0 引言

中国地震台网地电观测是覆盖中国大陆面积较广的监测手段之一。我国地电观测台站始建于20世纪60年代，主要监测物理量为地电阻率和自然电位差，在历史映震资料中占有重要“席位”（张学民等，2006）。然而，地电阻率监测记录中包含各种自然环境干扰、人为干扰、固体潮变化、杂散电流干扰等信息，而且不同台站地电阻率年变影响因素各有差异，如：天津的宝坻、塘沽地震台存在气压、气温、相对湿度、地下水位等外在因素，其中气压影响最显著，但内在因素还与地壳应力场变化有关（田山等，2000）；河北的昌黎、阳原地震台地电阻率受季节性降雨影响，对年周期变化影响显著且具有延时效应（张学民等，1996；张国苓等, 2015, 2019）。关于地电阻率年变，王志贤（1981）、金安忠（1981）等研究认为，其主要与观测台址的电性断面、水文地质条件、布极极距等有关；钱家栋等（1985）进行理论模型计算和相关性分析，认为地电阻率年变是在探测深度偏浅时，降雨、地表潜水位年变动态引起的地表表层介质电阻率的变化，是一种与地震活动无关的干扰变化。然而，部分台站受气象条件、潜水位埋深等因素的影响偏弱，或者由于测区介质电性结构差异性大，多因素导致地电阻率年变周期不明显或规律性不足。

昌黎地电台（下文简称昌黎台）位于燕山山前冲积平原，属华北地台燕山沉降段东段。东侧约110 km为郯庐断裂带渤海段，测区以东约5 km处为NE走向的宁河—昌黎深断裂，西侧约20 km和65 km处为NW走向的滦县—乐亭断裂和NE走向的唐山断裂。第四系覆盖层厚约70 m，含水层发育，总厚度20—30 m，基岩风化厚度约8 m。上覆第四系为低阻层，ρ_s约几到几百Ω·m，下伏基岩为花岗岩高阻层，ρ_s约几千至数万Ω·m。台址勘察时得到该台地下介质有4个电性结构层，分别是：第1层：h₁ = 6 m，ρ₁ = 45 Ω·m；第2层：h₂ = 24 m，ρ₂ = 90 Ω·m；第3层：h₃ = 85 m，ρ₃ = 55 Ω·m；第4层：h₄ = ∞，ρ₄ = 1 300 Ω·m（张学民等，2006）。由于下伏高阻层，所以地电阻率观测受浅层电性层的影响较大，数据年变曲线为冬高夏低型。本文着重研究昌黎地电台（下文简称昌黎台）地电阻率与气象因素（气温、气压、降水量）、地下水位的相关性。

1 观测装置布设

地电阻率观测装置早期一般采用对称四极浅埋方式，共设2个互相垂直的测道（如NS⊥EW或NW⊥NE）[图 1(a)]，公共点为“O”点。每测道有供电电极（A、B点）和测量电极（M、N点），供电极距一般约1 000 m，测量极距一般约500 m（依台站实际情况，极距可能略有差异）。电极多为铅板制作，铅板长宽尺寸多在100 cm以内，厚度0.5 cm以内，埋深一般2—3 m（浅埋）。架空线路为绝缘电缆。这类装置是地电阻率监测工作开展以来比较常用的布极和埋设方式。为避免较多的场地环境干扰和各种电流影响，并抑制自然环境影响，我国20世纪80年代尝试采用深井地电阻率观测，但直到2018年才陆续建立25个井下地电阻率观测台站，这些台站一般建立在具有浅埋观测的同一场区。深埋电极多为铅柱或铅管，电极埋设较浅埋方式灵活，采用中心井垂直观测和多层观测的综合布极方式，以对比分析不同层位地下介质地电阻率的变化。各台站电极尺寸相差较大，埋深也不尽相同（12 m、60—70 m、100—150 m不等），采用铠装电缆或绝缘电缆地埋（叶青等，2022）。

昌黎台目前采用浅埋方式布设NS、EW两个测道，其中：AB_NS = 1 000 m，MN_NS = 250 m；AB_EW = 1 000 m，MN_EW = 200 m[图 1(b)]。铅板电极接地良好，符合地电观测技术规范要求。外线路采用屏蔽绝缘铜线。在西测区，供电极和测量极均置于粉丝厂范围内[图 1(b)]，由地电阻率年变动态和多年趋势可知，所受影响不大。

2 地电阻率年变影响因素分析

选取2003—2022年昌黎台地电阻率NS测道月均值数据，与同期气象因素（气温、气压、降水量）进行对比分析，结果见图 2。由图 2可见，自2017年7月，该台地电阻率NS测道数据呈趋势性下降（EW测道数据所受影响更大）。调查发现，应为测区西电极附近陆续架设暖气金属管道所致，施工结束后数据变化基本稳定，但仍呈低值状态。

以昌黎台地电阻率NS测道为例，抽取无场地环境干扰和有场地环境干扰时段数据，采用多元线性回归分析方法，计算该台地电阻率与气温、气压、降水、地下水位的相关性。

（1）无干扰时段。选取2014年该台地电阻率NS测道数据，与该年气压、气温影响因素进行线性回归分析，结果见图 3，可见气温拟合度更高。

截取2006—2014年（该时间段台站无地下水位记录）该台地电阻率NS测道数据，分别计算其与气压、气温、降水量的线性关系，提取各自标准偏差回归系数，以衡量各因素的影响程度（王岩等，2014），结果见图 4(a)。由图可见，在大部分年份，气温、气压、降水量的影响系数依次降低，说明在该台地电阻率观测中，影响年变周期的主要干扰因素是气温，其次是气压，而降水量影响最差。分析认为，降水同样对地电阻率年变周期具有显著影响，但降水量更多体现为即时和延迟效应。

（2）存在干扰时段。地下水位是地电阻率观测影响因素之一（田山等，2000；钱家栋等，2013）。昌黎台静水位观测井井孔（井深48 m）位于台站院内，距地电阻率观测布极区“O”点约400 m，水位年动态主要受降雨、灌溉抽水、排水入渗的影响。以2018—2022年该台地电阻率NS测道数据为例，计算气压、气温、降水量和静水位在干扰时段的标准偏差回归系数，结果见图 4(b)。由图可见，气温因素影响占比显著，在2020年后地电阻率年变规律稳定阶段（图 2），静水位比降水量因素影响显著。

以上说明，在昌黎台地电阻率年变影响因素中，气温占主导地位，其次为气压、地下水、降水量。

3 多极距观测与地下水位相关性分析

采用2015—2016年昌黎台地电阻率多极距观测实验数据，与同测区浅层地下水位（水位埋深约48 m）进行相关性分析。

3.1 多极距观测装置布设

多极距布设采用对称四极装置，5种布极方式见图 5，图中仅标注供电极距对的埋设位置，测量极距对未标注。其中，NS、EW各测道标注的序号①—④代表各组极距对，原1 000 m极距作为第⑤极距对，具体参数见表 1。原装置电极为90 cm×90 cm的铅板，埋深2.5 m；新装置线路在原电杆架空布设，供电和测量极距对选取工业用高纯度不锈钢管，长80 cm、厚3 mm，地下埋深1.5 m。新老装置观测仪器分别为ZD8B和ZD8M地电仪，二者主要区别在于网络传输功能的不同，仪器性能参数基本一致。

本方案初始电性结构模型采用冯锐等（2001）的研究成果。经计算，当供电极距不大于1 000 m时，各电性结构层响应系数如下：第4层响应系数小于20%；当AB = 300—400 m时，第3层响应系数为最高值，影响占比可达70%；当AB≈100 m时，第2层响应系数为最高值，影响占比约60%（佟鑫等，2016）。因此，在设计观测极距时，应主要考虑第3层的影响占比。

3.2 相关性分析

浅水位动态特征主要反映地表水供给或浅层抽水情况。采用以上5种布极方式进行观测，将地电阻率月均值和浅水位同步月均值进行对比，结果见图 6，图中水位柱状图纵坐标数值越大，表明水位越低。由图 6可见：各极距观测的地电阻率与浅水位变化均呈负相关，且AB = 30 m时，地电阻率无年变，负相关效果显著；在AB = 125 m、AB_EW = 300 m和AB_NS = 400 m、AB_EW = 400 m和AB_NS = 500 m、AB = 1 000 m时，地电阻率冬高夏低年变动态随极距加大逐渐明显，年变幅变化量逐渐减小。5组极距对各测向年变幅变化量统计结果见表 2。

经计算，极距分别为30 m、125 m、300 m（EW测道）/400 m（NS测道）、400 m（EW测道）/500 m（NS测道）时，探测深度分别约为14 m、55 m、81 m（EW测道）/85 m（NS测道）、85 m（EW测道）/88 m（NS测道）（佟鑫等，2016；郭建芳等，2016），而14 m深度与居民生活用井水位相当，降水和人为抽水、注水等情况对此层水位影响显著，故受此影响，当AB = 30 m时，探测的地电阻率无显著年变。随着探测深度增加，观测层位受干扰程度逐渐减弱，地电阻率年变随深度增加而逐渐显著。

4 结论

（1）利用多元线性回归方法对昌黎台地电阻率与气象因素（气温、气压、降水量）进行相关性分析，发现不论有无背景性场地环境干扰，均显示气温影响系数最大，其次为气压、降水量。

（2）对2015—2016年地电阻率多极距观测结果与地下水位进行相关性分析，显示各层地电阻率与浅层水位均呈负相关性，表层地电阻率无年变特征，且与浅水位变化同步性较好，且随着探测深度的增加，地电阻率冬高夏低的年变特征逐渐明显。

（3）气温和气压对地电阻率的影响均涉及探测介质含水量的变化。实验研究表明，多数情况下地电阻率在0 ℃左右发生相变，低于0 ℃急剧上升，高于0 ℃则缓慢下降，但变幅较小（钱家栋等，1985）。昌黎台地电阻率与气压年变化趋势呈正相关，即气压增大，地电阻率增大，反之减小。这一结果主要是二者受星际间引力场作用的影响所致，当外空引力场增大时，单位体积空气质量和密度减小，气压降低，探测区潜水位随之上升，且含水层空隙水也向探测区集中，水层厚度增大，从而提高了探测物质的电导率，此时地电阻率降低（田山等，2000）。