单轴压缩下岩石电阻率图像及其各向异性变化的实验研究

Resistivity has been one of important physical parameters used in earthquake monitoring and prediction in our homeland and played important role in recent 50 years. Case studies have reported that before some strong earthquakes, not all Earth resistivity recorded along every direction at a station has striking abnormal changes even if this station is very close to their epicenters. Our preliminary findings have revealed that all of resistivity images along different directions take on outstanding abnormal changes associated with stress, which indicates it is possible that the abnormal changes of resistivity image will be a useful supplement to identify earthquake-related resistivity anomaly at present. However, only a fixed-rate loading way was used in our preliminary experimental studies. In this project, we will (1) use electrical resistivity tomography to experimentally, and (2) the relationship between stress and resistivity to numerically study the changes of rock resistivity images along different directions and its anisotropy under uniaxial compression with a fixed, unfixed rate and stress reversal. We also will make in-depth studies on the possible mechanism of changes of rock resistivity based on our results, and explore a useful auxiliary observation way of our present earthquake-related geoelectrical resistivity observation system.

电阻率一直是我国地震监测预报中使用的重要参量之一，在近50年来的地震监测预报工作中发挥了重要作用。震例研究表明，在某些强震前，即使离震中很近的台站并不是所有测向上都能记录到明显的地电阻率异常变化。而我们的前期研究结果表明，不同方向上的电阻率图像在应力作用下均出现了明显的异常变化，表明电阻率图像异常变化可能成为目前地震电阻率异常判断的有益补充。不过，在前期研究中，仅采用了固定速率的加载方式。本项目将（1）利用电阻率层析成像技术来实验研究，以及（2）应力与电阻率之间的关系来数值模拟研究以固定速率、变化速率和应力反复进行单轴加、卸载下，样品不同方向上的电阻率图像及其各向异性的变化特征和规律。深入探讨电阻率变化的可能机理，并为我国目前地震电阻率观测系统探索有益的辅助观测方式。

准确的地震预报是减轻地震灾害的有效手段之一。地电阻率是一种被证实了的、有效的地震前兆，在我国的地震监测预报中发挥了重要的作用。目前，我国的地震电阻率观测主要采用了单极距观测系统。地震电阻率前兆的判断和提取严重依赖于它观测到的单个地电阻率的大小和变化趋势。非震干扰和电性结构非均匀性的存在致使仅依靠其自身的观测结果难以对某些地震，甚至大地震进行“准确”预报。汶川地震就是一个典型的例证。电阻率层析成像每次观测可获得携带了不同深度层的电性结构信息的大量数据，并可以构建电性结构图像。本项目利用该技术采集了5类人工样品在4种加、卸载方式下的视电阻率数据，在每个应力值下构建了电阻率图像，依此研究了电阻率图像、不同位置的电阻率值、以及电阻率各向异性随应力的变化规律和特征。结果表明，（a）加载阶段的电阻率图像中电阻率降低的区域总体上随着应力增加而扩张，且电阻率降低的程度随应力增加而增大；卸载阶段的电阻率图像中全部为电阻率降低的区域，电阻率降低的程度随应力减小先增强后减弱，最终恢复到初始值的70~80%；（b）不同深度和水平位置的视电阻率随应力的变化细节存在差异，但随应力增加具有一致的总变化趋势；（c）视电阻率各向异性随应力未呈现出趋势性或规律性的变化特征；（d）样品种类、加载方式、测量方向对电阻率图像、平均视电阻率、不同位置的视电阻率、以及电阻率各向异性随应力的变化趋势没有明显的影响。电阻率图像随应力的趋势性变化也在磁铁矿和干燥人工样品中，以及1998年4月14日唐山ML 4.4和5.0地震前观测到。因此这种直观的图像变化可望大大降低地震异常判断的难度并为单极距观测系统提供有益的补充。