0 引言

为缓解地表大极距地电阻率观测环境与城镇化建设、经济建设等之间的突出矛盾，规避环境干扰对地电阻率观测的影响，自2007年起，河北大柏舍台、甘肃天水台、平凉台、武都台、江苏南京台、海安台、江宁台等台站陆续开展了井下地电阻率观测实验。江宁台井下地电阻率观测装置为国内首个达到200m井深的地电阻率观测装置，采取缩短极距和电极深埋200m的措施以减轻轨道交通和地表农作业对观测的影响(沈红会等，2014；樊晓春等，2018)。数据表明，井下观测对布极区地表杂散电流类具有一定抗干扰能力，减小了年变化幅度，受地铁干扰明显小于地表地电阻率观测(樊晓春等，2019a)。但距观测场地更近的南京地铁S7号线、S9号线相继开通，对江宁台井下地电阻率观测造成了较大影响，地铁运行中产生的漏电电流使得地电阻率观测信噪比降低，导致无法分析较小的变化(樊晓春等，2020)。江宁台井下地电阻率观测自2015年11月正式观测以来已有4年多的观测数据，亟需对各种数据变化进行分析，如年变化、地铁干扰、可能与地震有关的变化、长趋势变化等。目前已有多个井下地电阻率观测在中强地震前出现异常的典型震例，如天水台井下地电阻率观测在四川芦山M_S7.0地震前11天出现波动变化，岷县-漳县M_S6.6地震前41天出现波动变化(高曙德，2016)，平凉台井下地电阻率在四川九寨沟M_S7.0地震前出现了持续1年的趋势异常变化(高曙德等，2017)等，但对中小地震前的地电阻率异常变化研究较少。南京地区位于长江下游-南黄海地震带，地震发生特点是震级小、频次高，震级以M_L 2.0左右地震为主，中强地震较少。2018年1月~2020年4月，江宁台周边发生多次有一定影响的M_L≥3地震，如2018年4月6日安徽无为M_L 4.1地震、2019年3月2日溧水地震序列、2019年11月1日安徽定远县M_L 3.9地震、2020年3月3日江苏鼓楼区M_L 3.4地震。因此，在强地铁干扰下发现中小地震发生前井下地电阻率观测的异常变化是亟需研究的问题。本研究首先通过计算影响系数来评价江宁台井下地电阻率对地表浅层干扰抑制能力，结合观测数据分析井下地电阻率观测主要干扰源；然后，总结地铁运营对地铁干扰的影响变化及如何提取地铁干扰较少的数据；之后，对江宁台井下地电阻率观测2018年10月出现快速变化原因进行了分析；最后，通过夜间数据来分析江宁台井下地电阻率在中小地震发生前的微小变化，初步探讨其相关性。

1 台站基本情况

江宁台始建于1978年，位于现南京市江宁区禄口街道，地电阻率测区内地形高差不超过2m，地貌属秦淮河冲积平原，以耕地和灌溉渠为主。测区构造单元为溧水中生代火山岩盆地，位于南京-湖熟断裂南西盘和方山-小丹阳断裂西盘的楔形地块上，东距茅山断裂带30km，西北距长江36km。距江宁台4km范围内共有3条地铁和1条公路，分别为直线距离2.9km的地铁S1号线、直线距离1.5km的地铁S9号线、直线距离3.2km的地铁S7号线、S340公路(图 1)。2014年江宁台在地表地电阻率布极区新建了井下地电阻率观测装置，电极在地面投影位置与地表布极位置基本相近，井下地电阻率于2015年11月开始正式观测，采用四极对称观测方式，布极呈十字状，如图 2所示。2018年4月14日地表地电阻率观测停测，原地表观测装置用于交流地电阻率观测实验。供电极、测量极布设情况和装置系数见表 1。

2 井下地电阻率观测浅层地表抑制干扰能力研究

根据表 2江宁台“K”型电性结构分别计算井下观测的各层介质影响系数，用B₁、B₂、B₃代表水平层状影响系数的第1~3层，各测道的各层影响系数如表 3所示。据全国地电阻率观测台站多年的观测数据分析，在浅层介质影响系数绝对值不大于0.5%的情况下观测数据较平稳，季节性年变化幅度较小(解滔等，2016)。江宁台井下地电阻率观测NS(AB=200m)的B₁小于0.5%，其抑制浅层介质电阻率的变化干扰能力优于其他测道。井下地电阻率观测NS(AB=200m)和EW(AB=200m)的B₁远小于井下地电阻率观测NS(AB=1000m)，表明井下地电阻率短极距抑制浅层介质电阻率的变化干扰能力优于长极距。

井下地电阻率观测NS(AB=200m)和EW(AB=200m)的B₂大于NS(AB=1000m)，如果孕震作用引起第2层介质电阻率的变化，则前者的映震能力优于后者。井下地电阻率NS(AB=1000m)的B₃大于NS(AB=200m)和EW(AB=200m)，如果孕震作用引起第3层介质电阻率的变化，则前者的映震能力优于后者(樊晓春，2019a)。用ρ_NS、ρ_EW、ρ_NS长分别表示江宁台井下地电阻率观测NS(AB=200m)、EW(AB=200m)及NS(AB=1000m)的地电阻率，ρ₁、ρ₂、ρ₃分别表示1、2、3层介质电阻率；其相对变化值可用下式表示

$ \frac{{\Delta {\rho _{{\rm{NS}}}}}}{{{\rho _{{\rm{NS}}}}}} = 0.0043\frac{{\Delta {\rho _{\rm{1}}}}}{{{\rho _{\rm{1}}}}} + 0.9080\frac{{\Delta {\rho _{\rm{2}}}}}{{{\rho _{\rm{2}}}}} + 0.0876\frac{{\Delta {\rho _{\rm{3}}}}}{{{\rho _{\rm{3}}}}} $

(1)

$ \frac{{{\Delta _{{\rm{EW}}}}}}{{{\rho _{{\rm{EW}}}}}} = 0.0095\frac{{\Delta {\rho _{\rm{1}}}}}{{{\rho _{\rm{1}}}}} + 0.8668\frac{{\Delta {\rho _{\rm{2}}}}}{{{\rho _{\rm{2}}}}} + 0.1237\frac{{\Delta {\rho _{\rm{3}}}}}{{{\rho _{\rm{3}}}}} $

(2)

$ \frac{{\Delta {\rho _{{\rm{NS长 }}}}}}{{{\rho _{{\rm{NS长 }}}}}} = 0.2216\frac{{\Delta {\rho _{\rm{1}}}}}{{{\rho _{\rm{1}}}}} + 0.1418\frac{{\Delta {\rho _{\rm{2}}}}}{{{\rho _{\rm{2}}}}} + 0.6366\frac{{\Delta {\rho _{\rm{3}}}}}{{{\rho _{\rm{3}}}}} $

(3)

计算江宁台井下观测2017~2019年的原始数据以及夜间1~3时转日均值数据的年变化幅度，根据年变化幅度可表明浅层地表抑制干扰能力水平，如表 4所示。井下地电阻率观测NS(AB=200m)和EW(AB=200m)的原始数据的年变化幅度明显大于夜间1~3时转日均值数据的年变化幅度，而长极距在入江苏省地震局前兆数据库前已经预处理，原始数据和夜间1~3时转日均值相差较小。井下地电阻率观测NS(AB=200m)2017年的年变化幅度接近2018年的2倍，而夜间1~3时转日均值数据的年变化幅度相当，可能与地铁S7号线、S9号线的试运行有关。井下地电阻率观测NS和EW(AB=200m)年变化幅度较NS(AB=1000m)显著减小，由公式(3)可得与其B₁相关的结论，表明井地电阻率观测NS和EW(AB=200m)的浅层地表抑制干扰能力优于NS(AB=1000m)，各测道的主要干扰源为地铁。

3 数据变化分析 3.1 地铁干扰变化及数据处理

地铁作为动态干扰源，一般干扰周期为120~180s，干扰频段集中在0.1Hz以下(张宇等，2016)，干扰时间通常为地铁运营期间、电客车出库、入库和地铁轨道等日常维护时间段(1~2h)。地铁对地电阻率观测曲线的影响特征主要表现为正负脉冲型突跳、上升、下降等变化(樊晓春等，2020)。城市有轨直流轨道系统与地电阻率观测设施与环境之间最小距离的标准为30km，截至2019年，江宁台井下地电阻率观测共有5条地铁线路超出该标准，最近的仅为1.5km，另有3条地铁距江宁台30~35km范围内(樊晓春等，2016)(表 5)。江宁台井下地电阻率3个测道均具备一定的地表浅层抑制干扰能力，自2015年11月至2020年4月，未发现测区内蔬菜大棚、农田灌溉等对数据造成明显的影响。2017年3月测区附近开始建设地铁S7号线、S9号线后，数据变化幅度增大，较难发现小的变化。选取2015年11月至2020年3月31日的井下地电阻率数据，通过提取夜间数据代替日均值来分析对其数据变化。地铁最早开始运营时间为05：47：00，最晚运营时间为6：07：00，最早结束运营时间为22：25：00，最晚结束运营时间为23：27：00。根据地铁运营时间(表 5)，加上日常维护时间，参考李伟(2007)和李鸿宇(2016)的剔除干扰方法，从观测数据中提取夜间1~3时的观测数据取均值代替24h日均值，并与原日均值比较。

由图 3(b)可以看出，与图 3(a)原日均值相比，各个测道夜间1~3时转日均值曲线较为光滑，更容易发现一些较小的数据变化。井下地电阻率NS(AB=200m)夜间1~3时转日均值在2017年9月~2018年5月期间变化幅度明显增大，与地铁S7号线和S9号线夜间试运行实验有关，当地铁S7号线和S9号线正式运营后，数据变化幅度减小。由各测道夜间1~3时转日均值曲线可以看出数据有多次突跳，各测道表现不一致，或上升或下降，持续时间为1~2天，间隔时间无明显规律。井下地电阻率观测NS(AB=200m)和EW(AB=200m)突跳次数少于NS(AB=1000m)，可能与后者极距较长更容易受到地铁干扰有关。该突跳变化与常见的蔬菜大棚、农田灌溉引起的观测数据阶跃变化形态明显不同，而漏电引起的突跳变化也无法解释该变化，因此推测在观测场地环境未有大的变化时，突跳可能与地铁干扰有关，后经地铁公司确认，除了运营前后1~2h日常维护外，还有不定期(夜间1~3时)维护，主要包括轨道探伤车检查钢轨、接触网检测、运输设备等维护(樊晓春等，2020)。因此，在日常数据分析前，可以将突跳数据置为缺数。

3.2 2018年10月快速下降变化的分析

江宁台井下地电阻率观测NS(AB=1000m)和NS(AB=200m)傅氏滑动去年变周期后，数据显示从2018年10月底开始出现趋势下降变化，最大下降幅度为0.46Ω·m，与2015年11月~2018年9月出现的长趋势变化明显不同(图 4)。自2018年4月开始S340公路开始在路两边及中间安装金属护栏，直至2018年12月底完成，由于测区内金属导体可能会对数据造成一定干扰，需要进行异常排查。S340公路金属护栏位于地表与井下地电阻率观测NS(AB=1000m)南供电极A₁和M₁之间，施工要求测区段金属护栏须留有缺口，使得金属护栏分为左右两部分，该测道附近留有约10m缺口，场地布极情况与金属护栏相对位置见图 2。2019年12月12日、2020年4月2日2次江宁台异常期间，经检测各个金属护栏与地面接触桩测点的接地电阻范围在2.01~2.24Ω，接地良好。为了分析该金属导体影响，决定采用实验方式验证S340公路的金属护栏对场地地表与井下地电阻率观测数据的影响。

实验方案采用导电优良的导线将左右两边金属护栏连接，通过观测连接前后地表与井下地电阻率数据变化来判定金属护栏是否影响(图 5 (a))，其中虚线为实验连接导线。图 5 (b)为实验前后南供电电极A与南测量电极之间场地地表电性情况示意图，其中R₁为南供电电极A与南测量电极之间电阻，R₂为左侧金属护栏电阻，R₃为右侧金属护栏电阻。

第1次实验时间为2019年12月19日9：40~15：20，图 6(a)给出了实验前后的地表交流地电阻率整点值曲线，可以看出实验期间，地表交流地电阻率观测EW(AB=1000m)数据出现明显下降(地表交流地电阻率观测NS(AB=1000m)无明显变化，图略)，最大下降幅度为0.16Ω·m，而同时间段的井下地电阻率观测数据由于受地铁干扰较强，无法判定是否出现变化(参考图 6(c)、(d)、(e)地铁运营运行期间观测数据)。分析认为当金属管线、蔬菜大棚、铁塔或公路护栏等作为金属导体进入地电观测区后，电流将更多地被吸引到存在金属导体的位置，周围产生附加电场，而其他位置的电场将变弱(樊晓春等，2018)，使得地表交流地电阻率观测EW(AB=1000m)数据出现明显下降。

第2次实验时间为2020年4月2日13：50~4月5日05：00，考虑到白天井下地电阻率观测受地铁干扰影响，利用4月3日、4日、5日夜间1~4时数据来判定金属护栏影响。图 6(c)、6(d)、6(e)给出了实验前后的井下地电阻率观测整点值曲线，可以看出实验期间，井下地电阻率观测NS(AB=1000m)、EW(AB=200m)和NS(AB=200m)夜间1~4时(虚线方框内)均无明显变化，而地表交流地电阻率观测EW(AB=1000m)出现明显下降(地表交流地电阻率观测NS(AB=1000m)无明显变化，图略)，下降幅度为0.19Ω·m(图 6(b))。

2次实验期间均无降雨、农田灌溉等干扰，通过简单改变地表金属连接情况使得地表交流观测数据发生明显变化，表明金属护栏对地表交流地电阻率确实存在一定干扰影响。当测区金属导体与测道平行时，分流更为明显，对该测道观测数据影响更加明显，而当测区金属导体与测道垂直时，分流效果不及前者，电场变化幅度较小，对该测道观测数据影响较小，因而2次实验中地表交流NS(AB=1000m)均未有明显变化(该曲线因无变化已省略)。而对于江宁台井下地电阻率观测，实验结果表明S340公路金属护栏对其影响较小。因此，江宁台井下地电阻率观测NS(AB=1000m)和(AB=200m)自2018年10月开始出现的快速下降变化与金属护栏干扰相关的可能性较小。

3.3 “U”形变化分析 3.3.1 安徽无为M_L 4.1地震

江宁台井下地电阻率年变特征较明显，呈“夏低冬高”变化，2018年1月井下地电阻率观测EW(AB=200m)出现反年变周期下降，下降幅度为0.055Ω·m。经实地考察，周边无蔬菜大棚建设，农田无灌溉，观测场地环境除S340公路修建外未有明显变化，降雨也为正常水平。此后维持低值振荡变化，至4月1日出现转折上升，恢复至正常水平，呈现“U”形变化(图 7)。随后发生了2018年4月6日安徽无为M_L 4.1地震，震中距江宁台约115km，在数据呈“U”形变化期间，测区150km范围内没有超过M_L 3.0的地震。因2018年1~4月测区内新建S340公路，该公路路基宽26m，位于地表和井下地电阻率南供电极A₁和M₁之间(图 2)，推测该变化可能与公路干扰影响有关。但比较地表直流地电阻率观测EW(AB=1000m)和井下地电阻率观测EW(AB=200m)数据(2018年4月14日后原地表直流地电阻率观测改为交流地电阻率观测)，前者在公路建设期间未发现明显变化(地表直流地电阻率观测NS(AB=1000m)无变化，图略)，表明后者出现的“U”形变化与公路建设相关的可能性较小。井下地电阻率观测EW(AB=200m)夜间1~3时转日均值变化幅度极小，虽然该测道出现的“U”形变化幅度较小，但形态较明显，震前地电阻率下降后上升再到发震符合DD模式(Dilatancy-Diffusion model)预言的震源区电阻率变化过程。因此，认为该异常变化与2018年4月6日安徽无为M_L 4.1地震存在一定的关联。

3.3.2 溧水地震序列

如图 8所示，江宁台井下地电阻率观测NS(AB=1000m)和(AB=200m)自2018年10月底至11月下旬快速下降后一直处于振荡阶段，随后于2019年3月2日发生了溧水地震序列。该序列最大地震震中距江宁台约20km，为1970年以来南京辖区最为显著的1次地震序列，南京市溧水区震感明显。溧水地震序列共计21次地震，最大震级为M_L 3.4。其中，M_L≥3.0地震3次，2.0≤M_L＜3.0地震3次，1.0≤M_L＜2.0地震8次，0.1≤M_L＜1.0地震7次。该地震序列距茅东断裂和南京-湖熟断裂较近，距1977年5月10日江苏溧水M_L 4.6地震约3km，距1979年溧阳M 6.0地震约17km。序列中2019年3月2日M_L 3.4地震、2019年4月6日M_L 3.4地震、2019年4月7日M_L 2.9地震震源机制一致性较好，与1979年7月9日溧阳M 6.0地震震源机制相似，认为溧水地震序列可能与茅东断裂有一定关系，反映了该地区较高的应力水平。

该地震序列中4月6日M_L 3.4地震发生前，江宁台井下地电阻率观测NS(AB=1000m)和NS(AB=200m)出现1次“U”形变化。该变化表现为该地震序列中3月2日M_L 3.4地震发生后数据快速下降至3月31日，下降幅度达0.57Ω·m，随后快速上升并恢复，于4月6日发生了M_L 3.4地震。自2018年10月以来，距江宁台150km范围内无较大影响地震发生，在初步排除了S340公路金属护栏干扰影响后，认为2018年10月以来江宁台井下地电阻率观测NS(AB=1000m)和NS(AB=200m)的快速变化及4月6日前出现的“U”变化可能与溧水地震序列有关。

3.3.3 安徽定远M_L 3.9地震

江宁台井下地电阻率观测NS(AB=1000m)和NS(AB=200m)自2019年4月中旬至8月中旬期间处于快速下降状态，最大下降幅度为0.7Ω·m，随后快速上升，到10月底恢复正常后，数据呈“U”形变化，于2019年11月1日在距江宁台约148km的安徽滁州市定远县发生了M_L 3.9地震(图 8)。江宁台井下观测NS向2个测道数据呈“U”形变化期间，未见测区环境变化，距江宁台150km范围内无较大影响地震发生，震前地电阻率变化符合DD模式预言的震源区电阻率变化过程，但由于该地震震级较小且距离较远，其机理还需要进一步讨论。

3.3.4 江苏鼓楼M_L 3.4地震

如图 8所示，江宁台井下地电阻率观测NS(AB=1000m)自2019年11月上旬至2020年1月底呈现“U”形变化，最大变化幅度为0.343Ω·m，随后一直处于快速下降，于2020年3月3日在距江宁台约45km的江苏南京市鼓楼区发生M_L 3.4地震。该地震震源深度约10km，为有仪器记录以来南京主城区发生的最大地震。地震发生后，鼓楼区、栖霞区、玄武区普遍有较强的震感。该地震发生前江宁台井下地电阻率测区未见环境有明显变化，距江宁台150km范围内无较大地震发生，认为井下地电阻率观测NS(AB=1000m)震前变化与该地震相关的可能性较大。江宁台井下地电阻率观测NS(AB=1000m)和NS(AB=200m)变化略有不同，后者自2019年11月上旬开始一直处于下降状态，原因可能与极距较小有关。

4 讨论与结论

(1) 地表浅层抑制干扰能力。

江宁台井下地电阻率观测电极埋深达200m，其观测极距既有1000m的长极距，也有200m的短极距。影响系数计算结果表明，其短极距具备较强的地表浅层抑制干扰能力，而长极距仍可能受到较强的地表干扰。自2015年11月正式观测以来，实际观测数据表明，长、短极距观测除地铁干扰和仪器故障外未受到较明显的地表浅层干扰。测区内S340公路金属护栏对地表与井下地电阻率观测的干扰影响实验结果表明，S340公路金属护栏对江宁台井下地电阻率干扰影响较小，对地表地电阻率交流观测干扰影响较显著，当测区金属导体与测道平行时，对数据影响较大，上升或下降与金属导体所处位置相关；当测区金属导体与测道垂直时，对该测道观测数据影响较小，与王同利等的(2017)结论一致。考虑到金属护栏及公路干扰影响较复杂，对于公路自身和金属护栏对地电阻率干扰影响是否存在抵消还缺少分析，因实验时间较短，今后还需要进一步分析研究。

(2) 趋势变化。

江宁台井下地电阻率电极埋深达200m，但受表层介质电阻率的季节性变化显著，井下观测随夏季降雨量的增加，表层介质含水率升高，地表介质电阻率降低，故引起地电阻率观测值降低，而冬季降水量减少，表层介质电阻率上升，视电阻率观测值升高，表现出“夏低冬高”的正常年变形态(樊晓春，2019b)。从长趋势来看，自观测以来3个测道均呈现长趋势下降变化，其中井下地电阻率观测NS(AB=1000m)和NS(AB=200m)趋势变化较为明显。以距江宁台200km范围内的苏16井、苏18井、溧阳上兴观测站和苏22井的水位作为对比，2018年1月至2020年1月各个深井的水位均同样呈现下降趋势。虽然部分深井的水位下降可能与近2年的降雨量减少有关，但本文认为大范围的水位下降有较大可能与区域应力调整有关。地电阻率长趋势变化通常反映了岩石孔隙率的变化，与构造引起的水位变化相似，反映了周围区域应力场的变化(沈红会等，2017、2020)。因此，大范围深井水位与江宁台井下地电阻率数据下降变化一致反映了区域应力场的变化。自2018年10月开始快速下降变化后，江宁台周围地震强度明显增强，如溧水地震序列、江苏鼓楼M_L 3.4地震。其中江苏鼓楼M_L 3.4为南京主城区有仪器记录以来最大的有感地震，震中附近499年8月4日曾发生过M4¾地震。

(3) 映震能力初步探讨。

目前，井下地电阻率观测的震例较少，尤其是中小地震前的异常变化。江宁台井下地电阻率观测在2018年4月6日安徽无为M_L 4.1地震、2019年3月2日溧水地震序列、2019年11月1日安徽定远M_L 3.9地震、2020年3月3日江苏鼓楼M_L 3.4地震发震前均出现了“U”形变化，排除S340公路金属护栏及地铁干扰后，认为“U”形变化与上述地震具有一定的相关性。本文认为江宁台井下地电阻率的上述变化与DD模式预言的震源区电阻率变化过程较一致。地震断层的破裂长度L可通过公式(4)来计算(郭增建等，2000)

$ \lg L = \frac{{M - 2.56}}{{2.97}} $

(4)

以安徽无为M_L 4.1地震为例，破裂长度小于3km，考虑到地震断层影响范围为其破裂长度的2~3倍，则其地震断层影响范围最大仅有9km左右。江宁台距该地震震中约115km，距震源较远，本文认为引起其井下地电阻率观测EW(AB=200m)地电阻率变化的原因可能为大范围区域应力场与震源区共同作用所致，并非与震源破裂直接相关。

另外，与井下地电阻率观测NS(AB=200m)相比，江宁台井下地电阻率观测NS(AB=1000m)在震前能够更加明显地观测到“U”形变化。根据公式(3)可知，如果孕震作用引起第3层介质电阻率的变化，则井下长极距的映震能力要优于井下短极距。由于江宁台井下地电阻率观测时间较短，正式观测以来仅发现5次“U”形变化。同时，考虑到上述地震震级偏小，震级和发震时间与地电阻率的异常幅度、异常时间的相关性及其变化机理还需要更多“U”形变化做进一步分析。

致谢: 中国地震局兰州地震研究所杜学彬研究员、中国地震局地震预测研究所赵家骝研究员、中国地震局台网中心叶青高级工程师、甘肃省地震局安海静高级工程师、江苏省地震局沈红会、李鸿宇高级工程师对本文提出了建议和意见，在此表示衷心的感谢。