戴 勇 高立新 楊彥明 魏建民 格 根

(內蒙古自治區(qū)地震局，呼和浩特 010010)

0 引言

1966年邢臺7.2級地震發(fā)生后，物探電阻率法作為重要的前兆監(jiān)測手段被引入中國地震監(jiān)測和預測領域。在1976年唐山7.8級、1976年松潘-平武7.2級、1988年瀾滄-耿馬7.6級和2008年汶川8.0級等一系列強震發(fā)生前均監(jiān)測到電阻率的異常變化(錢復業(yè)等，1980； 趙和云等，1982； 錢家棟等，1985； Zhaoetal.，1996； 湯吉等，1998； Luetal.，2004，2016； 張學民等，2009； 杜學彬，2010； 中國地震局監(jiān)測預報司，2010； Zhaoetal.，2011)。中國地震臺網的地電觀測主要采用對稱四極裝置(fixed-electrode quasi-Schlumberger arrays)，供電極距一般約為1km，按均勻介質中常規(guī)物探電法估算其探測深度在0.705km以內。由于設置于地震臺站用于監(jiān)測前兆信息的電阻率反映了布極區(qū)下方探測范圍內整體的電性特征，故該物理量又被稱為視電阻率或地電阻率(趙和云等，1982； 姚文斌，1989； 杜學彬等，2008)。由于供電極距和探測深度較小，受淺層介質的狀態(tài)影響，通常地電阻率的觀測曲線存在年變、日變和階躍等，這些干擾使得地震前的異常變化往往不明顯，甚至被湮沒(汪志亮等，2002； 王蘭煒等，2011； 解滔等，2013，2015，2016； 石富強等，2014； 張國苓等，2015)。因此，總結地電阻率的典型變化并分析其產生原因，對于甄別異常特征、提取前兆異常、評價預測效能和震情判定等具有十分重要的意義。

圖1 寶昌臺地電布極區(qū)的剖面電阻率分布(魏建民等，2019)Fig. 1 Cross-sectional resistivity distribution at Baochang station survey area(after WEI Jian-min et al.，2019).

寶昌臺位于內蒙古錫林郭勒盟太仆寺旗寶昌鎮(zhèn)，地理坐標為(41.9°N，115.3°E)，地質構造位于內蒙地軸東段，屬四級構造單元，該區(qū)的主要斷裂為華北斷塊區(qū)的北部邊界斷裂——赤峰-開原斷裂(內蒙古自治區(qū)地震局，2006)。自1980年起寶昌臺開始地電阻率觀測，其觀測曲線存在長期變化、年變和日變等典型變化，并在1989年大同-陽高6.1級及1998年張北6.2級等地震前出現(xiàn)異常變化，在中國地電阻率觀測數(shù)據(jù)中具有代表性(高立新等，1999； 汪志亮等，2002； 戴勇等，2013； 徐錫泉等，2014)。本文通過反演方法獲得了該臺地電布極區(qū)地下的水平層狀模型和三維有限元模型，在此基礎之上獲得了影響系數(shù)，同時結合數(shù)字信號處理及數(shù)值模擬等方法對上述變化的成因進行分析，所得結論可為地電阻率異常分析提供參考依據(jù)，并對形成異常核實的工作思路具有借鑒作用。

1 電性結構模型及影響系數(shù)

1.1 水平層狀模型

圖1 為基于高密度電法反演得到的深度為2.5～101m的電阻率剖面結果。由圖1 可見，地電布極區(qū)地下的電阻率基本呈現(xiàn)水平分布，大致可分為3層結構(魏建民等，2019)。

沿NS和EW測向對布極區(qū)開展垂向直流電測深，結果顯示，電測深曲線類型屬于KH型(圖2)，基于高密度電法和電測深結果，結合由位于布極區(qū)附近ZK42號鉆孔得到的水文綜合地質圖(魏建民等，2019)，采用嘗試法(王家映，1998)進行反演，獲得了布極區(qū)呈水平層狀的地下電性結構模型(表1)。

圖2 寶昌臺的電測深曲線(魏建民等，2019)Fig. 2 Electrical sounding curve at Baochang station(after WEI Jian-min et al.，2019).

表1 水平層狀電性結構模型Table1 Horizontal layered electrical structure model

1.2 三維有限元模型

寶昌臺地電阻率觀測的電流場可視為穩(wěn)恒電流場(解滔等，2013)，根據(jù)地電實測情況確定有限元數(shù)值模擬的參數(shù)： 設置載荷為2A的直流電流，模型邊界的電位為0V，單元類型為二維熱-電耦合面單元和三維熱-電耦合體單元。

三維幾何模型： 固定NS、EW測向的電性參數(shù)和極距，當水平尺寸為4i000m×4i000m時，地電阻率的有限元模擬值ρs在最底層厚度h4>3i500m后不隨h4的增加而變化； 當h4=4i000m時，ρs在水平寬度d>4i000m后基本不隨d的增加而變化。由此，確定三維幾何模型的尺寸為4i000m×4i000m×4i071.5m。上述模型是基于2018年4月的觀測結果通過反演建立的，在具體研究中將根據(jù)需要對層厚、層電阻率等參數(shù)進行調整，建立適合研究所需的水平層狀模型和三維有限元模型。

1.3 影響系數(shù)

本文采用電位分布解析表達式和地電阻率濾波器算法計算寶昌臺對稱四極裝置相應的一維影響系數(shù)(O′Neilletal.，1984； 姚文斌，1989； 解滔等，2015)，結果如圖3 所示。B1、B2、B3、B4分別為模型第1、2、3、4層的影響系數(shù)，隨著供電極距AB增加，B1、B2整體減小，B3、B4整體增大，并在AB達到一定距離后均趨于平緩。由此可知，增大供電極距可有效抑制第1層和第2層的干擾，同時可放大來自深部的電阻率變化的信息，這可為確定地電阻率觀測裝置參數(shù)提供借鑒。

圖3 寶昌臺各層介質的影響系數(shù)Fig. 3 The medium influence coefficients at Baochang station.

寶昌臺現(xiàn)有地電觀測裝置的供電極距AB=560m、測量極距MN=80m，則NS測向各層的影響系數(shù)為B1=0.007、B2=0.016、B3=0.955、B4=0.022，EW測向各層的影響系數(shù)為B1=0.003、B2=0.012、B3=0.959、B4=0.026。由影響系數(shù)結果(圖3)可知： 1)第1層和第2層影響系數(shù)均為正，淺層電阻率變化與地電阻率變化具有同向變化特征； 2)第3層影響系數(shù)達0.9，比其他3層的影響系數(shù)均大1個數(shù)量級，說明7～71m深度范圍內的電阻率變化能夠有效地反映在地電阻率的變化中。

表2列出了模型的第1層電阻率、地電阻率和影響系數(shù)B1。由此可見，第1層電阻率下降，則其影響系數(shù)將增大，地電阻率下降。其中，NS測向變化較快，EW測向變化較緩慢。

表2 寶昌臺第1層電阻率、地電阻率、影響系數(shù)B1Table2 First layer resistivity，geo-resistivity and influencing coefficient B1 at Baochang station

2 長期變化

寶昌臺NS、EW測向的地電阻率自1993年至今一直存在長期的下降變化，且其變化速率存在顯著的各向異性(圖4)。針對地電阻率的長期變化，趙和云(1994)總結了26a以來全國近百個臺站的地電阻率觀測資料，認為斜型趨勢變化一般不對應地震。當前在地電阻率存在的長期單調變化現(xiàn)象的異常信度判定以及是否將其納入會商判定依據(jù)等方面，仍存在著不同的意見?？梢?，對地電長期變化的成因進行分析具有十分重要的意義。

圖4 寶昌臺地電阻率的年均值曲線Fig. 4 Annual mean curves of geo-resistivity at Baochang station.

本文對寶昌臺1993—2016年NS、EW測向的地電阻率數(shù)據(jù)進行線性擬合，得到的變化速率分別為 -0.76Ω·m/a 和 -0.19Ω·m/a，24a中累積變化的幅度分別為 -18.24Ω·m 和 -4.56Ω·m。若上述變化由4層電阻率各自貢獻，則由影響系數(shù)公式計算獲得了各層的變化幅度(表3)。

表3 各層電阻率的理論變化幅度Table 3 The theoretical variation of resistivity in each layer

1993—2016年氣溫、降雨量的累積變化幅度分別為0.20℃和72mm，上述二者變化導致模型的第1層和第2層電阻率的實際變化幅度達不到引起地電阻率長期變化應有的幅度值。另外，由于第4層為石英斑巖層，該層的密度為2.54～2.66g/cm3(鄢泰寧，2014)，孔隙度小、含水率低、溫度變化小，電阻率的實際變化也達不到引起地電阻率長期變化應有的幅度值。由此判定，第3層的電阻率變化是引起2個測向的地電阻率長期變化的主要貢獻源。

使第3層電阻率出現(xiàn)變化的可能因素為應力場作用和層內水位變化。第3層作為含水層，其水位呈現(xiàn)逐年下降趨勢，導致層內的電阻率和地電阻率呈逐年上升趨勢，這與實測的地電阻率長期下降的變化相反。因此，第3層電阻率的長期下降主要是受臺站所在區(qū)域應力持續(xù)作用的結果。寶昌臺所在區(qū)域長期受到近EW向主壓應力的持續(xù)作用(徐菊生等，1999)，使介質內部的裂隙走向逐漸沿主壓應力方向優(yōu)勢排列，并出現(xiàn)導電通道連通、導電流體(如水)進入或重新分布，導致以垂直主壓應力方向的地電阻率NS測向持續(xù)下降為主的地電阻率各向異性(杜學彬等，2001，2007)。

圖5 寶昌臺地電阻率的月均值曲線Fig. 5 Monthly mean curves of geo-resistivity at Baochang station.

圖6 寶昌臺測區(qū)周邊的水位數(shù)據(jù)Fig. 6 Groundwater level data around Baochang station.

3 年變化

寶昌臺NS、EW測向的地電阻率均存在冬春高、夏秋低的正向年變形態(tài)(圖5)，本節(jié)將對其成因進行逐層分析： 1)圖6 為錫林郭勒盟太仆寺旗生態(tài)與農業(yè)氣象監(jiān)測站提供的2013年1月—2017年8月該區(qū)的水位資料，水位埋深主要位于16～17m，呈現(xiàn)冬春埋深小、夏秋埋深大的年周期波動特征。李丹等(2016)基于太仆寺旗2005—2015年的地下水位監(jiān)測數(shù)據(jù)分析了該地區(qū)地下水位的動態(tài)變化特征，結果顯示，太仆寺旗地下水位的年動態(tài)變化主要受降水及蒸發(fā)影響： 春季氣候干旱少雨、蒸發(fā)作用強烈，地下水位下降迅速； 5月以后降雨逐漸增加，蒸發(fā)量開始減少，但地下水用于蒸發(fā)的消耗量大于降雨的補給量，地下水位進一步下降； 8—10月，由于汛期降雨的補給及氣溫降低，蒸發(fā)量進一步減小，水位迅速回升； 11月—次年2月為凍結期，蒸發(fā)強度很弱，地下水位相對穩(wěn)定。由反映巖石電阻率與孔隙率、含水性之間關系的阿奇爾公式(張國民等，2001)可知，模型第3層的電阻率由于受到冬春埋深小、夏秋埋深大的地下水位波動影響，其值呈現(xiàn)冬春低、夏秋高的反向年變形態(tài)，而由第3層導致的地電阻率年變也應呈現(xiàn)冬春低、夏秋高的反向年變形態(tài)，但這與實際觀測結果不符。2)第2層的主體位于凍土層之下、含水層之上，溫度、水位等對該層的電阻率影響較小，故第2層的電阻率年變幅度小。3)將寶昌臺監(jiān)測的1993年1月——2008年12月的地電阻率月均值數(shù)據(jù)和同期溫度、降雨量數(shù)據(jù)進行相關性分析，結果顯示該臺的地電阻率與溫度、降雨量之間均存在較為顯著的年相關性，且以負相關為主(戴勇等，2013)。寶昌臺模型的第1層為含礫粉細砂層，該層是凍土層，受溫度、降雨影響大，而一般地區(qū)的含砂黏土、砂土的電阻率變化范圍為100～1i000Ω·m(劉剛等，2011)，由影響系數(shù)公式計算得出NS、EW測向地電阻率的變化幅度分別為11.15Ω·m 和2.05Ω·m，而該值與NS測向8.01Ω·m、EW測向3.96Ω·m 的實測年變幅度相近。綜合分析認為，由溫度、降雨量季節(jié)性變化引起的第1層電阻率年變是地電阻率年變的主要貢獻源。

4 日變化

采用小波方法進行去噪后的小時值曲線顯示，寶昌臺的地電阻率存在顯著的日變現(xiàn)象，該日變形態(tài)與地電場、地磁形態(tài)相差甚遠，與該臺固體潮汐理論值之間不具有相關性，與布極區(qū)溫度呈顯著的負相關(戴勇等，2013)。溫度一般通過影響室內觀測儀器、室外觀測系統(tǒng)(包括外線路和電極)、位于布極區(qū)及附近的金屬導體和布極區(qū)地下土層等，進而引起地電阻率的觀測值變化。1)ZD8B系列地電觀測儀器的內置取樣電阻在0～40℃范圍內年的變化范圍 ≤0.06% (熊仲華，2006)，寶昌臺觀測室的溫度年變化在18～22℃范圍內，故認為觀測儀器不受溫度影響。2)寶昌臺地電觀測系統(tǒng)的外線路主要采用架空方式，所用電纜為鎧裝電纜，并用瓷瓶隔離固定電纜的鋼絞線與電線桿，且定期對瓷瓶進行清理。在近年的歷次檢查中，外線路的絕緣性均符合規(guī)范要求(中國地震局，2001)，溫度無法通過外線路對地電阻率的觀測值造成影響。3)寶昌臺地電觀測的NS和EW測向供電電極和測量電極均為鉛電極，埋深為3.5m，電極位于凍土層之下的第2層，該層的溫度變化較小。4)鋼、鋁等金屬的電阻溫度系數(shù)數(shù)量級為10-3～10-5℃-1(西安交通大學物理教研組，1974)，而布極區(qū)的溫度日變化幅度約為20℃，故鐵絲網等金屬電阻率的日變幅度接近0Ω·m。5)布極區(qū)地下電性結構模型呈4層水平模型，僅第1層(凍土層)受溫度影響較大，其電阻率具有與溫度呈負相關的特征，若寶昌臺的地電阻率日變僅由第1層電阻率的日變所致，則由影響系數(shù)公式計算得到的地電阻率NS、EW測向的變化幅度分別為1.24Ω·m 和0.23Ω·m，而2個測向的地電阻率實測日變幅度均在0.5Ω·m 以內，可見理論結果與實測結果基本一致。綜合分析認為，由溫度日變引起的第1層電阻率日變是地電阻率日變的主要貢獻源。

5 干擾變化

5.1 變化特征

由于觀測環(huán)境復雜，寶昌臺的地電阻率觀測值易受降雨、鋼絞線埋設、抽水等干擾因素影響形成階躍等。本節(jié)統(tǒng)計了2012—2018年間階躍頻次與降雨量的對應情況(圖7， 8)，結果顯示，累計出現(xiàn)116次階躍，且冬春頻次低、夏秋頻次高，其中49次階躍與測區(qū)降雨在時間上吻合。

圖7 寶昌臺地電阻率的小時值曲線Fig. 7 Hourly value curves of geo-resistivity at Baochang station.

圖8 2012—2018年階躍的月頻次分布Fig. 8 Monthly frequency distribution of step variations from 2012—2018.a 總階躍頻次； b 與降雨對應的階躍頻次

圖9 寶昌臺的地電阻率觀測值與降雨量的時序曲線Fig. 9 Time series curves of geo-resistivity and precipitation at Baochang station.

5.2 降雨影響分析

本節(jié)以2017年7月1日降雨引起的地電阻率變化案例進行異常成因分析。2017年7月1日12時寶昌臺所在區(qū)域開始降雨，至當日18時結束。12時，寶昌臺NS測向的地電阻率觀測值即出現(xiàn)突降，下降幅度為0.32Ω·m； 至當日18時，持續(xù)的快速下降終止，累計變化幅度為0.79Ω·m(圖9)。

降雨對寶昌臺地電阻率觀測值的影響是通過測區(qū)鐵絲網、懸空鋼絞線等金屬導體與地接觸性加強，雨水大范圍滲透和小區(qū)域匯集3個途徑施加的。地電布極區(qū)積水坑位于三維影響系數(shù)為負的NS測向供電極與測量極之間，雨水匯集并不是引起本次地電阻率下降的主要因素。金屬導體與地的接觸性加強，相當于低阻體嵌入第1層，造成地電阻率無滯后的突降。測區(qū)第1層為含礫粉細砂層，《工程流體力學(第4版)》中給出的細砂的滲透系數(shù)為1×10-3～6×10-3cm/s，降雨引起的滲透的水力坡度為1(孔瓏，2014)，由達西定律可估算出6h內滲透的最大深度為1.2m，這說明自12時降雨開始至18時，雨水正好滲透至第1層的底面。第1層(表層)在降雨后6h內含水量持續(xù)增加，導致該層的電阻率持續(xù)降低，引起的地電阻率下降幅度為0.20Ω·m。NS測向第1層的影響系數(shù)B1為0.007，電阻率為72Ω·m，由影響系數(shù)公式計算可知，第1層電阻率的下降幅度達16.15Ω·m。

5.3 鋼絞線影響分析

寶昌臺EW測向的地電阻率觀測值由2017年8月20日10時的 146.27Ω·m 下降至11時的 143.69Ω·m，下降幅度為1.76%。數(shù)值下降期間，電信公司在EW向西供電極附近埋設通信光纜和鋼絞線，光纜埋深為1.2m，鋼絞線埋深為0.9m，鋼絞線的總體走向為NS向，鋼絞線距西供電極13m。2017年8月21日西供電極附近約1i200m的鋼絞線被抽出，之后EW向觀測數(shù)據(jù)恢復至埋設前的水平。該次突降和突升與埋設和抽出鋼絞線在時間上吻合。

屬于低阻體的鋼絞線位于第1層，由一維影響系數(shù)B1可知，其導致的地電阻率下降，初步分析結果與實際觀測吻合。由于上述影響系數(shù)反映的某層電阻率變化對地電阻率的影響對于干擾定性分析仍顯得較為粗略，故在此采用三維影響系數(shù)的分布特征進行干擾源影響的定性分析。8月20日電信公司埋設的鋼絞線正好位于影響系數(shù)為正的區(qū)域(解滔等，2015)，由此可判定屬于低阻體的鋼絞線引起的地電阻率變化是下降的，這與實際觀測吻合。依據(jù)測區(qū)水平層狀模型構建了三維有限元模型，并通過數(shù)值模擬方法計算了鋼絞線埋設前后寶昌臺地電阻率EW向地電阻率的變化幅度(表4)。結果顯示，理論下降幅度為1.37%，略小于實測下降幅度。理論值與實測值之間出現(xiàn)較小差異主要是由于三維有限元模型僅是對實際情況進行簡化后的模型，且計算過程出現(xiàn)的誤差等因素也會導致兩者存在不同。數(shù)值模擬結果進一步證明了8月20日地電阻率EW測向的突降變化是由鋼絞線引起的。

表4 埋設鋼絞線前后地電阻率的實測值及數(shù)值模擬值Table4 Geo-resistivity measurements and numerical simulations before and after steel strand installation

5.4 抽水影響分析

2018年10月16日9—17時，在距EW測向西測量極以西10m處開展了抽水實驗，其間進行了水位、地電阻率的同步觀測。

10月12—16日，布極區(qū)溫度的逐日間差異性較小且無降雨，其間地電阻率NS測向值無明顯變化，抽水對NS測向地電阻率觀測沒有影響。12—15日，地電阻率EW測向在每天9—17時的平均變化幅度為 0.11Ω·m，16日9—17時變化幅度達 0.21Ω·m，表明抽水對EW測向影響較大。在EW測向測量極與供電極之間且靠近測量極處(三維影響系數(shù)為負的區(qū)域)抽水時，位于機井下方的水位下降，且快速形成圍繞抽水機井的漏斗狀水面，局部電阻率快速上升，造成地電阻率快速下降，沒有滯后效應。

6 結論

(1)高密度電法反演結果顯示，寶昌臺地電布極區(qū)地下的電阻率基本呈現(xiàn)水平分布，電測深曲線類型屬于KH型。通過嘗試法反演確定，該臺地電布極區(qū)的地下共分為4層，其中第3層為含水層，層深為6.5～71.5m，較上覆和下伏地層整體表現(xiàn)為高導層，當供電極距AB=560m、測量極距MN=80m時，第3層NS、EW向的影響系數(shù)均超過0.9，比其他3個層的影響系數(shù)均大1個數(shù)量級，這說明第3層的電阻率變化能夠有效地反映于地電阻率變化中，該層的電阻率能有效攜帶應力變化、震前異常變化等信息。

(2)寶昌臺NS、EW測向的地電阻率自1993年至今一直存在長期下降變化，且變化速率存在顯著的各向異性，這主要是由第3層受臺站所在區(qū)域的應力持續(xù)作用引起的。

(3)寶昌臺NS、EW測向的地電阻率均存在冬春高、夏秋低的正向年變形態(tài)，由溫度、降雨量的季節(jié)性變化引起的第1層電阻率年變是地電阻率年變的主要貢獻源； 位于第3層的水位年周期波動雖然對寶昌臺地電阻率年變存在影響，但并非主要因素，這是對高立新等(2019)研究結果的深化和重新認識。寶昌臺地電阻率兩測向均存在凌晨及上午高、下午及晚間低的正向日變形態(tài)，這主要是由溫度對表層電阻率的影響所引起的，類似的日變形態(tài)也存在于西昌小廟、甘孜、烏加河、青光、寶坻新臺等臺站地電阻率數(shù)據(jù)的小時值曲線中。

(4)寶昌臺地電阻率階躍存在冬春頻次低、夏秋頻次高的特點，且多與測區(qū)內降雨、短期抽水、埋設鋼絞線等吻合，通過數(shù)值模擬、三維影響系數(shù)計算等方法對典型階躍進行定性和定量角度分析的結果也印證了這一統(tǒng)計結果。

致謝中國地震局蘭州地震研究所杜學彬研究員在成文過程中給予了悉心指導； 中國地震臺網中心解滔副研究員為本研究提供了部分計算程序； 內蒙古自治區(qū)寶昌地震臺賈昕曄高級工程師、高昌志高級工程師為本研究提供了基礎資料； 審稿專家為本文提出了寶貴的修改建議。在此一并表示感謝!