甘肃省地震异常现场核实报告：影响地电阻率变化的因素分析

5.3.1.1 试验观测（敷设金属网对地电场影响分析）

在平凉地电场测区选取敷设金属拉线和金属钢管的地表，应用EDU6042S示波器测试场地金属管线网对平凉地电场观测的影响[图1-5-18（a）和（b）]。

1.交流电压

各测试点对接地处的高频交流电压峰-峰值基本在50 mV 左右，没有随测点变化明显增大或减小现象。

2.直流电压

各测试点对接地处的直流电压值变化情况如图1-5-18（c）所示，随测点距离增大，电压值有明显增大现象，但2 m左右以后基本处于相对稳定状态。

图1-5-18　测试选点及结果（据谭大诚等，2020）

对观测原始分钟值曲线对比分析（图1-5-19），图1-5-19（a）是原始观测分钟值曲线，图1-5-19（b）是去除日均值后的曲线。金属管线网的建设期间，对场地的地电场观测有明显影响。在这期间，平凉台地电场数据变化的可信度不高；目前，金属管线网施工基本结束，观测到的地电场日变化改变不明显，但背景日均值有增大现象，后期地电场数据稳定性受环境影响可能变大；对平凉台地电场数据的应用，今后应该与周边其他台站进行区域对比分析。

图1-5-19　2020年施工前后原始分钟值数据曲线对比（据谭大诚等，2020）

5.3.1.2 降雨和灌溉影响分析

值得说明的是2019年9月降雨时段，并没有上述金属网和金属拉线的施工，今年测区敷设的金属网及金属拉线和降雨的共同作用造成了表层介质的电性变化，从而影响了自然电场的变化，最终导致地电场测值的异常。另外，从金属网的结构分析，把钢管-铁丝-大地看成一个垂直于地面的线圈，则整个测区相当于布满了很多匝线圈，而周围又充斥着变化的磁场。当降雨充分时线圈导通就会产生感应电场，而当天气干燥时线圈处于不完全导通，感应电场也会减小或消失。这样就可以解释4 月份有金属网施工却没有明显变化，5 月6 日降雨使金属网与地表充分导通，造成了测值异常变化。

5.3.1.3 数值模拟对介质变化影响分析

从上述观测和试验中得到金属网对地电场观测的影响，下面采用有限元模拟软件ANSYS建立物理模型，来分析搭建金属网是否会对平凉地电场观测造成干扰。

如果把整个金属网看作是均匀嵌入大地的一种均匀介质，则可以将敷设区域视为一个整体（异常体）作为研究对象，从而问题简化为确定位置的异常体对空间地电场的响应变化问题。

1.空间稳恒电流场理论及边界条件

根据地球物理场论可知，当三维空间由各向同性的均匀介质组成时，在介质内A 点供电，M点处的电位值可由（1）式计算：

第一边界条件：在无穷远界面，即求解区域的外部边界上，由于离电流源较远，可视为电势为零。即U=0。

第二边界条件：在地面边界上，由于地面是绝缘体，沿地表流动的电流的法向分量的电流密度为零，则其电位的法向导数也为零。

第三边界条件，即混合边界条件。

2.有限元模型(www.xing528.com)

通常所观测的地电场是平行于地面的二维平面电场，模型几何尺寸按实际尺寸设计，长为2000 m、宽为1000 m，金属网覆盖区近似为直角梯形。网格划分尺寸为20 m×20 m，其中金属网区域和布极区进行了网格的适当加密（图1-5-20）。在模型中建立一个点电源，形成空间稳恒电流场模拟自然界的电场。点电源输入电流I为10 A，设大地的电阻率恒定为100 Ω·m，点电源与测区中心位置O 点的距离固定为500 m。金属网区域作为一个异常体，其电阻率用ρf表示，点电源与测区中心位置O点的连线与NS方向的夹角用θ表示。

3.数值模拟计算结果

异常体的电阻Rf由大地电阻R地、钢管和钢丝拉索的众多接地电阻R接地以及铁丝的线阻R线共同构成，相对于大地异常体的电阻率变化部分完全随R接地的变化而变化。由于测区上覆地层为层积相泥质砂岩和黄土，它的导电性取决于岩层孔隙的发育情况以及含水量的多少，因此R接地很大程度上取决于降雨量的多少。当降雨增多时，R接地减小，Rf随之减小，从而影响到地电场的观测值。为了模拟结果更接近真实，计算正常背景下平凉地电场的优势方位角为（66.7±5）°，因此点电源的位置θ 取66.7°[图1-5-21（a）]。金属网区域视为低阻异常体，故ρf取值选择（0.5～70）Ω·m（说明：潮湿环境中，金属网接地电阻0.5 Ω·m 左右；在干燥环境下，邻区没有大片金属网的接地电阻是70 Ω·m）。由于点电源模拟的电场在大地中衰减速度较快，很难模拟出自然界真实的电场强度，因此我们采用相似比例折算出电场的相对变化量来进行研究。结果如图1-5-21（b）所示，其中NS、NE 测道随ρf的减小呈负向增长，EW 测道随ρf的减小呈正向增长。这个结果和实际观测结果是一致的，NS、NE 测道的测值呈下降异常，EW 测道的测值呈上升异常。另外，根据5 月6 日至5 月12 日的分钟值数据，NS 长极距测道变化幅度为45.20 mV/km，可以计算得到ρf为40.02 Ω·m；东西长极距测道变化幅度为55.09 mV/km，可以计算得到ρf为34.87 Ω·m；北东长极距测道变化幅度为35.21 mV/km，可以计算得到ρf为38.18 Ω·m。显然三个测道反演得到的结果还是比较接近的。最后，将金属网区域电阻率ρf取中间值38 Ω·m 进行模拟，结果如图1-5-21（a），可以看出测区内的电位等值线弯曲比较明显，说明搭建金属网确实会对地电场观测造成影响。综上表明：搭建金属网导致了测区地下介质的电阻率下降，当ρf相对于正常背景下降60%～66%，模拟结果与实际测量结果相符。

图1-5-20　简化模型及其网格剖分

图1-5-21　金属网对地电场影响的数值模拟结果

4.有限差分模拟计算

为了进一步验证有限元模拟计算结果，采用差分计算又进行了一次模拟计算，根据实测布极来设置区域边界上的电压值，左边界电压10 V，右边界电压5 V，上边界电压8 V，下边界电压1 V。在测区正常背景下（无铁磁性物质和降雨等因素干扰下），电压分布如图1-5-22所示。

图1-5-22　测区正常背景下电压分布图（据武震，2020）

区域上存在大面积较小的金属导体，对大面积金属导体分布的核心区域的电压值起到了削弱的作用（图1-5-23）。这种情况下的结果与实际观测结果及ANSYS模拟结果一致。

图1-5-23　测区大面积敷设金属导体电压分布图（据武震，2020）

5.3.1.4 震例总结

地电场由大地电场和自然电场构成，大地电场主要是高空电流体系在地球内部的感应场，自然电场是地壳中各种物理、化学作用形成的，多数学者认为，与地震有关的是自然电场异常。考虑大地电场成分主要表现为长趋势变化（太阳活动、季节变化等），自然电场成分易受环境干扰（降雨、大风、灌溉等），此为了减少干扰事件对分析结果的影响，将原始分钟值数据进行滤波、趋势消除等处理，再计算出日均值进行分析研究。

通过对平凉台周边12 年来发生的中强地震进行统计，从平凉台地电场日均值异常变化曲线（图1-5-24）来看，地电异常与地震活动性关系非常密切，如2009—2012 年地震活动水平较低，曲线波动较小，基本没有异常。而2008 年、2013—2014 年地震活动水平较高，曲线波动较大，异常也十分明显。以2倍标准差控制线作为提取数据异常的区间，超过2倍均方差3 d判定为异常，统计到2008 年SN 测道6 次异常对应3 次地震，EW 测道3 次异常对应2 次地震；2013 年SN 测道3 次异常对应2 次地震，EW 测道5 次异常对应2 次地震；2014 年SN 测道6 次异常对应4 次地震，EW 测道5 次异常对应4 次地震；2015 年SN 测道2 次异常对应1 次地震，EW测道2次异常对应1次地震（张远富等，2018）。通过详细的统计和计算得到地震和地电场测值异常变化存在一定的关系（表1-5-1）。在平凉及周边统计到了18次中强地震，其中13次地震前均出现了明显的异常变化，若根据可信距离统计，12 次地震前出现了可信的异常，说明平凉地电场对中强地震有较好的映震能力。从可信的异常信息统计来看，与地震相关的异常特征主要表现为：异常出现在震前5 d到1个月，异常结束后发震；异常持续时间为5～17 d；SN和EW 测道异常变化形态多为同向，变化幅度SN测道比EW 测道偏大，异常变化数值与震级和距离关系不明显。6 次类似的异常却没有发生地震，可能是降雨或人为干扰造成的。另外，5 次地震前没有出现相似的异常，可能是震源距离较远、震级较小、地质构造差异等原因造成的。说明地电场短临异常在时间和空间上的复杂性，有待进一步的深入研究和探索。

图1-5-24　平凉地电场日均值异常变化曲线图

通过对平凉台中强地震前地电场异常变化分析，认为平凉地电场对中强地震有较好的映震能力。异常特征主要表现为：异常出现在震前5 d 到1 个月，异常结束后发震；异常持续时间为5～17 d；NS 和EW 测道异常变化形态多为同向，异常变化数值与震级和距离关系不明显。此异常变化特征可以为该台周围发生中强地震短临预测提供参考。依据指标对2020年5月的这次变化，能够明确找出干扰源和介质电性变化的原因，所以不是地下深部介质的电性变化，与应力变化无关，也就是说不是震兆变化。

表1-5-1　平凉地电场异常特征统计表

续表1-5-1