2013年蘆山MS7.0地震前甘孜臺地電阻率變化分析1

解 滔1) 盧 軍1) 任越霞2) 趙民淵3)

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2013年蘆山7.0地震前甘孜臺地電阻率變化分析

解 滔盧 軍任越霞趙民淵

1）中國地震臺網中心，北京100045 2）四川省地震局，成都 610041 3）甘孜地震臺，甘孜 626700

甘孜臺地電阻率N30oE測道觀測資料自2011年7月開始出現趨勢上升變化，N60oW測道地電阻率則從2012年出現趨勢上升變化。2011年測區(qū)原317國道實施擴建工程，N30oE測道測量電極分別向供電極方向移動10m。采用甘孜臺電測深曲線以水平層狀模型反演了測區(qū)的電性結構，理論計算表明，測量電極的移動將會引起N30oE測道4W·m的上升變化，扣除這部分變化后，甘孜臺兩測道觀測值于2012年同步上升。以水平層狀模型計算了甘孜臺兩測道各層介質的影響系數，兩測道淺層兩層介質影響系數均為負，能合理地解釋甘孜臺地電阻率在雨季降水量增加時觀測值上升、旱季降水量減少時觀測值下降這一“夏高冬低”的年變現象。建立三維有限元模型計算了317國道拓寬部分對觀測的影響，計算結果表明，拓寬部分僅能引起N60oW測道約0.15W·m的下降變化和N30oE測道約0.1W·m的上升變化，其對觀測的影響非常小。同時2013年1月甘孜臺兩測道年變低值顯著高于2008年以來各年的年變低值，在蘆山地震前呈同步的上升變化，但是與汶川地震前的下降變化相反，因此甘孜臺自2012年的趨勢上升變化是不是蘆山地震的前兆異常還難以確定。

蘆山地震 甘孜臺 地電阻率 趨勢上升 年變化

引言

2013年4月20日在四川省雅安市蘆山縣發(fā)生7.0地震，造成196人遇難，20余人失蹤和愈萬人受傷。此次地震是繼2008年汶川8.0地震后發(fā)生在龍門山斷裂帶的又一次巨大破壞性地震。據中國地震臺網測定，震中位于東經102o57′，北緯30o19′，震源深度為13km（http://www.ceic.ac.cn/），主震震中距汶川地震震中約87km。余震分布區(qū)沿長軸（龍門山斷裂走向）約45km，沿短軸（北西方向）約20km，余震分布區(qū)域距汶川地震余震區(qū)約37km（杜方等，2013；劉杰等，2013），震源機制研究結果表明，此次蘆山地震為純逆沖型（呂堅等，2013；曾祥方等，2013）。

我國將地電阻率方法應用于地震中短期預測已有近50年，在長期的觀測實踐中多次記錄到了大震、中強地震前突出的異常現象（錢復業(yè)等，1982；1990；杜學彬，2010；張學民等，2009；桂燮泰等，1989；錢家棟等，2013；Lu等，1999）。關于地震前地電阻率異常機理的研究也相繼展開和不斷深入。從巖石介質微觀導電機理上，DD模式和IPE模式給出含水巖層在受壓應力作用時，介質電阻率呈下降變化，受張應力作用時電阻率呈上升變化（錢家棟，1985）。我國地電阻率觀測采用對稱四極觀測裝置，供電極距一般為AB=1000m左右，且認為孕震應力主要作用于測區(qū)深部巖層。深部巖層對地電阻率觀測的影響系數為正且大于表層介質的影響系數，因而理論上地電阻率觀測能記錄到與深部巖層電阻率受應力作用時同步的變化（趙和云等，1987；錢家棟等，1988；1998；Lu等，2004）。對巖石樣品的應力加載實驗也表明，隨著應力的增加巖石電阻率呈下降變化，同時在相同應力加載作用下，巖石不同方向的電阻率變化亦不同，呈現出各向異性變化（陸陽泉等，1990；陳峰等，2003；2013）。野外原地實驗結果顯示，巖層受壓應力作用時地電阻率觀測值呈下降變化，壓應力卸載和受張應力作用時地電阻率觀測值上升（趙玉林等，1983；1990）。

近年來地電阻率觀測受到的干擾日趨嚴重，造成有些臺站資料失去了地震分析預測效能。蘆山地震震中約300km范圍內有成都、冕寧、西昌小廟和甘孜4個地電阻率臺站，其中成都臺和冕寧臺受干擾嚴重、西昌小廟臺于2012年年底停測，資料難以分析。甘孜臺觀測環(huán)境相對較好，但是觀測極距僅為AB=500m，同時由于測區(qū)下有一高阻層，使得觀測資料較易受來自地表的干擾，且呈現“夏高冬低”年變形態(tài)。甘孜臺地電阻率N30oE測道觀測值自2011年7月開始出現趨勢上升變化，N60oW測道則從2012年出現趨勢上升變化，2011年同期穿過測區(qū)的317國道實施擴建工程。本文將結合甘孜臺電測深資料討論其地電阻率變化的基本特征，并建立測區(qū)空間三維有限元模型分析國道擴建對觀測造成的影響，進而為分析蘆山地震前甘孜臺地電阻率的變化提供依據。

1 甘孜地電阻率臺站簡介

甘孜臺位于四川省甘孜縣城郊以東約4km處，臺站所在區(qū)域為鮮水河斷裂帶西北端、甘孜-馬尼干戈斷裂東端的斯俄盆地，臺站所在區(qū)域斷層構造如圖1所示。測區(qū)地貌平坦，臺站附近有三疊系變質砂巖、板巖出露。盆地第四紀沖積覆蓋層厚度可達40m以上，主要為含碎石粘土、亞粘土等高階地沖積物（李有才，1984）。臺站所在區(qū)域的鮮水河斷裂是我國地震非常活躍的一條地震帶，北西自甘孜東谷，向南經爐霍、道孚至康定磨西附近，全長約350km，整體呈左旋走滑特征，并發(fā)生多次7級以上地震（王貴宣，1995；張國民等，2005；Wen等，2008）。

甘孜臺地電阻率觀測始于1970年，后因原測區(qū)受到金屬水管干擾，于1987年搬遷至現今位置（王德富，1990）。臺站布設N30oE和N60oW兩相互正交測道，采用對稱四極觀測裝置，并沿布極中心對稱分布（圖2）。兩測道供電極距AB=500m，原測量極距均為MN=120m，2011年317國道擴建后N30oE測道測量極距變更為140m，目前臺站使用ZD8BI數字地電儀進行觀測。自觀測以來在臺站周圍發(fā)生了多次中強地震，甘孜臺地電阻率記錄了較為突出的前兆異常。其中在1975年九龍6.2地震、1979年玉樹6.6地震、1981年道孚6.9地震和1982年甘孜6.0地震前N60oW測道出現了年尺度的下降異常（李有才，1984；王德富，1985)；在1989年巴塘6.7雙震前兩測道同步出現了半年尺度的下降異常（王德富，1990）；在2008年汶川8.0地震前兩測道出現約兩年的趨勢下降變化（張學民等，2009；杜學彬，2010；錢家棟等，2013）。

圖1 甘孜臺地區(qū)斷層構造

圖2 甘孜臺地電阻率布極示意圖

2 甘孜地電阻率變化基本特征

甘孜臺2007年至2013年6月的地電阻率和降雨量觀測資料如圖3所示。表層介質電阻率隨季節(jié)變化顯著，夏季降水量較多且表層水為液態(tài)，介質電阻率相對較低，冬季降水較少且甘孜臺表層土壤處于凍結狀態(tài)，介質電阻率較高。甘孜臺兩測道地電阻率在夏季降水量增加，淺層介質電阻率值降低時觀測值上升，而在冬季降水量減少和地表土層處于封凍，淺層介質電阻率值上升時觀測值下降，年變形態(tài)表現為“夏高冬低”，與我國大多數臺站地電阻率“夏低冬高”年變形態(tài)相反，同時年變幅度也較大，約為觀測值的8%。甘孜臺沿N30oE和N60oW兩方向的電測深曲線如圖4所示，兩方向電測深曲線均為K型，形態(tài)在淺層較為相近，中間含有高阻層。在深部電測深曲線顯示介質N60oW方向電阻率顯著低于N30oE，表現出電阻率各向異性。表1是依據圖4中電測深曲線以水平層狀模型計算并參考地電阻率觀測資料得到的測區(qū)地層電性結構。

表1 甘孜臺水平層狀電性結構

圖3 （a）甘孜臺N30oE測道地電阻率觀測值；（b）甘孜臺N60oW測道地電阻率觀測值；（c）甘孜臺月降雨量

圖4 （a）甘孜臺N30oE方向電測深曲線；（b）甘孜臺N60oW方向電測深曲線

如果將地電阻率測區(qū)劃分為任意的塊區(qū)域，每一塊區(qū)域介質電阻率為，=1，2，…，。在測區(qū)電性結構確定、觀測裝置和極距以及布極位置確定時，地電阻率是各分區(qū)介質電阻率的函數（錢家棟等，1985；1998；趙和云等，1987；Park等，1991)：

在多數情況下，各分區(qū)介質電阻率在一定時間內的相對變化非常小，，因此

將（1）式進行Taylor級數展開，二階及高階項遠遠小于一階項，可忽略不計。地電阻率相對變化可以簡單地表示為各分區(qū)介質電阻率相對變化的加權和：

采用表1層狀電性結構，計算N30oE和N60oW測道各層介質影響系數如圖5所示，甘孜臺兩測道在供電極距AB/2=250m時地表兩層介質對地電阻率的影響系數為負。因此在淺層介質電阻率受降雨影響季節(jié)性變化時，甘孜臺觀測的地電阻率表現出與之相反的年變化。同時兩測道地表兩層介質的影響系數也顯著大于其他臺站，表層介質相對變化量對地電阻率變化的貢獻較大，因而甘孜臺地電阻率的年變化幅度較大。

3 317國道擴建對觀測的影響

3.1 移動測量電極產生的影響

原N30oE測道測量極距MN=120m，2011年317國道擴建，原測量電極位置被覆蓋，兩新測量電極位置各自向供電電極方向移動10m，移動后測量極距MN=140m。以表1中N30oE測道電性結構，采用二極裝置濾波器算法計算N30oE測道在測量電極移動前后地電阻率變化（O’Niell等，1984），計算結果如表2所示。計算結果表明，測量電極移動可以引起該測道地電阻率4W·m的階躍上升變化，將其后觀測資料扣除這部分變化后，N30oE測道在2011年的上升變化并不顯著。

表2 測量電極移動產生的影響（W·m）

3.2 國道擴建部分產生的影響

317國道的擴建部分位于兩測道測線和電極附近，是地表地電阻率觀測較為敏感的區(qū)域，通常該區(qū)域介質電性結構的改變對觀測的影響不容忽視。公路施工時表層路基被壓實，這部分介質電阻率值應升高，同時路面為高阻混凝土結構，因此我們將這兩部分簡化為一厚度為2m的高阻體，建立三維有限元模型計算其對甘孜臺兩測道地電阻率觀測的影響。

3.2.1 穩(wěn)恒電流場有限元方法

地電阻率定點臺站觀測采用對稱四極裝置，觀測時在供電電極A、B輸入直流電流，在測量電極M、N測量電勢差，此問題可視為穩(wěn)恒電流場計算，電流場遵守Maxwell方程組和電荷守恒定律，電位分布滿足Possion方程：

式中，是由電流源產生的電位；是介質電導率；是Dirac delta函數。

應用虛功原理可得到穩(wěn)恒電流場Possion方程的有限元弱解形式：

式中，W為計算區(qū)域；為任意的虛位移函數，在滿足Dirichlet邊界條件的邊界上，虛位移函數=0。

由于電位在電流源處存在奇異性，數值求解方程（5）在電流源附近得到的結果誤差較大。常用的去除奇異性的方法是將電流源產生的電位分解為由供電電流在均勻半空間介質（）中產生的一次場電位V和非均勻介質（）引起的二次場電位V，且滿足=V+V和。一次場電位V可以通過解析表達式得到，二次場電位V通過單元離散化后數值計算得到（Lowry等，1989；Zhao等，1996）。

地電阻率觀測在地表自然地滿足Neumann邊界條件，在水平方向和垂直方向（深度）可視為無窮遠邊界，可以施加Dirichlet邊界條件（=0），也可以施加Neumann邊界條件（Coggon，1971）。但是建立的模型在水平和垂直方向上的尺度不可能是無限的，對于一固定尺寸的模型，在供電極距AB大于一定的值后，對無窮遠邊界施加Dirichlet邊界條件時計算得到的地電阻率值將小于實際值，而對無窮遠邊界施加Neumann邊界條件時計算得到的地電阻率值將大于實際值（Li等，2005；Dey等，1979）。對固定的供電極距AB，模型尺寸越大，邊界對計算結果的影響就越小，但是模型越大，計算量也就越大，因此需要合理地選擇模型水平方向的尺寸和最底層厚度。

模型經單元離散化、施加電流源和邊界條件后可對單元節(jié)點上的自由度(電位)進行有限元數值求解，求解出電位分布后可以獲得測量電極間的電勢差，進而依據對稱四極裝置系數計算地電阻率。

3.2.2 模型建立

甘孜臺測區(qū)淺層介質主要為沖積沉積物，N30oE和N60oW兩方向電測深曲線在淺層時形態(tài)相近，反映淺層介質電阻率各向異性不顯著。深部巖層由于長期受構造應力作用，微裂隙發(fā)育可能不均勻，造成深部巖層電阻率在不同方向有差異，兩方向電測深曲線顯示深部巖層N30oE方向電阻率大于N60oW方向。模型采用水平層狀結構，假定淺層三層介質電阻率均勻，僅在模型最底層采用不同的電阻率值計算兩方向的地電阻率值，模型參數如表1所示，圖6為模型示意圖。

甘孜臺兩個測道的供電極距相同，且都沿布極中心對稱分布，因而模型在N60oW和N30oE方向采用相同的尺寸。圖7a是在模型最底層厚度為1000m時N60oW測道地電阻率計算值隨模型水平尺寸的變化，在>3000m之后N60oW測道地電阻率計算值基本上已不隨的增加而變化，所以模型中取=4000m。圖7b則是模型水平尺寸=4000m時N60oW測道地電阻率計算值隨模型最底層厚度的變化，在>1000m之后N60oW測道地電阻率計算值基本上也不隨的增加而變化，所以在模型中取=1500m。在計算甘孜臺兩測道地電阻率受國道擴建影響的最終模型大小為4000×4000×1551m，在建立模型計算時臺站觀測裝置布極中心始終位于模型水平面中心。

3.2.3 計算結果

計算時將國道擴建部分和路基壓實部分簡化為一厚度為2m的高阻體，電阻率值設定為10000W·m。先將高阻體部分電阻率設定為表層介質電阻率值，計算未受干擾時的地電阻率，而后將高電阻率值賦予之，計算受干擾后的地電阻率，從而計算出國道擴建部分對兩測道地電阻率的影響，計算結果如表3所示。317國道擴建部分僅能引起N30oE測道約0.1W·m的上升變化和N60oW測道約0.15W·m的下降變化變化。由于甘孜臺測區(qū)表層介質電阻率值較高，在高阻介質中嵌入高阻體，加之擴建部分的規(guī)模不大（寬度為4m），因而其對地電阻率觀測值的影響很小。N30oE測道在2011年8月17日移動電極，隨后測區(qū)內路基工程開始實施，直至9月完成，期間兩測道整點觀測值如圖8所示，從圖中可以看出施工期間甘孜臺兩測道地電阻率變化連續(xù)平穩(wěn)，施工對觀測并沒有造成顯著的影響。

表3 國道擴建部分產生的影響（W·m）

甘孜臺兩測道地電阻率觀測值在扣除電極移動和317國道擴建部分產生的影響后，于2012年6月開始同步大幅度快速上升。2012年電磁學科組現場落實認為，當年6月、7月和9月三個月份降雨量顯著大于2008—2011年同月份降雨量，甘孜臺兩測道地電阻率同步快速上升與降雨量增加有關（電磁學科赴甘孜臺異常落實工作小組，2012）。直至2013年1月，測區(qū)幾無降雨，表層處于凍結時兩測道地電阻率年變低值仍高于往年，因而甘孜臺地電阻率在排除干擾后存在趨勢上升變化。

4 討論

甘孜臺測區(qū)淺層由沖積沉積物構成的地層電阻率較高，依據電測深曲線采用水平層狀模型反演的電性結構顯示第三層為高阻層，其下則為低阻巖層。高阻巖層的存在使得供電電流更多地集中在淺層介質中，加之臺站供電極距較小，這使得淺層介質對觀測到的地電阻率相對變化貢獻較多。從兩測道各層介質的影響系數可以看出，第三層介質影響系數最大，且大于1，第二層次之。一般認為由孕震引起的應力變化更多地影響深部巖層電阻率變化，甘孜臺深部巖層影響系數盡與表層介質相當，這對捕捉孕震信息是不利的。由于表層介質影響系數較大，甘孜臺的年變幅度也相應的較大，同時容易受到來自地表的干擾。甘孜臺為電磁學科在鮮水河上唯一的地電阻率臺站，對鮮水河上震情判定具有重要意義。從圖5可以看出，若將供電極距擴展至AB=1000m，最底層介質影響系數最大，且表層介質影響系數將降低一個數量級。測區(qū)覆蓋層厚度較薄，鉆孔將電極直接放置于第四層，實施井下觀測也是較好的選擇。

從相互垂直的兩條電測深曲線（圖4）可以看出，甘孜臺電性結構在第四層存在顯著的各向異性特征，文中采用的是依據各條電測深曲線按一維層狀均勻介質模型反演的電性結構，它是對實際結構的一種簡化和近似。單一電測深曲線是對地下非均勻（或各向異性）結構的綜合反映，而以一維層狀均勻介質模型反演的電性結構是對地表觀測結果的一種解譯。甘孜臺地電阻率觀測測量極距的移動和國道擴建均在地表，因而分別采用一維模型予以計算的結果是可信的。

甘孜臺距2008年汶川地震震中約330km，距蘆山地震震中約300km，汶川地震前甘孜臺地電阻率表現為中期下降變化異常（張學民等，2009），在蘆山地震前則表現為趨勢上升變化。汶川地震和蘆山地震都發(fā)生在龍門山斷裂帶上，發(fā)震動力源為巴彥喀拉地塊相對四川盆地的逆沖作用。震源機制解表明，汶川地震在破裂區(qū)中南段以逆沖為主，在北段以走滑為主，主震以逆沖型為主（陳運泰等，2008），蘆山地震發(fā)生在汶川地震以西南約85km處，主震為逆沖型（呂堅等，2013；曾祥方等，2013）。同時甘孜臺與兩次地震震中的距離幾乎一樣，兩次地震與甘孜臺的方位角也幾乎一樣，雖然震級上有差別，但兩次地震相對甘孜臺而言構成了大地震事件的重現性。然而甘孜臺地電阻率資料在汶川地震前為下降變化，而在蘆山地震前卻為上升變化，這與我們通常理解的物理現象重現性存在矛盾。地電阻率觀測值是局部范圍內測區(qū)地下介質電阻率的綜合反映，在排除測區(qū)干擾和年變產生的影響后，地電阻率變化被認為是深部巖層受應力作用時巖層電阻率變化引起的。理論模型（DD模式和IPE模型）以及實驗資料表明，含水巖層在壓應力積累階段電阻率總體呈下降變化，在壓應力卸載或張應力積累作用下電阻率呈上升變化。因此結合測區(qū)所在區(qū)域應力場資料來分析地電阻率變化更為客觀，甘孜臺有一體應變觀測，但觀測質量很差，無法獲取汶川地震和蘆山地震前測區(qū)深部巖層應變相對變化狀態(tài)。

5 結論

甘孜臺地電阻率測區(qū)下有一高阻層，使得甘孜臺在現有布極方式下淺層介質的影響系數為負，在降雨增加淺層介質電阻率降低時觀測值上升，降雨減少和淺層電阻率升高時觀測值降低，表現出“夏高冬低”的年變形態(tài)。同時由于下覆高阻層和觀測極距較短，淺層介質影響系數較大，從而年變幅度較大，且觀測易受來自地表的干擾。317國道擴建造成N30oE測道測量極距變化，從而引起該測道約4W·m的階躍上升變化。將擴建部分簡化為在地表嵌入的高阻體，有限元模型計算表明，擴建部分僅能引起N30oE測道約0.1W·m的上升變化和引起N60oW測道約0.15W·m的下降變化?？鄢蓴_變化后，甘孜臺兩測道地電阻率資料自2012年6月開始同步出現快速上升變化，且年變峰值顯著高于前幾年，其中包含了2012年降雨量顯著大于前幾年引起的上升變化部分。在2013年1月幾無降雨、表層處于凍結時年變谷值也高于前幾年，因此甘孜臺兩測道存在趨勢上升變化。汶川地震前甘孜臺兩測道資料出現中期的下降變化，而蘆山地震前卻表現為上升變化，同時甘孜臺距震中距離約為300km，因此甘孜臺自2012年的趨勢上變化是不是蘆山地震的前兆異?，F在還難以予以確定。

致謝：四川省地震局張茂軍和甘孜臺工作人員一同參與了甘孜臺的科學考察工作，并提供了一些重要的資料，作者在此一并表示衷心的感謝。

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Analysis on Apparent Resistivity Variations of Ganzi Station before 2013 Lushan7.0 Earthquake

Xie Tao, Lu Jun, Ren Yuexiaand Zhao Minyuan

1) China Earthquake Networks Center, Beijing 100045, China 2) Sichuan Earthquake Administration, Chengdu 610041, China 3) Ganzi Earthquake Station, Ganzi 626700, China

Apparent resistivity data of N30oE monitoring direction observed at Ganzi station began to increase since July 2011. And data of N60oW direction also increased since 2012. In 2011 the potential electrodes of N30oE direction moved 10m towards the current electrodes due to the expansion construction of national road No. 317. By using a horizontal layered model our analysis indicates that the potential electrodes shift can cause 4raiseto measurement of N30oE direction. Therefore, apparent resistivity of the two directions increased in the same time of 2012 after offset the effect from electrodes shift. Sensitive coefficients of two directions were also obtained using the model. Sensitive coefficients of shallow layers were minus for the two directions and the unexpected annual variations of Ganzi station were well explained. In order to quantitatively analyze effects on observation from the national road, we constructed an finite element model based on the electric structure. Analysis results also suggested that, the national road expansion construction can only cause 0.15decrease on N60oW monitoring direction and 0.1increase on N30oE direction. Additionally, the valley values of annual variation of 2013 were distinctively higher than other years from 2008, meaning that there existed abnormal rise of apparent resistivity of the two directions at Ganzi station before the Lushan earthquake. However, the rise was contrary to the decline variation before Wenchuan earthquake. Therefore, it was still unconfirmed that whether or not the rise variation was related to Lushan earthquake.

Lushan earthquake; Ganzi station; Apparent resistivity; Trend increase; Annual variation

國家科技支撐計劃專題（2012BAK19B02-03）和國家自然科學基金（41204057）共同資助

2013-07-19

解滔，男，生于1986年。碩士。主要從事地震電磁學和熱紅外衛(wèi)星遙感應用研究。E-mail：xtaolake@163.com

解滔，盧軍，任越霞，趙民淵，2013. 2013年蘆山7.0地震前甘孜臺地電阻率變化分析. 震災防御技術，8（4）：347—358.