地电阻率论文：介质电阻率变化探讨

本文作者：陈峰、马麦宁、安金珍 单位：北京大学地球与空间科学学院、中国科学院大学地球科学学院

我国在研究介质电阻率变化的方向性与主应力方向之间的关系方面，做过许多研究工作（陆阳泉，温新民，１９８０；陆阳泉等，１９９０ｂ；张同俊，１９８１；陈有发，陆阳泉，１９８１；陈大元等，１９８３；陈有发，１９９３；杜学彬等，２００６，２００７；杜学彬，２０１０），然而，由于实验资料不充足，实验样品布极和台站观测布极测线方向偏少，给研究工作带来了一些局限．随着社会的进步与发展，地电实验工作也有了新的进展，在布极方法、测量仪器自动化程度方面都有了很大提高．本文利用我们承载介质电阻率实验中的压缩实验资料，研究电阻率变化的方向与最大主应力方向之间的关系．１实验方法为了获取电阻率各向异性测点，我们在标本上以测点为中心，用对称四极法布设互为４５°角的４条电阻率测线，每个测点４条测线与最大主压应力的方向见图１．其中，侧线Ⅰ平行于最大主压应力方向；Ⅱ与最大主压应力方向的夹角为４５°；Ⅲ垂直于最大主压应力方向；Ⅳ与最大主压应力方向的夹角为１３５°．

１）单轴压缩实验采用Ｇ５，Ｇ１４和Ｇ２２等３块长方体花岗岩标本，尺寸分别为６ｃｍ×６ｃｍ×１２ｃｍ，５ｃｍ×８ｃｍ×１６ｃｍ和４ｃｍ×４ｃｍ×８ｃｍ．３块标本的测线和测量功能组合、布极图、破裂图、电极布设及标本处理方法见陈峰等（２０００）．Ｇ５标本没有被压破，只压到电阻率出现明显的下降异常时卸压，用显微照像才能看到标本的微裂隙．Ｇ１４是原始电阻率各向异性标本，其４个电阻率测点对应的原始电阻率各向异性系数分别为１．２８，１．２０，１．１２和１．３８（陈峰等，２００３ａ）．

２）二维约束差应力压缩实验采用ＧＴ６，ＧＴ７和ＧＴ８等３块４ｃｍ×４ｃｍ×８ｃｍ的长方体花岗岩标本．３块标本实验的电极布设及标本处理方法、约束方法和布极图见陈峰等（２００２）．ＧＴ６和ＧＴ７标本破裂图见图２ａ，ｂ．

３）低围压三轴差应力压缩实验采用Ｂｒｇｒ１，Ｓｒ１，Ｒｇｒ１和Ｒｇｒ２等４块标本，其材质分别为花岗岩（Ｂｒｇｒ１）、凝灰质粗砂岩夹砾石（Ｓｒ１）和细晶花岗岩（Ｒｇｒ１，Ｒｇｒ２）．电极布设在４．６ｃｍ×１０ｃｍ的弦切面上．４块标本的形状和尺寸为５ｃｍ×１０ｃｍ圆柱状切去４．６ｃｍ×１０ｃｍ的弦切面的剩余部分．实验相关的测线和测量功能组合、布极图、破裂图、电极布设及标本处理方法和加载方法见陈峰等（２００３ａ）．Ｓｒ１标本破裂形态见图２ｃ；Ｒｇｒ１和Ｒｇｒ２标本没有被压破，只压到电阻率出现明显的下降异常时卸压，标本破裂形态见图２ｄ，ｅ．标本Ｂｒｇｒ１和Ｓｒ１也是原始电阻率各向异性标本．Ｂｒｇｒ１标本的原始电阻率各向异性系数为１．７６（陈峰等，２００３ａ）．Ｓｒ１标本夹有大颗粒砾石不均匀含岩成分，并有一硅化岩屑凝灰岩脉穿过第Ⅲ方位测线的犃犕电极间、第Ⅳ方位测线的犕犖电极间和第Ⅱ方位测线的犖犅电极间．图３是Ｓｒ１标本测量面的背面，该面没有涂绝缘胶，可见到标本含有砾石（砾石１和砾石２）和岩脉，并可见Ｓｒ１标本含岩成分不均匀．

４）真三轴差应力压缩实验采用人工合成大模型Ｂｉｇ１，其尺寸为１００ｃｍ×１００ｃｍ×３０ｃｍ．该模型的合成材料、电极布设、模型处理方法、测线和测量功能组合及布极图与陈峰等（２００３ｂ）的Ｂｉｇ５模型相同．其加载方式为：σ３垂直于１００ｃｍ×１００ｃｍ的布极面，加载到压实，然后保持该面不变形；σ１平行于图１的Ⅰ方向；σ２垂直于图１的Ⅰ方向，且σ２＝１／２σ１．

资料处理方法

在研究电阻率变化的方向性与主应力方向之间的关系时，常用的方法为：寻找同一测点多方向测道中电阻率变化最大（最小）幅度值测道的方向与力源最大主压应力方向间的关系，并由下式计算电阻率变化幅度值。

本文仍沿用上式进行资料分析，不同的是，我们不只用实验标本从开始加载到破裂全过程进行分析，而是将实验标本从开始加载到破裂过程分成４个破裂应力段进行分析处理．４个破裂应力段分别为：从开始加载到３０％附近（因为某个电阻率测量值所对应的破裂应力不会刚好是３０％，下同）、５０％附近破裂应力段、８０％附近破裂应力段和１００％破裂应力段．选择上述４个破裂应力段是基于如下考虑：当实验标本加载到３０％附近破裂应力段时，标本还未开始体积膨胀，电阻率变化不大；当加载到５０％附近破裂应力段时，标本开始体积膨胀并产生微裂隙，电阻率开始有较大变化；当加载到８０％附近破裂应力段时，标本产生微裂隙加速，电阻率出现大幅度变化；当加载到１００％破裂应力段时，标本出现大裂隙，甚至破裂毁坏．最后的２个电阻率测值，可能已不满足电阻率测量理论需要连续介质的要求，因此，该破裂应力段对应处理的电阻率资料结果，应考虑最后２个测值可能的影响．计算结果中的“－”号只表示电阻率变化是下降的，不表示电阻率变化幅度的大小．

计算结果

表１给出了资料处理分析的结果．其中，单轴压缩Ｇ５标本大极距测点在３０％附近破裂应力段，电阻率变化幅度最大的是Ⅳ测线方向；在５０％和８０％附近破裂应力段，电阻率变化幅度最大的是Ⅰ测线方向；但在１００％破裂应力段，电阻率变化幅度最大的是Ⅱ测线方向．小极距测点在３０％附近破裂应力段，电阻率变化幅度最大的是Ⅲ测线方向；在５０％和８０％附近破裂应力段，电阻率变化幅度最大的是Ⅳ测线方向，而在１００％破裂应力段，电阻率变化幅度最大的是Ⅲ测线方向．

单轴压缩Ｇ１４标本左大极距测点，在３０％，５０％，８０％附近和１００％破裂应力段，电阻率变化幅度最大的都是Ⅰ测线方向；而左小极距测点，４个破裂应力段上电阻率变化幅度最大的都是Ⅲ测线方向．右大极距测点，在３０％和５０％附近破裂应力段，电阻率变化幅度最大的是Ⅳ测线方向；在８０％附近破裂应力段，Ⅱ和Ⅳ测线方向电阻率变化幅度最大，且相近；在１００％破裂应力段，电阻率变化幅度最大的是Ⅰ测线方向．右小极距测点，４个破裂应力段上电阻率变化幅度最大的都是Ⅲ测线方向．单轴压缩Ｇ２２标本，在３０％附近破裂应力段，电阻率变化幅度最大的是Ⅰ测线方向；在５０％和８０％附近破裂应力段，Ⅰ和Ⅳ测线方向电阻率变化幅度最大，且相近；在１００％破裂应力段，仍是Ⅰ测线方向电阻率变化幅度最大．

二维约束差应力压缩ＧＴ６标本，在３０％和５０％附近破裂应力段，电阻率变化幅度最大的是Ⅰ测线方向；在８０％附近和１００％破裂应力段，电阻率变化幅度最大的是Ⅳ测线方向．ＧＴ７标本，在３０％和５０％附近破裂应力段，电阻率变化幅度最大的是Ⅰ测线方向；在８０％附近和１００％破裂应力段，电阻率变化幅度最大的是Ⅱ测线方向．ＧＴ８标本，在３０％，５０％和８０％附近破裂应力段，Ⅱ和Ⅲ测线方向电阻率变化幅度最大，且相近；在１００％破裂应力段，电阻率变化幅度最大的是Ⅰ测线方向．

低围压三轴差应力压缩Ｂｒｇｒ１标本，在３０％，５０％和８０％附近破裂应力段，电阻率变化幅度最大的是Ⅰ测线方向；在１００％破裂应力段，电阻率变化幅度最大的是Ⅲ测线方向．该标本在７４．７９％破裂应力后做蠕变实验，整个实验过程用恒定低围压，在９２．３％破裂应力时又用恒定轴压，做蠕变实验５８ｍｉｎ，测了１１个电阻率数据；在９５．５７％破裂应力时做蠕变实验，测了４个电阻率数据．蠕变实验的电阻率变化幅度，包含在１００％破裂应力段中．

低围压三轴差应力压缩Ｓｒ１标本，在３０％，５０％和８０％附近破裂应力段，电阻率变化幅度最大的是Ⅱ测线方向；在１００％破裂应力段，电阻率变化幅度最大的是Ⅰ测线方向．Ｒｇｒ１标本，在３０％附近破裂应力段，电阻率变化幅度最大的是Ⅰ测线方向；在５０％和８０％附近破裂应力段，电阻率变化幅度最大的是Ⅳ测线方向；在１００％破裂应力段，电阻率变化幅度最大的是Ⅲ测线方向．Ｒｇｒ２标本，在３０％，５０％，８０％附近和１００％破裂应力段，电阻率变化幅度最大的都是Ⅳ测线方向．真三轴差应力压缩人工合成大模型Ｂｉｇ１，１—５号测点是小极距测点，其犃犅极距为３１ｃｍ；６号测点，是大极距测点，其犃犅极距为７６ｃｍ．表２是该模型不同位置、不同极距６个测点视电阻率随破裂应力变化的幅度值．

１号测点：在３０％附近破裂应力段，电阻率变化幅度最大的是Ⅲ测线方向；在５０％附近破裂应力段，Ⅱ和Ⅲ测线方向电阻率变化幅度最大，且相近；在８０％附近和１００％破裂应力段，电阻率变化幅度最大的是Ⅱ测线方向．２号测点：在３０％附近破裂应力段，电阻率变化幅度最大的是Ⅲ测线方向；在５０％，８０％附近和１００％破裂应力段，电阻率变化幅度最大的是Ⅳ测线方向．３号测点：在３０％，５０％，８０％附近和１００％破裂应力段，电阻率变化幅度最大的都是Ⅳ测线方向．４号测点：在３０％和５０％附近破裂应力段，电阻率变化幅度最大的是Ⅱ测线方向；在８０％附近破裂应力段，Ⅱ和Ⅳ测线方向电阻率变化幅度最大，且相近；在１００％破裂应力段，电阻率变化幅度最大的是Ⅱ测线方向．５号测点：在３０％附近破裂应力段，电阻率变化幅度最大的是Ⅲ测线方向；在５０％附近破裂应力段，Ⅲ和Ⅳ测线方向电阻率变化幅度最大，且相近；在８０％附近和１００％破裂应力段，电阻率变化幅度最大的是Ⅳ测线方向．６号大极距测点：在３０％附近破裂应力段，电阻率变化幅度最大的是Ⅱ测线方向；在５０％附近破裂应力段，Ⅱ和Ⅳ测线方向电阻率变化幅度最大，且相近；在８０％附近和１００％破裂应力段，Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ和Ⅳ测线方向电阻率变化幅度都相近．

综上，同一位置两个不同极距测点的电阻率变化幅度最大的测线方向不一致；同一测点４个不同破裂应力段，电阻率变化幅度最大的测线方向有一致的，也有不一致的；同一标本不同位置、不同极距测点，电阻率变化幅度最大的测线方向不一致，不同位置相同极距测点，电阻率变化幅度最大的测线方向有一致的，也有不一致的；相同岩性、相同尺寸、相同标本处理和布极方法、相同加载类型的不同编号标本的计算结果不相同．上述结果表明，不同和相同尺寸的标本、模型，不同和相同的布极方式，不同和相同的加载类型所得到的可比的测线中，电阻率变化幅度最大的测线方向与最大主压应力的方向之间没有确定的关系．同样，表１和表２也显示，电阻率变化的极小值方向，也不都是指向最大主压应力方向；在现有实验条件下，用电阻率变化幅度最大的测线方向确定最大主压应力方向的计算结果重复性差．

讨论与结论

早期用电阻率变化幅度确定最大主压应力方向的研究中，由于当时电阻率测线布极方向偏少（仅３个），实验资料不充足，得到的实验结果有局限性，甚至存在彼此矛盾的现象．例如，陆阳泉和温新民（１９８０）得到的结果是，“垂直于最大主应力方向的电阻率变化最大，平行于最大主应力方向的电阻率变化最小，与最大主应力成４５°方向的电阻率变化居中”；而张同俊（１９８１）却得到相反的实验结果：“平行于压力方向ρｓ减小量最大，垂直于压力方向ρｓ减小量最小”；张金铸和陆阳泉（１９８３）中图２的一个不同三轴应力实验结果表明，与最大主应力成４５°方向的电阻率变化最大；而吕广廷等（１９８４）中图４的实验结果又显示：平行于最大主应力方向的电阻率变化最大．结合我们已做过的实验，陈大元等（１９８３）指出，“电阻率变化的最大方向并不都是平行于压力方向，而极小方向也不都是垂直于压力方向”．

陈有发（１９９３）总结了国内外地电实验方面的研究进展，认为“利用同点三向等极距地（视）电阻率法可以确定大地应力场方向．地电阻率及其变化量的极小值方向都是指向主压应力场方向的”．基于此，他认为，“根据京津唐张地区７．８级地震周围地电阻率前兆量小的方向，推断该地区主应力场方向，所得结果与京津唐张地区最大压应力场方向相差３６°—９８°（平均值５１°左右），二者几乎没有重合部分”．在当时实验台站布极偏少，实验资料欠缺的情况下，他把结果不符的最可能的原因归于“小尺度（视为均匀各向同性）岩石电阻率可能接近真电阻率”，“由各向异性奇象可知，受压岩石真电阻率变化极小值方向顺着主压应力方向，与地电阻率变化的极大值方向一致”（陈有发，１９９３），由此解释唐山７．８级地震地电阻率前兆现象．现在看来，两者方向相差３６°—９８°如此之大的角度范围，用视电阻率各向异性奇象是很难解释的．

相反，杜学彬（２０１０）应用归一化变化速率方法（ｎｏｒｍａｌｉｚｅｄｖａｒｉａｔｉｏｎｒａｔｅｍｅｔｈｏｄ，简写为ＮＶＲＭ）研究了中国大陆２７次犕Ｓ≥５．５地震的孕震晚期阶段震中区及附近（相当于下降异常的集中范围）４１个台的视电阻率变化，发现超过９５％的台出现了与震源机制解最大主压应力（犘轴）方位有关的视电阻率各向异性变化：与犘轴方位正交或近于正交的测道，显示快速、大幅度的视电阻率变化；沿犘轴方位或近于该方位的变化幅度最小．杜学彬（２０１０）和杜学彬等（２００７）认为，这些震例表现的这种视各向异性变化与犘轴方位的关系相当符合大多数含水岩（土）标本加载过程中视各向异性变化与最大加载方向的关系．

显然，上述两个用震例地电阻率变化确定的最大主压应力方向的结果是矛盾的．因而，用电阻率变化最大（或最小）方向来确定最大主压应力方向的可靠性仍有待进一步验证．本文中，考虑到岩石原始均匀各向同性标本，且测量值是真电阻率，我们结合Ｇ１４和Ｂｒｇｒ１两块非含岩成分电阻率原始各向异性以及Ｓｒ１一块含岩成分不均匀电阻率原始各向异性标本压缩实验的视电阻率资料进行分析．结果表明，这些标本结果与其它标本无明显差别．我们进一步考虑标本受小应力未开始体积膨胀和大破裂、未破裂的情况，发现相关结果均无明显差异．

从电阻率变化的机制而言，虽然应力能引起介质电阻率的变化，但不能直接起作用，需通过介质裂隙的水网络导电通路才能发挥作用．因此，只有介质的裂隙变化才直接与电阻率的变化有关．而介质裂隙的方位与最大主压应力方位的关系并不是简单的对应关系，它与介质的结构、材料力学性质有关，对于非均匀介质，情况非常复杂．实际应用和理论探讨中，为了简单起见，往往忽略这类最重要的、起关键作用的介质结构和材料力学性质问题，由此得到的理论结果与实际结果相差甚远，不能用来指导实际工作．对这类比较复杂的问题，用实验检验是最好的方法．实验中，介质裂隙的水网络导电通路变化引起不同位置、不同方向测线电阻率的变化，利用这种变化就可以解释本文中用电阻率变化最大（或最小）方向来确定最大主压应力方向的结果为什么会杂乱无章，因为在不同或相同标本上，每条测线、每个测点相对微裂隙变化的位置和方位是杂乱无章的．也许有学者会提出，标本上测的是真电阻率，不是视电阻率．由视电阻率各向异性奇象可知，真电阻率椭圆长轴与视电阻率椭圆长轴在方位角度上只相差９０°，如果电阻率最大（最小）变化方位与最大主压应力方向间真有确定的关系，那么，无论测的是真电阻率还是视电阻率，就不会出现本文中电阻率最大（最小）变化方位与最大主压应力方向间杂乱无章的关系．所以，不论用真电阻率或视电阻率最大（最小）变化方向，都不能较准确地确定最大主压应力方向．地电阻率测量的优势就是能直接探测介质微裂隙的扩展方位和速率，但如何发展该优势，寻找到最需要的能较准确地确定最大主压应力方向的途径，还是一个艰巨的研究课题．

不同和相同尺寸的标本、模型，不同和相同的布极方式，不同和相同的加载类型所得到的可比的多条测线中，没有发现电阻率变化幅度最大（最小）的测线方向与最大主压应力方向之间有确定的关系．实验结果表明，用电阻率变化幅度最大（最小）的测线方向较准确地确定最大主压应力方向，还有待更深入的研究．