0 引言

随着南京市轨道交通的大规模建设，江宁地电台(下文简称为江宁台)采用现有观测数据分析一些小的变化已较困难。影响地电阻率观测的主要因素包括测区内金属管线、漏电电流及不规则年变等的干扰（张世中等，2013；解滔等, 2013, 2014；沈红会等, 2014, 2017；张宇等，2016；王同利等，2017；樊晓春等，2018b），尤其是轨道交通运行中产生的漏电电流使得地表长极距、多方位的地电阻率观测信噪比降低，致使无法分析小的变化。2008年起，河北大柏舍台、甘肃天水台、甘肃平凉台、陕西合阳台、广东河源台、浙江长兴台、江苏海安台、江苏江宁台等实施了井下34—225 m深的地电阻率试验观测，并对装置及观测数据开展了相关分析（杨兴悦等，2012；康云生等，2013；许忠祥等，2014；王兰炜等，2015；刘君等，2015；赵斐等，2018；樊晓春等，2018a）。结果表明，地电深井观测对布极区地表杂散电流类具有一定抗干扰能力，其观测精度高于地表地电阻率观测。2015年11月江宁台井下地电观测正式开始，该系统为国内首个200 m井深的地电观测系统，采取缩短极距和电极深埋200 m的方式减少轨道交通和地表农业活动的影响（沈红会等，2014；樊晓春等，2018）。目前，有关地表观测干扰的研究较多，而对于地铁强干扰下的井下地电观测干扰因素、抑制浅层地表干扰能力的研究则相对较少。本文选取江宁台2009—2017年地表和2016—2018年井下地电阻率观测的数据，从干扰因素、抑制浅层地表干扰能力等2个方面比较地表、井下观测，同时通过比较日常观测数据和均方差研究了地铁、蔬菜大棚、钻孔施工等对地表、井下观测的干扰影响，并根据各层介质影响系数的大小评估了江宁台地表、井下观测对地表及浅层干扰的抑制能力。

1 台站概况

江宁台始建于1978年，因城市建设，先后于1994年、2003年2次搬迁观测场地，现位于南京市江宁区禄口街道（图 1）。地电测区内地形开阔平坦，地形高差不超过2 m，地貌属秦淮河冲积平原，以耕地和灌溉渠为主。测区构造单元为溧水中生代火山岩盆地，位于南京—湖熟断裂（F₁）南西盘和方山—小丹阳断裂（F₄）西盘的楔形地块上，东距茅山断裂带30 km，西北距长江36 km。地表、井下观测相互独立，均采用四极对称观测方式，布极呈“十”字状（图 2）。供电极、测量极布设及装置系数见表 1。

2 地表、井下观测干扰因素对比 2.1 地铁对地电观测的影响

地铁是一种动态干扰源，一般干扰周期为120—180 s，干扰频段集中在0.1 Hz以下（张宇等，2016），干扰时间段通常为地铁运营期间和运营前后1—2 h。根据2012年8月正式实施的“南京市地震观测环境保护专项规划”，共有4条地铁线路超出城市有轨直流轨道系统与地电阻率观测设施与环境之间的最小距离为30 km的标准，距离最近的仅为1.5 km（樊晓春等，2016）[表 2、图 1(b)]。江宁台地表观测从2010年5月开始受到地铁干扰，于2018年4月进行了地表交流试验观测，由于地表NE测向（AB=100 m）观测受地铁干扰较轻，故选取NS测向（AB=1 000 m）和EW测向（AB=1 000 m）2009—2017年的均方差数据；井下观测于2015年11月中旬开始观测，由于深井NS测向（AB=1 000 m）受地铁干扰严重，故选取NS测向（AB=200 m）和EW测向（AB=200 m）2016—2018年的均方差数据。

地表观测均方差日均值曲线呈现明显的阶段性[ 图 3(a)]。由图 3(a)可见，曲线大致分为3个阶段：第1阶段为2005—2009年，地铁运营期间地表观测数据的均方差均较小，基本可以忽略地铁的干扰影响；第2阶段为2010—2013年，干扰主要来自地铁1号南延线，值得注意的是，在1号南延线开通前几个月均方差明显上升，认为与1号南延线的试运行（2010年1—4月）有关，当1号南延线正式开通后，各测项均方差最大上升幅度为2倍左右；第3阶段为2014—2017年，S1线试运行期间（2014年1—6月）各测项均方差大幅度上升，上升幅度最高达7倍左右，该线路正式开通后，地表各测项均方差与试运行期间相比有所回落，数据表明S1线对地表观测EW测向（AB =1 000 m）的干扰明显强于对NS测向（AB =1 000 m），而地表NS测向（AB =1 000 m）观测从2014年开始受到蔬菜大棚建设和地铁的影响，均方差升高，总体来说地铁对地表观测的干扰表现为缺数增多、均方差升高等现象，因此已无法分析小的变化。

井下观测均方差日均值曲线同样呈现明显的阶段性[图 3(b)]。由图 3(b)可见，曲线大致分为3个阶段：第1阶段为2016年，井下观测均方差明显小于地表观测，能有效减轻地铁的干扰；第2阶段为2017年，均方差明显增加，认为与S7线的建设和S9线的试运行有关，在该线路开通前1个月井下观测均方差上升，最大幅度达2倍以上；第3阶段为2018年，井下观测在S7线试运行期间的均方差明显大于正式开通后，正式运营后均方差仍接近S7、S9线试运行前的2倍左右。2018年9月28日开始中国地震局地壳应力研究所为江宁台升级了方差的计算程序，加入多阶差分和低频滤波，并在观测中使用上位机来计算地电阻率，使得井下观测各测道方差显著减小。

另外，地铁线路试运行使得井下观测人工电位差较大而溢出，这导致了数据计算错误。由于地铁S7、S9线距地电测区较近，试运行时单向测试较多，导致测量的人工电位差幅度增大。而地电阻率观测中一般采用下位机计算地电阻率，当人工电位差超出数据采集器主板flash存储上限时溢出，致使反馈错误值，并计算错误的地电阻率值。将井下地电观测供电电流从原来的1.25 A左右调整到1.19 A左右，即可恢复正确计算。分析地表EW测向（AB =1 000 m）原始观测数据，在电流未作调整仍维持原1.77 A的情况下，并未发现明显的计算错误现象。

综上所述，可知：①井下地电观测能够有效减轻地铁机场线的干扰，提高观测数据质量；②S7、S9线试运行对井下、地表观测的干扰影响大于正式运营带来的干扰；③当地铁与测点相距30 km以上时，对地电观测影响较小，不影响日常观测。当相距20 km左右时，对地电观测干扰的影响较明显，需要进行数据预处理才能正常观测。当相距3.2 km左右时，地表观测无法正常进行，需通过缩短极距和深埋电极来抗干扰。④地铁对井下、地表地电观测的干扰影响主要体现在数据变化范围增大、缺数增多和均方差增加等方面；⑤与地表观测比较后认为，井下观测地下介质复杂、电极接地电阻较大而导致对供电电流敏感，当近距离的新地铁线路试运行期间，井下观测可能需要适当减小电流才能够避免仪器计算错误。

2.2 蔬菜大棚建设对地电观测的影响

蔬菜大棚与其它农田作业相比，其对地电观测的影响通常是趋势性的，依据其分布位置而产生上升或下降的趋势性影响，而其它农田作业都为短暂影响。蔬菜大棚作为金属导体进入地电观测区后，电流将更多地被吸引到存在金属导体的位置，周围产生附加电场，而其它地方的电场变弱，因此蔬菜大棚的位置决定测量电极M点电位的上升和下降（樊晓春等，2018b）。2013年5月4日、2014年8月21日及2015年9月13日村民新建蔬菜大棚，大棚位于地表、井下观测供电电极B₁和测量电极N₁之间，电流密度的重新分布更有利于测量电极M点的电位上升，这导致了NS测向地表观测数据自2013以来快速上升异常变化，直到2017年蔬菜大棚面积有所减小，才呈下降趋势（图 4），图 4中椭圆区域即为NS测向（AB =1 000 m）地表观测数据受蔬菜大棚建设影响而上升范围，其中，2014年、2015年受到地铁强干扰，上升幅度不明显。同期，由于井下地电观测电极埋深达200 m，对蔬菜大棚、农业灌溉等具有较强抗干扰能力，因此未出现类似现象。

2.3 钻孔施工对地电观测的影响

S340省道从江宁台地表地电观测A₁、M1电极和井下观测A₁、A₂（共用电极M₁）之间穿过，紧邻地震台大院。2018年1月16日开始在三干河至地震台之间320 m×40 m区域钻孔施工，主要为粉喷桩和桥墩桩作业。粉喷桩内无钢筋，仅用水泥和泥浆来加固软地基，地表往下10 m长；桥墩桩内含钢筋笼为三干河大桥桥墩用，地表往下15—22 m长。工程量为喷粉桩12 000根左右、桥墩桩4根，其中，粉喷桩覆盖布极区（40 m×3 m区域约120根，三干河大桥桥墩离井下观测EW测向（AB = 200 m）西供电极A₃约300 m）。分析2018年1—4月江宁台地表观测和井下观测发现，数据均无异常，10 —22 m的钻孔未对地表、井下观测产生影响。

3 浅层地表抑制干扰能力比较

以江宁台3层水平层状均匀介质讨论地表、井下观测的影响系数在“K”型电性结构模型的分布。依据表 3的电性结构分别计算第1—3层的介质影响系数B₁、B₂、B₃，各测道的各层影响系数如表 4所示。由表 4可见，井下观测短极距(AB = 200 m)的B1远小于地表观测长极距(AB =1 000 m)的B₁，表明井下观测抑制浅层介质电阻率变化干扰的能力优于地表观测（樊晓春等，2019）。在极距相同、布极方向相近的情况下，地表观测的B₁大于井下观测，表明深埋电极有利于提高浅层地表抑制干扰能力。

计算2016—2017年地表、井下地电阻率观测年变幅度，说明浅层地表抑制干扰能力（表 5）（樊晓春等，2019）。由表 5可见，地表NS测向（AB = 100 m）年变幅度大于地表NS测向（AB =1 000 m）、EW测向（AB = 1 000 m），表明短极距浅层地表抑制干扰能力不及长极距。井下NS测向（AB = 200 m）、EW测向（AB = 200 m）年变幅度较地表观测显著减小，表明井下短极距浅层地表抑制干扰能力优于地表观测。井下NS测向（AB = 1 000 m）年变幅度小于地表NS测向（AB = 1 000 m），说明电极埋深至200 m后，浅层地表抑制干扰能力有效提高，年变幅度减小。由于江宁台井下观测电极埋深达200 m，与地表观测相比，较好抑制了地表杂散电流，地电阻率观测数据年变幅度显著减小。

4 结论与讨论

江宁台地表观测与井下观测在极距长度、电极埋设深度、布极方向、装置系数计算方法等方面不完全相同，无法直接进行比较。本文从干扰因素、浅层地表抑制干扰能力两方面通过日常观测数据和影响系数简单对比了2种观测方式的优缺点，结果表明：①井下观测浅层地表抑制干扰能力优于地表观测，这减轻了地铁的干扰和蔬菜大棚的影响，降低了年变幅度；②地铁距台站30 km以上时对地电观测影响较小。当相距20 km左右时对地电观测干扰影响较明显，需进行数据预处理。当相距3.2 km左右时，地表观测无法正常进行，而井下可进行日常观测；③试运行期间地铁对井下、地表观测的干扰影响通常大于正式运营时，当距台站3.2 km左右的地铁线路超过1条时，单纯依靠缩短极距和深埋电极来减轻多条地铁线路的干扰则不完全可行，而通过新的深井地电阻率垂直观测或地电阻率交流观测则可能会更有效。