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M_S7.8、1988年澜沧—耿马M_S7.6、2008年汶川M_S8.0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。

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。

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ρ_i，i = 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ρ_a为各分区介质电阻率的函数（钱家栋等，1985；Park 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B_i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。

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。

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。

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。

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。

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）。

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。

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。