郯城马陵山地震台视电阻率年变特征研究

王庆林 解 滔 孙怀凤

1 山东省地震局，济南市港西路2066号，250014 2 中国地震台网中心，北京市三里河南横街5号，100045 3 山东大学岩土与结构工程研究中心，济南市经十路17923号，250061

1966年邢台地震后我国开始进行大规模视电阻率观测，目前全国定点视电阻率观测台站已达百余个，很多学者都提取到了关于视电阻率的地震前兆信息[1-4]，并对其产生机制进行深入系统的研究[5]。除部分基岩较深或观测条件不好的台站外，绝大多数台站都记录到了夏高冬低和夏低冬高2种明显的视电阻率年变形态。在地震预报研究中，视电阻率的年变分析是一种非常重要的前兆分析方法，对于排除了水位、温度及人文干扰等影响因素后仍存在的“破年变”变化，按照目前的认知认为其可能存在一定的前兆意义，因此视电阻率正常年变特征的研究对地震预报具有非常重要的意义。

1 马陵山地震台概况

郯城马陵山地震台位于山东省郯城县东北20 km的马陵山西坡，地处郯庐断裂带安丘-莒县断裂上，东距沭河3 km，台基为白垩系红色砂岩，地层倾向SE，倾角60°～70°。受构造断裂影响，岩石较破碎，地下水位埋深约13～14 m，海拔为110 m。台站三面环山，一面与农田相邻，周围无厂矿等，几乎没有干扰源，观测环境优越，1999年被确定为国家基本台(图1)。台站地表土壤覆盖层较薄，从山顶至山脚覆盖层有由薄变厚的趋势。图2为台站视电阻率测深曲线，总体呈“G”型结构。结合台站钻井资料可将台站所在区域电性结构分为两层，上层为低阻层，下层为高阻层，根据视电阻率曲线反演结果可知，低阻层厚度约为35 m。

图1 台站位置与主要断裂分布

图2 郯城马陵山地震台视电阻率测深曲线

该台站视电阻率观测采用斯伦贝谢四极观测方式，A、B两个供电电极的距离为1 000 m，M、N两个测量电极的距离为300 m。台站视电阻率于EW、NS两个近似正交的方向测量，其中NS向观测方位为NW5°，EW向观测方位为NE75°。因台站位于马陵山西坡，观测装置的EW向平行于山坡倾向，NS向垂直于山坡倾向(图3)。

图3 郯城马陵山地震台视电阻率观测布极

2 马陵山地震台视电阻率概况

图4为马陵山地震台2010年以来的视电阻率观测曲线，可以看出，该台站视电阻率的年变化特征非常清晰，周边干扰很少，观测资料质量较好，对于研究正常年变形态及视电阻率的影响因素等具有非常重要的价值。需要说明的是，图中水位测量的是地面井口与水面的距离，其大小与实际水位的高低变化是相反的。经统计，地电阻率EW向观测值的波峰基本出现在每年5～6月前后，而NS向则出现在每年2月，具有明显的差异；EW向观测值的波谷基本出现在每年9～10月，而NS向则出现在每年6月，相差3～4个月。2条地电阻率观测曲线的观测位置基本相同，仅方向不同，其中NS向的年变幅度约为0.5 Ωm，EW向的年变幅度约为1.5 Ωm。因测点位于郯庐断裂带上，地质条件较为复杂，本文将结合相关辅助观测资料对这些特征进行分析。

图4 郯城马陵山地震台视电阻率及辅助观测资料

3 马陵山地震台视电阻率与温度、降雨及水位等的关系

由图4可以看出，马陵山地震台视电阻率总体呈夏低冬高的变化趋势特征，但2个方向的峰谷值出现时间不同，且在每年7～8月还会出现短暂却非常显著的升高现象。7～8月正值北方雨季，降雨量大且迅速，根据解滔等[6]关于视电阻率三维影响系数的研究可知，不同位置电阻率变化对应的视电阻率观测值的变化规律是不同的，且影响系数随距离增大迅速减小，有的位置影响系数为正，有的则为负，影响系数为负的区域电阻率降低对应的视电阻率观测值是增加的。雨季短暂快速的降雨会在地表形成低阻薄层，刚好符合影响系数为负的特征，因此在每年7～8月出现短暂快速降雨时，常会出现视电阻率观测值快速上升的现象，且NS和EW两个方向都存在这一特征，变化幅度约为0.2 Ωm。

相关分析法是视电阻率分析中比较常用的方法[7]，本文分别计算台站2个方向视电阻率与水位和气温的相关系数，结果见表1。据表1分析认为，影响EW向视电阻率变化的主要因素是水位，而NS向的年变与水位变化关系不大，主要受气温变化的影响。2个方向视电阻率观测的中心点位置基本一致，测深曲线显示结构差异并不明显，但时间序列曲线变化规律却相差甚远。为对该问题进行更合理的解释，本文引入有限元数值模拟方法对倾斜地层开展进一步分析。

表1 视电阻率与水位、气温的相关性

4 马陵山地震台视电阻率有限元模拟分析

根据前文介绍可知，观测装置的EW向存在高差，NS向则基本水平，结合台站电极钻孔记录及现场勘察结果推断，EW向4个电极下方第四系覆盖层厚度自东向西存在逐渐变厚的特征；NS向由于处在同一水平高度，4个电极下方的覆盖层厚度基本一致。因基础资料不足，本文有限元模拟仅为定量分析倾斜分界面对观测结果带来的影响。

根据台站仪器安装日志中记录的场地测深曲线及反演结果，将测区简化成一个两层的理想模型，并利用三维有限元方法进行模拟分析。模型上层为含水覆盖层，是一个低阻层；下层为基岩，是一个高阻层。同时考虑到测区EW向为山坡，存在高差，覆盖层厚度有差异，故将模型上下两层的分界面设置为倾斜界面，倾向W，而由于影响视电阻率观测值的主要因素为地层电阻率和厚度，此处忽略地形倾斜。图5为模型沿EW向和NS向的切面，可以看出，当分界面倾角为1°时，A、B两个电极下方低阻层的厚度差异约为17.5 m。同时对模型上层低阻层的厚度也进行1 m的扰动分析，用来模拟水位变化对观测结果的影响，电极位置按图3中展示的位置进行设置，计算参数及结果见表2。

图5 三维有限元模型切面示意图

表2 三维有限元模型参数及计算结果

根据表2的参数，利用三维有限元方法对模型进行分析，对比模型1～3可以看出，当分界面倾角增大时，第1层厚度增加，视电阻率观测值整体减小，变化1°时EW向视电阻率减小5.223 9 Ωm，变化幅度约为10%，NS向视电阻率减小4.550 2 Ωm，变化幅度约为8.7 %，EW向变化幅度更大；对比模型3和模型6可知，EW向减小了0.462 9 Ωm，变化幅度约为0.99 %，NS向减小了0.475 Ωm，变化幅度约为1.0 %。可以发现，如果模型低阻层的厚度变化一致，2个方向的观测值差异基本可以忽略，即便是EW向因倾斜有覆盖层厚度差的存在。就目前的数值模拟结果而言，倾角变化对EW向的影响更加显著，但并未出现成倍差异。在实际观测中，NS向4个电极位于山脚下，土壤层较厚，低阻层含水饱和度更高，含水状态也更稳定，与EW向存在天然的差别，因此NS向的视电阻率变化小，年变幅度约为0.5 Ωm；而EW向由于存在高差，4个电极下方的水位变化差异较大，类似于模型1～3或模型4～6中倾角变大的情况，因此EW向年变幅度达1.5 Ωm，受水位影响较大。

5 结 语

对马陵山地震台视电阻率年变特征进行研究有助于了解其正常变化规律，以更清晰地认识降雨、水位、地层倾斜等因素对视电阻率观测值的影响，对未来异常变化的判定具有非常重要的参考意义。本文结合现场踏勘结果及台站基础资料进行初步分析，建立三维有限元模型，并与台站区域的降雨、水位及温度等资料进行综合对比分析，得出以下认识：

1)近10 a来，马陵山地震台视电阻率一直处于较稳定状态，年变清晰，对周边干扰和气候变化响应灵敏。其中，NS向主要受温度和快速降雨的影响，EW向同时受水位、温度及快速降雨的影响，且水位在多种影响因素中占主导地位。

2)EW向观测装置存在明显高差，且该方向地表径流显著，而位于山脚的NS向观测装置下方的浅层低阻层常年处于水分较饱和状态。由于微小且缓慢的水位变化对浅层介质影响很小，因此NS向视电阻率对水位变化不敏感，而主要受气温变化控制，但对大量且快速的降雨有比较清晰的响应。