0 引言

1966年邢台地震后，我国逐步开始使用地电阻率观测法对地震进行监测，到目前为止，地震地电阻率监测台网已有80多个台站，经过50多年，已积累了丰富的观测资料和地震地球物理案例(钱复业等，1982；钱家栋等，1985；杜学彬，2007)，如1976年唐山M_S 7.8、2008年汶川M_S 8.0、2013年芦山M_S 7.0地震等典型震例。

相关研究发现，中强地震前地电阻率异常变化通常表现为，在震前1—3年内出现趋势性下降(钱家栋等，1993)。为了从原始观测资料中提取到更多异常现象，研究人员使用了去倾、排除年变化、归一化变化速率等方法(杜学彬等，2017)。随着观测资料的积累，又发展了滑动自相关方法，该方法为地电阻率观测资料在地震预测中的应用提供了新的思路(安张辉等，2016)。

甘肃山丹地震台(下文简称山丹台)地电阻率观测资料稳定可靠，观测结果在西北地区地震中短期预测中发挥了积极的作用，如2003年山丹—民乐M_S 6.1地震前出现的地电阻率年变畸变异常(尹亮等，2005)。2016年年初，山丹台地电阻率EW测向观测数据又出现年变形态消失的异常，本文拟通过观测资料对比、去趋势滑动及距平分析，并结合肃南台地倾斜观测资料(高立新等，1999)。分析该变化与2019年9月16日张掖M_S 5.0地震之间的关联性。

1 台站及观测数据

山丹台地电阻率观测场地位于榆木山断裂带(F₁)与龙首山南缘断裂带(F₂)之间，以及祈吕弧形挤压带西翼山丹槽地的边缘，该区域基岩岩性为第三系砂岩、砂砾岩。台站观测场地的岩性为砂岩，测区地表为旷野型戈壁沙土堆，覆盖层较厚，地表几乎没有植被。该场地所处的断裂带是河西走廊区域性主干大断裂——祁连山断裂带，其切割地壳较深，紧邻测区西面有一NNW走向的隐伏断层，相距5—6 km处有瞭高山逆冲断层，该断层呈NWW—SEE向沿伸，且活动性较强[图 1(a)]。

山丹台地电阻率观测始于1970年，最初外线路采用军用被覆线，1983年10月外线路更换为8号铁丝。1984年另行选址进行地电阻率观测，将场地迁至目前的观测场地，布设NS、EW、N45°W三个测道[图 1(b)]，3个测道相对于中心点对称分布，中心点距台站观察室约340 m。测量、供电电极均采用铅板，电极埋设深度约为1.8 m，埋设点位于地表冻土层以下，各电极基本处于同一平面。最初采用架空裸铝线作为外线路，2016年10月全部改为绝缘电缆线。所有电极线路先汇集至中心点，再汇集至观测室。各测道布极参数如表 1所示。

山丹台地电阻率随深度的增大呈低—次高—高的特征，电测深曲线属于A型，朱涛等(2011)利用高密度电法测量后，也得到地电阻率总体随AB极距的增大而增大的结论(胡哲等，2011)，其认为地下介质可解释为3层电性结构，第1层电阻率9.1 Ω·m，主要为戈壁沙土堆覆盖层；第2层电阻率18.27 Ω·m，为粘土质沙砾岩；第3层为基岩，电阻率31.97 Ω·m，岩性为第三系砂岩、砂砾岩(表 2)。

2 观测资料分析 2.1 正常变化形态

2016年10月山丹台供电、测量线路全部改为绝缘电缆线，测量仪器更换为ZD8B型，改造完成后仪器标定合格。资料整体上年变形态完整，EW、N45°W测道观测数据呈现夏低冬高的年周期变化，NS测道呈现夏高冬低的变化，EW、N45°W测道与NS测道呈反向年周期变化(图 2)。

通过山丹台地电阻率与山丹2015—2016年的气象资料的对比发现，NS测道观测数据与温度和水位成正相关，而EW、N45°W测道观测数据与温度和水位成反相关[图 3(a)]^①；在旱季地电阻率变化与气温、水位间有较好的对应关系，在雨季则有相应滞后，这表明地电阻率导电与岩石孔隙度结构填充有关(李飞等，2004)。

① 高曙德，异常核实——2017年3月15日甘肃山丹台地电阻率，2017。

2.2 异常分析

2016年10月11—27日山丹台进行了外线路改造，27日恢复地电阻率观测，数据稳定，精度提升。标定合格后的观测数据与原观测数据基本一致，没有改变年变形态。但2016年11月起山丹台EW测道年变幅度开始减小，年变化形态几近消失，该现象持续至2018年11月，此后年变形态恢复。2019年9月16日20时48分，张掖甘州区发生M_S 5.0地震，震中位于38.60°N、100.35°E，震中距台站约62 km(图 4)。

2.2.1 原始曲线异常

2016年11月20日山丹台地电阻率EW测道测值在回升状态下突然开始转折下降，异常持续至2017年1月30日测值降至最低，变化幅度约0.13 Ω·m，与往年变化趋势相反，年变形态消失。2017年3月专家进行异常核实认为，观测系统运行正常，观测场地无干扰源，标定观测仪器合格，并行仪器产出数据与观测仪器一致，故初步判定为破年变趋势性异常(解涛等，2013)。

2018年6月4日，山丹台地电阻率EW测道观测数据转折加速上升，6月17日专家再次进行现场异常核实，对观测仪器主机、供电系统、线路绝缘情况、电极等进行了检查，检查结果合格；对周边环境进行了仔细巡查，查明附近无干扰情况，再次分析认为，山丹台地电阻率EW测道观测数据异常属于地震地球物理中期异常的判断可靠[图 5(a)]。

为了排除线路更换使地电阻率观测数据出现异常变化的可能性，对同时段肃南地震台水管倾斜仪观测资料进行对比分析[图 5(b)]。对于张掖M_S 5.0地震，肃南台震中距为69.16 km，2016年3月肃南台水管倾斜仪测值年变速率减缓，出现低值异常，地电阻率与水管倾斜仪测值的准同步变化表明2种观测资料的客观性，反映出观测场地构造应力状态出现同步变。

2.2.2 傅氏滑动和矩平分析

依据已有研究结果，一般情况下对地电阻率原始曲线消除年变后，相对变化幅度不小于1%的持续变化为异常。但异常变化往往淹没在2%—30%的年变形态中(钱家栋等，1985)，因此，需要消除年变化，常用消除年变方法有傅氏滑动和矩平等。

傅氏滑动方法是赵跃辰等学者提出的消除地电阻率年变的数据处理方法，该方法利用三角级数拟合，在年变化周期T上进行时间序列的递推，以建立新的消除年变化后的序列函数。具体为：将地电阻率观测数据的时间设为{y_n}={y₁, y₂, …, y_n}，令年变周期为T，使用三角级数公式拟合出x_n、x_n+1(杜学彬等，2017)。

$ \begin{gathered} {x_n} = {a_n}\cos \frac{{2\pi \left({j - n + T} \right)}}{T} = {b_n}\sin \frac{{2\pi \left({j - n + T} \right)}}{T} \hfill \\ \left({n = T, T + 1, \ldots, N;j = n - T + 1, n - T + 2, \ldots, N} \right) \hfill \\ \end{gathered} $

(1)

然后利用下式

$ {G_n} = {y_n} - {x_n}\quad \quad \quad \left({n = T, T + 1, \ldots, N} \right) $

(2)

得到消除年变后的新序列{G_n}，给T赋值365，便可得到地电阻率日均值的年变。

对2010—2019年山丹台地电阻率EW测道测值进行傅里叶变换，去除多个周期成分后发现，2016年11月之后，原有的春高秋低的周期现象彻底消失，直至2018年10月恢复；2010—2019年山丹台地电阻率EW测道日均值与与经傅里叶变换去多个周期后日均值之差，在2016年12月、2017年1月、2018年1月及3月有明显的超出阀值的异常现象(图 6)。

傅里叶变换去周期的方法虽然有效，可使异常突出，但也有不足之处。有时大幅度突跳容易产生震荡变化，而这种震荡容易混淆在真实的异常变化中，但矩平处理方法能够有效处理排除震荡干扰后的异常现象。对2010—2019年山丹台地电阻率EW测道观测数据进行一般矩平处理，发现2016年3月处理数值开始降低，持续至2018年10月出现了明显的异常现象——拟合直线下部空区(图 7)。

3 结论与讨论

山丹台地电阻率观测数据稳定，年变明显，测区环境干旱，因台站在山区，受到的干扰较少，故能够真实记录地球介质电性变化信息。本文通过对张掖M_S 5.0地震前山丹台地电阻率异常核实、肃南台水管倾斜仪同步变化分析以及傅氏滑动和矩平分析，得到以下结论。

(1) 山丹台地电阻率观测数据对于中长期地震地球物理异常有较好的指示意义，在张掖M_S 5.0地震前出现了近2年的EW测道破年变异常。

(2) 2016年3月起，距张掖M_S 5.0地震震中69 km的肃南台水管倾斜仪测值年变速率减缓，该变化与山丹台地电阻率异常同步出现，相互印证。

(3) 在进行地电阻率观测数据分析时，一些数据处理方法能够使异常的表现更突出，便于分析人员更准确地识别异常现象。

本研究进一步验证了地电阻率观测手段在地震趋势分析中的作用。对地电阻率与肃南台水管倾斜仪观测数据的联合分析增加了山丹台地电阻率测值异常的可信度，今后异常分析工作应向多种监测手段联合分析的方向发展，多种现象共同印证，以提高异常分析结果的可信度。