地電阻率論文：介質(zhì)電阻率變化探討

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本文作者：陳峰、馬麥寧、安金珍 單位：北京大學地球與空間科學學院、中國科學院大學地球科學學院

我國在研究介質(zhì)電阻率變化的方向性與主應力方向之間的關(guān)系方面，做過許多研究工作（陸陽泉，溫新民，1980；陸陽泉等，1990b；張同俊，1981；陳有發(fā)，陸陽泉，1981；陳大元等，1983；陳有發(fā)，1993；杜學彬等，2006，2007；杜學彬，2010），然而，由于實驗資料不充足，實驗樣品布極和臺站觀測布極測線方向偏少，給研究工作帶來了一些局限．隨著社會的進步與發(fā)展，地電實驗工作也有了新的進展，在布極方法、測量儀器自動化程度方面都有了很大提高．本文利用我們承載介質(zhì)電阻率實驗中的壓縮實驗資料，研究電阻率變化的方向與最大主應力方向之間的關(guān)系．1實驗方法為了獲取電阻率各向異性測點，我們在標本上以測點為中心，用對稱四極法布設互為45°角的4條電阻率測線，每個測點4條測線與最大主壓應力的方向見圖1．其中，側(cè)線Ⅰ平行于最大主壓應力方向；Ⅱ與最大主壓應力方向的夾角為45°；Ⅲ垂直于最大主壓應力方向；Ⅳ與最大主壓應力方向的夾角為135°．

1）單軸壓縮實驗采用G5，G14和G22等3塊長方體花崗巖標本，尺寸分別為6cm×6cm×12cm，5cm×8cm×16cm和4cm×4cm×8cm．3塊標本的測線和測量功能組合、布極圖、破裂圖、電極布設及標本處理方法見陳峰等（2000）．G5標本沒有被壓破，只壓到電阻率出現(xiàn)明顯的下降異常時卸壓，用顯微照像才能看到標本的微裂隙．G14是原始電阻率各向異性標本，其4個電阻率測點對應的原始電阻率各向異性系數(shù)分別為1．28，1．20，1．12和1．38（陳峰等，2003a）．

2）二維約束差應力壓縮實驗采用GT6，GT7和GT8等3塊4cm×4cm×8cm的長方體花崗巖標本．3塊標本實驗的電極布設及標本處理方法、約束方法和布極圖見陳峰等（2002）．GT6和GT7標本破裂圖見圖2a，b．

3）低圍壓三軸差應力壓縮實驗采用Brgr1，Sr1，Rgr1和Rgr2等4塊標本，其材質(zhì)分別為花崗巖（Brgr1）、凝灰質(zhì)粗砂巖夾礫石（Sr1）和細晶花崗巖（Rgr1，Rgr2）．電極布設在4．6cm×10cm的弦切面上．4塊標本的形狀和尺寸為5cm×10cm圓柱狀切去4．6cm×10cm的弦切面的剩余部分．實驗相關(guān)的測線和測量功能組合、布極圖、破裂圖、電極布設及標本處理方法和加載方法見陳峰等（2003a）．Sr1標本破裂形態(tài)見圖2c；Rgr1和Rgr2標本沒有被壓破，只壓到電阻率出現(xiàn)明顯的下降異常時卸壓，標本破裂形態(tài)見圖2d，e．標本Brgr1和Sr1也是原始電阻率各向異性標本．Brgr1標本的原始電阻率各向異性系數(shù)為1．76（陳峰等，2003a）．Sr1標本夾有大顆粒礫石不均勻含巖成分，并有一硅化巖屑凝灰?guī)r脈穿過第Ⅲ方位測線的犃犕電極間、第Ⅳ方位測線的犕犖電極間和第Ⅱ方位測線的犖犅電極間．圖3是Sr1標本測量面的背面，該面沒有涂絕緣膠，可見到標本含有礫石（礫石1和礫石2）和巖脈，并可見Sr1標本含巖成分不均勻．

4）真三軸差應力壓縮實驗采用人工合成大模型Big1，其尺寸為100cm×100cm×30cm．該模型的合成材料、電極布設、模型處理方法、測線和測量功能組合及布極圖與陳峰等（2003b）的Big5模型相同．其加載方式為：σ3垂直于100cm×100cm的布極面，加載到壓實，然后保持該面不變形；σ1平行于圖1的Ⅰ方向；σ2垂直于圖1的Ⅰ方向，且σ2＝1／2σ1．

資料處理方法

在研究電阻率變化的方向性與主應力方向之間的關(guān)系時，常用的方法為：尋找同一測點多方向測道中電阻率變化最大（最?。┓戎禍y道的方向與力源最大主壓應力方向間的關(guān)系，并由下式計算電阻率變化幅度值。

本文仍沿用上式進行資料分析，不同的是，我們不只用實驗標本從開始加載到破裂全過程進行分析，而是將實驗標本從開始加載到破裂過程分成4個破裂應力段進行分析處理．4個破裂應力段分別為：從開始加載到30％附近（因為某個電阻率測量值所對應的破裂應力不會剛好是30％，下同）、50％附近破裂應力段、80％附近破裂應力段和100％破裂應力段．選擇上述4個破裂應力段是基于如下考慮：當實驗標本加載到30％附近破裂應力段時，標本還未開始體積膨脹，電阻率變化不大；當加載到50％附近破裂應力段時，標本開始體積膨脹并產(chǎn)生微裂隙，電阻率開始有較大變化；當加載到80％附近破裂應力段時，標本產(chǎn)生微裂隙加速，電阻率出現(xiàn)大幅度變化；當加載到100％破裂應力段時，標本出現(xiàn)大裂隙，甚至破裂毀壞．最后的2個電阻率測值，可能已不滿足電阻率測量理論需要連續(xù)介質(zhì)的要求，因此，該破裂應力段對應處理的電阻率資料結(jié)果，應考慮最后2個測值可能的影響．計算結(jié)果中的“－”號只表示電阻率變化是下降的，不表示電阻率變化幅度的大小．

計算結(jié)果

表1給出了資料處理分析的結(jié)果．其中，單軸壓縮G5標本大極距測點在30％附近破裂應力段，電阻率變化幅度最大的是Ⅳ測線方向；在50％和80％附近破裂應力段，電阻率變化幅度最大的是Ⅰ測線方向；但在100％破裂應力段，電阻率變化幅度最大的是Ⅱ測線方向．小極距測點在30％附近破裂應力段，電阻率變化幅度最大的是Ⅲ測線方向；在50％和80％附近破裂應力段，電阻率變化幅度最大的是Ⅳ測線方向，而在100％破裂應力段，電阻率變化幅度最大的是Ⅲ測線方向．

單軸壓縮G14標本左大極距測點，在30％，50％，80％附近和100％破裂應力段，電阻率變化幅度最大的都是Ⅰ測線方向；而左小極距測點，4個破裂應力段上電阻率變化幅度最大的都是Ⅲ測線方向．右大極距測點，在30％和50％附近破裂應力段，電阻率變化幅度最大的是Ⅳ測線方向；在80％附近破裂應力段，Ⅱ和Ⅳ測線方向電阻率變化幅度最大，且相近；在100％破裂應力段，電阻率變化幅度最大的是Ⅰ測線方向．右小極距測點，4個破裂應力段上電阻率變化幅度最大的都是Ⅲ測線方向．單軸壓縮G22標本，在30％附近破裂應力段，電阻率變化幅度最大的是Ⅰ測線方向；在50％和80％附近破裂應力段，Ⅰ和Ⅳ測線方向電阻率變化幅度最大，且相近；在100％破裂應力段，仍是Ⅰ測線方向電阻率變化幅度最大．

二維約束差應力壓縮GT6標本，在30％和50％附近破裂應力段，電阻率變化幅度最大的是Ⅰ測線方向；在80％附近和100％破裂應力段，電阻率變化幅度最大的是Ⅳ測線方向．GT7標本，在30％和50％附近破裂應力段，電阻率變化幅度最大的是Ⅰ測線方向；在80％附近和100％破裂應力段，電阻率變化幅度最大的是Ⅱ測線方向．GT8標本，在30％，50％和80％附近破裂應力段，Ⅱ和Ⅲ測線方向電阻率變化幅度最大，且相近；在100％破裂應力段，電阻率變化幅度最大的是Ⅰ測線方向．

低圍壓三軸差應力壓縮Brgr1標本，在30％，50％和80％附近破裂應力段，電阻率變化幅度最大的是Ⅰ測線方向；在100％破裂應力段，電阻率變化幅度最大的是Ⅲ測線方向．該標本在74．79％破裂應力后做蠕變實驗，整個實驗過程用恒定低圍壓，在92．3％破裂應力時又用恒定軸壓，做蠕變實驗58min，測了11個電阻率數(shù)據(jù)；在95．57％破裂應力時做蠕變實驗，測了4個電阻率數(shù)據(jù)．蠕變實驗的電阻率變化幅度，包含在100％破裂應力段中．

低圍壓三軸差應力壓縮Sr1標本，在30％，50％和80％附近破裂應力段，電阻率變化幅度最大的是Ⅱ測線方向；在100％破裂應力段，電阻率變化幅度最大的是Ⅰ測線方向．Rgr1標本，在30％附近破裂應力段，電阻率變化幅度最大的是Ⅰ測線方向；在50％和80％附近破裂應力段，電阻率變化幅度最大的是Ⅳ測線方向；在100％破裂應力段，電阻率變化幅度最大的是Ⅲ測線方向．Rgr2標本，在30％，50％，80％附近和100％破裂應力段，電阻率變化幅度最大的都是Ⅳ測線方向．真三軸差應力壓縮人工合成大模型Big1，1—5號測點是小極距測點，其犃犅極距為31cm；6號測點，是大極距測點，其犃犅極距為76cm．表2是該模型不同位置、不同極距6個測點視電阻率隨破裂應力變化的幅度值．

1號測點：在30％附近破裂應力段，電阻率變化幅度最大的是Ⅲ測線方向；在50％附近破裂應力段，Ⅱ和Ⅲ測線方向電阻率變化幅度最大，且相近；在80％附近和100％破裂應力段，電阻率變化幅度最大的是Ⅱ測線方向．2號測點：在30％附近破裂應力段，電阻率變化幅度最大的是Ⅲ測線方向；在50％，80％附近和100％破裂應力段，電阻率變化幅度最大的是Ⅳ測線方向．3號測點：在30％，50％，80％附近和100％破裂應力段，電阻率變化幅度最大的都是Ⅳ測線方向．4號測點：在30％和50％附近破裂應力段，電阻率變化幅度最大的是Ⅱ測線方向；在80％附近破裂應力段，Ⅱ和Ⅳ測線方向電阻率變化幅度最大，且相近；在100％破裂應力段，電阻率變化幅度最大的是Ⅱ測線方向．5號測點：在30％附近破裂應力段，電阻率變化幅度最大的是Ⅲ測線方向；在50％附近破裂應力段，Ⅲ和Ⅳ測線方向電阻率變化幅度最大，且相近；在80％附近和100％破裂應力段，電阻率變化幅度最大的是Ⅳ測線方向．6號大極距測點：在30％附近破裂應力段，電阻率變化幅度最大的是Ⅱ測線方向；在50％附近破裂應力段，Ⅱ和Ⅳ測線方向電阻率變化幅度最大，且相近；在80％附近和100％破裂應力段，Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ和Ⅳ測線方向電阻率變化幅度都相近．

綜上，同一位置兩個不同極距測點的電阻率變化幅度最大的測線方向不一致；同一測點4個不同破裂應力段，電阻率變化幅度最大的測線方向有一致的，也有不一致的；同一標本不同位置、不同極距測點，電阻率變化幅度最大的測線方向不一致，不同位置相同極距測點，電阻率變化幅度最大的測線方向有一致的，也有不一致的；相同巖性、相同尺寸、相同標本處理和布極方法、相同加載類型的不同編號標本的計算結(jié)果不相同．上述結(jié)果表明，不同和相同尺寸的標本、模型，不同和相同的布極方式，不同和相同的加載類型所得到的可比的測線中，電阻率變化幅度最大的測線方向與最大主壓應力的方向之間沒有確定的關(guān)系．同樣，表1和表2也顯示，電阻率變化的極小值方向，也不都是指向最大主壓應力方向；在現(xiàn)有實驗條件下，用電阻率變化幅度最大的測線方向確定最大主壓應力方向的計算結(jié)果重復性差．

討論與結(jié)論

早期用電阻率變化幅度確定最大主壓應力方向的研究中，由于當時電阻率測線布極方向偏少（僅3個），實驗資料不充足，得到的實驗結(jié)果有局限性，甚至存在彼此矛盾的現(xiàn)象．例如，陸陽泉和溫新民（1980）得到的結(jié)果是，“垂直于最大主應力方向的電阻率變化最大，平行于最大主應力方向的電阻率變化最小，與最大主應力成45°方向的電阻率變化居中”；而張同俊（1981）卻得到相反的實驗結(jié)果：“平行于壓力方向ρs減小量最大，垂直于壓力方向ρs減小量最小”；張金鑄和陸陽泉（1983）中圖2的一個不同三軸應力實驗結(jié)果表明，與最大主應力成45°方向的電阻率變化最大；而呂廣廷等（1984）中圖4的實驗結(jié)果又顯示：平行于最大主應力方向的電阻率變化最大．結(jié)合我們已做過的實驗，陳大元等（1983）指出，“電阻率變化的最大方向并不都是平行于壓力方向，而極小方向也不都是垂直于壓力方向”．

陳有發(fā)（1993）總結(jié)了國內(nèi)外地電實驗方面的研究進展，認為“利用同點三向等極距地（視）電阻率法可以確定大地應力場方向．地電阻率及其變化量的極小值方向都是指向主壓應力場方向的”．基于此，他認為，“根據(jù)京津唐張地區(qū)7．8級地震周圍地電阻率前兆量小的方向，推斷該地區(qū)主應力場方向，所得結(jié)果與京津唐張地區(qū)最大壓應力場方向相差36°—98°（平均值51°左右），二者幾乎沒有重合部分”．在當時實驗臺站布極偏少，實驗資料欠缺的情況下，他把結(jié)果不符的最可能的原因歸于“小尺度（視為均勻各向同性）巖石電阻率可能接近真電阻率”，“由各向異性奇象可知，受壓巖石真電阻率變化極小值方向順著主壓應力方向，與地電阻率變化的極大值方向一致”（陳有發(fā)，1993），由此解釋唐山7．8級地震地電阻率前兆現(xiàn)象．現(xiàn)在看來，兩者方向相差36°—98°如此之大的角度范圍，用視電阻率各向異性奇象是很難解釋的．

相反，杜學彬（2010）應用歸一化變化速率方法（normalizedvariationratemethod，簡寫為NVRM）研究了中國大陸27次犕S≥5．5地震的孕震晚期階段震中區(qū)及附近（相當于下降異常的集中范圍）41個臺的視電阻率變化，發(fā)現(xiàn)超過95％的臺出現(xiàn)了與震源機制解最大主壓應力（犘軸）方位有關(guān)的視電阻率各向異性變化：與犘軸方位正交或近于正交的測道，顯示快速、大幅度的視電阻率變化；沿犘軸方位或近于該方位的變化幅度最?。艑W彬（2010）和杜學彬等（2007）認為，這些震例表現(xiàn)的這種視各向異性變化與犘軸方位的關(guān)系相當符合大多數(shù)含水巖（土）標本加載過程中視各向異性變化與最大加載方向的關(guān)系．

顯然，上述兩個用震例地電阻率變化確定的最大主壓應力方向的結(jié)果是矛盾的．因而，用電阻率變化最大（或最?。┓较騺泶_定最大主壓應力方向的可靠性仍有待進一步驗證．本文中，考慮到巖石原始均勻各向同性標本，且測量值是真電阻率，我們結(jié)合G14和Brgr1兩塊非含巖成分電阻率原始各向異性以及Sr1一塊含巖成分不均勻電阻率原始各向異性標本壓縮實驗的視電阻率資料進行分析．結(jié)果表明，這些標本結(jié)果與其它標本無明顯差別．我們進一步考慮標本受小應力未開始體積膨脹和大破裂、未破裂的情況，發(fā)現(xiàn)相關(guān)結(jié)果均無明顯差異．

從電阻率變化的機制而言，雖然應力能引起介質(zhì)電阻率的變化，但不能直接起作用，需通過介質(zhì)裂隙的水網(wǎng)絡導電通路才能發(fā)揮作用．因此，只有介質(zhì)的裂隙變化才直接與電阻率的變化有關(guān)．而介質(zhì)裂隙的方位與最大主壓應力方位的關(guān)系并不是簡單的對應關(guān)系，它與介質(zhì)的結(jié)構(gòu)、材料力學性質(zhì)有關(guān)，對于非均勻介質(zhì)，情況非常復雜．實際應用和理論探討中，為了簡單起見，往往忽略這類最重要的、起關(guān)鍵作用的介質(zhì)結(jié)構(gòu)和材料力學性質(zhì)問題，由此得到的理論結(jié)果與實際結(jié)果相差甚遠，不能用來指導實際工作．對這類比較復雜的問題，用實驗檢驗是最好的方法．實驗中，介質(zhì)裂隙的水網(wǎng)絡導電通路變化引起不同位置、不同方向測線電阻率的變化，利用這種變化就可以解釋本文中用電阻率變化最大（或最?。┓较騺泶_定最大主壓應力方向的結(jié)果為什么會雜亂無章，因為在不同或相同標本上，每條測線、每個測點相對微裂隙變化的位置和方位是雜亂無章的．也許有學者會提出，標本上測的是真電阻率，不是視電阻率．由視電阻率各向異性奇象可知，真電阻率橢圓長軸與視電阻率橢圓長軸在方位角度上只相差90°，如果電阻率最大（最?。┳兓轿慌c最大主壓應力方向間真有確定的關(guān)系，那么，無論測的是真電阻率還是視電阻率，就不會出現(xiàn)本文中電阻率最大（最小）變化方位與最大主壓應力方向間雜亂無章的關(guān)系．所以，不論用真電阻率或視電阻率最大（最小）變化方向，都不能較準確地確定最大主壓應力方向．地電阻率測量的優(yōu)勢就是能直接探測介質(zhì)微裂隙的擴展方位和速率，但如何發(fā)展該優(yōu)勢，尋找到最需要的能較準確地確定最大主壓應力方向的途徑，還是一個艱巨的研究課題．

不同和相同尺寸的標本、模型，不同和相同的布極方式，不同和相同的加載類型所得到的可比的多條測線中，沒有發(fā)現(xiàn)電阻率變化幅度最大（最?。┑臏y線方向與最大主壓應力方向之間有確定的關(guān)系．實驗結(jié)果表明，用電阻率變化幅度最大（最?。┑臏y線方向較準確地確定最大主壓應力方向，還有待更深入的研究．