引言

目前国内大多数地电阻率观测台站的场地都存在一定程度的电磁干扰． 从频率域划分，电磁干扰有工频干扰和非工频干扰两种． 工频干扰主要来源于电气化铁路和场地内交流用电设备的漏电，电气化铁路的影响范围可达数千米(赵家骝等，1997)． 经过科研人员多年的技术攻关，目前地电阻率观测系统对工频干扰的抑制能力高达140 dB，工频干扰对观测系统的影响已经被抑制在规范允许范围内； 非工频干扰中目前影响最大的是城市轨道交通(地铁)，影响范围可达数十千米． 现在国内一些主要的大城市都在建设或筹建城市地铁，这将严重影响地电阻率的观测． 江苏南京地震台因地铁已搬迁，安徽合肥台、 四川成都台也在准备搬迁，其它如北京西集地震台、 天津青光地震台等也受到轨道交通的干扰，部分观测数据的误差已超过规范要求．

对于轨道交通对地震前兆观测中地磁手段的干扰影响，已有科研人员进行过研究(谢凡等，2011)． 为了分析轨道交通对地电阻率观测的影响，我们在北京西集、 天津青光两个台站进行了场地干扰测试． 按照标准规定，地电阻率小时值的相对方差应不大于0.3％(钱家栋等，2010). 受地铁干扰的影响，两台站每天有2/3的小时值的相对方差大于此要求，有时甚至超过3％．

1.   干扰测试

1.1   受干扰台站简介

1)北京西集地震台． 该台位于北京市通州区西集镇东600 m处，距离北京市地铁八通线东端终点站土桥站11 km． 该台站的地电阻率观测装置为NS，EW十字正交布设，供电极距AB为1760 m，测量极距MN为320 m，观测系统为ZD8BI地电仪、 WL6稳流源． 具体某一天的观测数据在00:00—04:00与05:00—23:00时间段存在明显变化(图 1a)，地电阻率小时值的变化(最大值—最小值)与全天平均值的比值，NS向为2.00%，EW向为3.38%． 其小时值相对方差明显变大(图 1b)，NS向相对方差由平均0.17%(00:00—04:00)变为1.30%(05:00—23:00)，变化幅度达7.65倍； EW向相对方差由平均0.18%(00:00—04:00)变为1.58%(05:00—23:00)，变化幅度达8.78倍(表 1)．

图  1  北京西集台某日地电阻率观测曲线(a)和地电阻率观测值相对方差曲线(b)

Figure  1.  Observed geoelectric resistivity (a) and its relative variance (b) one day at Xiji station

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表  1  北京西集台某日地电阻率观测值相对方差比较

Table  1.  Contrast between relative variances of observed geoelectric resistivity data during two time periods one day at Xiji station

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2)天津青光地震台． 该台位于天津市北辰区青光镇，距离天津市地铁1号线北端终点刘园站7.5 km． 该台站的地电阻率观测装置为NS，EW十字正交布设，供电极距AB为1000 m，测量极距MN为250 m，测量系统为ZD8BI地电仪、 WL6稳流源． 具体某一天的观测数据在00:00—05:00时间段和06:00—22:00时间段存在明显变化(图 2a)，地电阻率小时值变化(最大值—最小值)与全天平均值的比值，SN向为0.928%、 EW向为1.079%． 其小时值相对方差明显变大(图 2b)，NS向相对方差由平均0.093%(00:00—05:00)变为1.54%(06:00—22:00)，变化幅度达16.5倍； EW向相对方差由平均0.08%(00:00—05:00)变为1.75%(06:00—22:00)，变化幅度达21.8倍(表 2)．

图  2  天津青光台某日地电阻率观测值曲线(a)和地电阻率观测值相对方差曲线(b)

Figure  2.  Observed geoelectric resistivity (a) and its relative variance (b) one day at Qingguang station

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表  2  天津青光台某日地电阻率观测值相对方差比较

Table  2.  Contrast between relative variances of observed geoelectric resistivity data during two time periods one day at Qingguang station

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1.2   测试与数据分析

1.2.1   干扰信号测试

我们在西集台和青光台采用ZD8BI地电仪进行了记录，采样频率为4 Hz. 由于不能中断台站地电阻率观测的正常工作，所以从每小时测试数据中可以明显看出地电阻率供电过程(约5—15 min之间)，我们选取了有代表性的小时段来分析干扰信号．

1)北京西集地震台． 北京地铁八通线是北京地铁1号线的东延长线，全长18.964 km，设13座车站，全线为地面或高架线路． 公告的北京地铁八通线土桥站的运行时间为首车05:20，末车22：00． 从测试结果看，地铁从05：20左右开始运行，直至凌晨00：30左右才停止运行． 图 3a和图 3b分别显示22:00—23:00和04:00—05:00两个小时的观测曲线，从图中可明显看到地铁运行对地电阻率观测值的影响． 选取有代表性的时间段22：20—22：50(运行时间段)与04：20—04：50(停止时间段)进行比较，可以看出在地铁运行时间段测量背景电位差变化明显高于停止时间段． 计算得出的运行时间段电位差变化幅度最大为1.85 mV，停止时间段电位差变化幅度最大为0.42 mV，二者比值为4.4． 对22：20—22：50时间段的观测数据进行快速傅里叶变换(fast Fourier transform，简写为FFT)计算，其优势频率为0.0082 Hz(122 s)，如图 4a所示； 做功率谱密度计算，其结果如图 4b所示． 对多个地铁运行时间段进行的功率谱密度分析表明，在北京西集台，地铁运行时的干扰信号能量集中在50—250 s之间．

图  3  北京西集台某日22:00—23:00 (a)和04:00—05:00 (b) EW向电位差曲线图

Figure  3.  Voltage curves during 22:00—23:00 (a) and 04:00—05:00 (b) in EW direction one day at Xiji station

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图  4  北京西集台某日22:20—22:50时间段观测数据FFT(a)和功率谱密度(b)计算结果

Figure  4.  FFT result (a) and power spectrum density (b) of observed data during 22:20—22:50 one day at Xiji station

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2)天津青光地震台． 天津地铁1号线全长26.188 km，其中高架线8.743 km，地面线1.509 km，过渡线0.558 km，地下线15.378 km，设22座车站． 公告的天津地铁刘园站的运行时间为首车06：00，末车22：00，从测试结果看，地铁从06：00左右开始运行，直到凌晨00：30左右才停止运行． 图 5a和图 5b分别显示23:00—00:00和01:00—02:00两个小时的观测曲线，从图中可明显观测到地铁运行对地电阻率观测值的影响． 选取有代表性的时间段23：20—23：50(运行时间段)和01：20—01：50(停止时间段)进行比较，可以看出在地铁运行时间段测量背景电位差变化明显高于停止时间段． 计算得出的运行时间段电位差变化幅度最大为12.18 mV，停止时间段电位差变化幅度最大为1.02 mV，二者比值为11.9． 对23：20—23：50时间段的观测数据进行FFT计算，其优势频率为0.0079 Hz(126 s)，如图 6a所示； 做功率谱密度计算，其结果如图 6b所示． 对多个地铁运行时间段进行的功率谱密度分析表明，在天津青光台，地铁运行时的干扰信号能量集中在50—250 s之间．

图  5  天津青光台某日23:00—00:00 (a)和01:00—02:00 (b) EW向电位差曲线图

Figure  5.  Voltage curves during 23:00—00:00 (a) and 01:00—02:00 (b)in EW direction one day at Qingguang station

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图  6  天津青光台某日23:20—23:50时间段观测数据FFT(a)和功率谱密度(b)计算结果

Figure  6.  FFT result (a) and power spectrum density (b) of observed data during 23:20—23:50 one day at Qingguang station

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1.2.2   计算机模拟地电阻率观测

目前台站使用的ZD8系列地电仪采用等周期供电方式，图 7给出等周期正反向供电方式，供电时间为t． 首先测量自然电位V_sp，接着测1次供电电流I，然后采集人工电位差S，共正反向N组，最后再测1次电流I，通过计算得出地电阻率. 其计算公式为

式中，ΔV是N次正反向人工电位差S剔除3倍方差后计算出的平均值； I是前后两次电流的平均值； K是装置系数，其大小取决于A，B，M，N四个电极的相对位置，K的计算公式为

对青光台用ZD8BI记录到的采样率为4个/秒的干扰数据，按照图 7所示的工作时序进行计算机模拟，从每小时20 min开始，改变采样个数Sa、 供电时间t、 供电组数N，计算其干扰电位差的平均值，其中某小时干扰数据的模拟结果见表 3． 对其它小时干扰电位差的计算机模拟分析表明，增加采样个数、 增加供电时间不能降低干扰影响，但增加测量组数会减小干扰影响．

图  7  ZD8BI测量时序图

Figure  7.  Measure sequence of ZD8BI instrument

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表  3  计算机对干扰电位差模拟结果

Table  3.  Simulation result of disturbance voltage

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1.2.3   实地模拟地电阻率观测

为了在现有观测系统的基础上采取技术措施抑制地铁运行的干扰，我们使用ZD8BI地电仪进行了实地模拟工作. 测量参数和台站运行的地电仪设置相同，通过改变每次的采样个数以及正反向测量组数来模拟台站地电仪工作，具体测量结果见表 4． 通过计算可以得出如下结论： 增加采样个数，不能减小方差； 增加测量组数，可以减小方差． 该结论和计算机模拟的结论一致．

表  4  北京西集台ZD8BI正常采样流程(EW向测道、供电电流2A)

Table  4.  Typical sampling procedure of ZD8BI instrument at Xiji station(EW-oriented, electric current 2 A)

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2.   技术措施

根据以上测量分析结果，我们针对当前地电台站采用的ZD8B地电阻率观测系统，提出以下几点技术改进措施：

1)数据处理方式． 对于受轨道交通影响的地电阻率观测数据，最简单和便捷的方法就是采用轨道交通停运期间的观测数据． 如北京西集台采用每天00:00—04:00的数据，抛弃05:00—23:00的数据； 天津青光台采用每天00:00—05:00的数据，抛弃06:00—23:00的数据． 从天津青光台一个月的观测结果来看，地铁干扰对每小时地电阻率观测值影响较大，但对地电阻率日均值结果影响很小，每天00:00—05:00时间段地电阻率的平均值与日均值相差很小(表 5)． 因此，如果分析短时间段(若干天)的地电阻率变化，在采用小时值数据时，应舍弃06:00—23:00受干扰时间段的数据； 如果分析长时间段(月、 年)的地电阻率变化，在采用日均值数据时，可使用每天24小时观测数据计算出的日均值．

表  5  天津青光台某月地电阻率00:00—05:00平均值与日均值对比表

Table  5.  Contrast between average geoelectric resistivity value of 00:00—05:00 and daily average value for one month at Qingguang station

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2)增加测量组数． 由表 4可以看出，随着正反向测量组数增加到15，平均方差已低于1%，如果进一步增加正反向测量组数，可将大部分测量的相对方差下降到1%以下. 但增加正反向测量组数会加长仪器工作时间，并且正反向测量组数增加到一定程度时效果将不会明显，需要进一步做试验确定．

3)采用伪随机供电方式． ZD8B系列地电阻率观测系统的抗干扰技术伪随机供电方式，可大大降低已知周期干扰信号对地电阻率观测的影响(张世中等，2001)． 根据计算机模拟，采用伪随机供电方式，在正反向测量组数为10时，测量误差可被抑制到原来的25%以下，但仍然不能满足规范要求． 若进一步增加测量组数，同样会加长仪器的工作时间，所以采用观测系统现有的伪随机供电方式，其抑制效果并不比增加测量组数方法更好．

4)交流地电阻率观测方式． 现有直流地电阻率观测系统对轨道交通的干扰抑制效果不理想． 理想的观测系统应采用低频交流供电、 选频测量的观测系统，即交流地电阻率法观测系统(张国民等，2001)． 目前国内地震前兆观测只对交流地电阻率观测系统做过一些台站对比试验，还没有专门的观测系统，因此，尽早研发此类地电阻率观测系统是完全必要的．

3.   讨论与结论

截至2010年底，全国已有36座城市上报了城市轨道交通建设规划，有28座城市的规划获得批准，共规划地铁线路90多条，总里程约2700 km． 《地震台站观测环境技术要求(第2部分)： 电磁观测》(GB/T 19531.2-2004)(钱家栋等，2010)明确指出： 城市有轨直流运输系统轨道与地电阻率观测场地中心的距离应不小于30 km． 但随着城市轨道交通的建设，沿线30 km内地震前兆地电阻率观测台站不可避免地会受到影响． 除了被动搬迁和重建外，进一步改进地电阻率观测系统，提升其抗干扰能力，是地电科技工作者的当务之急． 城市轨道交通对地电阻率观测系统的干扰不同于工频干扰，所以现有观测系统的抗干扰措施对其抑制效果尚不能满足规范要求． 目前还没有科技工作人员就城市轨道交通对地电阻率观测的干扰问题进行过测试分析和抗干扰措施的研究． 本文选择受城市轨道交通干扰严重的北京西集地震台和天津青光地震台作为测试分析对象，设计了详细的测试方案，对观测的干扰数据进行FFT和功率谱处理，得出了城市轨道交通运行时的干扰能量集中在50—250 s之间，同时进行了计算机模拟和实地测试模拟，最终提出了具体的4条抗干扰措施，并对这4条措施进行了优缺点比较，提出了最佳抗干扰措施交流地电阻率法观测，为以后地电阻率观测方法改进做了技术准备，指出了发展方向．