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  地震地磁观测与研究  2021, Vol. 42 Issue (3): 173-179  DOI: 10.3969/j.issn.1003-3246.2021.03.020
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引用本文  

吴鹤帅, 罗娜, 赵志远, 等. 降雨对大柏舍地电台地电阻率观测的影响[J]. 地震地磁观测与研究, 2021, 42(3): 173-179. DOI: 10.3969/j.issn.1003-3246.2021.03.020.
WU Heshuai, LUO Na, ZHAO Zhiyuan, et al. Analysis of rainfall effects on earth resistivity observation at Dabaishe station[J]. Seismological and Geomagnetic Observation and Research, 2021, 42(3): 173-179. DOI: 10.3969/j.issn.1003-3246.2021.03.020.

基金项目

河北省地震局星火计划(项目编号: DZ20190422037, DZ20190419030)

通讯作者

罗娜(1981-), 女, 保定人, 工程师, 硕士, 主要从事电磁学和地震预测研究工作。E-mail: luona0104@163.com

作者简介

吴鹤帅(1993-), 男, 邢台人, 助理工程师, 学士, 主要从事电磁学和地震监测工作。E-mail: wuheshuai@sina.com

文章历史

本文收到日期:2020-07-13
降雨对大柏舍地电台地电阻率观测的影响
吴鹤帅 , 罗娜 , 赵志远 , 张波 , 尹小兵     
中国河北 054000 红山基准地震台
摘要:选取大柏舍地电台2011—2019年地电阻率观测数据和降雨量资料,分析降雨对地电阻率观测的影响,利用影响系数理论,对结果进行分析探讨。结果表明,由于大柏舍地电台表层介质影响系数较小且为负值,小幅降雨对该台地电阻率短期影响不明显,仅自然电位差受到干扰;大范围强降雨时,地电阻率和自然电位差均受到影响;因ZD8B仪地电阻率观测系统架空线路漏电,导致EW向分量呈阶降变化,且比用于背景场观测的ZD8M仪变化幅度大。
关键词地电阻率    降雨    自然电位    影响系数    
Analysis of rainfall effects on earth resistivity observation at Dabaishe station
WU Heshuai , LUO Na , ZHAO Zhiyuan , ZHANG Bo , YIN Xiaobing     
Hongshan Benchmark Seismic Station, Hebei Province 054000, China
Abstract: By selecting earth resistivity observation and rainfall data from 2011 to 2019 at the Dabaishe station, we analyze the effects of rainfall on earth resistivity observations and discuss the results using the influence coefficient theory. It shows that because the influence coefficient of the surface layer at the Dabaishe station is small and negative, the short-term effect of small rainfall on the earth resistivity observation is not obvious and only the spontaneous potential difference is disturbed. When a large-scale heavy rainfall occurs, both the earth resistivity and the spontaneous potential difference observations are affected. The EW-component observation of earth resistivity of ZD8B shows step reductions due to the leakage between lines; its variation amplitude is bigger than that of ZD8M.
Key words: earth resistivity    rainfall    spontaneous potential    influence coefficient    
0 引言

1966年邢台地震发生后,我国将地球物理勘探电阻率方法用于地震监测预报(杜学彬,2010解滔等,2016张国苓等,2019)。在1976年唐山MS7.8、1988年澜沧—耿马MS7.6、2008年汶川MS8.0等中强地震前多次记录到地电阻率异常,且异常通常表现为趋势性下降、破年变异常变化(钱复业等, 1980, 1991钱家栋,1993汪志亮等,1995王志贤等,1996张学民等,2009钱家栋等,2013杜学彬等,2015)。地电阻率观测已成为研究地震预报的有效手段之一。

地电阻率观测易受到观测系统、电流、局部异常体、水位、降雨等因素的影响(李菊珍等,2004陈远东等,2007张国苓等,2013罗娜等,2016)。降雨对地电阻率的干扰比较复杂,既存在即时效应,又存在滞后效应,与地电阻率季节性变化相关较好,需综合考虑渗透过程、蒸发作用、电性结构、降雨方式、地形等因素的影响(金安忠,1981李飞等,2004张伟峰等,2015)。如:昌黎地电台地电阻率在降雨当天出现大幅下降变化;嘉峪关地电台地电阻率在降雨时数据反而上升(赵和云等,1986乔子云等,2019);代县台地电阻率年变动态主要由降雨造成,且表层介质影响系数为负,具有“反向年变”特征;周至台地电阻率年变主要是因为地表薄层受降雨、温度等季节因素影响(石富强等,2014郭文峰等,2019)。可以建立渗透模型,分析降雨及渗透过程对地电阻率的影响机制,利用褶积滤波法去除降雨对地电阻率的影响(张学民等,1996宋晓磊等,2006)。

河北省大柏舍地电台(下文简称大柏舍台)始建于1966年邢台地震之后,当时由兰州地震大队建立和管理,属于国家基本台,是我国建设较早的地电台站。文中以大柏舍地电台地电阻率观测数据为基础,结合观测日志、降雨量数据及电性结构,分析不同降雨方式对地电阻率观测的影响,为地电阻率异常识别提供依据。

1 大柏舍台地电阻率观测概况

大柏舍台台址位于邢台市隆尧县柏舍村,地处隆尧断裂和新河断裂交叉部位(图 1),所在区域属邢台老震区,周围断裂较为发育,为地震监测敏感点,观测数据较为可靠,映震效能较好(王志贤,1987王志贤等,1997)。多年来监测预报评估结果为A,震例R值平均评分约为0.24。

图 1 大柏舍台地质构造 Fig.1 Geological structure graph at Dabaishe station

该台地电阻率测区地势平坦,采用对称四极法进行观测。“九五”时期,使用ZD8B仪进行观测,整点值采样,布设NS向测道和EW向测道,两测道相互垂直,装置系数均为3.142,供电、测量电极布设在农田中,采用60 cm × 50 cm × 2 cm方形铅板电极,均埋深2 m,供电极距A1B1= A2B2= 1.5 km,测量极距M1N1= M2N2= 0.5 km(图 2),外线路采用横担绝缘子架空方式。2016年ZD8M仪器入库观测,外线路采用地埋方式。2017年11月,大柏舍台利用DUK-2A电法测量系统重新进行电测深勘探,采用水平层状介质模型,得到电测深电性结构与影响系数,见表 1

图 2 大柏舍台地电阻率测区环境 Fig.2 The geoelectric resistivity observation environment around Dabaishe station
表 1 大柏舍电测深曲线反演的电性结构 Table 1 The electrical structure obtained by inverting electric sounding data at Dabaishe station
2 影响系数理论

将视电阻率测区划分为任意N块区域,每块区域视为介质均匀,设电阻率为ρii = 1,2,…,N,在测区电性结构确定、观测装置和极距以及布极位置确定时,视电阻率ρa为各分区介质电阻率的函数(钱家栋等,1985Park et al,1991),公式如下

$ {\rm{d}}\left({{\rm{Ln}}{\rho _{\rm{a}}}} \right) = \sum\limits_{i = 1}^N {\frac{{\partial {\rm{Ln}}{\rho _{\rm{a}}}}}{{\partial {\rm{Ln}}{\rho _i}}}} \;{\rm{d}}\left({{\rm{Ln}}{\rho _i}} \right) $ (1)

一般,各区域介质电阻率在一定时间内相对变化量较小,可对式(1)进行Taylor级数展开,其中二阶及高阶项远小于一阶项,可略去不计,则视电阻率相对变化可表示为各区域介质电阻率相对变化加权和,公式如下

$ \frac{{\Delta {\rho _{\rm{a}}}}}{{{\rho _{\rm{a}}}}}{\rm{ = }}\sum\limits_{i = 1}^N {{B_i}} \frac{{\Delta {\rho _i}}}{{{\rho _i}}} $ (2)
$ {B_i} = \frac{{\partial {\rm{Ln}}{\rho _{\rm{a}}}}}{{\partial {\rm{Ln}}{\rho _i}}} = \frac{{{\rho _i}}}{{{\rho _{\rm{a}}}}}\frac{{\partial {\rho _{\rm{a}}}}}{{\partial {\rho _i}}} $ (3)

同时,影响系数Bi满足如下关系

$ \sum\limits_{i = 1}^N {{B_i}} = 1 $ (4)
3 降雨对地电阻率观测的影响

选取大柏舍台2011—2019年地电阻率和降雨量资料,分析单日降雨、连续降雨、雷雨、强降雨对地电阻率观测的影响。

3.1 单日降雨

2014年4月25日,大柏舍地电测区出现降雨天气,台站记录降雨量为27.3 mm。观测数据显示,该台地电阻率无明显变化,自然电位差受到影响(图 3),其中:NS测道自然电位差出现上升—下降变化,上升幅度11.7 mV;EW测道自然电位差出现下降—上升变化,下降幅度17.2 mV。降雨停止后,随着天气放晴地面慢慢变干,两测道自然电位差在几天内逐步恢复。

图 3 单日降雨对地电阻率和自然电位差影响 Fig.3 The effect of single-day rainfall on earth resistivity and spontaneous potential difference observations
3.2 连续降雨

2015年5月1日至7日,大柏舍台当地出现连续降雨,降雨总量达45 mm,其中5月1日降雨量25.1 mm。此次降雨对地电观测的影响见图 4。由图 4可见,大柏舍台地电阻率未受降雨影响,NS测道自然电位差5月1日起出现快速上升—下降变化,上升幅度9.5 mV,EW测道自然电位差出现快速下降—上升变化,下降幅度4.3 mV;在自然电位差数据恢复过程中,5日再次出现降雨,降雨量12.9 mm,NS、EW测道数据再次出现快速上升、下降变化,降雨结束后,观测数据缓慢恢复正常。

图 4 连续降雨对地电阻率和自然电位差影响 Fig.4 The effect of continuous rainfall on earth resistivity and spontaneous potential difference observations
3.3 雷雨

2017年10月8日至10日,大柏舍地电测区内出现降雨天气,其中8日为雷雨天气,降雨总量为53.3 mm。此次降雨对该台地电观测的影响见图 5。由图 5可见,NS测道自然电位差8日出现快速大幅上升—小幅下降变化,18时至19时上升幅度41.8 mV,19时至20时突降16.4 mV,21时后开始缓慢下降;EW测道自然电位差18时至19时快速小幅上升6.5 mV,19时至20时大幅下降15.3 mV,随后缓慢上升;9日、10日再次降雨,两测道自然电位差虽有小幅波动,但整体呈恢复状态。

图 5 雷雨对地电阻率和自然电位差影响 Fig.5 The effect of thunderstorms on earth resistivity and spontaneous potential difference observations
3.4 强降雨

2016年7月18日—21日,河北省在低涡及副高外围暖湿气流共同影响下,出现当年最强一次强暴雨过程,全省平均降水量达154.6 mm,其中邢台市平均降水204 mm,柏乡、宁晋、隆尧等4县相继滞洪进水0.2—1.5 m。大柏舍台19日、20日单日降雨量为64.5 mm、50.5 mm,当月累计降雨总量高达173.4 mm,较2015年同期偏多5倍(邢台市水务局,2016吴丽英等,2018)。

此次降雨过程突发性强、范围广、强度大,大柏舍台不仅自然电位差受到暴雨干扰,地电阻率观测也受到影响,见图 6。由图 6可见,7月19日至20日,大柏舍台自然电位差出现数次大幅阶变,EW测道最大变化幅度为43 mV,NS测道最大变化幅度为20 mV,21日后逐步恢复正常变化;7月19日以来,地电阻率NS测道仅7月20日出现阶变,最大变化幅度为0.37 Ω·m,而EW测道出现大幅台阶变化,且持续至8月14日,最大变化幅度为1.27 Ω·m,8月15日起逐渐恢复正常形态。

图 6 强降雨对地电阻率和自然电位差影响 Fig.6 The effect of heavy rainfall on earth resistivity and spontaneous potential difference observations
4 讨论

降雨当天或者第二天,地表形成薄饱水层,表层介质含水率升高,表层真电阻率下降。若台站表层介质影响系数为正,地电阻率观测值上升;若台站表层介质影响系数为负,地电阻率观测值将下降。随着雨水下渗、蒸发等,雨水影响深度逐渐增加,水饱和程度逐步减小,至恢复原有程度(赵和云等,1986)。

根据大柏舍电测深曲线反演的电性结构(表 1),计算AB/2 = 750 m时各层影响系数,结果见表 2。由表 2可见,B3是大柏舍台地下第三层的影响系数,所占比重较大,表明该台地电阻率观测主要反映第三层介质变化,而B1系数相对较小,小幅降雨对大柏舍地电阻率短期影响不明显,仅自然电位差受到干扰。

表 2 AB/2 = 750 m时大柏舍台各层影响系数 Table 2 The effect coefficient for each layer while AB/2 = 750 m at Dabaishe station

雷电是一种强大的电磁干扰,近距离雷电电压较高,在放电瞬间引起观测数据大幅度改变,严重时对地充电,可导致测区自然电位急剧增长,且数日不稳定(钱家栋等,1985王燚坤等,2011)。降雨伴随雷电现象时,大柏舍台自然电位差变化幅度较大。

表层影响系数B1较小,降雨量较少时,可以看出地电阻率观测不受影响,但2016年7月19日至20日降雨量高达115 mm,大柏舍台表层介质电阻率发生改变,从而引起地电阻率变化。同时,ZD8M仪器EW向地电阻率出现阶升变化,幅度约0.1 Ω·m,证明此次降雨确实对地电阻率观测造成了影响(图 7)。

图 7 2016年7月5日—8月23日大柏舍地电阻率测值(ZD8M) Fig.7 The earth resistivity observations by ZD8M at Dabaishe station from July 5 to August 23, 2016

持续几天的强降雨造成空气湿度增大,同时,因ZD8B地电阻率观测系统外线路使用年限较长,出现老化现象,线路绝缘性能明显降低。7月21日临时检查结果显示,EW方向M极测量线路绝缘电阻为80 MΩ,N极测量线路绝缘电阻为200 MΩ(表 3),线路出现漏电现象,线路漏电导致ZD8B仪地电阻率观测数据出现大幅阶降变化。而用于背景场观测的ZD8M仪采用地埋线路,因表层介质影响系数B1为负,强降雨造成地电阻率观测值上升,阶变幅度比ZD8B仪数据记录幅度小。

表 3 EW向测量线路绝缘电阻 Table 3 EW measuring component insulation resistance
5 结论

文中总结了不同降雨方式及降雨量对大柏舍地电阻率观测的影响,并通过影响系数理论对结果进行了探讨,得到以下结论。

(1)降雨对地电观测的影响。在降雨较小或者雷雨天气条件下,自然电位差变化较大。大柏舍台表层介质系数较小,单日降雨且降雨量较小时,地电阻率观测不受影响,自然电位差受到影响,并于降雨结束后缓慢恢复;出现连续降雨时,在自然电位差恢复过程中再次出现上升、下降变化;受雷雨影响时,自然电位差NS测道出现快速大幅上升—小幅下降变化,EW测道出现小幅下降—大幅上升变化,变化幅度比单纯降雨时偏大。大范围强暴雨时,大柏舍台自然电位差和地电阻率观测同时受到影响。因测区表层介质对地电阻率相对变化影响系数为负值,降雨后地表形成薄饱水层,表层真电阻率降低,地电阻率观测值升高。

(2)观测装置老化对地电阻率观测的影响。由于ZD8B仪外线路采用架空方式,线路老化现象严重,降雨时线路漏电影响程度大于降雨对地电阻率观测的影响,导致ZD8B东西向地电阻率呈现阶降变化;而背景场观测的ZD8M仪采用地埋线路,阶变幅度比ZD8B仪小。

(3)地电台站可采取一些措施降低降雨影响。一般,地电阻率观测受降雨影响较明显,自然电位差则无变化,例如:昌黎台受降雨影响,地电阻率测值出现大幅度下降;嘉峪关台大雨当日,地电阻率测值出现大幅度突升。而大柏舍台在小幅降雨时,仅自然电位差受到影响,大范围强降雨才会对地电阻率产生影响。为此,在日常观测、台站建设中,可增加电极距或采用深井地电阻率观测,抑制降雨对地电观测产生的干扰。

降雨对地电阻率的影响机制较复杂,文中仅定性分析降雨对大柏舍台地电阻率观测的影响,至于引起该台地电阻率发生变化的降雨量大小及相应的变化幅度,尚需大量数值模拟工作来进行量化分析。

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