0 引言

1966年邢台地震后，中国开展了大规模地电阻率观测研究工作。观测实践证明，地电阻率观测可记录到明显的震前中短期异常，以趋势下降变化和破年变为主（桂燮泰等，1989；Lu et al，1999；张学民等，2009）。随着城乡经济建设的发展，地电阻率台站所受干扰越来越多，观测精度有所降低。地电阻率干扰源主要包括地表潜水位、地表游散电流及积水坑、金属管网等（张学民等，1996；刘允秀等，1999；何康等，2010；张国苓等, 2013, 2015）。

兴济地电台（下文简称兴济台）地电阻率观测数字化改造前数据质量较好，在1976年唐山M 7.8地震和1989年大同M 5.9地震前记录到较为显著的前兆异常（张学民等，2003）。近年来，兴济台N60°W向测道所在测区积水坑水位冬低夏高的季节性变化给观测造成较大干扰（贾立峰等，2016）。受观测环境影响，兴济台地电阻率观测精度较低，属全国中下游水平。作者从地电阻率观测原理出发，拟通过提高供电电流、增大测量极距的实验，找出提高该台地电阻率观测精度的有效途径，从而提升该台地电阻率观测数据质量，为相关地震预测研究服务。

1 观测环境

兴济台位于河北省沧州市以北兴济镇东3 km处，地处沧东断裂附近，沧县隆起东翼斜坡上[图 1(a)]，其地电阻率N30°E向测道平行沧东断裂走向布设，N60°W向测道垂直沧东断裂布设。兴济台地电阻率观测于1983年1月1日正式开始，采用对称4极装置，供电极距和测量极距分别为2.0 km和0.5 km [图 1(b)]。目前2套地电阻率观测系统并行观测，均沿N30°E、N60°W 2个测向布设[图 1(b)]，其中：①在测系统（ZD8B系统）：观测仪器ZD8B地电仪，电极埋深为3.5 m，线路采用架空方式；②并行系统（ZD8M系统）：观测仪器ZD8M地电仪，电极埋深为4.0 m，线路采用地埋方式。2套系统供电电流均为2.0 A。

2 原理 2.1 地电阻率观测原理

地电阻率观测装置见图 1(b)所示，其中A、B为供电电极，M、N为测量电极，电极位于地表以下4 m左右，采用N30°E、N60°W垂直测向布极，中心点为O。测量电极M、N之间的电位差ΔU_MN = U_AM－U_AN－U_BM + U_BN，装置系数K = π(r²－b²)/(2b)，其中r = AB/2，b = MN/2，规定c = b/r为装置的偏心率，I为供电电流。地电阻率ρ的表达式为

$ \rho = K \cdot \frac{{\Delta U}}{I} $

(1)

地电阻率观测精度是所测地电阻率准确程度的度量，可由均方根误差和相对均方根误差来表征。均方根误差表征测量值在均值附近波动大小，可以用均方根误差σ_n-1表示

$ {\sigma _{n - 1}} = \sqrt {\frac{{\sum\nolimits_{i = 1}^n {\left( {{{\left( {{\rho _{\rm{s}}}} \right)}_i} - {{\bar \rho }_{\rm{s}}}} \right){)^2}} }}{{n - 1}}} $

(2)

式中，n为观测次数，(ρ_s)_i为第i次的观测值，ρ_s为(ρ_s)_i算数平均值。

相对均方根误差K_σ表征测量值相对于均值的离散程度，值越大离散程度越大，精度越低。K_σ可以表示为

$ {K_\sigma } = \frac{{{\sigma _{n - 1}}}}{{{\rho _{\rm{s}}}}} \times 100\% $

(3)

利用公式（1）分析地电阻率测量值离散程度的影响因素，I为稳流源供电电流值，可认定其为常量；K装置系数为常数；∆U_MN为稳流源供电形成的人工电场内M、N 2点间的电位，∆U_MN中含有由稳流源供电形成的人工电场∆U_供和∆U_MN扰，可见影响地电阻率测量值离散程度的最大因素是∆U_供及∆U_MN扰。∆U_供相对稳定，∆U_MN扰受外界电磁干扰信号、测量电极极化不稳定、地电场变化等（赵家骝等，1996）只需有效提高∆U，即可通过提高供电电流和增大测量极距来实现。

2.2 地电阻率观测数据

从2015年2—4月ZD8B和ZD8M并行观测系统数据曲线[图 2(a)]可以看出，数据均比较稳定，均值分别为8.08 Ω·m和8.14 Ω·m，二者存在0.06 Ω·m的偏差，检查发现，ZD8B系统比ZD8M系统多1个电容器，去掉电容后，2个系统的观测数据均值均为8.14 Ω·m。从3个月的观测精度曲线（图 2）可以看出，ZD8B和ZD8M观测系统日相对均方差均值分别为2.16%和2.15%，观测精度基本一致。

3 交待实验 3.1 实验步骤

在兴济台地电阻率观测中，N60°W测道精度较低，故选择在ZD8M观测系统的N60°W测道上进行实验，拟通过提高供电电流和增大测量极距2种手段，寻找提高该台地电阻率观测精度的有效途径。实验分4个阶段进行。

（1）第1阶段：2015年7月3日至7月31日，将供电电流从2.0 A增大到3.5 A。主要测试提高供电电流对观测精度的影响程度[图 3(a)]。实验结果显示，观测精度有明显提高[表 1，图 4(a)]。

（2）第2阶段：2015年8月2日至2015年9月11日，将测量电极M西移80 m，测量极距由500 m增大至580 m，供电电流为2 A。此阶段主要测试供电电流不变时，增大测量极距对观测精度的影响[图 3(b)]。实验结果显示，地电阻率观测值（8.39 Ω·m）相比实验前观测值（8.11 Ω·m）明显增大，观测精度则无明显改善[表 1，图 4(b)]。

（3）第3阶段：2015年9月14日至10月14日，观测极距为580 m，供电电流为3.5 A [图 3(c)]。此阶段主要测试供电电流和测量极距均增大对观测精度的影响程度。实验结果（图 3）显示，地电阻率观测值（8.38 Ω·m）相比实验前观测值（8.12 Ω·m）明显增大，观测精度明显提高，但与第一阶段实验数据的观测精度差别不大[表 1，图 4(c)，图 4(c)]。

（4）第4阶段：2015年11月1日到11月30日，因第2和第3阶段只移动一侧测量电极，本阶段在第2阶段实验装置基础上，将该测道东侧测量电极N东移67 m（在与西侧等距80 m处有杂物坑无法施工），供电电流为2.0 A[图 3(d)]。实验结果显示，地电阻率观测值（8.23 Ω·m）相比实验前观测值（8.13 Ω·m）明显增大，观测精度无明显改善[表 1，图 4(d)]。

3.2 实验结果分析

在第2阶段、第4阶段进行延长测量极距MN的2个实验中，ρ_s分别由原测值8.11 Ω·m变为8.39 Ω·m及8.13 Ω·m变为8.23 Ω·m，说明测量极距的改变造成勘测深度亦发生了改变，此结果与钱家栋等（1985）关于在供电极距一定情况下，随着测量极距的增加，探测深度变化的理论相一致。

目前我国地电阻率观测均采用正反向供电测量方式，赵家榴等（1996）在《用正向供电技术提高视电阻率观测精度》一文中给出采用正反向供电测量时的测量误差公式。

$ {\varepsilon _{正反}} = \frac{{{{\bar \rho }_{\rm{s}}} - {\rho _{\rm{s}}}}}{{{\rho _{\rm{s}}}}} = \frac{{\frac{1}{{2n}}\left[ {\sum\nolimits_{i = 1}^n {{{\left( { - 1} \right)}^{n + 1}}\Delta {U_{{\rm{spi}}}}} } \right]}}{{\Delta U}} = \frac{{\Delta {U_{扰}}}}{{\Delta U}} $

(4)

式中，n为观测次数，ρ_s为第i次的观测值， $\overline {{\rho _{\rm{s}}}} $ 为(ρ_s)_i算数平均值，∆U_spi为相邻2次自然电位差，∆U为供电电位差，ΔU_扰为干扰幅值。

第1阶段实验中提高供电电流I，使ΔU以相同倍率增大，则ε_正反以相同倍率减小，即精度以相同倍率提高，实验中观测精度从1.40%变为0.84%，是原来的1.67倍，与供电电流由2.0 A提高到3.5 A的倍率1.75倍吻合。

在第2、4阶段实验中，根据场强公式E = U/d增大测量极距，使公式（4）中的ΔU、ΔU_扰同比例增大，则ε_正反测量误差在对比实验前后未变，实验中ZD8B系统2个阶段的观测精度由1.88%、1.78%变为1.89%、1.84%可见观测精度基本未变，与分析结果基本吻合。

第3阶段实验，提高供电电流且增大测量极距，观测精度主要由供电电流决定。实验中观测精度从1.91%变化为1.06%，精度变为原来的1.80倍，基本与供电电流由2.0 A提高到3.5 A的倍率（1.75）吻合。

4 结论

采用直流供电对称4极装置观测的定点地电阻率，是地下一定体积内介质电阻率的综合反映。当地表局部位置出现干扰（如修建公路、水塘、积水坑、金属管网等）或地表存在铁轨等造成的电流干扰时，严重影响地电阻率观测精度和数据质量。本文通过提高供电电流和增大测量极距的对比观测实验，可以得出以下结论。

（1）提高供电电流能明显提高兴济台地电阻率观测精度，电流与观测精度提高程度相当。

（2）增大测量极距虽然能提高供电电位差，但同时提高了干扰幅值，二者相抵，对提高兴济台地电阻率观测精度效果不大。

（3）使用大功率直流稳流电源，并做好地电仪匹配升级工作，可有效提高受干扰地电台站的观测精度。

本研究得到中国地震局地壳应力研究所王兰玮研究员的悉心指导，在此表示衷心的感谢。