單軸固定速率加、卸載下巖石電阻率圖像變化的實驗研究

張 斌 朱 濤 俞言祥（中國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驗研究

張 斌 朱 濤 俞言祥
（中國地震局地球物理研究所， 北京 100081）

觀測和實驗結果表明，在強震和大型地質災害孕育和發(fā)生過程中，地電阻率及其各向異性會出現(xiàn)明顯的異常變化，因此電阻率一直是我國地震監(jiān)測預報中使用的重要參量之一，在近50年來的地震監(jiān)測預報工作中發(fā)揮了重要作用。震例研究表明，在某些強震前，利用目前地震電阻率觀測中僅有4個固定電極的對稱四極測量系統(tǒng)，即使在離震中很近的臺站，并不是所有測向上都能記錄到明顯的地電阻率異常變化，這可能導致地震異常誤判的幾率。因此，探索新的地震電阻率觀測方式，可以為目前地震電阻率觀測系統(tǒng)提供有益的補充，這對我國的防震減災具有實際意義。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，進行了一系列的系統(tǒng)性實驗研究工作。

制作了相對均勻（樣品Ⅰ）、內嵌高阻（樣品Ⅱ、Ⅲ）和內嵌低阻（樣品Ⅳ、Ⅴ）的5組人工樣品，在樣品的一個自由表面以共中心點對稱布設4條輻射狀測線。樣品充分固結干燥后，分別對樣品進行單軸固定速率的加、卸載，獲得每個應力下4條測線的視電阻率數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集由采用溫納—α觀測裝置的直流電法儀完成。利用公式（1）計算了每個應力下的電阻率值相對于加壓前（無應力）的相對變化ΔρNR。

其中，ρN、ρ0分別代表應力值在N MPa和加壓前0 MPa時的視電阻率測量值。根據(jù)計算的ΔρNR，利用電阻率層析成像方法構建了視電阻率相對變化圖像（以下稱為RRC圖像）。

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

結果表明，隨著應力的增加，RRC圖像中電阻率降低的區(qū)域（以下稱為RDR區(qū)）逐漸收縮，而同時電阻率升高的區(qū)域（以下稱為RIR區(qū)）逐漸擴張；在卸載階段，隨著應力的減小，RIR區(qū)繼續(xù)擴張，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電阻率圖像隨應力變化的影響，還測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，然而穿過高阻體的測線所對應的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較大（與圖1相比），這種現(xiàn)象在超過應力22.22 MPa（約為破裂應力的50%）后尤為明顯，表明高阻體的存在可能會使得電阻率圖像隨應力的變化更為突出。穿過低阻體的測線對應的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較小，這種現(xiàn)象出現(xiàn)在整個加載和卸載過程中，表明低阻體的存在可能會降低其附近區(qū)域電阻率隨應力的變化幅度。

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：隨著應力的增加，RDR區(qū)會逐漸收縮，而RIR區(qū)逐漸擴張。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可以作為目前地震電阻率觀測系統(tǒng)的有益補充。