陳 嵩，李旭東，陳志剛，王寶鎖，李穎楠，程立康，胡 嵩

（天津市地震局，天津 300201）

提高地電阻率觀測(cè)精度研究

陳 嵩，李旭東，陳志剛，王寶鎖，李穎楠，程立康，胡 嵩

（天津市地震局，天津 300201）

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，地電阻率的觀測(cè)環(huán)境受到各種干擾，其中采用直流牽引技術(shù)的城市軌道交通干擾尤為嚴(yán)重，致使一些地電阻率觀測(cè)臺(tái)站的觀測(cè)數(shù)據(jù)無法滿足規(guī)范要求，部分臺(tái)站因此被迫搬遷。進(jìn)一步改善觀測(cè)系統(tǒng)測(cè)量模式，提高其觀測(cè)精度勢(shì)在必行。通過多種方法實(shí)驗(yàn)，提出了一些抗干擾措施，達(dá)到了提高觀測(cè)精度的目的，為進(jìn)一步提升地電阻率觀測(cè)質(zhì)量做了技術(shù)鋪墊。

地電觀測(cè)；地鐵干擾；噪聲水平；觀測(cè)精度；高階差分

0 引言

在大地視電阻率觀測(cè)中，因測(cè)量線路長(zhǎng)、測(cè)區(qū)占地大，外界的電磁干擾、工業(yè)離散電流、地電場(chǎng)的自然變化，以及觀測(cè)系統(tǒng)本身的問題，比如測(cè)量電極極化不穩(wěn)定、線路漏電等，使得被測(cè)信號(hào)中夾雜著的大量的干擾［1－3］。多年來，從事地電觀測(cè)與研究的人員針對(duì)觀測(cè)中的干擾以及提高觀測(cè)精度做了大量的工作，如趙家騮等提出的正反向供電技術(shù)［4］、張世中等提出的采用變周期供電測(cè)量方法［5］等，對(duì)于地電測(cè)量中的一些穩(wěn)定干擾，如高頻干擾、交流工頻的共模和串模干擾等有了特殊的抑制能力，但對(duì)于干擾中變化較慢且無規(guī)律的部分抑制效果尚欠佳。筆者通過大量實(shí)驗(yàn)研究，提出了一些抗干擾措施，對(duì)于提高地電阻率測(cè)量觀測(cè)精度有一定的作用。

1 現(xiàn)狀

天津市地震局共有地電阻率觀測(cè)臺(tái)站4個(gè)，由于城市建設(shè)的不斷發(fā)展，臺(tái)站周邊的觀測(cè)場(chǎng)地遭受到了不同程度的破壞，盡管采取了一定的遏制措施，但不能杜絕建設(shè)行為的影響，尤其是地鐵、輕軌等直流牽引技術(shù)的軌道交通建設(shè)，盡管距離臺(tái)站較遠(yuǎn)，但其干擾嚴(yán)重影響地電阻率觀測(cè)，致使其觀測(cè)精度不斷下降［6］。

目前天津市正式運(yùn)營(yíng)的有輕軌線路1條，地鐵線路4條，仍有地鐵在建線路進(jìn)行施工，天津市軌道交通建設(shè)及開始運(yùn)營(yíng)時(shí)間如下：

①輕軌，2003年12月1日至12月10日試通車，2004年3月28日正式運(yùn)營(yíng)。

②地鐵九號(hào)線，2003年9月30日建成通車，2004年3月28日開始試運(yùn)營(yíng)。

③地鐵一號(hào)線，2005年12月28日建成通車，2006年6月12日開始試運(yùn)營(yíng)。

④地鐵二號(hào)線，2012年7月1日東西分段試運(yùn)營(yíng)（西段為曹莊－東南角區(qū)間，東段為天津站－空港經(jīng)濟(jì)區(qū)區(qū)間），于2013年8月28日開通全線試運(yùn)營(yíng)。

⑤地鐵三號(hào)線，2012年10月1日，小淀－高新區(qū)區(qū)間開通試運(yùn)營(yíng)，2013年12月28日，高新區(qū)－南站區(qū)間開通試運(yùn)營(yíng)。

表1為天津局4個(gè)地電阻率臺(tái)站與市內(nèi)地鐵的相對(duì)位置與距離。

如圖1所示：輕軌、地鐵運(yùn)行后，地電阻率臺(tái)站的觀測(cè)均方差開始變大，塘沽、青光臺(tái)地電觀測(cè)受影響最大，觀測(cè)精度嚴(yán)重下降，寶坻、徐莊子臺(tái)因距離較遠(yuǎn)，干擾較小，但從日均方差看仍有干擾存在。

表1 臺(tái)站與地鐵相對(duì)位置Tab.1 The relative position of seismic station and the subway line

2 干擾測(cè)試

2014年5月選擇了寶坻地震臺(tái)和青光地震臺(tái)2個(gè)受地鐵干擾最為嚴(yán)重的臺(tái)站進(jìn)行了干擾測(cè)試，測(cè)試時(shí)間約為24h。通過對(duì)測(cè)試結(jié)果的分析，總結(jié)了平靜期（地鐵停運(yùn)期間）和干擾期（地鐵運(yùn)行期間）臺(tái)站場(chǎng)地干擾信號(hào)幅度、人工供電電位差和信噪比的情況。

2.1 寶坻臺(tái)干擾測(cè)試

寶坻臺(tái)背景噪聲，平靜期（0～5時(shí)）NS測(cè)向噪聲幅度為 0.52mV，EW 測(cè)向噪聲幅度為0.43mV；干擾期（6～23時(shí)）NS測(cè)向噪聲幅度為3.23mV，EW測(cè)向噪聲幅度為1.9mV。

人工供電電位差南北和東西方向均為41mV，平靜期內(nèi)的信噪比NS向?yàn)?8dB左右，EW向?yàn)?40dB，干擾期內(nèi)的信噪比 NS向?yàn)?2dB，EW向?yàn)?7dB，平靜期觀測(cè)比干擾期觀測(cè)NS向和EW向的信噪比分別降低了16 dB和13dB左右。

圖3～4為寶坻臺(tái)平靜期和干擾期頻域分析結(jié)果?？梢钥闯鲈谄届o期低頻段沒有明顯干擾，干擾期有明顯干擾，主要干擾信號(hào)周期在130～180s之間。

2.2 青光臺(tái)干擾測(cè)試

青光臺(tái)背景噪聲，平靜期（0～5時(shí)）NS測(cè)向噪聲幅度為 0.49mV，EW 測(cè)向噪聲幅度為1.28mV；干擾期（6～23時(shí)）NS測(cè)向噪聲幅度為21.87mV，EW測(cè)向噪聲幅度為13.27mV。

其人工供電電位差NS和EW方向大約為

9mV左右，平靜期內(nèi)的信噪比NS為25dB左右，EW方向?yàn)?7dB，干擾期內(nèi)的信噪比NS方向?yàn)椋?dB，EW方向?yàn)椋?dB，平靜期觀測(cè)比干擾期觀測(cè)分別降低了33dB和20dB左右。

表2 寶坻地震臺(tái)場(chǎng)地噪聲幅度Tab.2 Site noise amplitude of Baodi Seismic Station

表3 青光地震臺(tái)場(chǎng)地噪聲幅度Tab.3 The site noise amplitude of Qingguang Seismic Station

圖6～7為青光臺(tái)平靜期和干擾期頻域分析結(jié)果?？梢钥闯鲈谄届o期低頻段沒有明顯干擾，當(dāng)?shù)罔F運(yùn)行期內(nèi)可見有明顯干擾，主要干擾信號(hào)周期在117～166s之間，在EW方向還有一個(gè)周期為69s左右的干擾信號(hào)。

3 提高觀測(cè)精度方法

3.1 以往研究成果

3.1.1 雙向供電技術(shù)

趙象騮等用公式及實(shí)驗(yàn)證明了正反向供電觀測(cè)方法應(yīng)用于視電阻率觀測(cè)優(yōu)于單方向供電觀測(cè)方法；在供電電流不變時(shí)正反向供電觀測(cè)方法的信噪比比單方向供電的信噪比大一倍，而且對(duì)長(zhǎng)周期干擾的抑制作用增強(qiáng)［4］。目前全國(guó)所用的測(cè)量?jī)x器均已經(jīng)實(shí)現(xiàn)正反向供電，觀測(cè)精度基本一致。

3.1.2 采用變周期供電測(cè)量

張世中等提出了一種消除地電阻率觀測(cè)中隨機(jī)誤差的新方法，這種方法采用有限長(zhǎng)的偽隨機(jī)

碼來控制正反向供電周期，是針對(duì)等周期正反向供電法對(duì)和測(cè)量周期接近的干擾信號(hào)抑制能力差而所作的改進(jìn)。其在實(shí)驗(yàn)室固定干擾源實(shí)測(cè)中，等周期測(cè)量 20次，測(cè)量地電阻率相對(duì)誤差為49.28%；變周期測(cè)量20次，測(cè)量地電阻率相對(duì)誤差為15.18%，結(jié)果表明采取變周期供電測(cè)量法可減少測(cè)量的隨機(jī)誤差。若進(jìn)一步增加測(cè)量組數(shù)，同樣會(huì)加長(zhǎng)儀器的工作時(shí)間，所以采用觀測(cè)系統(tǒng)現(xiàn)有的偽隨機(jī)供電方式，其抑制效果并不比增加測(cè)量組數(shù)方法更好［5］。

3.2 增加觀測(cè)次數(shù)

根據(jù)減小誤差的方法，增加測(cè)量次數(shù)對(duì)于減小誤差有很好的效果，可以提高觀測(cè)精度。我們?cè)趯氎媾_(tái)進(jìn)行了測(cè)試，兩方向分別供電15次，進(jìn)行讀取供電電位差的測(cè)量，試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表4 供電電流I＝2.620A時(shí)，進(jìn)行多次測(cè)量計(jì)算均方差Tab.4 Mean variance of repeated measurement calculation，when the supply current I＝2.620A

根據(jù)表4的實(shí)際觀測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)觀測(cè)次數(shù)分別為5次、10次、15次記錄的ΔV進(jìn)行計(jì)算，所得的均方差數(shù)據(jù)不但未提高，反而有所降低，說明對(duì)于固定頻率的干擾，增加觀測(cè)次數(shù)并不能有效提高觀測(cè)精度，這與張世中等“增加采樣個(gè)數(shù)，不能減小方差”［7］的實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。

3.3 提高供電電流

根據(jù)信噪比公式：

式中，VMN供為測(cè)量極上測(cè)得的由供電產(chǎn)生的人工電位差，VMN擾為測(cè)量極上測(cè)得的背景擾動(dòng)電壓幅度。通過提高觀測(cè)供電電流，可以加大人工電位差VMN供，因VMN擾是固定的，所以對(duì)提高精度有一定作用。

從實(shí)驗(yàn)可以看出（表5），供電電流2.5A比2A的精度提高10%左右，3A與2.5A間的變化不大，說明當(dāng)供電電流提高到一定程度，觀測(cè)精度不會(huì)無限制提高。

3.4 采用高階差分處理

差分法實(shí)際上是微分的離散形式，一階差分就是離散函數(shù)中相鄰兩項(xiàng)之差，二階差分就是一階差分后所得新離散函數(shù)的一階差分，高階差分就是對(duì)序列做連續(xù)多次的差分運(yùn)算。導(dǎo)數(shù)是研究

連續(xù)函數(shù)單調(diào)性和最值性的重要工具，同樣差分法也是研究離散函數(shù)（數(shù)列）單調(diào)性和最值性的有效方法。

表5 不同供電電流記錄的月精度Tab.5 Monthly precision of different power supply current record

四階差分是地面高精度磁測(cè)的一種統(tǒng)計(jì)計(jì)算方法。它通過計(jì)算測(cè)線上每個(gè)測(cè)點(diǎn)及其前后各兩個(gè)點(diǎn)的四階差分值，與全線各點(diǎn)四階差分平均值的均方差，作為檢驗(yàn)觀測(cè)質(zhì)量的依據(jù)，它代表觀測(cè)儀器的噪聲水平［8］。

具體算法如下：

二階后向差分可由公式（2）得出：

表6 NS向觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行多階差分計(jì)算后的均方差（Ω·m）Tab.6 Variance multi order difference calculation to the direction NS observation data（Ω·m）

表6為通過地電儀器采集的正反向供電電位差，經(jīng)過不同階數(shù)差分計(jì)算得到的均方差結(jié)果，在平靜時(shí)段所得到的各階差分結(jié)果的均方差變化不大，在干擾時(shí)段的結(jié)果經(jīng)過不同階數(shù)差分后得到的數(shù)據(jù)均方差有明顯提高。

通過重寫儀器內(nèi)部測(cè)量程序芯片，在儀器內(nèi)存中將測(cè)量結(jié)果進(jìn)行多階差分后作為供電電位差計(jì)算地電阻率，可以有效消除低頻干擾。

2015年6月18日在青光地震臺(tái)進(jìn)行的更改儀器程序工作，對(duì)測(cè)量的人工電位差進(jìn)行多階差分處理后再進(jìn)行電阻率計(jì)算，得到的各小時(shí)均方差明顯降低，取得了很好的效果（圖8）。

4 結(jié)論

截至2015年底，全國(guó)有20座城市已有或在建地鐵，21座城市已獲批建設(shè)地鐵。城市有軌直流運(yùn)輸系統(tǒng)對(duì)地震前兆地電阻率觀測(cè)臺(tái)站不可避免地會(huì)造成影響?！兜卣鹋_(tái)站觀測(cè)環(huán)境技術(shù)要求（第 2部分）：電磁觀測(cè)》（GB／T 19531.2—2004）［9］明確指出：城市有軌直流運(yùn)輸系統(tǒng)軌道與地電阻率觀測(cè)場(chǎng)地中心的距離應(yīng)不小于30 km。從作者的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，距離市內(nèi)地鐵50km外的寶坻臺(tái)仍可記錄到地鐵干擾。除了被動(dòng)搬遷和重建外，進(jìn)一步改進(jìn)地電阻率觀測(cè)系統(tǒng)，提升其抗干擾能力，是地電科技工作者的當(dāng)務(wù)之急［3］。

本文選擇受城市軌道交通干擾嚴(yán)重的青光地震臺(tái)和距離較遠(yuǎn)的寶坻地震臺(tái)作為測(cè)試分析對(duì)象，對(duì)觀測(cè)的干擾數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT和功率譜處理，得出了城市軌道交通運(yùn)行時(shí)的干擾能量集中在110～180s之間，同時(shí)進(jìn)行了多種實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明：

（1）地鐵運(yùn)行期間，距離50km外的地電臺(tái)站仍可記錄到運(yùn)行干擾。

（2）單純的增加觀測(cè)次數(shù)不能有效抑制地鐵干擾。

（3）增強(qiáng)供電電流可以有效提高信噪比，從而提高觀測(cè)精度，但礙于供電電源制作技術(shù)，供電電流受到限制。

（4）重新編制儀器內(nèi)部工作程序，采用高階差分?jǐn)?shù)據(jù)處理方法，可以有效提高數(shù)據(jù)觀測(cè)精度，是目前不改變觀測(cè)系統(tǒng)情況下最有效的提高觀測(cè)精度方法。

致謝：本文在實(shí)驗(yàn)過程中得到了中國(guó)地震局分析預(yù)報(bào)中心趙家騮老師、中國(guó)地震局地殼應(yīng)力研究所王蘭煒老師的大力支持與幫助，在此深表感謝。

［1］ 王燚坤，隆愛軍，黃顯良，等.安徽省地電阻率觀測(cè)干擾因素的分析［J］.防災(zāi)科技學(xué)院學(xué)報(bào)，2011，13（4）：52－56.

［2］ 紀(jì)廷輝，王亮，李京錦.義縣地震站地電阻率數(shù)字

化觀測(cè)的干擾因素的分析［J］.防災(zāi)減災(zāi)學(xué)報(bào)，2015，31（3）：90－94.

［3］ 徐錫泉，高昌志.地電觀測(cè)環(huán)境干擾造成地電阻率數(shù)據(jù)變化的影響分析［J］.高原地震，2015，27（4）：36－40.

［4］ 趙家騮，李海亮，李建，等.用正向供電技術(shù)提高視電阻率觀測(cè)精度［J］，西北地震學(xué)報(bào)，1996，18（2）：31－36.

［5］ 張世中，趙家騮，王燕瓊.一種消除地電阻率觀測(cè)中隨機(jī)誤差的新方法［J］.西北地震學(xué)報(bào)，2001，23（1）：88－91.

［6］ 龔永儉，李旭東，陳嵩，等.寶坻地震臺(tái)地電阻率觀測(cè)效能評(píng)價(jià)［J］.內(nèi)陸地震，2013，27（1）：74－80.

［7］ 張世中，石航，王蘭煒，等.地電臺(tái)站受城市軌道交通干擾的測(cè)試分析與抗干擾措施研究［J］.地震學(xué)報(bào)，2013，35（1）：117－124.

［8］ 李大明，徐國(guó)華.四階差分法在高精度磁側(cè)中的應(yīng)用［J］.物探與化探，1990，14（1）：42－46.

［9］ 錢家棟，顧左文，趙家騮，等.2010b.GB／T 19531.2—2004地震臺(tái)站觀測(cè)環(huán)境技術(shù)要求（第2部分）：電磁觀測(cè)［S］／／地震標(biāo)準(zhǔn)匯編2009.北京：地震出版社：204－207.

Research on Improving the Accuracy of Earth Resistivity Observation

Chen Song，Li Xudong，Chen Zhigang，Wang Baosuo，Li Yingnan，Cheng Likang，Hu Song
（Earthquake Administration of Tianjin Municipality，Tianjin 300201，China）

The rapid development of the national economy，earth resistivity observation environment is interfered.City rail traffic interference which adopts DC traction technology is particularly serious.Some data of earth resistivity observation stations can’t meet the standard requirements，and some stations were forced relocation.Through the test and analysis of the stations with serious interference，the paper puts forward some anti?interference measures，and makes a technical basis for the further improvement of the quality of the earth resistivity observation.

geo?electric observation；subway interference；noise levels；observation accuracy；high order differential

P315.72

A

1673－8047（2016）03－0065－09

2016－05－26

天津市地震局科研項(xiàng)目（20131003）

陳嵩（1973—），男，本科，高級(jí)工程師，主要從事地震臺(tái)站電磁、流體觀測(cè)技術(shù)的研究。