單軸固定速率加、卸載下巖石電阻率圖像變化的實(shí)驗(yàn)研究

張 斌 朱 濤 俞言祥（中國(guó)地震局地球物理研究所， 北京 100081）

單軸固定速率加、卸載下巖石電阻率圖像變化的實(shí)驗(yàn)研究

張 斌 朱 濤 俞言祥
（中國(guó)地震局地球物理研究所， 北京 100081）

觀測(cè)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在強(qiáng)震和大型地質(zhì)災(zāi)害孕育和發(fā)生過(guò)程中，地電阻率及其各向異性會(huì)出現(xiàn)明顯的異常變化，因此電阻率一直是我國(guó)地震監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)中使用的重要參量之一，在近50年來(lái)的地震監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)工作中發(fā)揮了重要作用。震例研究表明，在某些強(qiáng)震前，利用目前地震電阻率觀測(cè)中僅有4個(gè)固定電極的對(duì)稱四極測(cè)量系統(tǒng)，即使在離震中很近的臺(tái)站，并不是所有測(cè)向上都能記錄到明顯的地電阻率異常變化，這可能導(dǎo)致地震異常誤判的幾率。因此，探索新的地震電阻率觀測(cè)方式，可以為目前地震電阻率觀測(cè)系統(tǒng)提供有益的補(bǔ)充，這對(duì)我國(guó)的防震減災(zāi)具有實(shí)際意義。為了更加深入研究電阻率圖像變化規(guī)律和特征，探討其是否可以作為地震電阻率異常的可能性，進(jìn)行了一系列的系統(tǒng)性實(shí)驗(yàn)研究工作。

制作了相對(duì)均勻（樣品Ⅰ）、內(nèi)嵌高阻（樣品Ⅱ、Ⅲ）和內(nèi)嵌低阻（樣品Ⅳ、Ⅴ）的5組人工樣品，在樣品的一個(gè)自由表面以共中心點(diǎn)對(duì)稱布設(shè)4條輻射狀測(cè)線。樣品充分固結(jié)干燥后，分別對(duì)樣品進(jìn)行單軸固定速率的加、卸載，獲得每個(gè)應(yīng)力下4條測(cè)線的視電阻率數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集由采用溫納—α觀測(cè)裝置的直流電法儀完成。利用公式（1）計(jì)算了每個(gè)應(yīng)力下的電阻率值相對(duì)于加壓前（無(wú)應(yīng)力）的相對(duì)變化ΔρNR。

其中，ρN、ρ0分別代表應(yīng)力值在N MPa和加壓前0 MPa時(shí)的視電阻率測(cè)量值。根據(jù)計(jì)算的ΔρNR，利用電阻率層析成像方法構(gòu)建了視電阻率相對(duì)變化圖像（以下稱為RRC圖像）。

相對(duì)均勻樣品Ⅰ垂直加壓方向的測(cè)線L1的視電阻率相對(duì)變化圖像如圖1所示（圖1略），由于4條測(cè)線的RRC圖像隨應(yīng)力變化的規(guī)律非常相似，這里只給出了一條測(cè)線的結(jié)果。

結(jié)果表明，隨著應(yīng)力的增加，RRC圖像中電阻率降低的區(qū)域（以下稱為RDR區(qū)）逐漸收縮，而同時(shí)電阻率升高的區(qū)域（以下稱為RIR區(qū)）逐漸擴(kuò)張；在卸載階段，隨著應(yīng)力的減小，RIR區(qū)繼續(xù)擴(kuò)張，而RDR區(qū)繼續(xù)收縮。且淺部的平均電阻率增大速率明顯比深部快。

為了研究高阻塊體和低阻塊體對(duì)電阻率圖像隨應(yīng)力變化的影響，還測(cè)試了含有高阻水泥塊體的樣品Ⅱ、Ⅲ和含有低阻水泥塊體的樣品Ⅳ、Ⅴ各2塊。含高阻的樣品4條測(cè)線的RRC圖像與均勻樣品有相似的變化規(guī)律和特征，然而穿過(guò)高阻體的測(cè)線所對(duì)應(yīng)的RRC圖表明，高阻體所在部位及其附近區(qū)域的電阻率值增加幅度相對(duì)較大（與圖1相比），這種現(xiàn)象在超過(guò)應(yīng)力22.22 MPa（約為破裂應(yīng)力的50%）后尤為明顯，表明高阻體的存在可能會(huì)使得電阻率圖像隨應(yīng)力的變化更為突出。穿過(guò)低阻體的測(cè)線對(duì)應(yīng)的RRC圖表明，低阻體所在部位及其附近區(qū)域的電阻率值增加幅度相對(duì)較小，這種現(xiàn)象出現(xiàn)在整個(gè)加載和卸載過(guò)程中，表明低阻體的存在可能會(huì)降低其附近區(qū)域電阻率隨應(yīng)力的變化幅度。

本文所獲得的RRC圖像與馮銳等（2001）在寶坻、昌黎觀測(cè)到1998年唐山ML4.4和5.0地震前后的電阻率圖像有著非常相似的變化規(guī)律：隨著應(yīng)力的增加，RDR區(qū)會(huì)逐漸收縮，而RIR區(qū)逐漸擴(kuò)張。這表明電阻率圖像的異常變化可以作為地震前兆異常，而電阻率層析成像技術(shù)可以作為目前地震電阻率觀測(cè)系統(tǒng)的有益補(bǔ)充。