中國(guó)MS≥7.0地震前視電阻率變化及其可能原因

解滔， 薛艷， 盧軍

中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心， 北京 100045

0 引言

地震是構(gòu)造應(yīng)力持續(xù)積累，并最終超過斷層強(qiáng)度導(dǎo)致破裂失穩(wěn)的結(jié)果，對(duì)這一過程中斷層的力學(xué)狀態(tài)以及可能伴隨的地球物理和地球化學(xué)現(xiàn)象的研究，有助于認(rèn)識(shí)地震晚期孕育過程這一復(fù)雜的科學(xué)難題和開展地震中短期預(yù)測(cè)．對(duì)斷層面力學(xué)狀態(tài)演化的研究，旨在揭示地震成核過程與滑動(dòng)速率-狀態(tài)的依從關(guān)系(馬瑾等，2012；馬瑾和郭彥雙，2014；Scholz，1998；Lay and Kanamori，1981；McCaffrey et al.，2008；唐榮江和朱守彪，2020)．當(dāng)前地震晚期孕育過程的研究不再局限于發(fā)震斷層面本身，已經(jīng)逐步擴(kuò)展至研究整個(gè)孕震區(qū)與高應(yīng)力-應(yīng)變水平積累有關(guān)的介質(zhì)變化(Scholz et al.，1973；Mjachkin et al.，1975；Roeloffs，1988；Hartmann and Levy，2005)．許多文獻(xiàn)和研究報(bào)到了與地震有關(guān)的地球物理和地球化學(xué)觀測(cè)數(shù)據(jù)變化，但存在較大的爭(zhēng)議．爭(zhēng)議的核心問題之一在于，這些數(shù)據(jù)的變化，與地震前震源區(qū)及附近區(qū)域的應(yīng)力積累或介質(zhì)變形之間，并未建立明晰的聯(lián)系．如果地震前觀測(cè)數(shù)據(jù)變化的原因是應(yīng)力-應(yīng)變的變化，那么在分析這些數(shù)據(jù)變化與地震孕育過程之間的關(guān)系時(shí)，需要有應(yīng)力-應(yīng)變變化的背景作為參照(吳忠良等，2009).

電阻率是地下巖土介質(zhì)最基本的物理屬性之一，應(yīng)力作用下介質(zhì)內(nèi)裂隙率和微裂隙結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生改變，并引起電阻率發(fā)生變化．20世紀(jì)50—80年代，日本、蘇聯(lián)、美國(guó)先后開展了用于地震預(yù)測(cè)研究的視電阻率實(shí)驗(yàn)觀測(cè)，并報(bào)道了多次中等地震前突出的視電阻率下降變化(Barsukov and Sorokin，1973；Nersesov et al.，1979；Mazzella and Morrison，1974；Morrison et al.，1977，1979；Park，1991；Madden et al.，1993)，以及地震發(fā)生前后觀測(cè)值的“準(zhǔn)同震”階躍變化，位于海邊山洞內(nèi)的觀測(cè)站記錄到了與潮汐同步的變化(Rikitake and Yamazaki，1967，1969，1976；Yamazaki，1974，1975)．全球唯有中國(guó)在全國(guó)主要地震活動(dòng)區(qū)域內(nèi)，持續(xù)開展了規(guī)?；鸵?guī)范化的連續(xù)觀測(cè)，在百余次5～8級(jí)地震前，震中附近觀測(cè)站記錄到了持續(xù)數(shù)月至兩年左右的異常變化及其恢復(fù)過程(錢復(fù)業(yè)等，1982；國(guó)家地震局預(yù)測(cè)預(yù)防司，1998；錢家棟等，1985；趙玉林等，2001；汪志亮等，2002；杜學(xué)彬，2010；Lu et al.，2016).

本文將利用我國(guó)自1967年以來的視電阻率連續(xù)觀測(cè)數(shù)據(jù)，結(jié)合發(fā)生在觀測(cè)站網(wǎng)內(nèi)及附近的16次/組MS≥7.0地震，采用斷層虛位錯(cuò)模式(趙玉林等，1996；解滔等，2020)，將地震同震位移按大小相等但方向相反的方式進(jìn)行加載，獲取地震前產(chǎn)生這部分同震位移所需的應(yīng)力-應(yīng)變積累及其空間分布范圍和特征，分析視電阻率下降/上升變化與擠壓/膨脹變形區(qū)域之間的關(guān)系；并以此為紐帶，從“介質(zhì)變形-電阻率變化”的角度，嘗試將應(yīng)力作用下巖土介質(zhì)電阻率變化的細(xì)觀機(jī)制，與地震前視電阻率變化的宏觀現(xiàn)象相聯(lián)系.

1 視電阻率觀測(cè)

1966年3月河北邢臺(tái)7.2級(jí)地震之后，原中國(guó)科學(xué)院蘭州地球物理研究所在邢臺(tái)震區(qū)架設(shè)了第一個(gè)地電觀測(cè)站，并于1967年4月投入觀測(cè)，正式開始了視電阻率方法在地震監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)中的應(yīng)用研究．觀測(cè)采用對(duì)稱四級(jí)裝置，每個(gè)觀測(cè)站布設(shè)兩個(gè)或三個(gè)方向的觀測(cè)(圖1)，多數(shù)觀測(cè)站供電極距為500～3000 m不等．截至目前，全國(guó)共有89個(gè)視電阻率觀測(cè)站，主要分布在南北地震帶、華北、東北和新疆等地震重點(diǎn)監(jiān)視地區(qū)，其中23個(gè)觀測(cè)站具有井下觀測(cè)裝置.

圖1 我國(guó)視電阻率觀測(cè)采用的對(duì)稱四級(jí)裝置及布極方式(a) 兩個(gè)方向的觀測(cè)裝置； (b) 三個(gè)方向的觀測(cè)裝置.Fig.1 The Schlumberger resistivity arrays and its arrangements used in apparent resistivity monitoring stations in China(a) Arrays along two directions； (b) Arrays along three directions.

觀測(cè)主要采用人工直流供電的方式，多數(shù)觀測(cè)站供電電流1～3 A，每小時(shí)觀測(cè)一次．目前采用的地電儀測(cè)量人工電位差分辨力為0.01 mV，在不考慮背景環(huán)境噪聲的情況下，可分辨約萬分之幾的視電阻率變化．定期采用標(biāo)準(zhǔn)電阻或標(biāo)準(zhǔn)電源對(duì)儀器測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行檢定，確保觀測(cè)數(shù)據(jù)的真實(shí)性；觀測(cè)系統(tǒng)具有長(zhǎng)期穩(wěn)定性，在背景噪聲較低的觀測(cè)站，觀測(cè)精度優(yōu)于1‰.

2 7級(jí)以上地震前視電阻率變化

杜學(xué)彬(2010)對(duì)中國(guó)192次MS≥4.0地震前674次視電阻率變化進(jìn)行了分析，認(rèn)為地震前與地震孕育過程有關(guān)的視電阻率變化的最大空間范圍約400 km左右，其中300 km范圍內(nèi)居多．自1967年開始觀測(cè)以來，中國(guó)共計(jì)16次/組MS≥7.0地震發(fā)生在觀測(cè)站約400 km范圍內(nèi)(圖2)．通過文獻(xiàn)調(diào)研和歷史數(shù)據(jù)分析，這些地震前的視電阻率變化特征示于表1.

表1 觀測(cè)站網(wǎng)內(nèi)16次/組MS≥7.0地震前的視電阻率變化Table 1 Theapparent resistivity changes before the 16 times/groups earthquakes of MS≥7.0

續(xù)表1

圖2 發(fā)生在視電阻率觀測(cè)站網(wǎng)內(nèi)16次/組MS≥7.0地震(圖中含1990年景泰MS6.2地震)Fig.2 The 16 times/groups earthquakes of MS≥7.0 within the monitoring networks (The Jingtai MS6.2 earthquake in 1990 is included)

2.1 環(huán)渤海地區(qū)

環(huán)渤海地區(qū)共發(fā)生3次/組MS≥7.0地震，分別為1969年渤海MS7.4地震，1975年遼寧海城MS7.3地震，1976年河北唐山—灤縣MS7.8和MS7.1地震．1970年之前，視電阻率實(shí)驗(yàn)觀測(cè)限于邢臺(tái)—河間地震區(qū)，距離渤海地震約400 km，地震前7—10個(gè)月開始四個(gè)觀測(cè)站出現(xiàn)下降變化.自1970年開始，華北地區(qū)開始建設(shè)規(guī)模化的觀測(cè)站網(wǎng)，北京附近地區(qū)的站網(wǎng)密度相對(duì)較大．從1974年開始，華北東部地區(qū)較大范圍內(nèi)9個(gè)觀測(cè)站先后出現(xiàn)下降變化，1975年海城地震發(fā)生之后下降變化仍然持續(xù)，直至1976年唐山地震之后才逐漸恢復(fù)．而遼寧地區(qū)的臺(tái)安觀測(cè)站則在海城地震前出現(xiàn)上升變化．唐山地震前約半個(gè)月，唐山、馬家溝和昌黎站出現(xiàn)加速下降形態(tài)的臨震變化，直至地震發(fā)生.

2.2 云南地區(qū)

1970年云南通海MS7.8地震之后開始在南北地震帶進(jìn)行視電阻率觀測(cè)，之后云南地區(qū)共發(fā)生5次/組MS≥7.0地震，分別為1974年大關(guān)MS7.1地震，1976年龍陵MS7.3和MS7.4地震，1988年瀾滄—耿馬MS7.6和MS7.2地震，1995年孟連MS7.3地震、1996年麗江MS7.0地震．1974年大關(guān)地震前15個(gè)月開始，會(huì)理站開始出現(xiàn)上升變化，4個(gè)月后西昌和米易站出現(xiàn)下降變化；雅安站1973年4月至10月存在缺數(shù)，恢復(fù)觀測(cè)后數(shù)據(jù)呈上升變化，但與之前的數(shù)據(jù)存在階躍下降，地震前的年尺度變化形態(tài)不易判斷．1976年龍陵地震前楚雄站出現(xiàn)上升變化，而騰沖站1974年7月至1976年3月受干擾嚴(yán)重，無法分析龍陵地震前的變化情況．1988年云南瀾滄—耿馬地震前騰沖站出現(xiàn)持續(xù)20個(gè)月的下降變化；同期通海站也出現(xiàn)下降變化，但后續(xù)分析發(fā)現(xiàn)主要為測(cè)區(qū)內(nèi)城鎮(zhèn)化建設(shè)的影響(杜家倫，1990)；楚雄和元謀站未觀測(cè)到地震前的視電阻率異常變化．1995年孟連地震和1996年麗江地震前未出現(xiàn)視電阻率異常變化.

2.3 四川地區(qū)

四川地區(qū)共發(fā)生5次/組MS≥7.0地震，分別為1973年?duì)t霍MS7.6地震，1976年松潘平武兩次MS7.2地震，2008年汶川MS8.0地震，2013年蘆山MS7.0地震，2017年九寨溝MS7.0地震．1973年?duì)t霍地震前約半年內(nèi)，松潘、雅安和甘孜站相繼出現(xiàn)下降變化，而康定站則出現(xiàn)上升變化. 1976年松潘—平武地震14個(gè)月前，武都和松潘站相繼出現(xiàn)下降變化，且震前半月內(nèi)出現(xiàn)臨震加速下降變化(Lu et al.，2016)．2008年汶川地震前22個(gè)月開始，成都、甘孜和江油站同步出現(xiàn)下降變化，而武都站出現(xiàn)上升變化．2013年蘆山地震前成都站出現(xiàn)下降變化，甘孜站未出現(xiàn)異常變化，江油站在汶川地震后停測(cè)，于2015年12月恢復(fù)觀測(cè)．2017年九寨溝地震前瑪曲站出現(xiàn)下降變化，武都站于2014年改建為井下觀測(cè)，垂直方向于2016年出現(xiàn)上升變化，天水站則表現(xiàn)為高頻擾動(dòng)變化.

2.4 青海地區(qū)

青海地區(qū)共發(fā)生3次MS≥7.0地震，分別為1990年共和MS7.0地震、2010年玉樹MS7.1地震和2021年瑪多MS7.4地震．1990年共和地震前，武威站NS方向觀測(cè)在1988年年底因不明原因?qū)е履曜冃螒B(tài)消失，并持續(xù)多年；EW方向觀測(cè)未受影響，自1989年下半年開始出現(xiàn)上升變化，而1990年10月20日距武威站約130 km發(fā)生景泰MS6.2地震．甘孜站距離2010年玉樹地震約365 km，2009年4月—9月期間出現(xiàn)儀器故障，恢復(fù)觀測(cè)后存在階躍型變化，難以確認(rèn)玉樹地震前的真實(shí)變化形態(tài)．2021年瑪多地震前，400 km范圍內(nèi)有甘孜、瑪曲、白水河、金銀灘和攔隆口5個(gè)觀測(cè)站，其中瑪曲站距離最近，約356 km，地震前均未出現(xiàn)明顯的異常變化.

3 地震斷層虛位錯(cuò)模式

3.1 斷層虛位錯(cuò)模式

地震是構(gòu)造應(yīng)力在斷層閉鎖段長(zhǎng)期作用，最終導(dǎo)致斷層失穩(wěn)錯(cuò)動(dòng)的結(jié)果．地震前發(fā)震斷層及附近區(qū)域以介質(zhì)變形的形式積累應(yīng)變能，部分應(yīng)變能以斷層錯(cuò)動(dòng)的方式予以釋放，并產(chǎn)生同震滑動(dòng)．將地震同震位錯(cuò)按大小相等但方向相反的方式進(jìn)行加載(圖3)，獲取地震前能夠產(chǎn)生這部分同震滑動(dòng)所需的應(yīng)力-應(yīng)變積累的空間分布特征，這構(gòu)成斷層虛位錯(cuò)模式的基本思想(趙玉林等，1996；解滔等2020).

圖3 斷層同震位錯(cuò)與虛位錯(cuò)模式(a)逆沖斷層；(b)正斷層；(c)走滑斷層.Fig.3 Coseismic dislocation of fault and virtual dislocation model(a) Thrust fault; (b) Normal fault; (c) Strike-slip fault.

虛位錯(cuò)模式的計(jì)算結(jié)果，僅表示這部分虛位移所能引起的應(yīng)力-應(yīng)變的變化量．構(gòu)造區(qū)域內(nèi)的真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變水平，應(yīng)為地震發(fā)生之后的絕對(duì)應(yīng)力-應(yīng)變水平加上這部分變化量．但是，在地震發(fā)生之前及之后，構(gòu)造區(qū)域內(nèi)的絕對(duì)應(yīng)力-應(yīng)變水平是難以獲取的．在整體為擠壓環(huán)境的構(gòu)造區(qū)域，逆沖、走滑、或逆沖兼走滑型地震計(jì)算結(jié)果中的擠壓區(qū)域，是地震前擠壓增強(qiáng)的區(qū)域；而計(jì)算結(jié)果中的拉張區(qū)域，并不能區(qū)分其是絕對(duì)的拉張或擠壓區(qū)域，但可認(rèn)為是相對(duì)膨脹的區(qū)域．由于區(qū)域內(nèi)絕對(duì)的應(yīng)力-應(yīng)變水平難以獲取，且應(yīng)力水平與巖土介質(zhì)微裂隙活動(dòng)之間的定量關(guān)系也未明晰，目前僅能根據(jù)體應(yīng)變變化量的分布，獲取地震前擠壓增強(qiáng)區(qū)和相對(duì)膨脹區(qū)域，并在此基礎(chǔ)上開展分析工作．本文采用斷層滑動(dòng)位錯(cuò)模型分析軟件Coulomb3.3(Lin and Stein，2004；Toda et al.，2005)進(jìn)行斷層虛位錯(cuò)模式的計(jì)算.

16次/組MS≥7.0地震的震源機(jī)制解和同震滑動(dòng)模型示于表2．1995年孟連地震、1996年麗江地震、2010年玉樹地震和2021年瑪多地震前無視電阻率異常變化，本文未對(duì)其進(jìn)行斷層虛位錯(cuò)模式計(jì)算；2008年汶川地震采用Shen(2009)給出的精細(xì)同震滑動(dòng)模型．武威站1989年至1990年的數(shù)據(jù)變化可能同時(shí)受1990年共和地震和景泰地震影響，計(jì)算時(shí)同時(shí)考慮了這兩次地震．表2中除部分地震外，其余采用Chen等(2017)基于發(fā)生在中國(guó)的地震統(tǒng)計(jì)給出的面波震級(jí)和矩震級(jí)之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系進(jìn)行估計(jì)，斷層破裂參數(shù)通過以下經(jīng)驗(yàn)關(guān)系計(jì)算(Wells et al.，1994).

表2 觀測(cè)站網(wǎng)內(nèi)16次/組MS≥7.0地震的震源機(jī)制解和同震滑動(dòng)模型Table 2 Focal mechanism solutions and coseismic slip models of the 16 times/groups earthquakes of MS≥7.0 within apparent resistivity monitoring networks

走滑型地震：

(1)

式中LR為斷層破裂長(zhǎng)度(單位：km)；WR為斷層破裂寬度(單位：km)；DR為斷層平均滑動(dòng)位移(單位：m)；MW為矩震級(jí).

逆沖型地震：

(2)

正斷型地震：

(3)

同時(shí)含有逆沖和走滑、或正斷和走滑分量的混合型地震：

(4)

3.2 環(huán)渤海地區(qū)

環(huán)渤海地區(qū)3次/組地震斷層虛位錯(cuò)模式體應(yīng)變變化的計(jì)算結(jié)果示于圖4．1969年渤海地震前，大柏舍、柳竹、大曹莊和牛家橋4個(gè)觀測(cè)站呈下降變化，均位于震前擠壓增強(qiáng)區(qū)域(圖4a)．1975年海城地震前，臺(tái)安站呈上升變化，位于震前相對(duì)膨脹區(qū)域；昌黎站呈下降變化，位于擠壓增強(qiáng)區(qū)域(圖4b)．1976年唐山地震前，昌黎、馬家溝、唐山、青光、寶坻、西集、八里橋、小湯山和忠興庒9個(gè)觀測(cè)站為下降變化，位于地震前擠壓增強(qiáng)區(qū)域；徐莊子站為上升變化，位于相對(duì)膨脹區(qū)域(圖4c)，與趙玉林等(1996)給出的結(jié)果是一致的.

圖4 環(huán)渤海地區(qū)3次/組MS≥7.0地震斷層虛位錯(cuò)模式計(jì)算結(jié)果(擠壓為負(fù)) (a) 1969年渤海MS7.4地震； (b) 1975年海城MS7.3地震； (c) 1976年唐山MS7.8和灤縣MS7.1地震.Fig.4 Results from fault virtual dislocation model for 3 times/groups earthquakes of MS≥7.0 occurred in Bohai Rim area (Compression is negative)(a) The Bohai MS7.4 earthquake in 1969; (b) The Haicheng MS7.3 earthquake in 1975; (c) The Tangshan MS7.8 and Luanxian MS7.1 earthquakes in 1976.

3.3 云南地區(qū)

云南地區(qū)3次/組地震斷層虛位錯(cuò)模式體應(yīng)變變化的計(jì)算結(jié)果示于圖5．1974年大關(guān)地震前西昌和米易觀測(cè)站為下降變化，位于地震前擠壓增強(qiáng)區(qū)域；會(huì)理站為上升變化，位于相對(duì)膨脹區(qū)域(圖5a)．1976年龍陵地震前，楚雄站位于相對(duì)膨脹區(qū)域(圖5b)，呈現(xiàn)上升變化. 1988年瀾滄—耿馬地震前，騰沖站位于擠壓增強(qiáng)區(qū)域(圖5c)，表現(xiàn)為下降變化.

圖5 云南地區(qū)3次/組MS≥7.0地震斷層虛位錯(cuò)模式計(jì)算結(jié)果(擠壓為負(fù))(a) 1974年大關(guān)MS7.1地震； (b) 1976年龍陵MS7.4、MS7.3地震；(c) 1988年瀾滄-耿馬MS7.6、MS7.2地震.Fig.5 Results from fault virtual dislocation model for 3 times/groups earthquakes of MS≥7.0 occurred in Yunnan province (Compression is negative)(a) The Daguan MS7.1 earthquake in 1974; (b) The Longling MS7.4 and MS7.3 earthquakes in 1976; (c) The Lancang MS7.6 and Gengma MS7.2 earthquakes in 1988.

3.4 四川地區(qū)

四川地區(qū)5次/組地震斷層虛位錯(cuò)模式體應(yīng)變變化的計(jì)算結(jié)果示于圖6．1973年?duì)t霍地震前，甘孜、松潘和雅安站呈現(xiàn)下降變化，位于擠壓增強(qiáng)區(qū)域；康定站則出現(xiàn)上升變化，位于相對(duì)膨脹區(qū)域(圖6a)．1976年松潘—平武地震前，松潘和武都站位于擠壓增強(qiáng)區(qū)域，呈現(xiàn)下降變化(圖6b)．2008年汶川地震前，成都、江油和甘孜站位于擠壓增強(qiáng)區(qū)域，呈現(xiàn)下降變化；武都站位于相對(duì)膨脹區(qū)域，呈上升變化(圖6c)．2013年蘆山地震前，成都站為下降變化，位于擠壓增強(qiáng)區(qū)域(圖6d)．2017年九寨溝地震前，瑪曲站位于擠壓增強(qiáng)區(qū)域，呈下降變化，武都站位于相對(duì)膨脹區(qū)域，呈上升變化(圖6e)；天水站在九寨溝地震前的高頻擾動(dòng)變化，可能反映中短期階段觀測(cè)區(qū)電場(chǎng)信號(hào)的不穩(wěn)定性(杜學(xué)彬等，2017).

圖6 四川地區(qū)5次/組MS≥7.0地震斷層虛位錯(cuò)模式計(jì)算結(jié)果(擠壓為負(fù))(a) 1973年?duì)t霍MS7.6地震； (b) 1976年松潘—平武兩次MS7.2地震； (c) 2008年汶川MS8.0地震； (d) 2013年蘆山MS7.0地震； (e) 2017年九寨溝MS7.0地震.Fig.6 Results from fault virtual dislocation model for 5 times/groups earthquakes of MS≥7.0 occurred in Sichuan province (Compression is negative)(a) The Luhuo MS7.6 earthquake in 1973; (b) The Songpan-Pingwu double MS7.2 earthquakes in 1976; (c) The Wenchuan MS8.0 in 2008; (d) The Lushan MS7.0 earthquakes in 2013; (e) The Jiuzhaigou MS7.0 earthquakes in 2017.

3.5 青海地區(qū)

圖7為1990年共和地震和景泰地震斷層虛位錯(cuò)模式體應(yīng)變變化量的疊加結(jié)果．如果對(duì)兩次時(shí)間相隔半年的地震單獨(dú)進(jìn)行分析，武威站位于共和地震前的擠壓增強(qiáng)區(qū)域，但位于景泰地震前的相對(duì)膨脹區(qū)域．兩次地震的疊加結(jié)果顯示，武威站位于地震前的相對(duì)膨脹區(qū)域，且觀測(cè)數(shù)據(jù)呈上升變化．由此可見，因武威站距離景泰地震更近，其觀測(cè)數(shù)據(jù)變化可能和景泰地震的晚期孕育過程之間關(guān)系更為緊密.

圖7 1990年共和MS7.0和景泰MS6.2地震斷層虛位錯(cuò)模式計(jì)算結(jié)果(擠壓為負(fù))Fig.7 Results from fault virtual dislocation model for the Gonghe MS7.0 and Jingtai MS6.2 earthquakes in 1990 (Compression is negative)

以上分析結(jié)果顯示，12次/組MS≥7.0地震前，視電阻率出現(xiàn)下降變化的觀測(cè)站均位于地震前的擠壓增強(qiáng)區(qū)域，而出現(xiàn)上升變化的觀測(cè)站則位于相對(duì)膨脹區(qū)域．武都站在三次/組地震前分別出現(xiàn)了下降和上升變化，且變化形態(tài)與觀測(cè)站所處區(qū)域在地震前的擠壓增強(qiáng)和相對(duì)膨脹的變形特征相對(duì)應(yīng).

4 討論

為了分析地震前視電阻率變化的原因，國(guó)內(nèi)外學(xué)者從實(shí)驗(yàn)和理論模型方面開展了大量的研究，試圖從“介質(zhì)變形-電阻率變化”的角度，建立視電阻率變化與地震晚期孕育過程之間力學(xué)機(jī)制上的聯(lián)系．實(shí)驗(yàn)室內(nèi)應(yīng)力加卸載實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，含水巖石在壓應(yīng)力加載過程中電阻率呈現(xiàn)下降變化，卸載過程中呈現(xiàn)上升恢復(fù)變化，多數(shù)巖石在臨近破裂時(shí)加速下降，巖石破裂后出現(xiàn)快速回返(圖8a)，且橫向和縱向兩個(gè)方向測(cè)量時(shí)電阻率變化幅度存在差異(圖8b)；無水巖石在壓應(yīng)力作用下則呈現(xiàn)小幅度上升變化(Brace et al.，1965；Yamazaki，1966；Morrow and Brace，1981；張金鑄和陸陽(yáng)泉，1983；Jouniaux et al.，2006)．野外原地實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，壓應(yīng)力加載時(shí)視電阻率出現(xiàn)下降變化，應(yīng)力卸載過程中呈恢復(fù)變化；在地表不同方向觀測(cè)時(shí)視電阻率呈現(xiàn)出各向異性變化，即垂直于應(yīng)力加載方向觀測(cè)的變化幅度最大，平行方向觀測(cè)時(shí)變化幅度最小，斜交方向介于二者之間；變化幅度隨應(yīng)力加載強(qiáng)度的增加而增加，隨力源距離的增加而減小(趙玉林等，1983；國(guó)家地震局預(yù)測(cè)預(yù)防司，1998).

圖8 實(shí)驗(yàn)室內(nèi)巖石樣本應(yīng)力加載時(shí)電阻率變化(a)軸向應(yīng)力加載至巖石破裂時(shí)應(yīng)變-電阻率變化(張金鑄等，1983)；(b)軸向應(yīng)力加載時(shí)橫向和縱向電阻率變化(修改自Brace el al.，1965).Fig.8 Resistivity changes of rock samples under stress loading in laboratory(a) Strain-resistivity changes from axial stress loading to rock fracture (Zhang et al., 1983); (b) Changes of transverse and longitudinal resistivity under axial stress loading (modified from Brace el al., 1965).

在實(shí)驗(yàn)中同步測(cè)量巖石樣品的體積變化，發(fā)現(xiàn)在應(yīng)力加載超過破裂應(yīng)力強(qiáng)度的50%之后，巖石的體積開始增大而出現(xiàn)擴(kuò)容，并伴隨有聲發(fā)射現(xiàn)象，反映出新裂隙的不斷產(chǎn)生(Brace et al.，1966; Brace and Orange，1968；Brace，1975；Scholz，1967)．基于該實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，學(xué)者提出了膨脹擴(kuò)散模式(DD模式)和裂隙雪崩擴(kuò)展模式(IPE模式)用以解釋地震前的地球物理和地球化學(xué)異常變化(Scholz et al.，1973；Mjachkin et al.，1975)．DD模式和IPE模式均強(qiáng)調(diào)在高應(yīng)力承載條件下，介質(zhì)內(nèi)部存在微裂隙活動(dòng). 在這兩種模式中，地震前介質(zhì)電阻率均呈現(xiàn)持續(xù)性下降變化(圖9)．這些實(shí)驗(yàn)研究基本上明確了在實(shí)驗(yàn)樣品尺度下，巖土介質(zhì)在應(yīng)力作用下誘發(fā)的微裂隙活動(dòng)是電阻率變化的重要原因.

圖9 地震異常變化的兩種物理模式(a) 膨脹擴(kuò)散模式(修改自Scholz et al.，1973)； (b) 裂隙雪崩擴(kuò)展模式(修改自Mjachkin et al.，1975).Fig.9 Two physical models for earthquake precusors(a) The dilatancy and diffusion model (modified from Scholz et al., 1973); (b) The fracture avalanche expansion model (modified from Mjachkin et al., 1975).

巖土力學(xué)實(shí)驗(yàn)和理論研究表明，對(duì)于低圍壓環(huán)境下初始含裂隙的介質(zhì)，在壓應(yīng)力持續(xù)加載到一定程度之后，新生裂隙不斷產(chǎn)生；無論初始裂隙如何分布，最終形成的新裂隙系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)展布方向?qū)⒋笾卵刈畲笾鲏簯?yīng)力方向(李新平等，2002；張恒等，2015；張志強(qiáng)等，2020)．在高圍壓條件下，引起完整巖石產(chǎn)生微破裂和擴(kuò)容所需的應(yīng)力水平將大于引起斷層滑動(dòng)所需的力. 但是，處于低圍壓水平的淺部松散介質(zhì)，在相對(duì)較低的應(yīng)力作用下，介質(zhì)微裂隙的產(chǎn)生和擴(kuò)容可通過松散物質(zhì)顆粒的再移動(dòng)實(shí)現(xiàn)(馬瑾，1982)．解滔和盧軍(2020a)推導(dǎo)出了含裂隙介質(zhì)的等效電阻率公式，以及電阻率變化與裂隙變化之間的微分關(guān)系．在微裂隙系統(tǒng)沿最大主壓應(yīng)力方向優(yōu)勢(shì)排列和擴(kuò)展的假設(shè)下，裂隙的微小變化將引起較大幅度的電阻率變化，且沿裂隙優(yōu)勢(shì)展布方向的最小電性主軸變化幅度最大(Xie et al.，2020).

我國(guó)定點(diǎn)觀測(cè)站的視電阻率觀測(cè)，其深度探測(cè)范圍與供電極距相當(dāng)(趙和云和錢家棟，1982；杜學(xué)彬等，2008)，主體探測(cè)范圍位于低圍壓的地殼淺表地層內(nèi)，且位于潛水位之下，觀測(cè)值是千米尺度范圍介質(zhì)電阻率的綜合反映．一般而言，在數(shù)月至兩年左右的時(shí)間段內(nèi)，非地?zé)岬貐^(qū)數(shù)十米至千米深度范圍內(nèi)，地下介質(zhì)溫度基本保持不變；水溶液有足夠的時(shí)間進(jìn)出裂隙，含水率也基本保持不變．因此，分析認(rèn)為介質(zhì)裂隙結(jié)構(gòu)的變化，是地震前視電阻率變化的主要原因(錢家棟等，1985；國(guó)家地震局預(yù)測(cè)預(yù)防司，1998；杜學(xué)彬等，2007)．大地震前近震中區(qū)域的視電阻率觀測(cè)呈現(xiàn)出與主壓應(yīng)力方位有關(guān)的各向異性變化，表現(xiàn)為垂直于最大主壓應(yīng)力方位的測(cè)道變化幅度最大，平行方向最小，斜交方向介于二者之間(杜學(xué)彬，2010)，比如汶川地震前成都站和江油站不同方向的視電阻率變化，與主震分段震源機(jī)制解給出的主壓應(yīng)力方位之間存在較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系(解滔和盧軍，2020a)．據(jù)不同學(xué)者的研究結(jié)果，1976年唐山MS7.8地震的主壓應(yīng)力方位介于71°～85°之間(中國(guó)震例，1976—1980)，灤縣MS7.1地震主壓應(yīng)力方位為75°(USGS)．昌黎站位于灤縣地震以東，距離約35 km，取75°作為昌黎站附近的主壓應(yīng)力方位；其余觀測(cè)站位于唐山主震發(fā)震斷裂以西，這里取平均值78°作為主壓應(yīng)力方位．各觀測(cè)站測(cè)道與P軸之間的夾角示于表3，結(jié)合表1中的變化幅度可見，對(duì)于震中距140 km范圍內(nèi)的9個(gè)觀測(cè)站，與P軸夾角越大的測(cè)道變化幅度越大．采用對(duì)稱四級(jí)裝置在地表進(jìn)行觀測(cè)時(shí)，視電阻率各向異性變化與水平電性主軸真電阻率變化之間存在π/2的角度差．因此，唐山地震的近震中區(qū)域范圍內(nèi)，各觀測(cè)站視電阻率的各向異性變化特征與實(shí)驗(yàn)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)、野外原地實(shí)驗(yàn)、以及含裂隙介質(zhì)電阻率模型給出的結(jié)果一致．此外，在構(gòu)造應(yīng)力作用下地層電阻率發(fā)生變化的上界面深度對(duì)視電阻率各向異性變化也產(chǎn)生影響，上界面距離地表越近，各向異性變化特征越顯著(解滔和盧軍，2020b).

表3 唐山地震周圍觀測(cè)站各測(cè)道與主壓應(yīng)力方位的夾角Table 3 Angles between the measuring channels of the stations around the Tangshan earthquake and the principal compressive stress

實(shí)驗(yàn)結(jié)果和含裂隙介質(zhì)電阻率公式，從細(xì)觀尺度呈現(xiàn)出電阻率變化與裂隙變化之間的關(guān)系，而震例分析則從宏觀尺度呈現(xiàn)出地震前視電阻率變化的統(tǒng)計(jì)特征．二者之間需要有“介質(zhì)變形-電阻率變化”這一中間過程的聯(lián)系，即視電阻率出現(xiàn)變化的觀測(cè)站，其所在的區(qū)域在地震前受到震源區(qū)高應(yīng)力-應(yīng)變水平積累的影響特征．以上對(duì)12次/組MS≥7.0地震的虛位錯(cuò)模式分析結(jié)果顯示，視電阻率的下降/上升變化，與地震前的擠壓增強(qiáng)區(qū)/相對(duì)膨脹區(qū)之間具有一致的對(duì)應(yīng)性，這揭示出視電阻率變化和地震之間可能存在的聯(lián)系過程：在地震晚期孕育階段，震源區(qū)處于較高的應(yīng)力-應(yīng)變水平，并引起附近區(qū)域介質(zhì)也產(chǎn)生不同程度和形態(tài)的變形，誘發(fā)地下淺層范圍內(nèi)介質(zhì)的微裂隙活動(dòng)，進(jìn)而引起介質(zhì)電阻率變化；這一過程中，震中周圍視電阻率的下降/上升變化與觀測(cè)站所在區(qū)域的介質(zhì)變形特征有關(guān)．此外，對(duì)1976年唐山地震前震中周圍視電阻率觀測(cè)數(shù)據(jù)的分析發(fā)現(xiàn)，由震中向外圍方向，變化幅度整體呈現(xiàn)減弱的空間分布，這也符合震源區(qū)應(yīng)力-應(yīng)變積累程度較高、向外圍方向逐漸衰減的分布特征(趙玉林等，1996).

5 結(jié)論

通過文獻(xiàn)調(diào)研和歷史數(shù)據(jù)分析，自觀測(cè)以來我國(guó)共計(jì)16次/組MS≥7.0地震發(fā)生在視電阻率觀測(cè)站網(wǎng)約400km范圍，其中12次/組地震前出現(xiàn)視電阻率變化．采用斷層虛位錯(cuò)模式計(jì)算了這12次/組地震前應(yīng)變變化量的空間分布，視電阻率出現(xiàn)下降變化的觀測(cè)站位于地震前的擠壓增強(qiáng)區(qū)域，而出現(xiàn)上升變化的觀測(cè)站則位于相對(duì)膨脹區(qū)域．已有實(shí)驗(yàn)結(jié)果和理論分析表明，巖土介質(zhì)在應(yīng)力作用下誘發(fā)的微裂隙活動(dòng)會(huì)引起電阻率發(fā)生變化．應(yīng)力作用下介質(zhì)電阻率變化的微觀機(jī)制，可通過地震前孕震區(qū)及附近區(qū)域的相對(duì)變形特征，與震中周圍的視電阻率變化聯(lián)系起來．因此，地震前的視電阻率變化，可能與地震晚期孕育過程之間存在“介質(zhì)變形-電阻率變化”機(jī)制上的聯(lián)系.

致謝四川省地震局和云南省地震局提供了部分觀測(cè)站視電阻率的歷史觀測(cè)數(shù)據(jù)，兩位審稿老師提出了中肯的修改建議，對(duì)文章的完善有很大的幫助，在此表示衷心的謝意.