王慶林 解 滔 孫懷鳳

1 山東省地震局，濟(jì)南市港西路2066號(hào)，250014 2 中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心，北京市三里河南橫街5號(hào)，100045 3 山東大學(xué)巖土與結(jié)構(gòu)工程研究中心，濟(jì)南市經(jīng)十路17923號(hào)，250061

1966年邢臺(tái)地震后我國(guó)開(kāi)始進(jìn)行大規(guī)模視電阻率觀(guān)測(cè)，目前全國(guó)定點(diǎn)視電阻率觀(guān)測(cè)臺(tái)站已達(dá)百余個(gè)，很多學(xué)者都提取到了關(guān)于視電阻率的地震前兆信息[1-4]，并對(duì)其產(chǎn)生機(jī)制進(jìn)行深入系統(tǒng)的研究[5]。除部分基巖較深或觀(guān)測(cè)條件不好的臺(tái)站外，絕大多數(shù)臺(tái)站都記錄到了夏高冬低和夏低冬高2種明顯的視電阻率年變形態(tài)。在地震預(yù)報(bào)研究中，視電阻率的年變分析是一種非常重要的前兆分析方法，對(duì)于排除了水位、溫度及人文干擾等影響因素后仍存在的“破年變”變化，按照目前的認(rèn)知認(rèn)為其可能存在一定的前兆意義，因此視電阻率正常年變特征的研究對(duì)地震預(yù)報(bào)具有非常重要的意義。

1 馬陵山地震臺(tái)概況

郯城馬陵山地震臺(tái)位于山東省郯城縣東北20 km的馬陵山西坡，地處郯廬斷裂帶安丘-莒縣斷裂上，東距沭河3 km，臺(tái)基為白堊系紅色砂巖，地層傾向SE，傾角60°～70°。受構(gòu)造斷裂影響，巖石較破碎，地下水位埋深約13～14 m，海拔為110 m。臺(tái)站三面環(huán)山，一面與農(nóng)田相鄰，周?chē)鸁o(wú)廠(chǎng)礦等，幾乎沒(méi)有干擾源，觀(guān)測(cè)環(huán)境優(yōu)越，1999年被確定為國(guó)家基本臺(tái)(圖1)。臺(tái)站地表土壤覆蓋層較薄，從山頂至山腳覆蓋層有由薄變厚的趨勢(shì)。圖2為臺(tái)站視電阻率測(cè)深曲線(xiàn)，總體呈“G”型結(jié)構(gòu)。結(jié)合臺(tái)站鉆井資料可將臺(tái)站所在區(qū)域電性結(jié)構(gòu)分為兩層，上層為低阻層，下層為高阻層，根據(jù)視電阻率曲線(xiàn)反演結(jié)果可知，低阻層厚度約為35 m。

圖1 臺(tái)站位置與主要斷裂分布

圖2 郯城馬陵山地震臺(tái)視電阻率測(cè)深曲線(xiàn)

該臺(tái)站視電阻率觀(guān)測(cè)采用斯倫貝謝四極觀(guān)測(cè)方式，A、B兩個(gè)供電電極的距離為1 000 m，M、N兩個(gè)測(cè)量電極的距離為300 m。臺(tái)站視電阻率于EW、NS兩個(gè)近似正交的方向測(cè)量，其中NS向觀(guān)測(cè)方位為NW5°，EW向觀(guān)測(cè)方位為NE75°。因臺(tái)站位于馬陵山西坡，觀(guān)測(cè)裝置的EW向平行于山坡傾向，NS向垂直于山坡傾向(圖3)。

圖3 郯城馬陵山地震臺(tái)視電阻率觀(guān)測(cè)布極

2 馬陵山地震臺(tái)視電阻率概況

圖4為馬陵山地震臺(tái)2010年以來(lái)的視電阻率觀(guān)測(cè)曲線(xiàn)，可以看出，該臺(tái)站視電阻率的年變化特征非常清晰，周邊干擾很少，觀(guān)測(cè)資料質(zhì)量較好，對(duì)于研究正常年變形態(tài)及視電阻率的影響因素等具有非常重要的價(jià)值。需要說(shuō)明的是，圖中水位測(cè)量的是地面井口與水面的距離，其大小與實(shí)際水位的高低變化是相反的。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，地電阻率EW向觀(guān)測(cè)值的波峰基本出現(xiàn)在每年5～6月前后，而NS向則出現(xiàn)在每年2月，具有明顯的差異；EW向觀(guān)測(cè)值的波谷基本出現(xiàn)在每年9～10月，而NS向則出現(xiàn)在每年6月，相差3～4個(gè)月。2條地電阻率觀(guān)測(cè)曲線(xiàn)的觀(guān)測(cè)位置基本相同，僅方向不同，其中NS向的年變幅度約為0.5 Ωm，EW向的年變幅度約為1.5 Ωm。因測(cè)點(diǎn)位于郯廬斷裂帶上，地質(zhì)條件較為復(fù)雜，本文將結(jié)合相關(guān)輔助觀(guān)測(cè)資料對(duì)這些特征進(jìn)行分析。

圖4 郯城馬陵山地震臺(tái)視電阻率及輔助觀(guān)測(cè)資料

3 馬陵山地震臺(tái)視電阻率與溫度、降雨及水位等的關(guān)系

由圖4可以看出，馬陵山地震臺(tái)視電阻率總體呈夏低冬高的變化趨勢(shì)特征，但2個(gè)方向的峰谷值出現(xiàn)時(shí)間不同，且在每年7～8月還會(huì)出現(xiàn)短暫卻非常顯著的升高現(xiàn)象。7～8月正值北方雨季，降雨量大且迅速，根據(jù)解滔等[6]關(guān)于視電阻率三維影響系數(shù)的研究可知，不同位置電阻率變化對(duì)應(yīng)的視電阻率觀(guān)測(cè)值的變化規(guī)律是不同的，且影響系數(shù)隨距離增大迅速減小，有的位置影響系數(shù)為正，有的則為負(fù)，影響系數(shù)為負(fù)的區(qū)域電阻率降低對(duì)應(yīng)的視電阻率觀(guān)測(cè)值是增加的。雨季短暫快速的降雨會(huì)在地表形成低阻薄層，剛好符合影響系數(shù)為負(fù)的特征，因此在每年7～8月出現(xiàn)短暫快速降雨時(shí)，常會(huì)出現(xiàn)視電阻率觀(guān)測(cè)值快速上升的現(xiàn)象，且NS和EW兩個(gè)方向都存在這一特征，變化幅度約為0.2 Ωm。

相關(guān)分析法是視電阻率分析中比較常用的方法[7]，本文分別計(jì)算臺(tái)站2個(gè)方向視電阻率與水位和氣溫的相關(guān)系數(shù)，結(jié)果見(jiàn)表1。據(jù)表1分析認(rèn)為，影響EW向視電阻率變化的主要因素是水位，而NS向的年變與水位變化關(guān)系不大，主要受氣溫變化的影響。2個(gè)方向視電阻率觀(guān)測(cè)的中心點(diǎn)位置基本一致，測(cè)深曲線(xiàn)顯示結(jié)構(gòu)差異并不明顯，但時(shí)間序列曲線(xiàn)變化規(guī)律卻相差甚遠(yuǎn)。為對(duì)該問(wèn)題進(jìn)行更合理的解釋?zhuān)疚囊胗邢拊獢?shù)值模擬方法對(duì)傾斜地層開(kāi)展進(jìn)一步分析。

表1 視電阻率與水位、氣溫的相關(guān)性

4 馬陵山地震臺(tái)視電阻率有限元模擬分析

根據(jù)前文介紹可知，觀(guān)測(cè)裝置的EW向存在高差，NS向則基本水平，結(jié)合臺(tái)站電極鉆孔記錄及現(xiàn)場(chǎng)勘察結(jié)果推斷，EW向4個(gè)電極下方第四系覆蓋層厚度自東向西存在逐漸變厚的特征；NS向由于處在同一水平高度，4個(gè)電極下方的覆蓋層厚度基本一致。因基礎(chǔ)資料不足，本文有限元模擬僅為定量分析傾斜分界面對(duì)觀(guān)測(cè)結(jié)果帶來(lái)的影響。

根據(jù)臺(tái)站儀器安裝日志中記錄的場(chǎng)地測(cè)深曲線(xiàn)及反演結(jié)果，將測(cè)區(qū)簡(jiǎn)化成一個(gè)兩層的理想模型，并利用三維有限元方法進(jìn)行模擬分析。模型上層為含水覆蓋層，是一個(gè)低阻層；下層為基巖，是一個(gè)高阻層。同時(shí)考慮到測(cè)區(qū)EW向?yàn)樯狡?，存在高差，覆蓋層厚度有差異，故將模型上下兩層的分界面設(shè)置為傾斜界面，傾向W，而由于影響視電阻率觀(guān)測(cè)值的主要因素為地層電阻率和厚度，此處忽略地形傾斜。圖5為模型沿EW向和NS向的切面，可以看出，當(dāng)分界面傾角為1°時(shí)，A、B兩個(gè)電極下方低阻層的厚度差異約為17.5 m。同時(shí)對(duì)模型上層低阻層的厚度也進(jìn)行1 m的擾動(dòng)分析，用來(lái)模擬水位變化對(duì)觀(guān)測(cè)結(jié)果的影響，電極位置按圖3中展示的位置進(jìn)行設(shè)置，計(jì)算參數(shù)及結(jié)果見(jiàn)表2。

圖5 三維有限元模型切面示意圖

表2 三維有限元模型參數(shù)及計(jì)算結(jié)果

根據(jù)表2的參數(shù)，利用三維有限元方法對(duì)模型進(jìn)行分析，對(duì)比模型1～3可以看出，當(dāng)分界面傾角增大時(shí)，第1層厚度增加，視電阻率觀(guān)測(cè)值整體減小，變化1°時(shí)EW向視電阻率減小5.223 9 Ωm，變化幅度約為10%，NS向視電阻率減小4.550 2 Ωm，變化幅度約為8.7 %，EW向變化幅度更大；對(duì)比模型3和模型6可知，EW向減小了0.462 9 Ωm，變化幅度約為0.99 %，NS向減小了0.475 Ωm，變化幅度約為1.0 %?？梢园l(fā)現(xiàn)，如果模型低阻層的厚度變化一致，2個(gè)方向的觀(guān)測(cè)值差異基本可以忽略，即便是EW向因傾斜有覆蓋層厚度差的存在。就目前的數(shù)值模擬結(jié)果而言，傾角變化對(duì)EW向的影響更加顯著，但并未出現(xiàn)成倍差異。在實(shí)際觀(guān)測(cè)中，NS向4個(gè)電極位于山腳下，土壤層較厚，低阻層含水飽和度更高，含水狀態(tài)也更穩(wěn)定，與EW向存在天然的差別，因此NS向的視電阻率變化小，年變幅度約為0.5 Ωm；而EW向由于存在高差，4個(gè)電極下方的水位變化差異較大，類(lèi)似于模型1～3或模型4～6中傾角變大的情況，因此EW向年變幅度達(dá)1.5 Ωm，受水位影響較大。

5 結(jié) 語(yǔ)

對(duì)馬陵山地震臺(tái)視電阻率年變特征進(jìn)行研究有助于了解其正常變化規(guī)律，以更清晰地認(rèn)識(shí)降雨、水位、地層傾斜等因素對(duì)視電阻率觀(guān)測(cè)值的影響，對(duì)未來(lái)異常變化的判定具有非常重要的參考意義。本文結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)踏勘結(jié)果及臺(tái)站基礎(chǔ)資料進(jìn)行初步分析，建立三維有限元模型，并與臺(tái)站區(qū)域的降雨、水位及溫度等資料進(jìn)行綜合對(duì)比分析，得出以下認(rèn)識(shí)：

1)近10 a來(lái)，馬陵山地震臺(tái)視電阻率一直處于較穩(wěn)定狀態(tài)，年變清晰，對(duì)周邊干擾和氣候變化響應(yīng)靈敏。其中，NS向主要受溫度和快速降雨的影響，EW向同時(shí)受水位、溫度及快速降雨的影響，且水位在多種影響因素中占主導(dǎo)地位。

2)EW向觀(guān)測(cè)裝置存在明顯高差，且該方向地表徑流顯著，而位于山腳的NS向觀(guān)測(cè)裝置下方的淺層低阻層常年處于水分較飽和狀態(tài)。由于微小且緩慢的水位變化對(duì)淺層介質(zhì)影響很小，因此NS向視電阻率對(duì)水位變化不敏感，而主要受氣溫變化控制，但對(duì)大量且快速的降雨有比較清晰的響應(yīng)。