

地震 地電阻率 干擾 動(dòng)態(tài)特征 電性異常體 金屬導(dǎo)線

0 引言

中國(guó)地電阻率(據(jù)中國(guó)地震局監(jiān)測(cè)規(guī)范， 服務(wù)于地震監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)的視電阻率觀測(cè)稱之為地電阻率)連續(xù)觀測(cè)始于1966年河北邢臺(tái)MS7.2地震， 目前共有80余個(gè)臺(tái)站在中國(guó)主要活動(dòng)斷裂帶和人口密集的大中城市附近的地震活動(dòng)區(qū)擔(dān)負(fù)著常規(guī)的地震監(jiān)測(cè)任務(wù)。 在近50a的連續(xù)監(jiān)測(cè)中記錄到了發(fā)生在臺(tái)網(wǎng)內(nèi)中強(qiáng)地震前(如1976年唐山MS7.8、 松潘-平武MS7.2、 1998年張北MS6.2、 2003年大姚MS6.2、 民樂(lè)-山丹MS6.1和2008年汶川MS8.0地震等)突出的異常變化(錢復(fù)業(yè)等， 1982， 1990； 桂燮泰等， 1989； 錢家棟等， 1998； 高立新等， 1999； Luetal.， 1999； 張學(xué)民等， 2009； 杜學(xué)彬， 2010)。目前多數(shù)臺(tái)站受到不同程度的干擾， 部分臺(tái)站已經(jīng)失去了地震監(jiān)測(cè)效能， 測(cè)區(qū)日益嚴(yán)重的干擾給資料分析帶來(lái)了困難。 為改變現(xiàn)狀可從2方面入手： 一方面是遷建受干擾臺(tái)站和發(fā)展具有抗干擾能力的觀測(cè)方式， 在十二五 “背景場(chǎng)臺(tái)站建設(shè)”的支持下已新建了海原、 瑪曲等10余個(gè)臺(tái)站， 并對(duì)部分受干擾臺(tái)站進(jìn)行了改造。 為抑制來(lái)自地表的干擾， 從20世紀(jì)80年代開(kāi)始陸續(xù)開(kāi)展了井下地電阻率實(shí)驗(yàn)觀測(cè)和理論研究(王邦本等， 1981； 蘇鸞聲等， 1982； 劉允秀等， 1985； 劉昌謀等， 1994； 田山等， 2009； 聶永安等， 2009， 2010； 解滔等， 2012a， b； 康云生等， 2013)， 目前已有8個(gè)井下地電阻率臺(tái)站在進(jìn)行連續(xù)的觀測(cè)。 新建和改造后的臺(tái)站需要積累一定時(shí)間長(zhǎng)度的觀測(cè)資料才能用于地震監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)， 且全部遷/改建受干擾臺(tái)站不可能一蹴而就。 因此，另一方面也需要立足于現(xiàn)狀， 深入分析干擾源對(duì)觀測(cè)產(chǎn)生的干擾形態(tài)和幅度， 進(jìn)而從受干擾資料中排除干擾并提取對(duì)地震監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)有用的信息。 在觀測(cè)系統(tǒng)正常穩(wěn)定的情況下， 干擾源可歸結(jié)為2類： 一類具有電流源性質(zhì)， 如工農(nóng)業(yè)漏電； 另一類為影響電性結(jié)構(gòu)改變的干擾源， 如測(cè)區(qū)金屬導(dǎo)線和局部電性異常體。 漏電干擾形態(tài)和幅度主要受電流性質(zhì)和漏電點(diǎn)與觀測(cè)裝置的相對(duì)位置控制(金安忠等， 1990)。金屬導(dǎo)線產(chǎn)生的干擾與其長(zhǎng)度、 方位和位置密切相關(guān)： 平行于測(cè)線鋪設(shè)的金屬導(dǎo)線影響最為顯著， 斜交或垂直鋪設(shè)則影響相對(duì)不顯著(汪志亮等， 2002)。局部電性異常體對(duì)觀測(cè)的影響與干擾源相對(duì)于觀測(cè)裝置的位置有關(guān)， 干擾性質(zhì)受地電阻率三維影響系數(shù)分布控制。 在淺層介質(zhì)影響系數(shù)為正的區(qū)域， 高阻異常體將引起觀測(cè)值上升變化， 低阻異常體則引起觀測(cè)值下降變化， 而在影響系數(shù)為負(fù)的區(qū)域， 情況則相反； 金屬導(dǎo)線作為特殊的電性異常體也服從這種規(guī)律(Luetal.， 2004； 解滔等， 2015)。針對(duì)臺(tái)站具體的干擾源， 有限元數(shù)值分析方法已經(jīng)應(yīng)用于干擾幅度的定量分析(解滔等， 2013a，b)。大多數(shù)干擾源的出現(xiàn)在短時(shí)間內(nèi)完成， 在觀測(cè)資料上通常產(chǎn)生短時(shí)間的階躍變化， 以上分析關(guān)注了干擾源對(duì)地電阻率觀測(cè)的短期靜態(tài)干擾特征。 在干擾源固定不再變化之后， 隨著觀測(cè)的連續(xù)進(jìn)行， 地電阻率受干擾的幅度和形態(tài)是否還會(huì)發(fā)生變化？實(shí)際觀測(cè)中有些臺(tái)站在干擾源出現(xiàn)時(shí)觀測(cè)值變化不明顯， 一段時(shí)間后則出現(xiàn)連續(xù)大幅度的加速上升或下降變化， 而這類變化與地電阻率前兆異常形態(tài)較為類似， 容易被誤當(dāng)成異常處理。 由此可見(jiàn)， 干擾源對(duì)觀測(cè)的影響一方面表現(xiàn)為短期階躍性的靜態(tài)干擾， 另一方面則表現(xiàn)出與測(cè)區(qū)介質(zhì)有關(guān)的動(dòng)態(tài)變化特征。 本文擬在水平層狀均勻介質(zhì)模型下采用有限元數(shù)值分析方法建立三維模型， 討論地電阻率測(cè)區(qū)中位于地表的金屬導(dǎo)線和局部電性異常體干擾源固定時(shí)對(duì)觀測(cè)產(chǎn)生的干擾形態(tài)和幅度隨時(shí)間的變化特征。

圖1 對(duì)稱四極觀測(cè)裝置示意圖Fig. 1 Diagrammatic graph of Schlumberger arrays.

1 分析方法

中國(guó)定點(diǎn)地電阻率臺(tái)站觀測(cè)采用對(duì)稱四極觀測(cè)裝置， 地表觀測(cè)時(shí)供電電極和測(cè)量電極埋深一般為地下1.5～2m， 供電極距AB=600～2,400m， 多數(shù)臺(tái)站AB=1,000m左右。 1個(gè)臺(tái)站一般布設(shè)2條相互垂直的測(cè)道或2條相互垂直加1條斜測(cè)道共3個(gè)測(cè)道，圖1 為觀測(cè)裝置示意圖。1h進(jìn)行1次觀測(cè)， 觀測(cè)時(shí)不同測(cè)道分開(kāi)測(cè)量， 分別在供電電極A、 B輸入直流電流， 在測(cè)量電極M、 N測(cè)量電勢(shì)差。 1個(gè)測(cè)道每單次觀測(cè)通常5次供電，并測(cè)量每次供電產(chǎn)生的電勢(shì)差， 取其均值作為最終每單次觀測(cè)的電勢(shì)差， 進(jìn)而依據(jù)裝置系數(shù)和供電電流計(jì)算出地電阻率。

直流地電阻率觀測(cè)可視為穩(wěn)恒電流場(chǎng)問(wèn)題， 電流場(chǎng)遵守Maxwell方程組和電荷守恒定律， 電位分布滿足Possion方程：

(1)

式(1)中，V是由電流源I產(chǎn)生的電位，σ是介質(zhì)電導(dǎo)率，δ(x，y，z)是Diracdelta函數(shù)。

有限介質(zhì)空間的全部邊界為Γ， 一部分邊界沒(méi)有電流流出(如地表)， 滿足Neumann邊界條件， 記為ΓΦ， 其余邊界記為Γν， 滿足Dirichlet邊界條件。 因此式(1)滿足邊界條件：

(2)

應(yīng)用虛功原理可得到穩(wěn)恒電流場(chǎng)Possion方程的有限元弱解形式：

(3)

式(3)中，Ω為計(jì)算區(qū)域，φ為任意的虛位移函數(shù)， 在滿足Dirichlet邊界條件的邊界上， 虛位移函數(shù)φ=0， 將邊界條件(2)代入式(3)可得：

(4)

由于電位V在電流源處存在奇異性， 數(shù)值求解式(4)時(shí)，在電流源附近得到的結(jié)果誤差較大。 常用的去除奇異性的方法是將電流源產(chǎn)生的電位分解為由供電電流在均勻半空間介質(zhì)(σp)中產(chǎn)生的一次場(chǎng)電位Vp和非均勻介質(zhì)(σs)引起的2次場(chǎng)電位Vs， 且滿足V=Vp+Vs和σs=σ-σp。一次場(chǎng)電位Vp可以通過(guò)解析表達(dá)式得到， 2次場(chǎng)電位Vs通過(guò)單元離散化后的數(shù)值計(jì)算得到(Lowryetal.， 1989； Zhaoetal.， 1996)。

地電阻率觀測(cè)在地表自然地滿足Neumann邊界條件， 在水平方向和垂直方向(深度)可視為無(wú)窮遠(yuǎn)邊界， 可以施加Dirichlet邊界條件(V=0)， 也可以施加Neumann邊界條件(Coggon， 1971)。但是，建立的模型在水平和垂直方向上的尺度不可能是無(wú)限的， 對(duì)于一固定尺寸的模型， 在供電極距AB大于一定的值后， 對(duì)無(wú)窮遠(yuǎn)邊界施加Dirichlet邊界條件時(shí)，計(jì)算得到的地電阻率值將小于實(shí)際值， 而對(duì)無(wú)窮遠(yuǎn)邊界施加Neumann邊界條件時(shí)， 計(jì)算得到的地電阻率值將大于實(shí)際值(Deyetal.， 1979；Lietal.， 2005)。對(duì)于固定的供電極距AB， 模型尺寸越大， 邊界效應(yīng)對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響就越小， 但是模型越大， 計(jì)算量也就越大， 因此需要合理地選擇模型水平方向的尺寸和最底層厚度。 對(duì)于對(duì)稱四極觀測(cè)裝置， 模型水平尺寸>6倍AB、 模型厚度>2倍AB時(shí)，邊界效應(yīng)對(duì)計(jì)算的影響已低于儀器的觀測(cè)精度(解滔等， 2014)。為驗(yàn)證模型計(jì)算結(jié)果的可靠性， 采用圖2a中的3層水平層狀介質(zhì)模型， 將模型計(jì)算結(jié)果和由濾波器算法(O’Neilletal.， 1984；姚文斌， 1989)計(jì)算的解析解進(jìn)行對(duì)比， 結(jié)果示于圖2b， 由圖可見(jiàn)二者十分吻合。

圖2 3層水平層狀介質(zhì)模型(a)與模型數(shù)值計(jì)算結(jié)果和解析解地電阻率曲線(b)Fig. 2 Model of horizontally homogeneous 3-layer medium(a); The numerical results of FE model (circles) and theoretical ones(black line)(b).

2 干擾特征數(shù)值分析

地電阻率觀測(cè)干擾源大體可分為觀測(cè)系統(tǒng)故障(儀器、 外線路和電極)、 測(cè)區(qū)中工農(nóng)業(yè)漏電和因環(huán)境變化出現(xiàn)的電性異常體， 這里僅討論電性異常體干擾的動(dòng)態(tài)特征。 由于工農(nóng)業(yè)和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)， 測(cè)區(qū)中出現(xiàn)土坑開(kāi)挖、 水泥路鋪設(shè)、 水塘交替蓄水和房屋地基建設(shè)等使得這部分介質(zhì)電阻率與淺層電阻率出現(xiàn)顯著差異， 稱之為地表局部電性異常體。 測(cè)區(qū)中的金屬蔬菜大棚、 地埋金屬管和鐵絲網(wǎng)等金屬導(dǎo)線也屬于局部電性異常體范圍， 但由于其對(duì)觀測(cè)的影響非常突出和自身的特殊性， 將金屬導(dǎo)線單獨(dú)作為一類予以討論。 一般而言， 地表淺層介質(zhì)電阻率受季節(jié)性降雨和溫度變化的影響表現(xiàn)出同步變化， 中深部介質(zhì)由于溫度和含水率季節(jié)性變化較小， 因而電阻率也相對(duì)穩(wěn)定。 據(jù)地電阻率影響系數(shù)理論， 地電阻率觀測(cè)值的相對(duì)變化可表示為各區(qū)域介質(zhì)電阻率相對(duì)變化量的加權(quán)和， 其中各區(qū)域的權(quán)系數(shù)稱之為影響系數(shù)。 在地表觀測(cè)時(shí)， 對(duì)不同的電性結(jié)構(gòu)， 中深部介質(zhì)的影響系數(shù)為正， 而淺層介質(zhì)影響系數(shù)因電性結(jié)構(gòu)不同出現(xiàn)正和負(fù)(錢家棟等， 1988)。中國(guó)多數(shù)臺(tái)站供電極距AB為1,000m左右， 測(cè)區(qū)內(nèi)降雨和溫度變化可視為均勻， 淺層介質(zhì)可簡(jiǎn)化為1層， 其電阻率出現(xiàn)整體性的季節(jié)性變化。 在淺層影響系數(shù)為正的臺(tái)站， 地電阻率觀測(cè)值出現(xiàn) “夏低冬高”型正常年變， 而淺層影響系數(shù)為負(fù)的臺(tái)站則記錄到 “夏高冬低”型反常年變(Luetal.， 2004)。由此可見(jiàn)， 淺層介質(zhì)對(duì)地電阻率觀測(cè)的影響由其影響系數(shù)決定， 測(cè)區(qū)中的干擾源一般出現(xiàn)在地表淺層介質(zhì)中， 在不考慮構(gòu)造應(yīng)力的影響時(shí)， 中深部介質(zhì)電阻率在這里的分析中可視為不變， 干擾源對(duì)觀測(cè)的影響由干擾源自身屬性、 相對(duì)觀測(cè)裝置的位置和淺層介質(zhì)電阻率變化來(lái)確定。 對(duì)于不同的電性結(jié)構(gòu)， 相對(duì)位置和屬性相同的干擾源產(chǎn)生的干擾幅度不同， 但是這里僅考慮淺層介質(zhì)影響系數(shù)為正和為負(fù)2種情況， 對(duì)于每一種情況， 干擾形態(tài)的動(dòng)態(tài)變化特征對(duì)于不同的電性結(jié)構(gòu)是相似的。 不失一般性， 在分析干擾形態(tài)動(dòng)態(tài)變化特征時(shí)， 仍然采用3層水平層狀模型， 第2層和第3層介質(zhì)電阻率保持不變， 以第1層介質(zhì)電阻率由夏低到冬高這一變化過(guò)程來(lái)模擬測(cè)區(qū)淺層介質(zhì)電阻率的季節(jié)性變化， 每月計(jì)算1次， 一共計(jì)算2a。

圖3 金屬導(dǎo)線對(duì)正常年變臺(tái)站的影響Fig. 3 The disturbance caused by metallic conductor at stations with normal annual changes.a 3層水平層狀模型， 金屬導(dǎo)線分別位于電極M、N之間， A、M之間； b 第1層介質(zhì)電阻率季節(jié)性變化； c 模型正常和受干擾計(jì)算值； d 干擾幅度季節(jié)性變化； e 模型正常年變和受干擾年變曲線； “導(dǎo)線-AM”指導(dǎo)線干擾 源位于電極A、M之間， 其他圖例以此類推

2.1 金屬導(dǎo)線

首先討論金屬導(dǎo)線對(duì)正常年變類型地電阻率觀測(cè)干擾的動(dòng)態(tài)變化特征。3層水平層狀介質(zhì)如圖3a所示， 對(duì)稱四極觀測(cè)裝置AB=1,000m，MN=300m， 分別計(jì)算金屬導(dǎo)線位于測(cè)量電極M、N之間、 供電電極A和測(cè)量電極M之間(圖3a)2種情況下對(duì)觀測(cè)的影響。 金屬導(dǎo)線長(zhǎng)度為100m， 采用鐵介質(zhì)電阻率為9.78×10-8Ω·m， 有效橫截面積1×10-4m2， 放置位置與測(cè)線走向重合。 金屬導(dǎo)線位于M、N之間時(shí)， 兩端距M、 N距離相同； 位于A、M之間時(shí)， 金屬導(dǎo)線靠近測(cè)量電極M的端點(diǎn)， 與M的距離為30m。模型表層介質(zhì)電阻率變化如圖3b所示， 模型無(wú)干擾時(shí)的計(jì)算值和有干擾時(shí)的計(jì)算值示于圖3c。金屬導(dǎo)線放置在測(cè)量電極之間時(shí)的計(jì)算值曲線位于未受干擾曲線下方， 說(shuō)明此時(shí)金屬導(dǎo)線將引起觀測(cè)值的下降變化； 金屬導(dǎo)線位于供電電極和測(cè)量電極之間時(shí)的計(jì)算值曲線位于未受干擾曲線上方， 說(shuō)明此時(shí)金屬導(dǎo)線將引起觀測(cè)值的上升變化。 干擾幅度隨表層介質(zhì)電阻率季節(jié)性變化的計(jì)算值示于圖3d， 可以看出在金屬導(dǎo)線屬性和位置固定不變的情況下， 干擾幅度仍然受介質(zhì)電阻率變化的影響， 在表層介質(zhì)電阻率低時(shí)， 干擾幅度大(干擾幅度指干擾變化絕對(duì)值)， 在表層介質(zhì)電阻率高時(shí)， 干擾幅度小。 未受干擾和受干擾后的年變曲線示于圖3e(圖中年變曲線為地電阻率計(jì)算值曲線減去各自曲線第1個(gè)計(jì)算值后的結(jié)果)。從圖中可以看出： 金屬導(dǎo)線位于測(cè)量電極之間時(shí)年變幅度要大于未受干擾時(shí)的年變幅度， 說(shuō)明這種情況下金屬導(dǎo)線對(duì)年變幅度具有放大作用； 位于供電電極和測(cè)量電極之間時(shí)年變幅度要小于未受干擾時(shí)的年變幅度， 說(shuō)明這種情況下金屬導(dǎo)線對(duì)年變幅度具有減小作用， 如果干擾動(dòng)態(tài)變化幅度大于原有年變幅度， 則將引起年變反向變化。

圖4 金屬導(dǎo)線對(duì)反常年變臺(tái)站的影響Fig. 4 The disturbance caused by metallic conductor at stations with reverse annual changes.a 3層水平層狀模型， 金屬導(dǎo)線分別位于電極M、N之間， A、M之間； b 第1層介質(zhì)電阻率季節(jié)性變化； c 模型正常和受干擾計(jì)算值； d 干擾幅度季節(jié)性變化； e 模型正常年變和受干擾年變曲線

現(xiàn)在討論金屬導(dǎo)線對(duì)反常年變類型地電阻率觀測(cè)干擾的動(dòng)態(tài)變化特征。3層水平層狀介質(zhì)如圖4a所示， 觀測(cè)極距、 金屬導(dǎo)線屬性和相對(duì)觀測(cè)裝置的位置與圖3a相同， 分別分析金屬導(dǎo)線位于MN之間、 AM之間(圖4a)2種情況下對(duì)觀測(cè)的影響。 模型第1層介質(zhì)變化如圖4b所示， 受干擾和未受干擾時(shí)的計(jì)算值示于圖4c。從圖中可以看出： 金屬導(dǎo)線位于2測(cè)量電極之間時(shí)將引起觀測(cè)值下降變化， 位于供電電極和測(cè)量電極之間時(shí)引起觀測(cè)值上升變化； 未受干擾時(shí)， 地電阻率年變化形態(tài)和表層電阻率變化相反， 原因是在這類電性結(jié)構(gòu)下表層介質(zhì)對(duì)地電阻率的影響系數(shù)為負(fù)(錢家棟等， 1988； Luetal.， 1999)。干擾幅度隨表層介質(zhì)電阻率季節(jié)性變化的計(jì)算值示于圖4d， 與正常年變類型觀測(cè)時(shí)相同， 在表層介質(zhì)電阻率低時(shí)， 干擾幅度大， 在表層介質(zhì)電阻率高時(shí)， 干擾幅度小。 未受干擾和受干擾后的年變形態(tài)示于圖4e， 干擾動(dòng)態(tài)變化對(duì)年變的影響與正常年變臺(tái)站相反， 金屬導(dǎo)線位于供電電極和測(cè)量電極之間時(shí)對(duì)年變幅度具有放大作用； 位于2測(cè)量電極之間時(shí)， 年變幅度要小于未受干擾時(shí)的年變幅度， 說(shuō)明這種情況下金屬導(dǎo)線對(duì)年變幅度具有減小作用， 如果干擾動(dòng)態(tài)變化幅度大于原有年變幅度， 則將引起年變反向變化。

金屬導(dǎo)線由于其電阻率非常低， 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。 金屬導(dǎo)線對(duì)觀測(cè)的影響與其電阻率和橫截面積有關(guān)， 分析中采用圖3a中的電性剖面和觀測(cè)裝置， 金屬導(dǎo)線位于2測(cè)量電極之間。 有效橫截面積固定為1×10-4m2， 干擾幅度隨導(dǎo)線電阻率的變化示于圖5a。 總體而言導(dǎo)線電阻率越低， 干擾幅度越大， 反之亦然。 導(dǎo)線電阻率約>1×10-4Ω·m時(shí)對(duì)觀測(cè)幾乎沒(méi)有影響， <1×10-4Ω·m后干擾幅度急劇增加。 固定導(dǎo)線電阻率為9.78×10-8Ω·m， 干擾幅度隨導(dǎo)線有效橫截面積的變化示于圖5b， 橫截面積越大， 干擾幅度越大， 在橫截面積約>1×10-3m2后干擾幅度趨于穩(wěn)定； <1×10-3m2后干擾幅度迅速減小， 隨后有趨于0的跡象。 盡管金屬導(dǎo)線電阻率非常低， 但橫截面積小且有一定的長(zhǎng)度， 因而也有一定的電阻值。 金屬導(dǎo)線并非等勢(shì)體， 在電阻率降低和橫截面積增加使導(dǎo)線電阻減小到可忽略的程度，進(jìn)而導(dǎo)線可視為等勢(shì)體的過(guò)程中， 干擾幅度增加并趨于穩(wěn)定； 反之在電阻率升高和橫截面積減小使導(dǎo)線電阻增加過(guò)程中， 干擾幅度減小至0。

圖5 干擾幅度隨金屬導(dǎo)線電阻率的變化(a)與隨金屬導(dǎo)線橫截面積的變化(b)Fig. 5 a Disturbance amplitude variations versus resistivity of metallic conductor; b Disturbance amplitude variations versus cross-sectional area of metallic conductor.

圖6 地表電性異常體對(duì)正常年變臺(tái)站的影響Fig. 6 The disturbance caused by electric anomaly body at stations with normal annual changes.a 3層水平層狀模型， 異常體分別位于電極M、N之間， A、M之間； b 第1層介質(zhì)電阻率的季節(jié)性變化； c 模型正常和受干擾計(jì)算值； d 干擾幅度的季節(jié)性變化； e 模型正常年變和受干擾年變曲線

2.2 局部電性異常體

首先討論電性異常體對(duì)正常年變類型地電阻率觀測(cè)干擾的動(dòng)態(tài)變化特征， 這里討論的低(高)阻體是指電阻率顯著低(高)于淺層介質(zhì)電阻率季節(jié)性變化最低(高)值的地表局部區(qū)域。 模型電性剖面如圖6a所示， 對(duì)稱四極裝置AB=600m，MN=120m， 異常體尺寸為30m×30m×5m， 低阻體電阻率為2Ω·m， 高阻體電阻率為105Ω·m。異常體位于測(cè)量電極M、N之間時(shí)， 兩端與M、 N之間的距離相同； 位于供電電極和測(cè)量電極A、M之間時(shí)， 異常體靠近M的邊與M的距離為30m。表層介質(zhì)電阻率變化如圖6b所示， 模型有異常體干擾和無(wú)干擾計(jì)算值示于圖6c。從圖中可以看出： 低阻體位于A、M之間時(shí)， 引起觀測(cè)值上升變化， 位于M、N之間時(shí)， 引起觀測(cè)值下降變化； 高阻體位于A、M之間時(shí)， 引起觀測(cè)值下降變化， 位于M、N之間時(shí)， 引起觀測(cè)值上升變化。 干擾幅度隨表層介質(zhì)電阻率季節(jié)性變化的計(jì)算值示于圖6d， 表層介質(zhì)電阻率低時(shí)， 干擾幅度大； 表層介質(zhì)電阻率高時(shí)， 干擾幅度小。 未受干擾和受干擾后的年變形態(tài)示于圖6e， 低阻體位于A、M之間時(shí)對(duì)年變幅度具有減小作用， 位于M、N之間時(shí)對(duì)年變幅度具有放大作用； 高阻體位于A、M之間時(shí)對(duì)年變幅度具有放大作用， 位于M、N之間時(shí)對(duì)年變幅度具有減小作用。 由此可見(jiàn)， 低阻體產(chǎn)生的干擾動(dòng)態(tài)變化對(duì)年變化的影響與高阻體相反。

圖7 地表電性異常體對(duì)反常年變臺(tái)站的影響Fig. 7 The disturbance caused by electric anomaly body at stations with reverse annual changes.a 3層水平層狀模型， 異常體分別位于電極M、N之間， A、M之間； b 第1層介質(zhì)電阻率的季節(jié)性變化； c 模型正常和受干擾計(jì)算值； d 干擾幅度的季節(jié)性變化； e 模型正常和受干擾年變曲線

現(xiàn)在再討論電性異常體對(duì)反常年變類型地電阻率觀測(cè)干擾的動(dòng)態(tài)變化特征。 模型電性剖面如圖7a所示， 觀測(cè)極距、 異常體屬性和相對(duì)觀測(cè)裝置的位置與圖6a相同。 表層介質(zhì)電阻率變化如圖7b所示， 模型有異常體干擾和無(wú)干擾計(jì)算值示于圖7c。從圖中可以看出： 靜態(tài)干擾特征與正常年變臺(tái)站相同， 低阻體位于A、M之間時(shí)， 引起觀測(cè)值上升變化， 位于M、N之間時(shí)， 引起觀測(cè)值下降變化； 高阻體位于A、M之間時(shí)， 引起觀測(cè)值下降變化， 位于M、N之間時(shí)， 引起觀測(cè)值上升變化。 干擾幅度隨表層介質(zhì)電阻率季節(jié)性變化的計(jì)算值示于圖7d， 與正常年變類型觀測(cè)時(shí)相同， 表層介質(zhì)電阻率低時(shí)， 干擾幅度大； 表層介質(zhì)電阻率高時(shí)， 干擾幅度小。 未受干擾和受干擾后的年變形態(tài)示于圖7e， 干擾動(dòng)態(tài)變化對(duì)年變的影響與正常年變臺(tái)站相反， 低阻體位于A、M之間時(shí)對(duì)年變幅度具有放大作用， 位于M、N之間時(shí)對(duì)年變幅度具有減小作用； 高阻體位于A、M之間時(shí)對(duì)年變幅度具有減小作用， 位于M、N之間時(shí)對(duì)年變幅度具有放大作用。 由此也可以看出， 低阻體產(chǎn)生的干擾動(dòng)態(tài)變化對(duì)年變化的影響與高阻體相反。

地表電性異常體和金屬導(dǎo)線對(duì)觀測(cè)的靜態(tài)干擾與三維影響系數(shù)在地表分布一致， 測(cè)量電極M、N之間和供電電極A和B之外為影響系數(shù)為正的區(qū)域， 該區(qū)域淺層介質(zhì)電阻率升高引起地電阻率觀測(cè)值的上升， 介質(zhì)電阻率減小則引起觀測(cè)值降低； 在供電電極和測(cè)量電極之間(A、M之間和B、N之間)存在影響系數(shù)為負(fù)的區(qū)域， 該區(qū)域介質(zhì)電阻率的上升變化將引起地電阻率下降變化， 而介質(zhì)電阻率的下降變化則將引起地電阻率觀測(cè)值上升變化(Luetal.， 2004； 解滔等， 2015)。從以上不同位置和類型干擾源的分析可以看出， 地表固定干擾源產(chǎn)生的干擾幅度的動(dòng)態(tài)變化特征是相同的； 即在表層介質(zhì)電阻率低時(shí)， 干擾幅度大， 表層介質(zhì)電阻率高時(shí)， 干擾幅度小。 這一相同的動(dòng)態(tài)特征因干擾源位置、 電學(xué)屬性和電性結(jié)構(gòu)的不同而對(duì)地電阻率觀測(cè)產(chǎn)生不同的動(dòng)態(tài)干擾變化。

3 實(shí)例分析

近些年隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展， 許多臺(tái)站測(cè)區(qū)地表觀測(cè)環(huán)境受到不同程度的破壞和干擾， 有些臺(tái)站在干擾源出現(xiàn)時(shí)觀測(cè)值變化很小， 數(shù)月后觀測(cè)值出現(xiàn)大幅度變化， 導(dǎo)致干擾源出現(xiàn)和觀測(cè)資料異常變化在時(shí)間上不一致， 給前兆異常分析和震情研判帶來(lái)困難。 地表固定干擾源對(duì)地電阻率觀測(cè)產(chǎn)生的干擾的動(dòng)態(tài)變化分析進(jìn)一步揭示了觀測(cè)資料在干擾源作用下的變化特征， 為資料變化性質(zhì)的判定提供了依據(jù)， 并為下一步的實(shí)驗(yàn)或模型數(shù)值分析提供參考。 文中以內(nèi)蒙古寶昌和赤峰臺(tái)地電阻率受干擾情況為例，說(shuō)明地電阻率固定干擾源干擾動(dòng)態(tài)變化特征在異常分析中的應(yīng)用。

3.1 寶昌臺(tái)

圖8 寶昌臺(tái)布極圖(a)與地電阻率數(shù)據(jù)(b)Fig. 8 Schlumberger arrays of Baochang station(a); Apparent resistivity data of Baochang station(b).

寶昌臺(tái)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)錫林郭勒盟寶昌鎮(zhèn)， 于1979年完成建設(shè)并正式投入使用。 地電阻率觀測(cè)布設(shè)SN和EW 2測(cè)道， 采用對(duì)稱四極裝置觀測(cè)， 供電極距AB均為580m， 測(cè)量電極極距MN均為80m， 其中2測(cè)道共用供電電極B， 布極方式與各電極分布情況如圖8a所示。

2009年11月中國(guó)移動(dòng)公司開(kāi)始在測(cè)區(qū)開(kāi)挖溝渠并埋設(shè)光纜和鋼纜， 鋼纜距共用供電電極B僅8m， 施工結(jié)束后EW向地電阻率下降3.2Ω·m， SN 向則下降1.66Ω·m。隨后約1個(gè)月觀測(cè)值恢復(fù)正常， 干擾消失。 但2010年3月至4月2測(cè)道地電阻率出現(xiàn)快速下降， 至5月上旬快速下降狀態(tài)停止， 又出現(xiàn)了較為規(guī)則的年變化。 從2010年11月開(kāi)始觀測(cè)值又加速上升， 又恢復(fù)到正常狀態(tài)的年變趨勢(shì)上(圖8b)。鋼纜主體部分位于2測(cè)道供電極B之外影響系數(shù)為正的區(qū)域， 總體上引起觀測(cè)值下降變化， 干擾形態(tài)可與圖3 類比。 內(nèi)蒙古寶昌地區(qū)淺層土壤每年11月開(kāi)始逐漸進(jìn)入封凍狀態(tài)， 最大凍結(jié)厚度超過(guò)1.5m(銀英姿， 2008)， 冬天凍土電阻率很高， 而鋼纜埋深<1m， 位于凍土層內(nèi)， 因而冬季時(shí)對(duì)觀測(cè)的干擾非常小。 翌年3月份開(kāi)始?xì)鉁厣仙?凍土層快速融化， 表層介質(zhì)電阻率迅速降低， 鋼纜的干擾幅度增加， 從而表現(xiàn)出加速下降變化。 在表層凍土充分融化后， 表層介質(zhì)電阻率開(kāi)始緩慢變化， 干擾幅度緩慢變化。 而后隨著冬季的到來(lái)， 表層介質(zhì)電阻率迅速升高， 干擾幅度迅速減小， 觀測(cè)值表現(xiàn)為快速上升， 直至土壤封凍后， 鋼纜處于高阻凍土層中， 對(duì)觀測(cè)的干擾又變得非常小。 因此2010年觀測(cè)值經(jīng)歷的2次大幅度加速變化和年變幅度較往年顯著增加現(xiàn)象與圖3 中(金屬導(dǎo)線位于影響系數(shù)為正的M、N之間)干擾幅度的動(dòng)態(tài)變化特征是吻合的。 對(duì)鋼纜產(chǎn)生干擾的有限元模型的定量分析表明， 觀測(cè)資料中2009年的短時(shí)間下降變化、 2010年的加速變化、 年變幅度增加和2011年鋼纜移除后的階躍變化幅度與模型計(jì)算的干擾幅度十分吻合， 說(shuō)明這些變化是由鋼纜干擾引起的(解滔， 2013a)。

3.2 赤峰臺(tái)

圖9 赤峰臺(tái)布極圖(a)與地電阻率數(shù)據(jù)(b)Fig. 9 Schlumberger arrays of Chifeng station(a); Apparent resistivity data of Chifeng station(b).

赤峰臺(tái)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)赤峰市翁牛特旗烏丹鎮(zhèn)北部， 于1978年完成建設(shè)并正式投入使用。 地電阻率觀測(cè)布設(shè)SN、 EW和NE 3測(cè)道， 采用對(duì)稱四極裝置觀測(cè)， 供電極距AB均為800m， 測(cè)量電極極距MN均為200m， 3測(cè)道相對(duì)于布極中心對(duì)稱分布(圖9a)。

赤峰臺(tái)SN測(cè)道觀測(cè)資料自2015年3月開(kāi)始出現(xiàn)加速下降變化， 導(dǎo)致年變低值顯著低于前面幾年， 從而使得年變幅度增加(圖9b)。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)核實(shí)工作得知2014年10下旬至12月在SN測(cè)道供電極B附近為環(huán)城路鋪設(shè)路燈系統(tǒng)， 路燈系統(tǒng)線路全部采用地埋方式， 現(xiàn)場(chǎng)異常核實(shí)人員選取5個(gè)點(diǎn)開(kāi)挖， 僅看到鎧裝絕緣電纜， 未發(fā)現(xiàn)裸露金屬導(dǎo)線。 盡管沒(méi)有像寶昌臺(tái)一樣發(fā)現(xiàn)明確的干擾源， 但SN測(cè)道2015年觀測(cè)值的動(dòng)態(tài)特征與寶昌臺(tái)十分相似， 與圖3 中(金屬導(dǎo)線位于影響系數(shù)為正的MN之間)干擾幅度的動(dòng)態(tài)變化特征也較為吻合， 從而推測(cè)路燈系統(tǒng)對(duì)觀測(cè)仍然有類似金屬導(dǎo)線性質(zhì)的干擾作用， 如果這一推斷成立， 2015年冬季SN測(cè)道年變高值將恢復(fù)到2014年或前面2a的年變水平附近。

4 討論

地電阻率觀測(cè)中金屬導(dǎo)線和局部電性異常體干擾源， 可通過(guò)三維影響系數(shù)在地表的分布快速定性地確定干擾源是引起觀測(cè)值上升還是下降變化(Luetal.， 2004； 解滔等， 2015)。這些干擾源在出現(xiàn)后， 觀測(cè)值往往首先表現(xiàn)出與干擾源同步的變化， 但隨著測(cè)區(qū)介質(zhì)電阻率的逐漸變化， 干擾源的影響并非保持不變， 而是也表現(xiàn)出與介質(zhì)電阻率相關(guān)的變化， 認(rèn)識(shí)到這些變化并予以適當(dāng)?shù)脑u(píng)估， 有助于前兆異常識(shí)別和干擾排除。 歸結(jié)起來(lái)， 這些干擾源引起的干擾動(dòng)態(tài)變化特征就是在表層介質(zhì)電阻率降低時(shí)， 干擾幅度增大， 表層介質(zhì)電阻率升高時(shí)， 干擾幅度減小。 但具體到臺(tái)站某個(gè)測(cè)道而言， 因干擾源電性屬性(高阻或低阻)、 相對(duì)測(cè)線位置、 測(cè)區(qū)電性結(jié)構(gòu)的不同， 干擾源的出現(xiàn)使得正常觀測(cè)資料出現(xiàn)上升、 下降變化與年變幅度增大、 減小甚至反向的不同組合的動(dòng)態(tài)干擾特征。

上述關(guān)于干擾源計(jì)算的干擾幅度動(dòng)態(tài)變化絕對(duì)值并不具備多少參考意義， 因?yàn)楦蓴_源對(duì)觀測(cè)產(chǎn)生的干擾幅度與測(cè)區(qū)具體電性結(jié)構(gòu)、 觀測(cè)極距、 干擾源相對(duì)測(cè)線的位置和干擾源自身幾何電學(xué)屬性密切相關(guān)， 對(duì)具體臺(tái)站而言， 則需要建立模型數(shù)值分析干擾幅度。 但是， 上述模型中干擾源的干擾幅度隨時(shí)間的動(dòng)態(tài)變化特征，則對(duì)實(shí)際資料跟蹤分析工作中快速定性地判定資料變化性質(zhì)，具有一定的參考意義， 從而為隨后進(jìn)一步的定量分析提供參考， 因?yàn)閷?duì)于不同電性結(jié)構(gòu)的臺(tái)站， 盡管性質(zhì)相似的干擾源對(duì)觀測(cè)產(chǎn)生的干擾幅度不同， 但干擾幅度的動(dòng)態(tài)變化特征是相似的。

5 結(jié)論

文中采用有限元數(shù)值方法分析了地電阻率測(cè)區(qū)中的金屬導(dǎo)線和局部電性異常體干擾源對(duì)觀測(cè)產(chǎn)生的干擾幅度的動(dòng)態(tài)變化特征， 得到了以下認(rèn)識(shí)：

(1)在地表干擾源固定時(shí)干擾源對(duì)觀測(cè)的影響不是固定不變的， 而是隨著測(cè)區(qū)介質(zhì)電阻率的改變而發(fā)生變化。 在表層介質(zhì)電阻率降低時(shí)， 干擾幅度增大， 在表層介質(zhì)電阻率升高時(shí)， 干擾幅度減小。

(2)對(duì)于具有正常年變形態(tài)的測(cè)道， 金屬導(dǎo)線和低阻異常體位于影響系數(shù)為正的區(qū)域時(shí)(測(cè)量電極之間和供電電極之外的區(qū)域)會(huì)引起地電阻率觀測(cè)值下降變化， 對(duì)年變幅度具有放大作用； 位于供電電極和測(cè)量電極之間影響系數(shù)為負(fù)的區(qū)域時(shí)， 則會(huì)引起觀測(cè)值上升變化， 對(duì)年變幅度具有減小作用。 高阻異常體的干擾特征與低阻異常體相反， 位于影響系數(shù)為正的區(qū)域時(shí)引起觀測(cè)值上升變化， 對(duì)年變幅度具有減小作用； 位于影響系數(shù)為負(fù)的區(qū)域時(shí)引起觀測(cè)值下降變化， 對(duì)年變幅度具有放大作用。

(3)對(duì)于具有反常年變形態(tài)的測(cè)道， 干擾源對(duì)觀測(cè)資料的靜態(tài)干擾特征和正常年變測(cè)道相同， 而干擾幅度動(dòng)態(tài)變化對(duì)年變化的影響與正常年變測(cè)道相反。

上述關(guān)于地表固定干擾源對(duì)觀測(cè)干擾幅度動(dòng)態(tài)變化特征的分析， 對(duì)實(shí)際資料跟蹤分析工作中快速定性地判定資料變化性質(zhì)，具有一定的參考意義。

致謝 內(nèi)蒙古自治區(qū)地震局高立新、 紀(jì)建國(guó)、 戴勇和赤峰臺(tái)工作人員一同參與了異常核實(shí)工作； 審稿專家提出了許多寶貴的評(píng)審意見(jiàn)， 對(duì)文章的修改和完善有很大的幫助： 一并表示衷心感謝。

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APPARENT RESISTIVITY TEMPORAL VARIATION CHARAC-TERISTICS AFFECTED BY THE FIXED DISTURBANCE SOURCE ON SURFACE OF MEASURING AREA

XIE Tao LU Jun

(ChinaEarthquakeNetworksCenter，Beijing100045，China)

Current leakage， metallic conductor， and local anomalous resistivity body are main disturbance sources which affect the successive observation of apparent resistivity in stations， besides the observing system failure. We construct a finite element model using a 3-layered horizontal medium to discuss the dynamic characteristics of disturbances caused by metal conductor and local anomalous resistivity body in the measuring filed. The numerical results show that low resistivity source which is located in areas where the sensitivity coefficient is positive will cause decline on apparent resistivity observation. While low resistivity source will cause increase when it is located in areas where the sensitivity coefficient is negative. Disturbance caused by high resistivity source is opposite to the one from low resistivity source. The general dynamic feature of disturbance is that the disturbance amplitude increases as the resistivity of shallow layer decreases， while the amplitude declines when the shallow layer’s resistivity increases. For the measuring direction which has normal annual variation form， low resistivity source which is located in area where the sensitivity coefficient is positive will increase the annual variation amplitude， while it will reduce annual amplitude when it is in a negative sensitivity coefficient area. Annual amplitude changes caused by high resistivity source are opposite to the changes caused by low resistivity source. For the measuring direction which has abnormal annual variation form， dynamic annual feature is opposite to the one in direction of normal annual variation form. If the dynamic feature is opposite to the annual variation and disturbance amplitude is also greater than annual amplitude， the annual variation will change direction. Disturbance amplitude from metallic conductor is affected by the resistivity and cross-section area， the lower of the resistivity and the larger of the cross-section area， the greater of the disturbance amplitude.

earthquake， apparent resistivity， disturbance， dynamic feature， anomalous resistivity body， metallic conductor

2015-10-19收稿， 2016-05-14改回。

中國(guó)地震局監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)司震情跟蹤定向工作任務(wù)(2016020402)資助。

P319.3

A

0253-4967(2016)04-0922-15

解滔， 男， 1986年生， 2011年畢業(yè)于中國(guó)地震局蘭州地震研究所固體地球物理學(xué)專業(yè)， 獲理學(xué)碩士學(xué)位， 助理研究員， 目前主要從事地震電磁學(xué)及衛(wèi)星熱紅外遙感應(yīng)用研究，電話： 010-59959144， E-mail: xtaolake@163.com。