衛(wèi)定軍，馬繼文，余生勤，周志雄，樂云軒

（1.寧夏回族自治區(qū)地震局，銀川 750001；2.固原地震臺，寧夏 固原 756000）

固原臺地電阻率N45°E向異常變化原因分析

衛(wèi)定軍1，馬繼文2，余生勤2，周志雄1，樂云軒2

（1.寧夏回族自治區(qū)地震局，銀川 750001；2.固原地震臺，寧夏 固原 756000）

衛(wèi)定軍，馬繼文，余生勤，等.固原臺地電阻率N45°E向異常變化原因分析[J].華南地震，2016，36（1）：24-29.[WEI Dingjun，MA Jiwen，YU Shengqin，et al.Causes for Abnormal Changes of Earth Resistivity in N45°E Direction at Guyuan Station[J].South china journal of seismology，2016，36（1）：24-29.]

通過檢查、實驗和理論計算，探討了固原臺北東測道地電阻率測值異常變化的原因，定量地計算了測量線路漏電和降水對固原臺地電阻率觀測的影響，并研究和總結(jié)了這種影響的機制。從而認為，2012年12月下旬以來固原地電阻率出現(xiàn)的異常變化不屬于地震異常，并為今后判斷引起地電測值變化的原因提供了依據(jù)。

地電阻率；異常；原因分析；漏電

0 前言

固原地電臺是寧夏較早開展地電阻率觀測的臺站之一，始建于1970年。由于觀測環(huán)境遭到破壞，先后兩次搬遷觀測場地。2004年11月搬遷至固原市原州區(qū)彭堡鄉(xiāng)彭堡村，距離固原市區(qū)14 km。該臺處于青藏和鄂爾多斯兩大活動塊體的交匯部位，其中發(fā)育有六盤山東麓斷裂，該斷裂是我國南北地震帶中北段的重要組成部分，距離該臺僅有8 km，構(gòu)造位置非常突出。

固原臺地電阻率在多次中強地震前均有短臨異常反映，如1989年11月2日寧夏固原MS5.0級地震和1998年7月29日寧夏海原MS4.9級地震前，該臺地電阻率均出現(xiàn)了明顯的短臨異常，為這兩次地震預(yù)報提供了有力的依據(jù)[1]。但是該臺資料也存在一些由干擾因素引起的異常變化，如2003年7～9月由降雨引起的地電阻率上升異常變化[2]和2008年3～10月由蔬菜大棚引起的地電阻率上升異常變化[3]等。在地電阻率觀測中，測量系統(tǒng)、裝置系統(tǒng)和場地電磁環(huán)境的變動，均會造成地電阻率異常變化[4-5]，因此在地電阻率資料的應(yīng)用和研究中，當?shù)仉娮杪食霈F(xiàn)異常變化時，首先要進行影響因素確認。本文針對固原臺地電阻率N45°E向異常變化，著重從觀測系統(tǒng)、環(huán)境干擾等方面的因素進行影響分析，并對這些因素的影響機制進行了理論上的探討，最終確定了該異常變化產(chǎn)生的原因，其變異現(xiàn)象及干擾分析對地電阻率觀測有實際應(yīng)用意義。

1 臺站基本概況

固原地電臺位于清水河壓陷型盆地內(nèi)，盆地內(nèi)的次級地貌主要為清水河沖積平原，測區(qū)在清水河古沖溝塬面上，地勢相對平坦，測區(qū)為農(nóng)田。測區(qū)屬于盆地的沉降中心區(qū)，第四系發(fā)育齊全，厚約372 m，巖性為粘質(zhì)砂土、砂質(zhì)粘土夾少量的砂礫石和粘土[6]。該臺采用對稱四極裝置進行觀測，布設(shè)測線3道（NS、EW、N45°E向），供電極距約為1 000 m，測量極距200 m（圖1），2013年7月觀測儀器由ZD8B更換為ZD8M地電阻率儀。2004年11月外線路采用鎧裝電纜以地埋的方式架設(shè)，電極采用1 m×1 m×0.005 m的鉛板。2011年12月對電極進行了深埋處理，電極埋深由原來的2 m變?yōu)?1～23 m不等。值得一提的是，在此次電極改造時不慎將N45°E向的N2測量線打斷，在斷點處進行了拼接和線芯、金屬鎧的絕緣處理。該接頭距極桿約1 m，埋深約0.5 m，粘土填埋。

該臺自觀測以來，積累了較長的數(shù)據(jù)，在寧夏幾次中強地震前均有不同程度的異常反映，是寧夏南部對中強地震活動較為敏感的臺站之一，表1給出了自2005年以來該臺曾出現(xiàn)的異常及異常變化的產(chǎn)生原因。特別需要指出，2008年3～10月出現(xiàn)該臺出現(xiàn)的高值異常變化系由蔬菜大棚造成，2008 年10月下旬后蔬菜大棚拆除，該異常變化消失。

圖1 固原臺地電阻率觀測布極示意圖Fig.1 Schematic diagram of pole arrangement for earth resistivity at Guyuan station

表1 固原臺地電阻率觀測資料異常變化及產(chǎn)生的原因Table 1 The anomaly changes of earth resistivity observation and their causes at Guyuan station

2 異常變化特征及干擾因素

固原臺地電阻率N45°E向異常變化開始于2012年12月20日，基本特征為快速下降，低值持平，然后快速恢復(fù)到下降前的水平，變化幅度約為0.4～0.5％，明顯異于此前的平穩(wěn)持平變化，其它2個測向未出現(xiàn)這種變化，見圖2a。在隨后的觀測中，該測道不斷重復(fù)出現(xiàn)類似的變化，見圖2b。

圖2 固原地電阻率整點值曲線Fig.2 The hour-point value curve of earth resistivity at Guyuan station

在固原臺地電阻率出現(xiàn)異常變化后，對觀測儀器進行了標定，結(jié)果顯示儀器工作正常，符合地電觀測規(guī)范的要求，臺站工作人員也未對其作過調(diào)整，排除了儀器的影響。另對外線路絕緣情況進行了測試。測試的方法為將測量線和供電線從儀器和電極的連接處斷開，然后用兆歐表測量整條導(dǎo)線對地的絕緣電阻，結(jié)果見表2。測量的結(jié)果顯示B1供電線絕緣電阻偏低，N2測量線絕緣電阻不符合觀測規(guī)范要求，其它測量線路均在規(guī)范要求的范圍內(nèi)[7]。此次供電線漏電檢查未按照觀測規(guī)范的要求進行，但是通過查閱2013年3月8日外線檢查結(jié)果可知，NS、N45°E、EW向3個測向供電回路的漏電影響系數(shù)ε1分別為0.003％、0.002％、0.003％。雖然B1供電線絕緣電阻偏低，但是漏電電流影響并未超過觀測規(guī)范要求的0.1％，因此認為該臺供電線路不存在漏電情況。綜合以上檢查結(jié)果可知，僅有出現(xiàn)異常變化的N45°E向N2測量極的測量線存在漏電情況。同時也對觀測環(huán)境進行了調(diào)查。通過現(xiàn)場勘查，測區(qū)內(nèi)及周邊環(huán)境未發(fā)生明顯變化，也未修建新的工、農(nóng)業(yè)設(shè)施。經(jīng)調(diào)查，在N45°E向出現(xiàn)異常的時段，該臺測區(qū)周圍總是存在降水的天氣過程，圖3給出了測區(qū)附近氣象站的降雨量觀測資料和地電阻率資料的對比曲線。需注意，圖3中降雨量資料截至到2013年4月底，由于5月的降雨資料未收集到，從而無法在該圖中展示。2013年5月中旬出現(xiàn)的地電阻率大幅度的躍變也存在降雨的情況。由該圖可知，地電阻率的異常變化和降水存在顯著地對應(yīng)性，分析認為N45°E向異常的出現(xiàn)和降水有密切的關(guān)系。通過臺站觀測系統(tǒng)的檢查、測區(qū)觀測環(huán)境的調(diào)查、輔助資料分析等工作，初步認為能夠影響N45°E向異常變化的因素，主要集中在N45°E向測量極線路漏電和降水兩個方面。下面，本文針對發(fā)現(xiàn)的兩個干擾因素進行了詳細的分析。

表2 固原地電阻率供電線和測量線對地絕緣電阻（單位：MΩ）Table 2 Insulation resistance to ground of the power supply line and measuring line for earth resistivity at Guyuan station（unit：MΩ）

圖3 固原臺N45°E向地電阻率（黑色）與降雨量（藍色）對比曲線Fig.3 Comparison of N45°E earth resistivity (black) and rainfall（blue）at Guyuan station

3 干擾因素影響分析

3.1 N2極測量線路漏電影響分析

該臺在2011年12月電極改造時，曾將N2極桿下的測量線打斷，在斷線處做了接頭處理，懷疑線路漏電點可能在該處。2013年5月將該接頭挖出，發(fā)現(xiàn)接頭的絕緣處理已失效，鎧裝電纜的金屬線芯和金屬鎧完全裸露在土壤中，由此證實了初步判斷。但根據(jù)以往的經(jīng)驗和觀測技術(shù)[8]，測量線路在極坑處漏電不會對資料產(chǎn)生較大影響，那么如果該測量線僅此一個漏電點，觀測值不會產(chǎn)生顯著的變化，因此懷疑存在別的漏電點。通過線路排查，發(fā)現(xiàn)觀測室地下坑道中也存在一個接頭。如果該接頭漏電，必將對觀測值產(chǎn)生影響。為了驗證這個想法，在現(xiàn)場進行了一個實驗。在實驗時，極坑處的接頭保持原狀態(tài)，而將觀測室地下坑道中的接頭剝開，金屬鎧和線芯彼此分開，暴露在空氣中。首先，測量金屬鎧與線芯的之間的絕緣性，結(jié)果顯示為0 MΩ，這說明金屬鎧和線芯之間是連通的。然后觀測N45°E向視電阻率，其結(jié)果為24.15 Ω·m，與正常值一致。隨后將金屬鎧用導(dǎo)線接地，再次觀測N45°E向視電阻率，其測量值由正常的24.15 Ω·m變成了24.05 Ω·m，變化幅度約為0.4％。這一變化幅度符合N45°E向異常變化幅度。由此判斷，N2測量線存在兩個漏電點，極坑處接頭絕緣處理破損導(dǎo)致線芯和金屬鎧通過土壤連通，而觀測室地下坑道里的接頭由于金屬鎧對地絕緣變差導(dǎo)致測量線再次接地，在這兩個漏電點的共同作用下，該臺N45°E向測量值產(chǎn)生了顯著變化[8]。

3.2 降水影響分析

根據(jù)以往對該臺資料的認識，降水不會對該臺資料產(chǎn)生較大影響，這一點從圖3b所示的2012 年1至11月固原視電阻率與降雨量的對比曲線中可以證實。特別是2012年6至9月幾次較大的降水，N45°E向視電阻率資料變化平穩(wěn)，并未產(chǎn)生明顯的異常變化。但是從圖3b所示的2012年12月至2013年4月固原視電阻率與降雨量的對比曲線中可以發(fā)現(xiàn)，在N45°E向出現(xiàn)的異常變化時，總是對應(yīng)著降水過程，兩者之間存在顯著地對應(yīng)性和相關(guān)性，圖3a所示更加清晰。該臺N45°E向視電阻率變化與降水在異常出現(xiàn)之前并無相關(guān)性，但在異常出現(xiàn)之后變?yōu)轱@著相關(guān)，這種截然不同的變化必定和某種因素有關(guān)。而由線路漏電點分析可知，N45°E向N2測量極線路存在漏電，該測向測量線在觀測室漏電會引起觀測值變化。那么可以認為，由于降水導(dǎo)致接頭處的漏電可能成為了必然，由此產(chǎn)生視電阻率異常變化和降水顯著相關(guān)的現(xiàn)象，而漏電點的出現(xiàn)導(dǎo)致了該臺N45°E向視電阻率變化與降水的相關(guān)性由弱變強。由此分析認為N45°E的異常變化是由這兩種因素共同影響的結(jié)果。

3.3 干擾因素影響機理分析

如圖4a所示測量線路的漏電情況，由錢家棟等[9]的研究結(jié)果可知，當測量回路存在漏電時，它對視電阻率所產(chǎn)生的誤差可用（1）式表示。

圖4 固原臺漏電點C位置示意（a）及地電阻率隨漏電點接地電阻變化的曲線（b）Fig.4 Position of leakage point C in Guyuan station and variation of earth resistivity with the leakage point grounding resistance changes

由（1）式，根據(jù)固原臺實際情況，計算該臺測量線路漏電對觀測值的影響。須注意，由于漏電點的位置并不在兩個測量極的連線上，因而應(yīng)用（1）式計算可能存在理論上的誤差。RM取漏電的N2測量極的接地電阻，為33 Ω。R0取值是由測量接地電阻間接獲取，分別在觀測室和極坑處測量電極接地，兩者的測值差可視為導(dǎo)線電阻，由實際測量結(jié)果可估算為2 Ω。x為漏電點到中心點距離，由于該臺觀測室在NE方向偏離中心點約60 m，而漏電點恰好在觀測室地坑中，因此x取值為60 m。AB和MN分別為973 m和200 m。RC的取值為5 MΩ～1 000 Ω之間，它反映了降水對漏電點的影響。當無降水時，漏電點對地絕緣較好，相應(yīng)的接地電阻可取為5 MΩ；但有降水時，由于漏電點濕度的增大，對地絕緣變差，相應(yīng)的接地電阻可逐步降低阻值，在計算時取最低接地電阻為1 000 Ω。圖4b為當漏電點取不同的接地電阻時，觀測系統(tǒng)所測得的地電阻率ρS，無漏電時該臺的地電阻率ρS為24.15 Ω·m。由該圖可知，當漏電點接地電阻逐步降低時，地電阻率值隨之降低，而當漏電點接地電阻逐步升高時，地電阻率值也逐步恢復(fù)。圖4所示的漏電點接地電阻下降-恢復(fù)過程，恰好反映了降水對漏電點的影響過程。當降水出現(xiàn)后，漏電點對地絕緣變差，接地電阻減小，而降水結(jié)束后，隨著水汽的蒸發(fā)，漏電點對地絕緣逐步恢復(fù)，接地電阻逐步增大。這一過程反映到地電阻率的變化就表現(xiàn)為快速下降，之后又快速恢復(fù)。地電阻率下降的速度與降水的多少有關(guān)，而恢復(fù)的速度與漏電點水汽的蒸發(fā)快慢有關(guān)。針對固原臺的實際情況，可進一步詳細分析。該臺異常變化出現(xiàn)在冬季，冬季降水主要以雪為主。由于氣溫較低，雪的消融和水汽的蒸發(fā)都較慢，從而導(dǎo)致漏電點對地絕緣恢復(fù)較慢，地電阻率的變化幅度大且時間較長，這一點從2013年12月至2014年2月地電阻率受影響時的變化情況可看出。2014年3月后，由于氣溫回升，地表水汽的蒸發(fā)增大并加快，從而導(dǎo)致漏電點對地絕緣恢復(fù)也加快，地電阻率的變化幅度小且時間短。這也正是，該時段降雨量比冬季大，地電阻率變化反而不如冬季顯著的原因。

4 結(jié)語

通過以上的實際檢查、實驗和理論分析，我們有如下認識：

（1）固原地電阻率N45°E向2012年12月至2013年5月的異常變化屬于干擾而非地震異常，線路漏電是造成該異常變化的主要原因，而降水在其中起到了重要作用。

（2）漏電點接地電阻的大小決定了觀測資料受影響的程度。由理論計算結(jié)果可知，漏電點接地電阻越小，觀測資料受影響的程度越大，反之亦然。同樣，漏電點位置的不同也對觀測資料影響不同。本文所述的漏電現(xiàn)象由兩個漏電點共同作用形成，如果該臺僅存在極坑處的漏電點，由文中所列出的理論計算公式可知，該點處漏電影響近似為零，并不會產(chǎn)生本文提到的異常變化。

（3）隨著觀測技術(shù)的發(fā)展，越來越多的地電臺站選擇外線路地埋的架設(shè)方式，該架設(shè)方式對地埋線纜的絕緣性、強度等方面有較高的要求，同時在架設(shè)電纜時應(yīng)盡量避免出現(xiàn)不必要的接線處理，這樣才能為良好的資料產(chǎn)出打下堅實的基礎(chǔ)。本文所提到的異常變化正是由于不應(yīng)該出現(xiàn)的接頭漏電所產(chǎn)生的，希望本文所做的分析工作對存在類似問題的臺站有所幫助與啟發(fā)。

[1]張肇誠，鄭大林，徐京華，等.中國震例（1989-1991）[M].北京：地震出版社，2000.

[2]衛(wèi)定軍，李英，趙衛(wèi)明，等.2003年7～9月固原地電阻率異常變化分析[J].高原地震，2004，16（4）：49-54.

[3]衛(wèi)定軍，李春貴.搭建蔬菜大棚對固原臺視電阻率觀測影響的分析[J].地震地磁觀測與研究，2009，30（2），77-82.

[4]中國地震局監(jiān)測預(yù)報司編著.地震前兆異常落實工作指南[M].北京：地震出版社，2000.

[5]中國地震局監(jiān)測預(yù)報司.地震電磁學(xué)理論基礎(chǔ)與觀測技術(shù)[M].北京：地震出版社，2010.

[6]楊明芝，廖玉華，馬和青.寧夏地震活動與研究[M].北京：地震出版社，2007.

[7]中國地震局.地震及前兆數(shù)字觀測技術(shù)規(guī)范（電磁觀測）[M].北京：地震出版社，2001.

[9]李 飛，秦 磊，楊馮威.新沂臺地電阻率新舊場地對比觀測分析[J].華南地震，2015，35（3）：7-14.

[8]錢家棟，陳有發(fā)，金安忠.地電阻率法在地震預(yù)報中的應(yīng)用[M].北京：地震出版社，1985.

Causes for Abnormal Changes of Earth Resistivity in N45°E Direction at Guyuan Station

WEI Dingjun1，MA Jiwen2，YU Shengqin2，ZHOU Zhixiong1，YUE Yunxuan2
（1.Earthquake Administration of Ningxia Hui Autonomous Region，Yinchuan 750001；China; 2.Guyuan Seismic Station，Guyuan 756000，China）

Based on examining, experiment and theoretical calculations, the paper discussed the cause of abnormal changes of earth resistivity observation in the N45°E direction at Guyuan seismic station.The paper quantitatively calculated the influence of measuring circuit leakage and precipitation on earth resistivity observation in the N45°E direction, summarized the mechanism of the influence.It was proved that the abnormal changes of earth resistivity observation occurred in late December 2012 is not seismic anomaly.This result provides us the foundation to identify the cause of abnormal changes of earth resistivity observation.

Earth resistivity；Anomaly；Reason analysis；Electric leakage

P315.92

A

1001-8662（2016）01-0024-06

10.13512/j.hndz.2016.01.004

2015-03-16

地震科技星火計劃項目“固原地電臺淺部地下結(jié)構(gòu)對視電阻率觀測的影響研究”（XH14053Y）資助

衛(wèi)定軍（1975-），男，工程師，主要從事地震電磁前兆數(shù)據(jù)分析與預(yù)測研究.

E-mail：wdj308@aliyun.com.