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、中國科學(xué)院大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院

我國在研究介質(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（陸陽泉，溫新民，１９８０；陸陽泉等，１９９０ｂ；張同俊，１９８１；陳有發(fā)，陸陽泉，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，由于實驗資料不充足，實驗樣品布極和臺站觀測布極測線方向偏少，給研究工作帶來了一些局限．隨著社會的進(jìn)步與發(fā)展，地電實驗工作也有了新的進(jìn)展，在布極方法、測量儀器自動化程度方面都有了很大提高．本文利用我們承載介質(zhì)電阻率實驗中的壓縮實驗資料，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實驗方法為了獲取電阻率各向異性測點，我們在標(biāo)本上以測點為中心，用對稱四極法布設(shè)互為４５°角的４條電阻率測線，每個測點４條測線與最大主壓應(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）單軸壓縮實驗采用Ｇ５，Ｇ１４和Ｇ２２等３塊長方體花崗巖標(biāo)本，尺寸分別為６ｃｍ×６ｃｍ×１２ｃｍ，５ｃｍ×８ｃｍ×１６ｃｍ和４ｃｍ×４ｃｍ×８ｃｍ．３塊標(biāo)本的測線和測量功能組合、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個電阻率測點對應(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)力壓縮實驗采用ＧＴ６，ＧＴ７和ＧＴ８等３塊４ｃｍ×４ｃｍ×８ｃｍ的長方體花崗巖標(biāo)本．３塊標(biāo)本實驗的電極布設(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)力壓縮實驗采用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．實驗相關(guān)的測線和測量功能組合、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方位測線的犃犕電極間、第Ⅳ方位測線的犕犖電極間和第Ⅱ方位測線的犖犅電極間．圖３是Ｓｒ１標(biāo)本測量面的背面，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)力壓縮實驗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、測線和測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，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，常用的方法為：尋找同一測點多方向測道中電阻率變化最大（最?。┓戎禍y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，我們不只用實驗標(biāo)本從開始加載到破裂全過程進(jìn)行分析，而是將實驗標(biāo)本從開始加載到破裂過程分成４個破裂應(yīng)力段進(jìn)行分析處理．４個破裂應(yīng)力段分別為：從開始加載到３０％附近（因為某個電阻率測量值所對應(yīng)的破裂應(yīng)力不會剛好是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個破裂應(yīng)力段是基于如下考慮：當(dāng)實驗標(biāo)本加載到３０％附近破裂應(yīng)力段時，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，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，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，標(biāo)本出現(xiàn)大裂隙，甚至破裂毀壞．最后的２個電阻率測值，可能已不滿足電阻率測量理論需要連續(xù)介質(zhì)的要求，因此，該破裂應(yīng)力段對應(yīng)處理的電阻率資料結(jié)果，應(yīng)考慮最后２個測值可能的影響．計算結(jié)果中的“－”號只表示電阻率變化是下降的，不表示電阻率變化幅度的大小．

計算結(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)本大極距測點在３０％附近破裂應(yīng)力段，電阻率變化幅度最大的是Ⅳ測線方向；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測線方向．小極距測點在３０％附近破裂應(yīng)力段，電阻率變化幅度最大的是Ⅲ測線方向；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測線方向．

單軸壓縮Ｇ１４標(biāo)本左大極距測點，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測線方向；而左小極距測點，４個破裂應(yīng)力段上電阻率變化幅度最大的都是Ⅲ測線方向．右大極距測點，在３０％和５０％附近破裂應(yīng)力段，電阻率變化幅度最大的是Ⅳ測線方向；在８０％附近破裂應(yīng)力段，Ⅱ和Ⅳ測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測線方向．右小極距測點，４個破裂應(yīng)力段上電阻率變化幅度最大的都是Ⅲ測線方向．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測線方向；在５０％和８０％附近破裂應(yīng)力段，Ⅰ和Ⅳ測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測線方向．ＧＴ８標(biāo)本，在３０％，５０％和８０％附近破裂應(yīng)力段，Ⅱ和Ⅲ測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測線方向；在１００％破裂應(yīng)力段，電阻率變化幅度最大的是Ⅲ測線方向．該標(biāo)本在７４．７９％破裂應(yīng)力后做蠕變實驗，整個實驗過程用恒定低圍壓，在９２．３％破裂應(yīng)力時又用恒定軸壓，做蠕變實驗５８ｍｉｎ，測了１１個電阻率數(shù)據(jù)；在９５．５７％破裂應(yīng)力時做蠕變實驗，測了４個電阻率數(shù)據(jù)．蠕變實驗的電阻率變化幅度，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測線方向；在１００％破裂應(yīng)力段，電阻率變化幅度最大的是Ⅰ測線方向．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測線方向；在１００％破裂應(yīng)力段，電阻率變化幅度最大的是Ⅲ測線方向．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測線方向．真三軸差應(yīng)力壓縮人工合成大模型Ｂｉｇ１，１—５號測點是小極距測點，其犃犅極距為３１ｃｍ；６號測點，是大極距測點，其犃犅極距為７６ｃｍ．表２是該模型不同位置、不同極距６個測點視電阻率隨破裂應(yīng)力變化的幅度值．

１號測點：在３０％附近破裂應(yīng)力段，電阻率變化幅度最大的是Ⅲ測線方向；在５０％附近破裂應(yīng)力段，Ⅱ和Ⅲ測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測線方向．２號測點：在３０％附近破裂應(yīng)力段，電阻率變化幅度最大的是Ⅲ測線方向；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測線方向．３號測點：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測線方向．４號測點：在３０％和５０％附近破裂應(yīng)力段，電阻率變化幅度最大的是Ⅱ測線方向；在８０％附近破裂應(yīng)力段，Ⅱ和Ⅳ測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測線方向．５號測點：在３０％附近破裂應(yīng)力段，電阻率變化幅度最大的是Ⅲ測線方向；在５０％附近破裂應(yīng)力段，Ⅲ和Ⅳ測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測線方向．６號大極距測點：在３０％附近破裂應(yīng)力段，電阻率變化幅度最大的是Ⅱ測線方向；在５０％附近破裂應(yīng)力段，Ⅱ和Ⅳ測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測線方向電阻率變化幅度都相近．

綜上，同一位置兩個不同極距測點的電阻率變化幅度最大的測線方向不一致；同一測點４個不同破裂應(yīng)力段，電阻率變化幅度最大的測線方向有一致的，也有不一致的；同一標(biāo)本不同位置、不同極距測點，電阻率變化幅度最大的測線方向不一致，不同位置相同極距測點，電阻率變化幅度最大的測線方向有一致的，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標(biāo)本的計算結(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線中，電阻率變化幅度最大的測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)有實驗條件下，用電阻率變化幅度最大的測線方向確定最大主壓應(yīng)力方向的計算結(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)時電阻率測線布極方向偏少（僅３個），實驗資料不充足，得到的實驗結(jié)果有局限性，甚至存在彼此矛盾的現(xiàn)象．例如，陸陽泉和溫新民（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?。ǎ保梗福保﹨s得到相反的實驗結(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”；張金鑄和陸陽泉（１９８３）中圖２的一個不同三軸應(yīng)力實驗結(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的實驗結(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)合我們已做過的實驗，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)了國內(nèi)外地電實驗方面的研究進(jìn)展，認(rèn)為“利用同點三向等極距地（視）電阻率法可以確定大地應(yīng)力場方向．地電阻率及其變化量的極小值方向都是指向主壓應(yīng)力場方向的”．基于此，他認(rèn)為，“根據(jù)京津唐張地區(qū)７．８級地震周圍地電阻率前兆量小的方向，推斷該地區(qū)主應(yīng)力場方向，所得結(jié)果與京津唐張地區(qū)最大壓應(yīng)力場方向相差３６°—９８°（平均值５１°左右），二者幾乎沒有重合部分”．在當(dāng)時實驗臺站布極偏少，實驗資料欠缺的情況下，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，簡寫為ＮＶＲＭ）研究了中國大陸２７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個臺的視電阻率變化，發(fā)現(xiàn)超過９５％的臺出現(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小．杜學(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)一步驗證．本文中，考慮到巖石原始均勻各向同性標(biāo)本，且測量值是真電阻率，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)本壓縮實驗的視電阻率資料進(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)系并不是簡單的對應(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)，對于非均勻介質(zhì)，情況非常復(fù)雜．實際應(yīng)用和理論探討中，為了簡單起見，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)果與實際結(jié)果相差甚遠(yuǎn)，不能用來指導(dǎo)實際工作．對這類比較復(fù)雜的問題，用實驗檢驗是最好的方法．實驗中，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?。┓较騺泶_定最大主壓應(yīng)力方向的結(jié)果為什么會雜亂無章，因為在不同或相同標(biāo)本上，每條測線、每個測點相對微裂隙變化的位置和方位是雜亂無章的．也許有學(xué)者會提出，標(biāo)本上測的是真電阻率，不是視電阻率．由視電阻率各向異性奇象可知，真電阻率橢圓長軸與視電阻率橢圓長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，無論測的是真電阻率還是視電阻率，就不會出現(xiàn)本文中電阻率最大（最小）變化方位與最大主壓應(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．地電阻率測量的優(yōu)勢就是能直接探測介質(zhì)微裂隙的擴(kuò)展方位和速率，但如何發(fā)展該優(yōu)勢，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線中，沒有發(fā)現(xiàn)電阻率變化幅度最大（最?。┑臏y線方向與最大主壓應(yīng)力方向之間有確定的關(guān)系．實驗結(jié)果表明，用電阻率變化幅度最大（最?。┑臏y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．