發(fā)布時間：2018-07-30所屬分類：科技論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要：通過對安徽區(qū)域地電阻率臺站觀測資料進(jìn)行全面分析整理，根據(jù)連續(xù)率、完整率、月精度等指標(biāo)綜合評價了觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量，歸納總結(jié)引起地電阻率變化的主要干擾因素，并提出了改進(jìn)措施和技術(shù)方案，對進(jìn)一步提高觀測資料質(zhì)量具有一定的參考意義。 關(guān)鍵詞：地電
摘要：通過對安徽區(qū)域地電阻率臺站觀測資料進(jìn)行全面分析整理，根據(jù)連續(xù)率、完整率、月精度等指標(biāo)綜合評價了觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量，歸納總結(jié)引起地電阻率變化的主要干擾因素，并提出了改進(jìn)措施和技術(shù)方案，對進(jìn)一步提高觀測資料質(zhì)量具有一定的參考意義。
關(guān)鍵詞：地電阻率;觀測質(zhì)量;影響因素;技術(shù)措施
0引言
利用地電阻率的變化可探測到地球淺層巖石介質(zhì)的電學(xué)屬性隨時間的變化，其異常變化可用于地震監(jiān)測預(yù)報。自1966年河北邢臺MS7.2地震后我國開始了地電阻率觀測，目前已形成了由近百個定點連續(xù)觀測臺站組成的地電阻率觀測網(wǎng)。經(jīng)長期觀測實踐，地電觀測技術(shù)、方法理論研究等方面都取得了顯著進(jìn)展，并在大地震、中強地震前多次記錄到突出的中短期地電阻率異常[1-3]，為有效預(yù)測地震提出有力的依據(jù)。
安徽省自1972年開始陸續(xù)建設(shè)地電阻率臺站，隨著“九五”、“十五”、“十一五”項目的實施，所有臺站均為數(shù)字化觀測，經(jīng)過多年連續(xù)觀測，已積累大量的觀測資料，也積累了一定的數(shù)據(jù)分析經(jīng)驗，在地震監(jiān)測、預(yù)報和科學(xué)研究等方面發(fā)揮了重要作用[4]。為提高安徽省現(xiàn)行地電阻率觀測臺網(wǎng)的監(jiān)測水平，準(zhǔn)確地掌握數(shù)據(jù)觀測質(zhì)量狀況、有效地識別和排除干擾已成為一項必要工作。本文歸納了引起地電阻率變化的干擾因素及相關(guān)的改進(jìn)技術(shù)措施，對認(rèn)識地電阻率正常變化、識別異常變化以及提高資料觀測質(zhì)量具有實際應(yīng)用價值和參考依據(jù)。
1地電阻率臺站觀測概況
經(jīng)過40多年的發(fā)展，目前安徽省地電阻率臺網(wǎng)已擁有了合肥、黃山、安慶、蒙城、嘉山、合肥形變6個數(shù)字化觀測臺站。建設(shè)初期，臺站主要使用DDC-2型人工觀測儀器，經(jīng)陸續(xù)改造臺站觀測系統(tǒng)、升級觀測設(shè)備，現(xiàn)觀測儀器統(tǒng)一使用中國地震局地殼研究所研制的ZD8M地電儀，觀測周期為每小時測量一次。
地電阻率觀測裝置均采用四極對稱布極，電極為鉛板，外線路采用絕緣線架空方式。不同臺站供電極距分別為600～1000m，測量極距200～250m，供電電極和測量電極埋深約2m左右，各觀測臺的基本信息如表1所示。
絕大多數(shù)臺站沿郯廬斷裂帶分布，構(gòu)造活動比較活躍的地區(qū)，基礎(chǔ)資料完備，數(shù)據(jù)觀測質(zhì)量較好，在利辛MS4.9、九江MS5.7、安慶MS4.8等地震前均有較好反映[5]，對郯廬斷裂帶中南段震情監(jiān)視起到重要作用。
2觀測資料質(zhì)量分析
2.1連續(xù)率和完整率
目前，數(shù)據(jù)的連續(xù)率、完整率是前兆各學(xué)科觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量評估比較通用的指標(biāo)，連續(xù)率是以觀測系統(tǒng)未經(jīng)任何處理的原始數(shù)據(jù)為統(tǒng)計對象，可以反映觀測系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)狀態(tài);完整率的統(tǒng)計對象是預(yù)處理數(shù)據(jù)，即按照學(xué)科要求經(jīng)過相應(yīng)處理后的數(shù)據(jù)，反映有效數(shù)據(jù)的連續(xù)性。對2013—2017年安徽地區(qū)地電阻率觀測數(shù)據(jù)的連續(xù)率和完整率分別進(jìn)行了統(tǒng)計(表2～3)。
從表2可知，除黃山臺以外各臺站觀測系統(tǒng)連續(xù)率均值在99%以上，達(dá)到較高水平，表明儀器穩(wěn)定性好，觀測系統(tǒng)運行正常。安慶臺自2014年數(shù)字化觀測后，連續(xù)率有所提升。由表3可知，大部分臺站完整率與連續(xù)率相差不大，表明數(shù)據(jù)較為穩(wěn)定，粗差現(xiàn)象較少。其中，蒙城臺連續(xù)5年的連續(xù)率、完整率均為100%，黃山臺因場地施工干擾導(dǎo)致連續(xù)率、完整率偏低;合肥臺自2017年以來因地鐵干擾造成數(shù)據(jù)錯誤和缺測增多。
2.2觀測精度
利用月精度(相對標(biāo)準(zhǔn)差)評價地電阻率觀測的噪聲水平，檢驗觀測結(jié)果的內(nèi)在質(zhì)量[6]。每天每個測道的小時相對標(biāo)準(zhǔn)差的日平均值為日相對標(biāo)準(zhǔn)差，每月所有測道日相對標(biāo)準(zhǔn)差的平均值為月相對標(biāo)準(zhǔn)差，kσn計算公式為
式中：N指臺站的測道數(shù)，D指當(dāng)月的天數(shù)，H是1天中小時觀測數(shù)據(jù)的個數(shù);(σn)kji是當(dāng)月第j測道、第i天、第k小時地電阻率測值的均方差，(ρs)kji是當(dāng)月第j測道、第i天、第k小時地電阻率測值。
由統(tǒng)計2013—2017年觀測數(shù)據(jù)月精度的計算結(jié)果(表4)可知，蒙城臺、合肥形變臺、安慶臺資料內(nèi)在觀測精度均達(dá)到較高水平。嘉山臺自2015年起月精度逐年變差，與外線路老化漏電有較大關(guān)系;黃山臺測區(qū)內(nèi)2014年7月開始建設(shè)居民小區(qū)，導(dǎo)致資料觀測精度較差，小區(qū)建成后月精度趨于穩(wěn)定;合肥臺自2017年合肥市地鐵通車后，觀測精度已不能滿足地電觀測規(guī)范要求。
3主要干擾
3.1外線路漏電
當(dāng)外線路、線間不同部位漏電時，產(chǎn)生的漏電電流都會附加到測量電流中，從而引起測值超出穩(wěn)定背景值范圍變化，有時甚至無法觀測。漏電會導(dǎo)致觀測資料精度大大降低，數(shù)據(jù)往往出現(xiàn)大的尖峰。合肥臺和嘉山臺外線路存在氧化、破損、接頭多等問題，遇到惡劣天氣易引起線路局部漏電，典型事件記錄見圖1。合肥臺2015年12月23—25日、2016年1月4—5日有降雨，NS向地電阻率2次因線路漏電出現(xiàn)大幅度下降變化，變幅分別達(dá)到6.3%、10.2%，降雨停止后數(shù)據(jù)逐漸恢復(fù)正常(圖1a);嘉山臺2017年7月1—2日EW向地電阻率因線路漏電發(fā)生數(shù)據(jù)突變(圖1b)，最大變幅達(dá)到12.8%，更換破損線路后，數(shù)據(jù)恢復(fù)正常。
3.2場地環(huán)境干擾
隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，臺站周圍生活設(shè)施干擾和電磁干擾的日益增多，如周邊農(nóng)田大面積灌溉、地下金屬管線敷設(shè)、高壓直流輸電線、場地施工、直流用電系統(tǒng)等均會對地電觀測造成不同程度的影響。目前安徽嘉山臺、黃山臺和合肥臺地電阻率受場地環(huán)境干擾嚴(yán)重，嘉山臺于2008—2009年測區(qū)西北部搭建鋼架廠房，數(shù)根金屬鋼管埋于地下，埋設(shè)約2m，輔以鋼筋混凝土柱支撐，埋設(shè)地距離西向供電測線A3電極僅有1m。
從2009年開始EW向地電阻率年變形態(tài)出現(xiàn)畸變，突跳、臺階變化增多(圖2a)。黃山臺自2014年7月以來地電測區(qū)及電極附近有大規(guī)模居民小區(qū)建設(shè)施工，大范圍地基挖掘及建筑施工使得地電阻率數(shù)據(jù)長期呈現(xiàn)毛刺、臺階現(xiàn)象(圖2b)。
合肥臺距離合肥市地鐵2號線直接距離為830m，地鐵2號線于2017年6月空載試運行后，合肥臺地電阻率觀測受到嚴(yán)重干擾，出現(xiàn)大幅度、高頻次突跳變化(圖3a)，較正常背景值變化高達(dá)2%～6%，均方差增大20%，在地鐵停止運行時段(00—05時)，地電阻率數(shù)據(jù)比較穩(wěn)定光滑。合肥形變臺距地鐵2號線直線距離為19.2km，在地鐵運行時段地電阻率變化形態(tài)與合肥臺受地鐵干擾形態(tài)一致，幅度達(dá)到0.5%～1.5%，均方差顯著增大表明測值精度減低(圖3b)。
3.3降雨干擾
降雨對地電阻率的影響分為2種，短時強降雨對地電阻率引起即時變化效應(yīng);連續(xù)降雨天氣時地電阻率的影響表現(xiàn)為持續(xù)下降變化，雨后隨著地面慢慢變干，測值又逐漸回升。
圖4給出了合肥臺、安慶臺受強降雨影響引起的數(shù)據(jù)變化，從圖4看出測值下降與降水時間比較同步，變化形態(tài)多為下降—緩慢上升，下降幅度與降水量大小有關(guān)。因臺址條件和區(qū)域氣候不同，各臺站對于降水后的數(shù)據(jù)變化形態(tài)、幅度也各不相同，即使同一臺站不同測向也存在差異。
3.4年變干擾
蒙城臺存在規(guī)則的年變形態(tài)，幅度在2.5%左右。這種年周期性的變化，是非應(yīng)力—應(yīng)變因素變化引起的干擾，與地震無關(guān)，習(xí)慣稱為年變干擾。年變化物理成因主要來自于地電阻率測區(qū)探測范圍內(nèi)地下水中潛水水位的動態(tài)變化，與表層降水及地下水位等氣象因素密切相關(guān)[7]。
經(jīng)過對蒙城臺地電阻率與同期地下水位資料的對比分析(圖5)，看出該臺年變化隨伴地下水位升降而產(chǎn)生，而地下水位主要靠當(dāng)?shù)亟涤甑难a給。每年6—8月強降水時段，地下水位得到降水的補給，水位持續(xù)上升，NS向地電阻率隨之下降，EW向隨之上升;春、冬季水位較低時，NS向地電阻率達(dá)到高值，EW向地電阻率則達(dá)到低值。
4提高觀測質(zhì)量的技術(shù)措施
4.1外線路維護(hù)與改造措施
外線路由于線路長，布極周圍環(huán)境復(fù)雜，且線路節(jié)點多，易松動，經(jīng)日曬雨淋及氧化后容易破損。外線路的布線設(shè)計、保養(yǎng)、定期檢查以及排除漏電是提高資料內(nèi)在質(zhì)量的關(guān)鍵所在。
經(jīng)過多年經(jīng)驗總結(jié)如下：①為了避免漏電干擾，供電極引線與測線引線的接頭應(yīng)懸空，并套上熱縮管或加裝保護(hù)盒，且接頭不應(yīng)承受拉力;②調(diào)整供電線和測量線的位置，將供電線集中在左側(cè)，而將測量線換到右側(cè)，加大2種線路間的距離，盡量避免相互間的電磁影響;③增加外線路巡檢次數(shù)，對嚴(yán)重老化線路應(yīng)進(jìn)行改造、更換，保證線路中間無接頭;④線路切勿掛在鋼索上，鋼索與電桿之間沒有絕緣，這就在測區(qū)中人為地形成多個聯(lián)通的接地點，影響到人工電場的分布，當(dāng)接地條件改變時造成觀測結(jié)果變化，特別是降雨會出現(xiàn)地電阻率測值的大幅度變化。
合肥形變臺外線路直接掛在鋼索上，雨后絕緣性降低。2016月9月24日至11月18日合肥形變臺對鋼索線加裝拉緊絕緣子(瓷瓶)，改造后外線路絕緣電阻大于500MΩ，大大降低了漏電隱患。
由圖6看出，安裝拉緊絕緣子期間導(dǎo)致NS向地電阻率出現(xiàn)持續(xù)下降變化，變幅達(dá)1.10%，11月底地電阻率處于小幅度年變上升并逐漸趨于平穩(wěn);2017年的年變幅度比往年均值(1.23%)減小了0.41%，與同期降雨資料做對比分析，發(fā)現(xiàn)受降雨影響下降幅度也顯著減小，表明改造線路后絕緣程度升高，達(dá)到了預(yù)期的效果。
4.2改進(jìn)觀測方法的技術(shù)方案
根據(jù)以往方法實驗和研究成果[8-9]，本文針對測區(qū)環(huán)境干擾提出一些抗干擾措施和建議，為有針對性提升安徽省地電阻率觀測質(zhì)量提供技術(shù)參考和方案。
1)采用交流地電阻率觀測方式：合肥臺距離地鐵2號線約830m，地鐵漏電電流的影響相對埋深基本可以看作是遠(yuǎn)場干擾，因此深埋電極觀測對于減小地鐵漏電影響基本沒有意義。為有效地抑制地鐵運營等各種雜散電流的影響，可行的方法是對合肥臺采用交流地電阻率法觀測系統(tǒng)，供電頻率應(yīng)避開地鐵干擾頻段范圍。目前國內(nèi)地震前兆觀測僅在江蘇江寧等臺做過交流與直流地電阻率觀測對比試驗，取得了較好的效果，但還沒有專門的觀測系統(tǒng)。隨著地電阻率交流觀測方法的深入研究和觀測系統(tǒng)的穩(wěn)定，預(yù)期該方法能夠彌補目前直流地電阻率觀測系統(tǒng)抗地鐵干擾能力的不足。
2)采用井下地電阻率觀測方式：黃山臺地電布極區(qū)內(nèi)建設(shè)居民小區(qū)，受周邊環(huán)境限制應(yīng)采取深井觀測，將地表的電極裝置深埋在地下一定深度，在地下水平向開展對稱四極的地電阻率觀測和垂直方向地電阻率觀測，從而緩解地電觀測與地方經(jīng)濟(jì)建設(shè)用地的矛盾，有效抑制和減小了地面的施工、降雨等干擾，提升觀測質(zhì)量。
3)深埋電極方式：嘉山臺EW向A3電極距離鋼架廠房僅有1m，為提高數(shù)據(jù)精度應(yīng)避開鋼架埋設(shè)位置，把電極往西遷移20～50m，并采取深埋電極，將大大減少表層電阻率的影響，對抑制降雨、金屬管道等干擾較為有利;安慶臺EW向電極在雨后泡水，可埋設(shè)電極在含水層以下。
4.3數(shù)據(jù)處理方法
4.3.1地鐵運營時段數(shù)據(jù)處理
嘗試采用軌道交通停運期間的整點均值替代日均值方法，來達(dá)到降低地鐵干擾的目的。
以2017年合肥臺地電阻率觀測資料為例，繪制每日地鐵未運營時段(00—05時)整點均值曲線，與原始日均值曲線進(jìn)行對比(圖7)，兩者變化趨勢基本一致，經(jīng)計算2條曲線的月相關(guān)度，最高為0.985，最低為0.553，平均0.769，故認(rèn)為夜間數(shù)據(jù)均值取代日均值進(jìn)行資料分析是可行的。
4.3.2消除降雨影響處理
合肥臺地電阻率年變形態(tài)為“冬高夏低”，與降雨分布較為一致。降雨對地電阻率的影響比較復(fù)雜，不僅有一定的即時效應(yīng)，還存在一定的時間滯后效應(yīng)，利用褶積濾波法可以較好地去除降雨對地電阻率的影響[10]。
gongshi2
通過Matlab軟件對2008—2016年合肥臺降雨量對NS向地電阻率的影響值進(jìn)行多元回歸計算，其結(jié)果如圖8所示
當(dāng)去掉降雨量的影響后，地電阻率相對穩(wěn)定一些，年變幅度減小，但仍存在一定的趨勢性變化;還可以看出2015—2016年降雨量明顯比往年增多，使得地電阻率影響量值也顯著增大，對消除降水影響后期間地電阻率趨勢下降變化有所抑制。
4.3.3消除地下水位影響處理
蒙城臺地電阻率年變化伴隨地下水位升降而產(chǎn)生，兩者變化對應(yīng)較好，計算2000—2016年NS、N45°E、EW向地電阻率與地下水位的相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.763、0.725、0.638，說明地電阻率觀測與地下水位是顯著相關(guān)的。采用一元線性回歸分析方法對水位進(jìn)行定量消除，利用蒙城臺水位、NS向地電阻率日均值參量擬合出地電阻率值，線性公式為y=-0.6462x+79.113，然后計算出實測觀測值與擬合值的殘差，并將所選時間段殘差值繪制曲線(圖9)，消除水位影響后的年變化幅度明顯減小。
5結(jié)論
安徽區(qū)域地電阻率觀測資料的整體連續(xù)率、完整率較高，觀測系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠，數(shù)據(jù)內(nèi)在精度達(dá)到較高水平，除黃山臺和合肥臺以外均能夠滿足分析預(yù)報使用的要求。黃山臺數(shù)據(jù)質(zhì)量較差，月精度指標(biāo)不合格，合肥臺自2017年以來數(shù)據(jù)粗差和缺測增多，資料可用性顯著降低。經(jīng)分析得知場地環(huán)境、觀測裝置運轉(zhuǎn)狀況(如觀測線路絕緣及線路接觸情況)、線路定期保養(yǎng)和維護(hù)檢查、降水等都是影響觀測資料精度的主要因素。其中線路漏電干擾會造成數(shù)據(jù)嚴(yán)重失真，按照電磁觀測規(guī)范的技術(shù)要求對線路做相關(guān)檢查和改造，排除后干擾隨之結(jié)束。場地環(huán)境干擾對地電阻率觀測的影響不容忽視，會導(dǎo)致觀測精度降低，甚至使數(shù)據(jù)失去使用價值，根據(jù)現(xiàn)有觀測技術(shù)可采用井下地電阻率觀測和深埋電極方式提高抗干擾能力，對場地施工、地下金屬管道、降雨等表層干擾有較好的抑制效果。
合肥臺受地鐵干擾影響，數(shù)據(jù)離散度顯著增大，精度降低，目前針對抑制地鐵干擾的交流地電阻率觀測仍處于試驗階段，數(shù)據(jù)處理可采用地鐵非運行時段的觀測數(shù)據(jù)。地電阻率中長期變化和年變化主要是降雨量和地下水位引起的，異常識別過程中，應(yīng)當(dāng)選用褶積濾波法和相關(guān)分析法去掉相應(yīng)干擾。本文從觀測系統(tǒng)改造、改進(jìn)觀測方法、數(shù)據(jù)處理方法等方面介紹了提高地電阻率觀測質(zhì)量方面的一些技術(shù)措施和建議，可供地電阻率觀測工作者借鑒參考。
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