2019, Vol. 39
2. 北京市地震观测工程技术研究中心，北京市安宁庄路1号，100085;
3. 吉林省地震局，长春市净月大街5788号，130117
国内很多地电阻率观测台站的场地都存在一定程度的电磁干扰，城市中的地铁和轻轨等轨道交通严重影响周边地电阻率台站的正常观测，许多地电阻率观测台站不得不进行搬迁和重建[1-2]。在采取多种方法(如井下观测、交流观测等)后发现，地电阻率的交流观测能够有效地解决干扰问题。
交流观测的原理与直流观测相同，但其采用特定频率的信号进行观测，抑制了观测频点信号以外的电磁干扰，在具有较强干扰背景的测区能得到较高的信噪比，极大提升了观测数据的精度[3-4]。
中国地震局地壳应力研究所的研究团队自2014年开始研制适用于地震监测预报应用的地电阻率交流观测系统，是迄今为止首套专门为地震监测预测而研制的交流观测系统。本文详细介绍了地电阻率交流观测方法的原理、技术性能要求及新型ZD8AC地电阻率观测仪的主要技术指标，给出该观测方法在江苏江宁地震台的实验情况说明。
1 地电阻率交流观测方法 1.1 理论基础对于地电阻率交流观测来说，利用不同频率的交流电代替直流电作为人工场源，首先要确定交流电场与直流电场的相似性条件。
直流电场和交流电场之间的根本差别在于，直流电场起作用的是传导电流Ic，而交流电场起作用的除传导电流Ic外，还有位移电流Id。若用电流密度来表示，总电流密度为：
| $ j_{t(总)}=j_{c(传导)}~~~+j_{d(位移)} $ | (1) |
当jc(传导)≫jd(位移)时，位移电流大小与电场强度随时间的变化率(dE/dt)成正比，且只与介电常数ε有关，与介质的电阻率无关，可认为交流电场与直流电场相似[4]。设传导电流密度和位移电流密度的比值为m，计算公式为：
| $ m=\frac{j_{c(传导)}}{j_{d(位移)}}=\frac{1.8 \times 10^{10}}{\varepsilon_{r} f \rho} $ | (2) |
式中，εr为相对介电常数[5]，f为交流信号频率，ρ为介质电阻率。当m≫1时，介质中传导电流起主导作用，位移电流的影响较小，介质可认为是一个导体；当m≪1时，介质中位移电流起主导作用，传导电流的影响较小[4]。通常地下介质的相对介电常数范围为5~50，根据公式(2)，当εr=5和εr=50时，m的计算结果见表 1、表 2。
|
表 1 εr=5时m随介质电阻率ρ与频率f的变化 Tab. 1 The change of m value variation with medium resistivity and frequency when εr=5 |
|
|
表 2 εr=50时m随介质电阻率ρ和频率f的变化 Tab. 2 The change of m value variation with medium resistivity and frequency when εr=50 |
自然界中岩石电阻率一般小于105 Ωm，故当交流信号源的工作频率f＜103 Hz时，m>10，传导电流远大于位移电流，可不考虑位移电流的影响，交流电场与直流电场具有相似的特性[3-4]。此时交流电场被认为近似遵循欧姆定律[4]，可采用与直流电法相同的理论进行测量和计算地电阻率。
1.2 观测原理图 1为地电阻率交流观测原理示意图。地电阻率交流法采用交流稳流电源向地下发送单一频率的信号，接收经大地传输后的响应信号。具体的工作过程是：低频稳流电源通过供电电极A、B向大地供入低频电流I，测量系统分别测量供电电流I和测量极M、N之间的同频率响应信号ΔV(人工供电电位差)，地电阻率ρ公式为：
|
图 1 地电阻率交流观测原理示意图 Fig. 1 Schematic diagram of AC geo-electrical resistivity observation |
| $ \rho=K \frac{\Delta V}{I} $ | (3) |
其中，K为装置系数。对于对称四极装置，装置系数计算方法为[6]：
| $ K=\frac{2 \pi}{\frac{1}{A M}-\frac{1}{B M}-\frac{1}{A N}+\frac{1}{B N}} $ | (4) |
式中，AM、BM、AN、BN为相应电极间的距离。当A、B、M、N 4个电极位置固定后，K为一常数。
从以上观测原理可以看出，整个交流观测系统测量的准确性就转化为如何准确检测固定频率的信号幅度。根据马小溪等[7]对几种信号幅度检测方法的对比研究认为，频谱分析法更简单且易于实现，检测精度符合观测的要求。
2 地电阻率交流观测系统技术要求无论是采用交流观测还是直流观测，地电阻率观测的目的是监测地下介质的电阻率变化。震源及附近区域温度、湿度、压力等条件的改变导致地下介质微结构变化，电阻率随之发生变化。地表电阻率观测记录到这种变化，通过比较不同时间地电阻率的差异，识别异常变化与地震孕育的关系[6]。长期连续记录的地电阻率测量仪器应具有观测精度高、稳定性好、抗干扰能力强的特点。
1) 观测精度高。杜学彬等[8]通过研究震中附近地电阻率中短期异常与震级的关系，得出MS4.0地震异常幅度为1.29%的结论。震中区200 km范围内地电阻率台站的观测系统必须能准确识别1%的地电阻率变化，记录到的数据才有地震预测意义。
2) 稳定性好。我国7级以上地震震例中地电阻率异常可持续数年，如与震后进行对比研究，还需要更长时间的观测结果。对于地电阻率观测方法而言，不仅要求观测系统有足够高的准确度，还要有较好的稳定性。
3) 抗干扰能力强。地电阻率观测点附近存在电磁干扰，观测系统的抗干扰性成为长期定点观测的重中之重。观测系统必须提高抗干扰能力，才能有效提高观测精度。
4) 自动化程度高。将观测系统由人工观测改为自动化观测，减少人工观测的劳动强度，避免人为读数造成的误差。
按照现有行业标准《地震地电观测方法地电阻率观测第1部分：单极距观测》(DB/T 33.1-2009)要求，地震预测研究中，地电阻率观测的总体目标是可靠地确定地电阻率1%的变化，转换成地电阻率观测系统设计的具体要求为：①分辨力不大于0.01 Ωm；②最大允许误差不超过0.3%观测值+0.02 Ωm；③2次观测时间间隔不大于1 h。
3 地电阻率观测系统主要技术指标ZD8AC地电阻率交流观测系统经实验室测试，技术指标见表 3和表 4，技术性能与现广泛应用于台网的地电阻率直流观测系统相当，能够满足地电阻率观测的要求。
|
|
表 3 地电阻率观测仪实测技术指标 Tab. 3 Measured technical specifications of AC geo-electrical resistivity observation instrument |
|
|
表 4 低频稳流电源主要技术指标 Tab. 4 Measured technical specifications of AC stabilized current supply |
江苏省江宁地震台位于南京市江宁区，地电阻率观测分为南北、东西2个方向，布极示意图见图 2，测道包括南北方向(N19°E)长、短极距和东西方向(N71°W)3个测道。南北方向长极距供电极距为1 000 m，测量极距为300 m；短极距供电极距为100 m，测量极距为16 m；东西方向供电极距为1 000 m，测量极距为300 m。
|
图 2 江宁地震台地电阻率布极示意图 Fig. 2 Schematic diagram of geo-electrical resistivity configuration in Jiangning seismological station |
江宁台观测环境从2011年南京地铁一号线南延线运行开始受到影响，地电阻率观测精度下降。特别是2014-07-01距离西供电极仅有3 km的南京到禄口机场线路正式运营，观测数据受影响严重，东西测向尤为明显。图 3为江宁台2006-01-01~2014-09-09电阻率和测量方差数据曲线。
|
图 3 2006-01~2014-09直流地电阻率观测曲线 Fig. 3 Curves of DC geo-resistivity observation from January 2006 to September 2014 |
由图 3可以看出，2006~2010年间观测数据稳定，年变化周期明显；2010年中期受地铁运行影响，数据测量均方差增大，约为1 Ωm，相对均方差为1%左右；2014年测量均方差增大到8 Ωm以上，相对均方差达8%以上，远超行业标准要求的0.3%。
4.2 观测结果分析地电阻率交流观测系统研制完成后，为验证ZD8AC地电阻率仪对地铁的抗干扰能力，自2015年起在江宁台进行实验观测。经过2 a多的完善和实用化研究，交流观测系统2017年后基本稳定。
为对比不同信号频率下的观测结果，交流供电频率选为0.1 Hz、1 Hz和5 Hz。表 5为2017-04~2017-07不同信号频率下交流观测与直流观测的结果对比。
|
|
表 5 不同频率下地电阻率交流观测结果与直流观测结果对比 Tab. 5 Comparison of geo-resistivity by DC observation and AC observations in at different frequency |
从表 5可以看出，在干扰时段采用交流观测可以提高观测数据的精度，信号频率越高，测量方差越小，观测精度越高。采用0.1 Hz交流信号进行观测时，测量方差与采用直流观测时相比明显减小，但0.1 Hz距离地铁干扰信号频段(几十秒~300 Hz)较近，不能完全消除干扰影响。这就要求在采用交流方法进行地电阻率观测时需要合理选择供电信号频率。
从地电阻率测值来说，0.1 Hz交流观测结果与直流观测结果最为接近。随着信号频率的增大，交流观测与直流观测结果之间的差值增大，1 Hz时相差1 Ωm左右，5 Hz时相差2 Ωm左右。这种差异是由交流供电中供电线与测量线的线间耦合造成，频率越低造成的影响越小。
图 4为2016-09~2017-09采用1 Hz交流观测和直流观测的数据及测量方差曲线对比。图 4中红色曲线为1 Hz交流观测结果，黑色曲线为原有直流观测结果。其中，2017-01~2017-02交流观测系统因采集板故障造成观测数据不连续。
|
图 4 2016-09~2017-09采用1 Hz交流与直流观测结果对比 Fig. 4 Comparison of geo-resistivity by DC observation with that by 1 Hz AC observations from September of 2016 to September 2017 |
由图 4可知，与直流观测结果相比，交流观测的电阻率数据波动明显减小，结果更稳定，测量方差也更小，交流观测方法可有效降低地铁干扰对数据的影响。
江宁台原有地电阻率直流观测无地铁干扰时南北方向测值为126 Ωm左右，测量方差小于0.1 Ωm；东西方向测值为101 Ωm左右，测量方差为0.2 Ωm左右。在地铁运行时段南北方向测值大部分为125~128 Ωm，测量方差变大，大部分为5~8 Ωm，少部分可达10 Ωm；东西方向测值为99~103 Ωm，测量方差大部分为10 Ωm，甚至每天有2~4个点会因干扰过大导致计算结果溢出。
在干扰时段采用1 Hz交流观测方法，南北方向测值稳定在125.0~125.5 Ωm，方差小于0.2 Ωm，东西方向测值稳定在100~101 Ωm，测量方差小于0.5 Ωm。与直流观测结果相比，观测数据波动明显减小，测量精度基本达到规范要求。
从江宁台的观测实验结果可以得出：
1) 采用低频地电阻率交流观测，在同一装置下测值与直流观测结果相同；
2) 采用交流方法进行地电阻率观测，可以有效降低城市地铁、轨道交通等干扰对地电阻率观测造成的影响；
3) 对于特定的场地，选取的供电信号频率要避开主要电磁干扰信号频率才能有效降低干扰、提高观测数据精度。
5 结语针对目前存在的地电阻率台站的干扰问题，交流观测方法是一种能有效降低地铁干扰影响的新方法。江宁台交流观测实验的结果表明：
1) 采用0.1~10 Hz交流信号进行地电阻率观测，交流方法和直流方法观测原理相同。在同样的观测条件下，由于交流观测方法采用选频发射和选频接收等技术，可以有效抑制干扰，提高观测数据的信噪比，从而提高观测精度。
2) 在同一装置下采用0.1~10 Hz的低频地电阻率交流观测，测值与直流方法测量结果基本相同，信号频率的选取要有效避开场地主要电磁干扰信号频率。
3) 采用0.1~10 Hz之间频率信号进行观测时，交流电场与直流电场具有相似的特性，但并不完全相同，这就导致交流观测结果与直流观测结果存在差别。对于地震监测来说更关心其随时间的相对变化，因此这个差别并不影响观测效果。
4) 地电阻率交流观测方法作为直流地电阻率观测方法的替代，可以有效抑制地铁等各种杂散电流的影响，为地电阻率观测技术发展提供一种新的途径，避免因经济发展和人为干扰增加造成地电阻率台站被迫搬迁和重建。
| [1] |
张世中, 石航, 王兰炜, 等. 地电台站受城市轨道交通干扰的测试分析与抗干扰措施研究[J]. 地震学报, 2013, 35(1): 117-124 (Zhang Shizhong, Shi Hang, Wang Lanwei, et al. Test Analysis on Disturbances Caused by Urban Rail Transit at Geoelectric Stations and Measures to Reduce Its Influence[J]. Acta Seismologica Sinica, 2013, 35(1): 117-124 DOI:10.3969/j.issn.0253-3782.2013.01.012)
(  0) |
| [2] |
张宇, 王兰炜, 张兴国, 等. 相关检测技术在低频交流地电阻率观测中的应用[J]. 地球物理学进展, 2014, 29(4): 1973-1979 (Zhang Yu, Wang Lanwei, Zhang Xingguo, et al. Application of Correlation Detection Technology in Low-Frequency AC Geo-Resistivity Observation[J]. Progress in Geophysics, 2014, 29(4): 1973-1979)
( 0) |
| [3] |
桂燮泰, 戴经安, 关华平. 低频交流电法的试验和研究[J]. 西北地震学报, 1988, 10(2): 22-28 (Gui Xietai, Dai Jing'an, Guan Huaping. Experiment and Discussion on the Low-Frequency AC Method[J]. Northwestern Seismological Journal, 1988, 10(2): 22-28)
( 0) |
| [4] |
张国民, 傅承祥, 桂夑泰, 等. 地震预报引论[M]. 北京: 科学出版社, 2001 (Zhang Guomin, Fu Chengxiang, Gui Xietai, et al. Introduction to Earthquake Prediction[M]. Beijing: Science Press, 2001)
( 0) |
| [5] |
傅良魁. 电法勘探教程[M]. 北京: 地质出版社, 1983 (Fu Liangkui. Electrical Exploration Course[M]. Beijing: Geological Publishing House, 1983)
( 0) |
| [6] |
Zhao J L, Wang L W, Qian J D. Research on Geo-Electrical Resistivity Observation System Specially Used for Earthquake Monitoring in China[J]. Earthquake Science, 2011, 24(6): 497-511 DOI:10.1007/s11589-011-0812-4
( 0) |
| [7] |
马小溪, 张宇, 王兰炜, 等. 地电阻率交流观测中信号检测方法研究[J]. 地震学报, 2015, 37(5): 853-864 (Ma Xiaoxi, Zhang Yu, Wang Lanwei, et al. Signal Detection Method for AC Geo-Resistivity Observation[J]. Acta Seismologica Sinica, 2015, 37(5): 853-864)
( 0) |
| [8] |
杜学彬, 薛顺章, 郝臻, 等. 地电阻率中短期异常与地震的关系[J]. 地震学报, 2000, 22(4): 368-376 (Du Xuebin, Xue Shunzhang, Hao Zhen, et al. On the Relation of Moderate-Short Term Anomaly of Earth Resistivity to Earthquake[J]. Acta Seismologica Sinica, 2000, 22(4): 368-376 DOI:10.3321/j.issn:0253-3782.2000.04.005)
( 0) |
2. Beijing Engineering Research Center of Earthquake Observation, 1 Anningzhuang Road, Beijing 100085, China;
3. Jilin Earthquake Agency, 5788 Jingyue Street, Changchun 130117, China