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(xué)地球與空間科學(xué)學(xué)院、中國(guó)科學(xué)院大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院

我國(guó)在研究介質(zhì)電阻率變化的方向性與主應(yīng)力方向之間的關(guān)系方面，做過許多研究工作（陸陽(yáng)泉，溫新民，1980；陸陽(yáng)泉等，1990b；張同俊，1981；陳有發(fā)，陸陽(yáng)泉，1981；陳大元等，1983；陳有發(fā)，1993；杜學(xué)彬等，2006，2007；杜學(xué)彬，2010），然而，由于實(shí)驗(yàn)資料不充足，實(shí)驗(yàn)樣品布極和臺(tái)站觀測(cè)布極測(cè)線方向偏少，給研究工作帶來了一些局限．隨著社會(huì)的進(jìn)步與發(fā)展，地電實(shí)驗(yàn)工作也有了新的進(jìn)展，在布極方法、測(cè)量?jī)x器自動(dòng)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(shí)驗(yàn)中的壓縮實(shí)驗(yàn)資料，研究電阻率變化的方向與最大主應(yīng)力方向之間的關(guān)系．1實(shí)驗(yàn)方法為了獲取電阻率各向異性測(cè)點(diǎn)，我們?cè)跇?biāo)本上以測(cè)點(diǎn)為中心，用對(duì)稱四極法布設(shè)互為45°角的4條電阻率測(cè)線，每個(gè)測(cè)點(diǎn)4條測(cè)線與最大主壓應(yīng)力的方向見圖1．其中，側(cè)線Ⅰ平行于最大主壓應(yīng)力方向；Ⅱ與最大主壓應(yīng)力方向的夾角為45°；Ⅲ垂直于最大主壓應(yīng)力方向；Ⅳ與最大主壓應(yīng)力方向的夾角為135°．

1）單軸壓縮實(shí)驗(yàn)采用G5，G14和G22等3塊長(zhǎng)方體花崗巖標(biāo)本，尺寸分別為6cm×6cm×12cm，5cm×8cm×16cm和4cm×4cm×8cm．3塊標(biāo)本的測(cè)線和測(cè)量功能組合、布極圖、破裂圖、電極布設(shè)及標(biāo)本處理方法見陳峰等（2000）．G5標(biāo)本沒有被壓破，只壓到電阻率出現(xiàn)明顯的下降異常時(shí)卸壓，用顯微照像才能看到標(biāo)本的微裂隙．G14是原始電阻率各向異性標(biāo)本，其4個(gè)電阻率測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)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(yīng)力壓縮實(shí)驗(yàn)采用GT6，GT7和GT8等3塊4cm×4cm×8cm的長(zhǎng)方體花崗巖標(biāo)本．3塊標(biāo)本實(shí)驗(yàn)的電極布設(shè)及標(biāo)本處理方法、約束方法和布極圖見陳峰等（2002）．GT6和GT7標(biāo)本破裂圖見圖2a，b．

3）低圍壓三軸差應(yīng)力壓縮實(shí)驗(yàn)采用Brgr1，Sr1，Rgr1和Rgr2等4塊標(biāo)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(xì)晶花崗巖（Rgr1，Rgr2）．電極布設(shè)在4．6cm×10cm的弦切面上．4塊標(biāo)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(shí)驗(yàn)相關(guān)的測(cè)線和測(cè)量功能組合、布極圖、破裂圖、電極布設(shè)及標(biāo)本處理方法和加載方法見陳峰等（2003a）．Sr1標(biāo)本破裂形態(tài)見圖2c；Rgr1和Rgr2標(biāo)本沒有被壓破，只壓到電阻率出現(xiàn)明顯的下降異常時(shí)卸壓，標(biāo)本破裂形態(tài)見圖2d，e．標(biāo)本Brgr1和Sr1也是原始電阻率各向異性標(biāo)本．Brgr1標(biāo)本的原始電阻率各向異性系數(shù)為1．76（陳峰等，2003a）．Sr1標(biāo)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(cè)線的犃犕電極間、第Ⅳ方位測(cè)線的犕犖電極間和第Ⅱ方位測(cè)線的犖犅電極間．圖3是Sr1標(biāo)本測(cè)量面的背面，該面沒有涂絕緣膠，可見到標(biāo)本含有礫石（礫石1和礫石2）和巖脈，并可見Sr1標(biāo)本含巖成分不均勻．

4）真三軸差應(yīng)力壓縮實(shí)驗(yàn)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(shè)、模型處理方法、測(cè)線和測(cè)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(shí)，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(yīng)力方向之間的關(guān)系時(shí)，常用的方法為：尋找同一測(cè)點(diǎn)多方向測(cè)道中電阻率變化最大（最?。┓戎禍y(cè)道的方向與力源最大主壓應(yīng)力方向間的關(guān)系，并由下式計(jì)算電阻率變化幅度值。

本文仍沿用上式進(jìn)行資料分析，不同的是，我們不只用實(shí)驗(yàn)標(biāo)本從開始加載到破裂全過程進(jìn)行分析，而是將實(shí)驗(yàn)標(biāo)本從開始加載到破裂過程分成4個(gè)破裂應(yīng)力段進(jìn)行分析處理．4個(gè)破裂應(yīng)力段分別為：從開始加載到30％附近（因?yàn)槟硞€(gè)電阻率測(cè)量值所對(duì)應(yīng)的破裂應(yīng)力不會(huì)剛好是30％，下同）、50％附近破裂應(yīng)力段、80％附近破裂應(yīng)力段和100％破裂應(yīng)力段．選擇上述4個(gè)破裂應(yīng)力段是基于如下考慮：當(dāng)實(shí)驗(yàn)標(biāo)本加載到30％附近破裂應(yīng)力段時(shí)，標(biāo)本還未開始體積膨脹，電阻率變化不大；當(dāng)加載到50％附近破裂應(yīng)力段時(shí)，標(biāo)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(dāng)加載到80％附近破裂應(yīng)力段時(shí)，標(biāo)本產(chǎn)生微裂隙加速，電阻率出現(xiàn)大幅度變化；當(dāng)加載到100％破裂應(yīng)力段時(shí)，標(biāo)本出現(xiàn)大裂隙，甚至破裂毀壞．最后的2個(gè)電阻率測(cè)值，可能已不滿足電阻率測(cè)量理論需要連續(xù)介質(zhì)的要求，因此，該破裂應(yīng)力段對(duì)應(yīng)處理的電阻率資料結(jié)果，應(yīng)考慮最后2個(gè)測(cè)值可能的影響．計(jì)算結(jié)果中的“－”號(hào)只表示電阻率變化是下降的，不表示電阻率變化幅度的大?。?/p>

計(jì)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(biāo)本大極距測(cè)點(diǎn)在30％附近破裂應(yīng)力段，電阻率變化幅度最大的是Ⅳ測(cè)線方向；在50％和80％附近破裂應(yīng)力段，電阻率變化幅度最大的是Ⅰ測(cè)線方向；但在100％破裂應(yīng)力段，電阻率變化幅度最大的是Ⅱ測(cè)線方向．小極距測(cè)點(diǎn)在30％附近破裂應(yīng)力段，電阻率變化幅度最大的是Ⅲ測(cè)線方向；在50％和80％附近破裂應(yīng)力段，電阻率變化幅度最大的是Ⅳ測(cè)線方向，而在100％破裂應(yīng)力段，電阻率變化幅度最大的是Ⅲ測(cè)線方向．

單軸壓縮G14標(biāo)本左大極距測(cè)點(diǎn)，在30％，50％，80％附近和100％破裂應(yīng)力段，電阻率變化幅度最大的都是Ⅰ測(cè)線方向；而左小極距測(cè)點(diǎn)，4個(gè)破裂應(yīng)力段上電阻率變化幅度最大的都是Ⅲ測(cè)線方向．右大極距測(cè)點(diǎn)，在30％和50％附近破裂應(yīng)力段，電阻率變化幅度最大的是Ⅳ測(cè)線方向；在80％附近破裂應(yīng)力段，Ⅱ和Ⅳ測(cè)線方向電阻率變化幅度最大，且相近；在100％破裂應(yīng)力段，電阻率變化幅度最大的是Ⅰ測(cè)線方向．右小極距測(cè)點(diǎn)，4個(gè)破裂應(yīng)力段上電阻率變化幅度最大的都是Ⅲ測(cè)線方向．單軸壓縮G22標(biāo)本，在30％附近破裂應(yīng)力段，電阻率變化幅度最大的是Ⅰ測(cè)線方向；在50％和80％附近破裂應(yīng)力段，Ⅰ和Ⅳ測(cè)線方向電阻率變化幅度最大，且相近；在100％破裂應(yīng)力段，仍是Ⅰ測(cè)線方向電阻率變化幅度最大．

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

低圍壓三軸差應(yīng)力壓縮Brgr1標(biāo)本，在30％，50％和80％附近破裂應(yīng)力段，電阻率變化幅度最大的是Ⅰ測(cè)線方向；在100％破裂應(yīng)力段，電阻率變化幅度最大的是Ⅲ測(cè)線方向．該標(biāo)本在74．79％破裂應(yīng)力后做蠕變實(shí)驗(yàn)，整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程用恒定低圍壓，在92．3％破裂應(yīng)力時(shí)又用恒定軸壓，做蠕變實(shí)驗(yàn)58min，測(cè)了11個(gè)電阻率數(shù)據(jù)；在95．57％破裂應(yīng)力時(shí)做蠕變實(shí)驗(yàn)，測(cè)了4個(gè)電阻率數(shù)據(jù)．蠕變實(shí)驗(yàn)的電阻率變化幅度，包含在100％破裂應(yīng)力段中．

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

1號(hào)測(cè)點(diǎn)：在30％附近破裂應(yīng)力段，電阻率變化幅度最大的是Ⅲ測(cè)線方向；在50％附近破裂應(yīng)力段，Ⅱ和Ⅲ測(cè)線方向電阻率變化幅度最大，且相近；在80％附近和100％破裂應(yīng)力段，電阻率變化幅度最大的是Ⅱ測(cè)線方向．2號(hào)測(cè)點(diǎn)：在30％附近破裂應(yīng)力段，電阻率變化幅度最大的是Ⅲ測(cè)線方向；在50％，80％附近和100％破裂應(yīng)力段，電阻率變化幅度最大的是Ⅳ測(cè)線方向．3號(hào)測(cè)點(diǎn)：在30％，50％，80％附近和100％破裂應(yīng)力段，電阻率變化幅度最大的都是Ⅳ測(cè)線方向．4號(hào)測(cè)點(diǎn)：在30％和50％附近破裂應(yīng)力段，電阻率變化幅度最大的是Ⅱ測(cè)線方向；在80％附近破裂應(yīng)力段，Ⅱ和Ⅳ測(cè)線方向電阻率變化幅度最大，且相近；在100％破裂應(yīng)力段，電阻率變化幅度最大的是Ⅱ測(cè)線方向．5號(hào)測(cè)點(diǎn)：在30％附近破裂應(yīng)力段，電阻率變化幅度最大的是Ⅲ測(cè)線方向；在50％附近破裂應(yīng)力段，Ⅲ和Ⅳ測(cè)線方向電阻率變化幅度最大，且相近；在80％附近和100％破裂應(yīng)力段，電阻率變化幅度最大的是Ⅳ測(cè)線方向．6號(hào)大極距測(cè)點(diǎn)：在30％附近破裂應(yīng)力段，電阻率變化幅度最大的是Ⅱ測(cè)線方向；在50％附近破裂應(yīng)力段，Ⅱ和Ⅳ測(cè)線方向電阻率變化幅度最大，且相近；在80％附近和100％破裂應(yīng)力段，Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ和Ⅳ測(cè)線方向電阻率變化幅度都相近．

綜上，同一位置兩個(gè)不同極距測(cè)點(diǎn)的電阻率變化幅度最大的測(cè)線方向不一致；同一測(cè)點(diǎn)4個(gè)不同破裂應(yīng)力段，電阻率變化幅度最大的測(cè)線方向有一致的，也有不一致的；同一標(biāo)本不同位置、不同極距測(cè)點(diǎn)，電阻率變化幅度最大的測(cè)線方向不一致，不同位置相同極距測(cè)點(diǎn)，電阻率變化幅度最大的測(cè)線方向有一致的，也有不一致的；相同巖性、相同尺寸、相同標(biāo)本處理和布極方法、相同加載類型的不同編號(hào)標(biāo)本的計(jì)算結(jié)果不相同．上述結(jié)果表明，不同和相同尺寸的標(biāo)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(cè)線中，電阻率變化幅度最大的測(cè)線方向與最大主壓應(yīng)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(yīng)力方向；在現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)條件下，用電阻率變化幅度最大的測(cè)線方向確定最大主壓應(yīng)力方向的計(jì)算結(jié)果重復(fù)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(yīng)力方向的研究中，由于當(dāng)時(shí)電阻率測(cè)線布極方向偏少（僅3個(gè)），實(shí)驗(yàn)資料不充足，得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果有局限性，甚至存在彼此矛盾的現(xiàn)象．例如，陸陽(yáng)泉和溫新民（1980）得到的結(jié)果是，“垂直于最大主應(yīng)力方向的電阻率變化最大，平行于最大主應(yīng)力方向的電阻率變化最小，與最大主應(yīng)力成45°方向的電阻率變化居中”；而張同?。?981）卻得到相反的實(shí)驗(yàn)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(yáng)泉（1983）中圖2的一個(gè)不同三軸應(yīng)力實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，與最大主應(yīng)力成45°方向的電阻率變化最大；而呂廣廷等（1984）中圖4的實(shí)驗(yàn)結(jié)果又顯示：平行于最大主應(yīng)力方向的電阻率變化最大．結(jié)合我們已做過的實(shí)驗(yàn)，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(guó)內(nèi)外地電實(shí)驗(yàn)方面的研究進(jìn)展，認(rèn)為“利用同點(diǎn)三向等極距地（視）電阻率法可以確定大地應(yīng)力場(chǎng)方向．地電阻率及其變化量的極小值方向都是指向主壓應(yīng)力場(chǎng)方向的”．基于此，他認(rèn)為，“根據(jù)京津唐張地區(qū)7．8級(jí)地震周圍地電阻率前兆量小的方向，推斷該地區(qū)主應(yīng)力場(chǎng)方向，所得結(jié)果與京津唐張地區(qū)最大壓應(yīng)力場(chǎng)方向相差36°—98°（平均值51°左右），二者幾乎沒有重合部分”．在當(dāng)時(shí)實(shí)驗(yàn)臺(tái)站布極偏少，實(shí)驗(yàn)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(yīng)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(jí)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(xué)彬（2010）應(yīng)用歸一化變化速率方法（normalizedvariationratemethod，簡(jiǎn)寫為NVRM）研究了中國(guó)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(dāng)于下降異常的集中范圍）41個(gè)臺(tái)的視電阻率變化，發(fā)現(xiàn)超過95％的臺(tái)出現(xiàn)了與震源機(jī)制解最大主壓應(yīng)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(cè)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(xué)彬（2010）和杜學(xué)彬等（2007）認(rèn)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(dāng)符合大多數(shù)含水巖（土）標(biāo)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(gè)用震例地電阻率變化確定的最大主壓應(yīng)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(yīng)力方向的可靠性仍有待進(jìn)一步驗(yàn)證．本文中，考慮到巖石原始均勻各向同性標(biāo)本，且測(cè)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(biāo)本壓縮實(shí)驗(yàn)的視電阻率資料進(jìn)行分析．結(jié)果表明，這些標(biāo)本結(jié)果與其它標(biāo)本無明顯差別．我們進(jìn)一步考慮標(biāo)本受小應(yīng)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(jī)制而言，雖然應(yīng)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(luò)導(dǎo)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(yīng)力方位的關(guān)系并不是簡(jiǎn)單的對(duì)應(yīng)關(guān)系，它與介質(zhì)的結(jié)構(gòu)、材料力學(xué)性質(zhì)有關(guān)，對(duì)于非均勻介質(zhì)，情況非常復(fù)雜．實(shí)際應(yīng)用和理論探討中，為了簡(jiǎn)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(xué)性質(zhì)問題，由此得到的理論結(jié)果與實(shí)際結(jié)果相差甚遠(yuǎn)，不能用來指導(dǎo)實(shí)際工作．對(duì)這類比較復(fù)雜的問題，用實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)是最好的方法．實(shí)驗(yàn)中，介質(zhì)裂隙的水網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)電通路變化引起不同位置、不同方向測(cè)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（或最小）方向來確定最大主壓應(yīng)力方向的結(jié)果為什么會(huì)雜亂無章，因?yàn)樵诓煌蛳嗤瑯?biāo)本上，每條測(cè)線、每個(gè)測(cè)點(diǎn)相對(duì)微裂隙變化的位置和方位是雜亂無章的．也許有學(xué)者會(huì)提出，標(biāo)本上測(cè)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(zhǎng)軸與視電阻率橢圓長(zhǎng)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(yīng)力方向間真有確定的關(guān)系，那么，無論測(cè)的是真電阻率還是視電阻率，就不會(huì)出現(xiàn)本文中電阻率最大（最?。┳兓轿慌c最大主壓應(yīng)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?。┳兓较颍疾荒茌^準(zhǔn)確地確定最大主壓應(yīng)力方向．地電阻率測(cè)量的優(yōu)勢(shì)就是能直接探測(cè)介質(zhì)微裂隙的擴(kuò)展方位和速率，但如何發(fā)展該優(yōu)勢(shì)，尋找到最需要的能較準(zhǔn)確地確定最大主壓應(yīng)力方向的途徑，還是一個(gè)艱巨的研究課題．

不同和相同尺寸的標(biāo)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(cè)線中，沒有發(fā)現(xiàn)電阻率變化幅度最大（最?。┑臏y(cè)線方向與最大主壓應(yīng)力方向之間有確定的關(guān)系．實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，用電阻率變化幅度最大（最?。┑臏y(cè)線方向較準(zhǔn)確地確定最大主壓應(yīng)力方向，還有待更深入的研究．