王慶林 解 滔 孫懷鳳

1 山東省地震局，濟(jì)南市港西路2066號，250014 2 中國地震臺網(wǎng)中心，北京市三里河南橫街5號，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，250061

1966年邢臺地震后我國開始進(jìn)行大規(guī)模視電阻率觀測，目前全國定點視電阻率觀測臺站已達(dá)百余個，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]，并對其產(chǎn)生機制進(jìn)行深入系統(tǒng)的研究[5]。除部分基巖較深或觀測條件不好的臺站外，絕大多數(shù)臺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地震預(yù)報具有非常重要的意義。

1 馬陵山地震臺概況

郯城馬陵山地震臺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。臺站三面環(huán)山，一面與農(nóng)田相鄰，周圍無廠礦等，幾乎沒有干擾源，觀測環(huán)境優(yōu)越，1999年被確定為國家基本臺(圖1)。臺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。圖2為臺站視電阻率測深曲線，總體呈“G”型結(jié)構(gòu)。結(jié)合臺站鉆井資料可將臺站所在區(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)視電阻率曲線反演結(jié)果可知，低阻層厚度約為35 m。

圖1 臺站位置與主要斷裂分布

圖2 郯城馬陵山地震臺視電阻率測深曲線

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

圖3 郯城馬陵山地震臺視電阻率觀測布極

2 馬陵山地震臺視電阻率概況

圖4為馬陵山地震臺2010年以來的視電阻率觀測曲線，可以看出，該臺站視電阻率的年變化特征非常清晰，周邊干擾很少，觀測資料質(zhì)量較好，對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值。需要說明的是，圖中水位測量的是地面井口與水面的距離，其大小與實際水位的高低變化是相反的。經(jīng)統(tǒng)計，地電阻率EW向觀測值的波峰基本出現(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向觀測值的波谷基本出現(xiàn)在每年9～10月，而NS向則出現(xiàn)在每年6月，相差3～4個月。2條地電阻率觀測曲線的觀測位置基本相同，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。因測點位于郯廬斷裂帶上，地質(zhì)條件較為復(fù)雜，本文將結(jié)合相關(guān)輔助觀測資料對這些特征進(jìn)行分析。

圖4 郯城馬陵山地震臺視電阻率及輔助觀測資料

3 馬陵山地震臺視電阻率與溫度、降雨及水位等的關(guān)系

由圖4可以看出，馬陵山地震臺視電阻率總體呈夏低冬高的變化趨勢特征，但2個方向的峰谷值出現(xiàn)時間不同，且在每年7～8月還會出現(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應(yīng)的視電阻率觀測值的變化規(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)域電阻率降低對應(yīng)的視電阻率觀測值是增加的。雨季短暫快速的降雨會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，常會出現(xiàn)視電阻率觀測值快速上升的現(xiàn)象，且NS和EW兩個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]，本文分別計算臺站2個方向視電阻率與水位和氣溫的相關(guān)系數(shù)，結(jié)果見表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個方向視電阻率觀測的中心點位置基本一致，測深曲線顯示結(jié)構(gòu)差異并不明顯，但時間序列曲線變化規(guī)律卻相差甚遠(yuǎn)。為對該問題進(jìn)行更合理的解釋，本文引入有限元數(shù)值模擬方法對傾斜地層開展進(jìn)一步分析。

表1 視電阻率與水位、氣溫的相關(guān)性

4 馬陵山地震臺視電阻率有限元模擬分析

根據(jù)前文介紹可知，觀測裝置的EW向存在高差，NS向則基本水平，結(jié)合臺站電極鉆孔記錄及現(xiàn)場勘察結(jié)果推斷，EW向4個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觀測結(jié)果帶來的影響。

根據(jù)臺站儀器安裝日志中記錄的場地測深曲線及反演結(jié)果，將測區(qū)簡化成一個兩層的理想模型，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，是一個低阻層；下層為基巖，是一個高阻層。同時考慮到測區(qū)EW向為山坡，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測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，A、B兩個電極下方低阻層的厚度差異約為17.5 m。同時對模型上層低阻層的厚度也進(jìn)行1 m的擾動分析，用來模擬水位變化對觀測結(jié)果的影響，電極位置按圖3中展示的位置進(jìn)行設(shè)置，計算參數(shù)及結(jié)果見表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)及計算結(jié)果

根據(jù)表2的參數(shù)，利用三維有限元方法對模型進(jìn)行分析，對比模型1～3可以看出，當(dāng)分界面傾角增大時，第1層厚度增加，視電阻率觀測值整體減小，變化1°時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個方向的觀測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EW向的影響更加顯著，但并未出現(xiàn)成倍差異。在實際觀測中，NS向4個電極位于山腳下，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個電極下方的水位變化差異較大，類似于模型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

對馬陵山地震臺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)識降雨、水位、地層傾斜等因素對視電阻率觀測值的影響，對未來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)場踏勘結(jié)果及臺站基礎(chǔ)資料進(jìn)行初步分析，建立三維有限元模型，并與臺站區(qū)域的降雨、水位及溫度等資料進(jìn)行綜合對比分析，得出以下認(rèn)識：

1)近10 a來，馬陵山地震臺視電阻率一直處于較穩(wěn)定狀態(tài)，年變清晰，對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向觀測裝置存在明顯高差，且該方向地表徑流顯著，而位于山腳的NS向觀測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淺層介質(zhì)影響很小，因此NS向視電阻率對水位變化不敏感，而主要受氣溫變化控制，但對大量且快速的降雨有比較清晰的響應(yīng)。