自1966年邢台地震后，地电阻率观测开始在中国展开研究。观测实践证明，地电阻率观测可记录到明显的震前中短期异常，多以趋势下降变化及破年变为主^[1-3]。随着经济的发展，地电阻率观测受到更加复杂的干扰。目前国内已有大量地电阻率观测干扰的研究，主要分为5部分：①观测系统：观测仪器故障、稳流源故障、观测线路故障、避雷装置故障、电极故障等^[4-5]；②场地环境：场地环境较为复杂，但多以单一干扰进行研究，如城市轨道交通干扰^[6-8]、地下水及降雨造成的地电阻率观测年变特征^[9-10]、观测场异常体干扰^[11-17]、周边工厂施工漏电^[18]等；③自然环境：降雨、雾霾、大风、雷电；④人为干扰：检查时的错误操作、农田浇地等；⑤地球物理事件：除地震、滑坡等自然灾害外，地电暴是影响地电阻率观测的可能性因素。其中自然环境干扰、人为干扰以及地球物理事件中的地电暴多在地电阻率观测干扰综合分析时进行描述^[19-20]。本文搜集了近几年来兴济地震台地电阻率观测资料，主要从观测场地环境及自然环境两方面进行干扰原因及数据曲线特征分析，并针对个别干扰提出排除或减少干扰的方法。

兴济地震台始建于1982年，其前身是青县电法站，由于观测环境受到干扰搬迁至兴济。兴济台位于河北省沧州市以北15 km、兴济镇东3 km处，处于沧东断裂附近，沧县隆起的东翼斜坡上（图1a），兴济地震台地电阻率观测系统布极沿平行与垂直沧东断裂布设。兴济台地电阻率观测于1983年1月1日正式投入运行，采用对称四极装置，供电极距和测量极距分别为2.0 km和0.5 km（图1b）。根据《中国地震背景场探测项目河北分项》项目要求，兴济地震台于2013年添加ZD8M观测系统（观测仪器ZD8M地电仪，电极埋深为4.0 m，线路采用地埋方式）与原有ZD8B观测系统（观测仪器ZD8B地电仪，电极埋深为3.5 m，线路采用架空方式）并行观测，2016年ZD8B观测系统停测，目前在用观测系统为ZD8M观测系统。

图  1  兴济地震台构造地质图及测区布极图

观测系统包括：地电阻率仪器、稳流源、避雷设施、外线路以及电极。地电阻率观测系统工作时，通过地电阻率仪器控制稳流源输出电流，由供电线路传输至供电电极A、B，测量电极测得信号，通过测量线路传回至地电阻率仪器，经处理后得到视电阻率（图2）。观测系统干扰对数据的影响多为断记、产生粗差及突跳等。本文结合兴济地震台地电阻率观测经验对典型的观测系统故障进行总结（表1）。

图  2  地电阻率仪器工作示意图

说明：观测系统故障中现象唯一，但故障原因不唯一（如测量精度低，与观测环境存在干扰源、线路连接有问题、线路绝缘有问题、仪器参数错误测量次数减少、供电电流不稳等）。遇到观测系统故障问题，可先查看仪器参数，接着对仪器进行标定、供电稳定性检查、室内避雷器及线路检查、外线路绝缘检查、电极接地电阻检查等干扰原因排查。表1仅提供故障查找、维修参考，干扰现象、原因及解决方法可根据实际工作经验加以补充。

由于城市的发展，地电阻率观测受到各种场地环境干扰，对兴济地震台地电阻率观测资料进行分析，其受到观测场地干扰有：天津轻轨干扰、砖厂取土坑蓄水干扰、砖厂施工漏电干扰等。

天津轻轨于1984年正式通车运营，现有6条线路，其中3号线通达天津南站距离兴济地震台约68 km，超出台站建设标准的距离轻轨50 km^[21]（图3）。但由于兴济地震台地电阻率测量极距为0.5 km，是目前全国最长的测量极距之一，导致其接收到的信号量增大，受到的轻轨干扰较为明显。天津轻轨为大功率直流用电设备，直流电由牵引变电所供给，电流通过接触轻轨中的馈电线向机车输送电能驱动机车前进，再由钢轨流回牵引变电所。由于铁轨对地非绝对绝缘，对地会产生漏电电流成为地电阻率观测的干扰信号而影响观测数据。天津轻轨干扰的数据特点：兴济地震台地电阻率N30°E测道及N60°W测道地电阻率数据在每日0—5时无轻轨运行时段较为稳定，观测精度好； 6—23时轻轨运营时段，其数据相对离散，观测精度差，受到明显干扰（图4，表2）。为排除近场居民用电干扰，选取兴济地震台所在乡镇停电时段与正常用电时段的观测数据进行对比，可以看出停电时期地电阻率观测受到的干扰并无明显减少，故而排除周边居民用电干扰（表2）。

图  3  兴济地震台与天津轻轨位置关系图

图  4  兴济地震台2016年1月1—4日地电阻率观测数据图

对于轻轨干扰的处理方法：可用夜间观测均值代替日均值的方法，利用长趋势的日均值图像进行分析^[7]；也可用滤波等方法进行处理，如小波去噪^[8]等进行去噪处理；通过增大供电电流来或者减小测量极距来减少轻轨干扰^[22]。

根据贾立峰等^[14]，张国苓等^[15]的研究表明：表层地下水及砖厂取土坑水位变化造成兴济地震台地电阻率观测数据有规律年变。兴济地震台地电阻率地下表层介质影响系数小于0.01，造成N30°E方向年变呈夏低冬高的较小年变形态，其最大年变幅度为0.04 Ω·m。而N60°W测道的供电电极B₄测量电极N₄之间的砖厂取土坑为观测场地异常体。砖厂取土坑蓄水量的变化导致N60°W测道与N30°E测道年变曲线相反，其年变幅度较大，最大变化量为0.09 Ω·m（图5）。关于N60°W测道年变情况，经查询兴济地震台地电阻率观测相关资料了解到，砖厂兴建于1985—1986年。砖厂修建之前，1983—1984年数据具有夏低冬高的年变形态，变化量约为0.07 Ω·m。砖厂修建之后，由于砖厂施工、地下水位、降雨量以及更换观测系统等造成年变形态较为混乱，但1994—1997年数据图像仍可以看出夏低冬高的年变形态，变化量约为0.05 Ω·m，此时砖厂还未在N60°W测道的供电电极B₄测量电极N₄之间取土。至2001—2002年数据显示此时观测数据已经变为冬低夏高形态，变化量约为0.10 Ω·m。此时砖厂取土坑已经具有相当规模，且在N60°W测道的供电电极B₄测量电极N₄之间的取土坑大量蓄水（图6）。由此可以证，明N60°W测道的反向年变为砖厂取土坑蓄水造成。

图  5  兴济地震台地电阻率年变图

图  6  兴济地震台地电阻率N60°W长趋势年变图

由于地下介质非常复杂，详细分析可参考相关文献，本文将砖厂取土坑蓄水对数据造成的影响进行简化。

计算视电阻率公式为：

式中：ρ_s为测量的视电阻率；I为供电电流；ΔV为地电阻率测量时M、N间的人工电场电位差，AM、AN、BM、BN为电极A、B、M、N相对应电极之间的距离。

另外，地电阻率测量时，先测量一个自然电位V_sp，其后测量供电电流I，再之后测量电极M、N间的测量电位差ΔU，此时测量电位差ΔU含有自然电位差V_sp，于是M、N间的人工电场电位差为：

式中：ΔV为地电阻率测量时M、N间的人工电场电位差，ΔU为仪器的测量电位差，V_sp为自然电位差。

N60° W测向总供电电位为供电电极A₄B₄两端电压${V_{A_4B_4}}$，供电电压远远大于自然电位差，故此处自然电位差忽略不计。砖厂取土坑为低阻异常体，将A₄M₄、M₄N₄、N₄B₄间大地电阻率$\rho_{A_4M_4} $、$\rho_{M_4N_4} $、$\rho_{N_4B_4} $视为串联形式存在，因稳流源的存在使得供电电流值不变，则A₄M₄、M₄N₄、N₄B₄间的大地电阻率存在分压关系：${V_{A_4M_4}}$、${V_{M_4N_4}}$（即测量电位差）、${V_{N_4B_4}}$对总供电电压${V_{A_4B_4}}$分压，夏季降雨增多N₄、B₄电极间砖厂取土坑蓄水，异常体增大，$\rho_{N_4B_4} $相对减小，N₄B₄间的大地电阻率分得电压$V_{N_4B_4} $减少，则M₄N₄间大地电阻率分得电压$V_{M_4N_4} $增大，即ΔV增大，最终计算得到的视电阻率ρ_s值增大；冬季干旱水位下降，出现与夏季相反的情况，视电阻率ρ_s值减小，最终导致N60° W方向测值夏高冬低。砖厂取土坑蓄水造成的年变特征具有规律性，在地震观测数据异常中可作为正常的数据背景。

目前地电阻率观测方式为正、反向交替供电模式，正向、反向交替供电5或10次，之后以正向电位差减去反向电位差再取平均，得到供电电位差。最后用供电电位差、供电电流和装置系数计算视电阻率（式1）。如果测区的干扰点电流源为固定且恒定的直流电，则上述测量方式可以消除干扰电流源的影响。2016年7月26日地电阻率N60°W测道观测到砖厂施工漏电干扰，根据张国苓等^[18]研究表明漏电点在测量极附近时影响最大，而兴济地震台地电阻率N60°W测量极N₄就在砖厂施工附近（图1b）。砖厂施工漏电因其作业时间不固定，另外作业后土壤中残留离散电流或极化电位的存在，最终影响到地电阻率观测，自然电位有3.79 mV的变化，视电阻率有0.20 Ω·m的变化（图7）。

图  7  兴济地震台N60°W测道记录砖厂设备漏电干扰图

兴济地震台处于华北平原，属于暖温带半湿润大陆性季风气候，四季分明，夏季炎热多雨，冬季寒冷干燥。每年2—4月有较强东北风，6—9月雨季雨量较大，年降水400～800 mm。兴济地震台地电阻率观测受到较明显自然环境干扰有：降雨、雾霾、大风、雷电。

1）降雨干扰：在2016年兴济台地电阻率N60°W向趋势上升变化异常时，曾对兴济台周围地下水位做过调查。从河北省水文水资源勘测局搜集了沧州市姚官屯井2003—2016年水位变化资料及降雨资料。首先，降雨补给地下水，地下水位和降雨量则有较好相关性。绘制地电阻率N60°W方向测值与地下潜水位关系图、地电阻率N60°W方向测值与降雨量关系图（图8），可以看出地电阻率测值年度变化与降雨量及地下水水位有较好的相关性。雨季降水增多，潜水位上升，地电阻率N60°W方向测值随水位上升而增大；旱季降水减少，潜水位下降，地电阻率N60°W方向测值随水位下降而减小。

图  8  兴济地电阻率、地下水位及月降雨量关系图

2）大风干扰：架空线路在风的作用下不规则摆动，切割地磁场磁力线，从而产生感应电动势，对地电阻率观测造成干扰。根据法拉第电磁感应定律，回路包围面积内的磁通量发生改变，回路上会产生感应电动势 ε_i，且与磁通量Φ的变化率成正比，即

式中：a为比例系数，$\varepsilon _i $为感应电动势，$ \varPhi$为测通量，t为时间。架空线路越长，线路越松，导线在风中摇摆幅度越大，${{{\rm{d}}\varPhi }}/{{{\rm{d}}t}}$可能就越大^[23]。

兴济地震台ZD8B观测系统为架空线路，观测区地势平坦，每年2—4月有较多大风干扰，但ZD8M观测系统为地埋线路，并无相应的大风干扰。以2015年3月ZD8B观测系统与ZD8M观测系统并行观测时N30°E方向观测数据为例进行绘图对比（图9a）可以发现，3日、17日、22日ZD8B观测数据日精度较ZD8M观测数据日精度明显较大，经查询这3日均为大风天气，即证明ZD8B观测系统架空线路受大风干扰明显。通过绘制2015年3月17日ZD8M观测系统与ZD8B观测系统地电阻率观测数据对比图（图9b）可以看出，受大风干扰ZD8B观测系统测值有明显波动，最大变化量为0.53 Ω·m，且数据相对离散；ZD8M观测系统由于线路埋于地下，无风扰，地电阻率观测数据稳定。由此可知，线路地埋可以有效避免大风干扰。

图  9  两套观测系统地电阻率测值及观测精度日均值对比图

3）雷电干扰：雷电干扰除了击毁仪器造成断记外，还可能在测区内落雷或击中电线通过电极导入地下造成数据干扰。目前，兴济地震台地电阻率观测应用铅电极观测，铅电极相对稳定，但金属铅与土壤直接接触的过程中容易氧化影响电极导电能力。在电极与土壤接触过程中，金属铅电极受腐蚀最终达到稳定状态，形成腐蚀电位，腐蚀电位夹杂在自然电位中，成为测量时自然电位的一部分。当外加电流流过铅电极时，其电极电位将偏离原有的腐蚀电位，即电流通过时存在极化值ΔU。根据Butler-Volmer^[24]方程

电极交换电流的能力由自身性能决定。式中：j⁰为金属铅的交换电流密度，其大小与温度和电极自身性质有关；α为传递参数；$F$为法拉第常数；$R$为气体常数；$T$为温度；ΔU表示有电流通过时的极化值；$j$为电极的净反应速度，即铅电极化学反应转换为离子速度。

正常观测时，电极处于稳定状态，腐蚀电位数值较为稳定。即使地电阻率测量时，供电电流通过电极造成的极化值ΔU也会在测量后快速恢复。当遭受雷击时，强电流通过铅电极导入地下，由于该过程时间极短，可视为温度$T$无变化，金属铅电极交换电流能力j⁰有限，铅电极电荷传递系数α、气体常数$R$及法拉第常数$F$一定，此时电极净反应速度$j$与极化值ΔU成正相关。雷电激化了铅电极的化学反应，$j$增大导致极化值ΔU增大，即雷电的部分能量转化为化学能储存到了电极及电极附近。此时自然电位测量值V_sp测量值=V_sp+E_腐蚀电位+ΔU，故雷击过后出现大幅台阶变化，其后随着去极化过程，极化值ΔU减弱直至恢复原水平状态，数据上表现为台阶变化，接着出现趋势性恢复变化。由于地电阻率观测方式，测量的人工电场电位差受到较小影响，故地电阻率观测值几乎不受干扰。但由于去极化过程不稳定，观测精度较雷电之前变差，由较为稳定的0.01变化为0.03（图10）。

图  10  兴济地震台N30°E测道2018年雨季记录雷电干扰图

兴济地震台现有地电阻率观测、地电场观测2种手段，对于部分干扰2种观测手段具有同步性（如测区落雷干扰）。当地电阻率观测数据出现异常，首先结合地电场观测数据进行对比，根据地电阻率及地电场数据特征进行初步判断，部分干扰可以根据其特有形式直接判断出干扰源，如地电阻率供电线故障，测量时无法供出电流，仪器在第一次供电时报警，而有些干扰则需要进行逐项排除。现对兴济地震台地电阻率干扰查找方法绘制流程图（图11）。

图  11  地电阻率异常查找流程图

1）兴济地震台地电阻率观测干扰因素主要有观测系统干扰、场地环境干扰、自然环境干扰、人为干扰及地球物理场干扰。其中观测系统故障干扰主要有观测仪器、稳流源、避雷设施、观测线路等，此种干扰主要影响数据连续率；场地环境干扰有天津轻轨干扰、砖厂施工漏电以及砖厂取土坑蓄水干扰3种，前两种干扰造成数据突跳，影响观测精度，砖厂取土坑蓄水影响地电阻率观测数据年度变化；自然环境干扰主要有降雨、雷电、大风、雾霾等干扰，主要表现形式为数据突跳、观测精度增大以及影响数据连续率。

2）通过不同的外线路架设方式对比可知，线路地埋可有效减少自然环境干扰，尤其大风干扰通过线路地埋后明显消除。地埋线路的缺点是周边工厂、居民作业会出现线路被挖断且难以查找故障点。针对此情况，兴济地震台工作人员引进电缆故障测试仪，在外线路出现问题时及时查找解决。

3）遇到干扰时，根据其特点进行初步判断，并结合其他观测方法进行对比分析。干扰的准确查找需要进行全面系统检查，需要对观测系统检查、观测场地环境检查，并结合观测的自然环境进行分析。若仍未发现干扰源，则考虑远场干扰以及地球物理场干扰（如地震），同时参考其他台站观测数据进行分析以求得到结论。

随着经济的发展，地电台站的观测环境日益恶化，识别地震地电阻率前兆异常首先要对干扰进行排除，及时查找并消减数据干扰源，是现在地电观测面临的一项重要工作。因此对兴济地震台地电阻率观测中的干扰进行分析，可为兴济地震台地电阻率观测资料提取地震前兆信号、排除干扰提供有益参考。