岩石电阻率图像及各向异性变化的实验研究

张斌, 朱涛, 周建国

张斌, 朱涛, 周建国. 2017: 岩石电阻率图像及各向异性变化的实验研究. 地震学报, 39(4): 478-494. DOI: 10.11939/jass.2017.04.004
引用本文: 张斌, 朱涛, 周建国. 2017: 岩石电阻率图像及各向异性变化的实验研究. 地震学报, 39(4): 478-494. DOI: 10.11939/jass.2017.04.004
Zhang Bin, Zhu Tao, Zhou Jianguo. 2017: Experimental studies on the changes of rock resistivity image and anisotropy. Acta Seismologica Sinica, 39(4): 478-494. DOI: 10.11939/jass.2017.04.004
Citation: Zhang Bin, Zhu Tao, Zhou Jianguo. 2017: Experimental studies on the changes of rock resistivity image and anisotropy. Acta Seismologica Sinica, 39(4): 478-494. DOI: 10.11939/jass.2017.04.004

岩石电阻率图像及各向异性变化的实验研究

基金项目: 

中央级公益性科研院所基本科研业务专项 DQJB13B05

国家自然科学基金 41574083

国家自然科学基金(41574083) 和中央级公益性科研院所基本科研业务专项(DQJB13B05) 共同资助

详细信息
    作者简介:

    张斌  中国地震局地球物理研究所固体地球物理专业在读博士研究生. 2012年防灾科技学院勘查技术与工程专业毕业, 获工学学士学位; 2015年中国地震局地球物理研究所固体地球物理学专业毕业, 获理学硕士学位. 现主要从事地震动衰减关系、 地震电磁模拟实验等方面的研究

    通讯作者:

    朱涛, e-mail: zxl_tao@126.com

  • 中图分类号: P315.72+

Experimental studies on the changes of rock resistivity image and anisotropy

  • 摘要: 在两组人工样品自由表面以中心点为基准对称布设3条辐射状测线,对样品实施单轴应力加载和卸载后,利用电阻率层析成像方法构建了相应的视电阻率相对变化图像,并计算和绘制了表征裂隙产生和发展速率的视电阻率各向异性系数λ*以及表征裂隙产生和发展方位的各向异性主轴方位角α随应力和深度的变化曲线.结果表明:所有测线所对应的RRC图像均随着应力的变化呈现出相同的变化趋势,即在加载阶段,随着应力的增加,视电阻率相对变化图像中电阻率降低区域逐渐收缩,而电阻率升高区域逐渐扩张,在卸载阶段,随着应力的减小,电阻率降低区域继续收缩,电阻率升高区域继续扩张;样品中的高阻体对其所在部位及附近区域的电阻率增幅有较大影响,而对横越高阻体测线的视电阻率相对变化图像的趋势性变化无影响;对于原始电性为各向异性的样品,随着应力的增加,其各向异性程度降低;裂隙主要在岩样的浅部产生和发展,而在较深部位的裂隙产生和发展的速率相对较低.上述结果有助于解释和理解地震、火山活动和大型地质构造运动引起的视电阻率及其各向异性的变化特征,电阻率层析成像方法可能成为目前地震电阻率观测方法的有益补充.
    Abstract: Apparent resistivity data was acquired during the uniaxial compression on two sets of man-made samples. Then we constructed the relative resistivity change (RRC) images corresponding to three radial measuring lines intersecting with the center of a sample surface using electrical resistivity tomography, and plotted the curves of apparent resistivity anisotropy factor λ* and azimuthal angle of anisotropy axis α versus stress and depth. λ* and α represent the rate and direction of crack generation and development respectively. Our results indicate that all RRC images show the same change trend with the change of stress. With the increase of stress, the resistivity-decreased region (RDR) in the RRC images would shrink gradually, while the resistivity-increased region (RIR) would expand gradually. During the process of unload-ing, with the decrease of stress, the RIR continues to expand, and RDR conti-nues to shrink. The high-resistivity block embedded in a sample has a great influence on the resistivity-increased amplitude at its location and surroundings, but little effect on the trending change of resistivity image. For the samples with originally electrical anisotropy, λ* decreases with the increase of stress; Cracks appeared and developed mainly in the shallower part of a rock sample, while in the deeper part, the rate of crack generation and development is much lower, which can help to explain and understand the changes in resistivity and its anisotropy caused by earthquakes, volcanic activities and large-scale tectonic movements. This method could be a useful complement to the current seismic resistivity observation methods.
  • 重力固体潮连续观测可以记录与潮汐变化有关的地壳运动,可以精确观测地球系统各圈层物质迁移引起的重力变化效应,是研究固体地球内部构造和运动特征的重要物理量之一.地震孕育也会引起地球一系列物理化学变化过程,因此许多研究人员希望通过分析叠加在重力固体潮曲线中的非潮汐变化,提取与地震有关的地球物理信息.就目前的认识而言,固体潮畸变(包括阶变、突跳等)在震情判定中往往倾向于作为一种短临地震异常信息,用于地震形势预测的综合判定中.长期观测实践表明,重力固体潮曲线上往往叠加有大量突跳、阶变等异常变化,但其后并无地震与之对应.因此厘清这些现象是形变异常还是仪器工作状态不正常所致尤为重要.

    由于同一地震事件在地球上同一点引起的地面运动是唯一的,地震仪和重力仪均能检测到反映地震破裂及传播这一物理过程的地震波.地震仪直接记录地面运动的位移、速度或加速度,重力仪记录的也是地面运动的加速度,与地震仪无差别,只是两套仪器的幅频特性略有不同.重力仪信号与宽频带地震仪信号在频率上相互重叠,可以覆盖从地震波到固体潮的宽广频域,二者在频域上自然衔接和延拓.许多研究表明,地震仪和重力仪可以同时记录到台风等强对流天气等引起的高频波动信号,且二者的观测结果能够相互佐证(郝晓光等,2008胡小刚,郝晓光,2009王梅等,2009胡小刚等,2010郝晓光,胡小刚,2011蒋骏等,2012张雁滨等,2013).而重力观测中出现的阶变、突跳,一般是在几秒之内发生的、明显偏离固体潮轨迹的突出变化,是重力观测中的一种异常变化.若这类变化源于地球物理场,由地壳形变过程引起,那么它在地震观测中又会如何表现? 本文主要针对2011年3月11日日本东北MS9.0地震和2013年11月23日发生的3个特征地震(近震、远震、深远震),利用泰安地震台的JCZ-1甚宽频数字地震仪和重力仪记录的地震波信号,对重力仪频响特征进行研究,进而从物理学角度对重力观测中的一些异常现象进行评价,并对这些变化的异常性质进行分析判断.

    泰安台位于泰山南麓,台基为太古代花岗片麻岩,结晶基底,岩体完整致密均匀,测量信噪比高. 仪器洞室安装有LaCoste-PET重力仪和JCZ-1甚宽频带数字地震仪.

    LaCoste-PET重力仪可以精确地测量出地球重力固体潮的相对微小变化,分辨率为0.01×10-8 m/s2,精度为1×10-8 m/s2,数据采样率可达1 Hz.可记录到固体潮,也可以记录到地震波(王林松等,2012)、地球自由振荡(聂仁奇等,2012)以及强对流天气引起的高频扰动(信号周期为1—10 s)(王梅,20092014).

    JCZ-1甚宽频带数字地震仪的频带为0—20 Hz,在360—0.05 s 频带内采用速度平坦型设计,采样率为100 Hz,动态范围为140 dB,覆盖了从短周期地震波至固体潮汐的宽广频带范围(蔡亚先等,1995).

    泰安台JCZ-1甚宽频地震仪使用GPS校时,重力仪采用原子钟计时,两套仪器记录到的信号存在一定时差,而且随着仪器运行时间的推移,两套系统的时差逐渐加大,但在较短时段内可以通过数据比对分析得到其具体时差数据.此外,一般情况下地震仪观测为“速度”输出,重力仪为“加速度”输出,两套仪器由于相频特性的不同而存在一定时差.因此本文为减少这两套系统误差对数据分析的影响,采用了一天内的观测数据进行对比分析,这样一方面可以得到两套系统的具体时差,另一方面也可最大限度地减小系统误差.

    地震仪和重力仪对地面运动和由此引起的地球重力场的变化均反应敏感.地震仪主要设计用于检测诸如体波(P波、S波)、面波(瑞雷波、勒夫波)等各种地震波.模拟记录情况下,前兆仪器的采样仅到整点值,而随着数字观测技术的发展和采样率的提高,重力仪也凸显出其高频部分的信号优势,即不但能清晰地反映周期在几十秒到几小时的地球自由振荡(聂仁奇等,2012),还能完整地记录地震波形(王林松等,2012),在高频部分与地震仪有很大范围的重叠,因此可以与地震仪信号进行对比分析.LaCoste-PET重力仪在泰安地震台的观测表明,除周期很小的地方震(P波周期约为0.05—0.2 s,S波周期约为0.1—0.5 s)之外,该仪器对周期较长的近震、远震和极远震都有清晰的记录.

    图 1给出了泰安台重力仪和地震仪对日本东北MS9.0地震的波形记录.由于量程限制,两套仪器在最大量程范围内均存在限幅,重力仪也在初至波到达11分钟后发生靠摆停测.但在两套仪器的记录曲线上均能明显地辨认出P波、PP波、S波及勒夫 面波,且两套仪器记录曲线的相关系数高达0.701(初至波到达660 s内),表明两套仪器波形相似度较高,即重力仪可以准确地记录高频地面运动信号.

    图  1  泰安重力仪(a)和地震仪(b)记录到的2011年3月11日日本东北MS9.0地震的波形
    Figure  1.  Seismic waves of Tohoku,Japan,MS9.0 earthquake on March 11,2011 recorded by gravimeter (a) and seismometer (b) at Tai’an seismic station

    泰安地震台在2013年11月23日记录到3个比较有特征的地震(近震、远震、深远震)和一次重力仪无响应的MS3.5近震(表 1).这几次地震的地震波,其频域都在JCZ-1甚宽频带地震仪的响应范围(360 s—20 Hz)内,并且囊括了地震波的基本震相(体波、面波),为分析重力仪的高频响应水平提供了较完备的基础数据.本文在进行数据分析时,首先将地震仪的速度转化为加速度并重采样为秒值数据,使重力仪和地震仪的物理量统一归化为加速度(采样率为1 sps)后,利用快速傅里叶幅值谱和功率谱分析,对重力仪和宽频带地震仪的地震波信号进行频域解析,以获取两套仪器地震波响应的频率构成,从而深入了解重力仪高频信号的响应特征.

    表  1  2013年11月23日地震目录*
    Table  1.  Catalogue of earthquakes on 23 November 2013
    地点发震时刻(北京时间)震中位置MS震中距/km震源深度/km
    时:分:秒 纬度经度
    吉林省松原市6:04:2344.60°N124.10°E5.811009
    山东省莱州市13:44:1037.10°N120.02°E4.62806
    山东省莱州市13:24:2237.09°N120.01°E3.52807
    斐济群岛15:48:3217.10°S176.60°W6.79100370
    *据山东地震速报信息网
    下载: 导出CSV 
    | 显示表格

    一般情况下,地震台记录到的近震震相为通过地幔上层界面的绕射波和反射波,即主要震相为 Pn、Pg、Sn、Sg,并且随着距离的增加,瑞雷波和勒夫波逐渐成为记录中的最大震相(傅淑芳,刘定诚,1991).莱州MS4.6地震距泰安台约280 km,属于近震,泰安台JCZ-1地震仪记录到的主要震相为Pn、Pg、Sn、Sg,面波不明显,S波与P波的到时差为30.06 s,地震波持续了约4.5分钟.

    根据傅里叶谱分析测不准原理(郑治真,1979),对有限长度的记录,无法精确测量其频谱值.由于重力仪为秒采样,对于长度t=30 s的信号,其频率分辨为Δω=2π/t,即只能较准确分辨0.21 Hz以下(周期4.78 s以上)的频率,这一数值远大于实际地震波周期,因此不能准确测定这一长度下的重力频谱值.而地震仪为100 Hz采样,可以满足这一长度下样本量的要求,因此仅能从地震仪的数据获取近震初始震相的频谱值.结果显示莱州MS4.6地震初始震相30 s内信号(P波)频带主要集中在0.30—1.05 s的范围内.

    此次地震初至波4分钟时段信号(P+S波)的快速傅里叶变换的谱分析结果表明,重力仪和地震仪都没有很清晰的谱峰,利用功率谱进行周期探测,可得到卓越周期的范围.由功率谱主要周期项的前8项得到重力仪的卓越周期范围为2.64—11.34 s,地震仪的为2.75—6.24 s,详见表 2

    表  2  泰安台重力仪及地震仪功率谱峰值序列(莱州MS4.6)
    Table  2.  Sequences of power spectrum peak value of gravimeter and seismometer at Tai’an seismic station (Laizhou MS4.6 earthquake)
    序号重力仪地震仪
    地震波初至4分钟地震波初至4分钟地震波初至30 s
    14.574.411.05
    25.572.750.30
    33.164.660.93
    411.346.240.34
    59.854.270.33
    62.913.280.32
    73.465.450.34
    82.645.120.40
    下载: 导出CSV 
    | 显示表格

    此外,莱州MS4.6地震之前约20分钟,莱州还发生了一次MS3.5地震,这次地震泰安台仅地震仪有地震波响应(振动持续约1分钟),频谱分析结果显示地震仪的卓越周期范围为0.20—0.58 s,重力仪则没有记录到该地震.

    莱州MS4.6地震重力仪与地震仪的同震波初至波到时差为13 s,重力仪较地震仪滞后.

    地震台记录到的远震震相通常主要是地幔折射波和面波,一般具有振动持续时间长、震相种类多、面波震相突出等特点,而且波的周期较长,纵波周期约1—10 s,横波周期约3—20 s,面波周期约8—60 s(傅淑芳,刘定诚,1991).吉林松原MS5.8地震距泰安台约1 100 km,属于远震信号.泰安台JCZ-1地震仪记录到的主要震相为P、PP、S、SS,勒夫面波表现明显,S波与P波的到时差为100.85 s,地震波持续了约30分钟.对松原MS5.8地震初至波100 s内(P+PP波)信号谱的分析结果显示,重力仪和地震仪都未显示出很突出的谱峰,功率谱周期探测得到的重力仪卓越周期范围为2.42—7.11 s,地震仪为2.29—8.53 s.对体波波群后出现的面波4分钟内信号进行谱分析,结果显示重力仪也没有明显的谱峰,信号周期在 2.15—36.57 s范围内,地震仪的信号周期则集中在10 s以内,为3.41—9.85 s,周期明显变大,具体如表 3所示.

    表  3  泰安台重力仪及地震仪功率谱峰值序列(松原MS5.8地震)
    Table  3.  Sequences of power spectrum peak value of gravimeter and seismometer at Tai’an seismic station (Songyuan MS5.8 earthquake)
    序号重力仪地震仪
    地震P波初至9分钟地震S波初至4分钟 地震P波初至9分钟地震S波初至4分钟
    17.117.768.537.76
    22.5123.272.678.53
    35.8219.692.295.82
    42.613.013.469.85
    54.2736.573.286.92
    62.422.155.336.40
    72.845.954.415.30
    84.924.064.133.41
    下载: 导出CSV 
    | 显示表格

    此次地震重力仪与地震仪的同震波初至波到时差也是13 s,重力仪较地震仪滞后.

    斐济群岛MS6.7地震,距泰安台约9 100 km,为深远震,震相比较复杂,泰安台JCZ-1地震仪记录到的主要震相有P、pP、sP、PP、S、SS波等,但由于其震源深度为370 km,属深远震,泰安台记录曲线上没有面波出现.S波与P波的到时差为586.6 s (9分46.6秒),地震波持续超过1小时.对此次地震初至波9分钟内信号的谱分析结果显示,重力仪没有显示很突出的谱峰,地震仪则比较集中;功率谱周期探测得到重力仪的卓越周期范围为37.93—78.77s,地震仪的为4.05—11.91 s.对S波出现后4分钟内信号频谱的分析结果表明,重力仪信号周期仍为37.93—78.77 s,地震仪的为6.65—21.79 s,卓越周期也明显变大(表 4).

    表  4  泰安台重力仪及地震仪功率谱峰值序列(斐济群岛MS6.7地震)
    Table  4.  Sequences of power spectrum peak value of gravimeter and seismometer at Tai’an seismic station (Fiji Islands MS6.7 earthquake)
    序号重力仪地震仪
    地震P波初至9分钟地震S波初至4分钟 地震P波初至9分钟地震S波初至4分钟
    178.7778.779.4821.79
    268.2768.675.3312.96
    360.2460.245.2020.48
    453.8953.898.687.82
    548.7648.764.055.52
    644.5244.5211.916.65
    740.9640.967.068.00
    837.9337.935.9212.05
    下载: 导出CSV 
    | 显示表格

    斐济群岛MS6.7地震的同震波初至到时差重力仪仍滞后地震仪13 s.因此通过同一天3个地震的对比,可以确认重力仪与地震仪的时钟差约为13 s.

    上述3个典型地震重力仪和地震仪的频谱分析结果显示,对于近震、远震、深远震,地震仪的卓越周期范围由近震的0.30—6.24 s、远震的2.29—8.53 s (P波)、3.41—9.85 (S+P波)逐渐增加至远震的4.05—11.91 s (P波)、6.65—21.79 s (S+P波),而重力仪的卓越周期范围则由近震的2.64—11.34 s、远震的2.42—7.11 s (P波)、2.15—36.57 s (S+P波)逐渐增加至远震的37.93—78.77 s (P波和S+P波).

    由于重力仪为秒采样,故能检测出频率的上限,即奈奎斯特频率为fN/2=1/2Δt=0.5 Hz (2 s),但根据傅里叶谱分析原理,从重力仪信号中不能检测出周期小于2 s的高频分量信号.对比分析两套仪器对地震波的响应时间以及频谱结构可知,对于周期很小的地方震及震级较小的近震,其地震波周期一般小于1 s,重力仪观测记录不到地震波;而对于信号周期在1 s以上的振动,两套仪器均有响应,只是由于仪器所设计的频带响应不同,宽频带地震仪较重力仪能够更好地响应高频信号,表现为: 对同一地震,两套仪器都有记录,但地震仪的卓越周期较重力仪的短;从信号波谱能量分布情况(图 2)看,地震仪信号能量比较集中,而重力仪的波谱总体比较平坦,在2 s—0 Hz范围内基本平均分布.

    图  2  典型频谱曲线 (a) 重力仪; (b) 地震仪
    Figure  2.  Curves of typical spectrum of the seismic waves recorded by gravimeter (a) and seismometer (b)

    此外,根据相关性分析,泰安台重力仪和地震仪记录到的日本东北MS9.0地震的地震波在长达660 s的时段内,相关系数高达0.71,说明两套仪器对某些强远震的响应有很好的同步性.

    上述观测结果表明,重力仪不但能记录低频段形变过程,如固体潮等,还能记录高频率(周期1 s以上)的地形变信号,包括地震波、强对流扰动等,地震仪和重力仪对地壳形变信号的响应有对应性和可比性.虽然两套仪器信号能量集中的部分有所偏差(地震仪信号周期较小),但从初始响应水平分析,对于周期在1 s以上的振动信号,两套仪器均可同步响应.重力仪和地震仪对高频信号同步响应的这一特性可以为重力仪观测中高频异常性质的判定提供物理指标,对重力仪工作状态分析及地震异常认识具有重要意义.

    泰安重力仪固体潮观测背景上经常出现短时间的台阶畸变(图 3),这些变化一般可持续几秒至2分钟,表现为单调下降(或上升),其后固体潮仍平稳地按正常固体潮轨迹发展,幅度在几到几十微伽.

    图  3  泰安重力仪2014年5月3日记录到的重力台阶突跳畸变
    Figure  3.  Jump distortions recorded by gravimeter at Tai’an seismic station on 3 May 2014

    由于重力仪记录的这类阶变、突跳变化持续时间短促,基于上述对重力仪高频信号响应能力的分析,认为对于1 s以上的地面运动信号,地震仪与重力仪应有同步响应.但对比泰安台宽频带地震仪观测,发现泰安台重力仪历次记录到阶变突跳现象时,地震仪却没有同步响应.故根据实际观测情况分析认为,重力观测中出现的阶变突跳不是地壳运动的响应过程,而是由于可能存在使仪器不稳定的因素所致.基于这样的认识,台站观测员用吹风机对重力仪信号线路进行干燥处理并重新连接后,阶变突跳现象基本消除,从而进一步证实观测中出现的阶变突跳现象是仪器运行不正常引起的,而不是“高频地震前兆异常”.

    本文通过对泰安地震台LaCoste-PET重力仪与JCZ-1甚宽频带数字地震仪的地震波数据频谱构成对比分析表明,LaCoste-PET重力仪不但能反映低频地球物理场的变化情况,而且还能记录高频地壳运动变化,对1 s以上的高频地面运动有一定的响应.

    除周期很小的地方震(P波周期约0.05—0.2 s,S波周期约0.1—0.5 s)和震级较小、地震波周期小于1 s的近震外,LaCoste-PET重力仪与JCZ-1甚宽频带数字地震仪对地震波的响应几乎同步,对某些远震的波形记录几乎一致,可以在重力仪曲线上清晰地分辨出各类体波和面波.

    由于地震仪与重力仪的通带范围各有侧重,JCZ-1甚宽频带数字地震仪设计选择在20 Hz—360 s频段对速度输入响应平坦,在360 s-DC频段对加速度输入响应平坦;而关于重力固体潮观测仪器的传递函数(蒋骏等,2010)的研究表明,其频带设计主旨对低频信号响应平坦.观测结果也表现为地震仪的谱能量向高频方向集中,而重力仪的频谱分布平坦而且较地震仪响应周期长.

    传统的地震观测主要服务于地震学,提供了解地球内部构造和地震活动性的各种地震参数,而随着形变学科观测仪器性能的提高、信息频域的拓展以及宽频带地震仪的大范围布设,地震观测也逐渐显示了对形变学科的参考价值,两个学科正在形成相互渗透、相互促进的发展趋势.宽频带地震仪与重力仪对地壳高频运动同步响应的特性为辨析重力前兆异常提供了物理学判定指标.利用宽频带地震仪观测数据分析重力高频信号响应特征的方法,还可以应用到其它形变固体潮观测数据的分析中,如倾斜、应变观测等;可以修正、完善和提高对地震前兆现象的认识,是准确认识形变异常性质以及把握震情的有效技术途径.

    审稿专家对本文提出了详尽的修改意见和建议,在此深表谢意!

  • 图  1   样品Ⅰ(a)和样品Ⅱ(b)的测线布设和加压方向示意图

    Figure  1.   Arrangement of measuring lines and directions of loading for sample Ⅰ(a) and sample Ⅱ(b)

    图  2   实验系统示意图

    Figure  2.   Sketch diagram of experimental system

    图  3   温纳-α装置示意图

    A, B为供电电极;MN为测量电极;I为供电电流;ΔV为测量电极间的电位差;a为电极间距

    Figure  3.   Sketch diagram of Wenner-α array

    I indicates the intensity of current between two current electrodes A and B. ΔVindicates the potential difference between two potential elec-trodes M and N, a indicates electrode spacing

    图  4   样品在无压力状态下电阻率重复测量结果相对第一次测量结果的变化图

    Figure  4.   The relative resistivity change by comparing repeated measurement with the first measurement before loading

    图  5   样品Ⅰ(a)和样品Ⅱ(b)的应力(单位为MPa)加载和卸载曲线

    Figure  5.   The stress (in MPa) loading and unloading curves of sample Ⅰ(a) and sample Ⅱ(b)

    图  6   加压前样品Ⅰ和样品Ⅱ中布设的测线L1L2L3观测到的视电阻率图像

    Figure  6.   The apparent resistivity images observed by measuring lines L1, L2, L3 laid in sample Ⅰ and sample Ⅱ before loading

    图  7   加压(左),卸压(右)过程中不同应力下样品中布设的测线L1(a),L2(b) L3(c)观测到的视电阻率相对变化图像

    Figure  7.   Relative resistivity change images observed by measuring lines L1 (a), L2 (b), L3(c) laid in sample Ⅰ. Left column represents loading process, and right column represents unloading process

    图  7   加压(左),卸压(右)过程中不同应力下样品Ⅰ中布设的测线L1 (a), L2 (b),L3(c)观测到的视电阻率相对变化图像

    Figure  7.   Relative resistivity change images observed by measuring lines L1 (a), L2 (b), L3 (c) laid in sample Ⅰ. Left column represents loading process, and right column represents unloading process

    图  8   加压(左),卸压(右)过程中不同应力下样品Ⅱ中布设的测线L1 (a),L2 (b),L3 (c)观测到的视电阻率相对变化图像

    Figure  8.   Relative resistivity change images observed by measuring lines L1(a), L2(b), L3 (c) laid in sample Ⅱ. Left column represents loading process, and right column represents unloading process

    图  8   加压(左),卸压(右)过程中不同应力下样品Ⅱ中布设的测线L1(a), L2(b),L3 (c)观测到的视电阻率相对变化图像

    Figure  8.   Relative resistivity change images observed by measuring lines L1(a), L2(b), L3(c) laid in sample Ⅱ. Left column represents loading process, and right column represents unloading process

    图  9   温纳-α阵列视电阻率数据对选取示意图

    Figure  9.   Sketch diagram of apparent resistivity set extraction for Wenner-α array

    图  10   视电阻率数据对对应的有效深度图

    Figure  10.   Effective depths corresponding to apparent resistivity sets

    图  11   样品Ⅰ在不同有效深度h处的各向异性系数λ*和各向异性主轴方位角α随应力的变化图

    空心圆、三角形和实心圆分别表示应力加、卸载过程及加压前(0 MPa)不同应力对应的λ*α值,下同

    Figure  11.   The changes of λ* and α with stress for sample Ⅰ at different effective depths h

    Open circles, triangles and dots represent values of λ* and α corresponding to different stresses under loading, unloading and before loading, the same below

    图  12   样品Ⅰ在不同深度h处的视电阻率各向异性系数λ*随应力的变化(a)和视电阻率各向异性主轴方位角α的最大值与最小值之差随深度的变化(b)

    Figure  12.   Variations of λ* with stress curves at different depths of sample Ⅰ (a), variations of αmax-αmin with depth curve of sample Ⅰ (b)

    图  13   样品Ⅱ在不同有效深度h处的各向异性系数λ*和各向异性主轴方位角α随应力的变化

    Figure  13.   The changes of λ*and α with stress for sample Ⅱ at different effective depths h

    表  1   MIR-2007直流电法仪的主要技术指标

    Table  1   Main technical indicators of MIR-2007 DC resistivity meter

    输入阻抗/MΩ 电压测量范围/V 电流测量范围/A 供电电压/V 工频抑制/dB 自电补偿方式及范围
    4104 [-4, 4] [-4, 4] ≤700 ≥80 全量程跟踪式
    精度优于±0.5%;分辨率为1 μV 自动补偿
    下载: 导出CSV
  • 安金珍, 修济刚, 陈峰, 陈大元. 1996.单轴压力下有补给水岩石电阻率变化各向异性研究[J].中国地震, 12(3): 300-306. http://cpfd.cnki.com.cn/Article/CPFDTOTAL-ZGDW199408001340.htm

    An J Z, Xiu J G, Chen F, Chen D Y. 1996. Anisotropy studies of rock resistivity changes under uniaxial pressure and water replenishment[J]. Earthquake Research in China, 12(3): 300-306 (in Chinese). http://cpfd.cnki.com.cn/Article/CPFDTOTAL-ZGDW199408001340.htm

    安金珍, 周平根, 马麦宁, 陈峰, 董颖, 钟沛林. 2008.用地电阻率探测和监测滑坡体实验[J].地震学报, 30(3): 254-261. http://www.dzxb.org/Magazine/Show?id=26580

    An J Z, Zhou P G, Ma M N, Chen F, Dong Y, Zhong P L. 2008. Experiments on exploring and monitoring landslipmass using geoelectric resistivity observations[J]. Acta Seismologica Sinica, 30(3): 254-261 (in Chinese). http://www.dzxb.org/Magazine/Show?id=26580

    陈大元, 陈峰, 王丽华. 1983.单轴压力下岩石电阻率的研究:电阻率的各向异性[J].地球物理学报, 26(增刊): 784-792. http://cpfd.cnki.com.cn/Article/CPFDTOTAL-ZGDW199408001340.htm

    Chen D Y, Chen F, Wang L H. 1983. Studies on electrical resistivity of rocks: Its anisotropy[J]. Acta Geophysica Sinica, 26(S): 784-792 (in Chinese). http://cpfd.cnki.com.cn/Article/CPFDTOTAL-ZGDW199408001340.htm

    陈峰, 修济刚, 安金珍, 廖椿庭, 陈大元. 2000.岩石电阻率变化各向异性与微裂隙扩展方位的实验研究[J].地震学报, 22(3): 310-318. http://www.dzxb.org/Magazine/Show?id=26868

    Chen F, Xiu J G, An J Z, Liao C T, Chen D Y. 2000. Research on dependence of resistivity changing anisotropy on microcracks extending in rock with experiment[J]. Acta Seismologica Sinica, 22(3): 310-318 (in Chinese). http://www.dzxb.org/Magazine/Show?id=26868

    陈峰, 安金珍, 廖椿庭. 2002.弹性约束承载岩石电阻率变化形态研究[J].北京大学学报:自然科学版, 38(3): 427-430. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-BJDZ200203026.htm

    Chen F, An J Z, Liao C T. 2002. Research on dependence of resistivity changing feature on axial load under elastic constraint with experiment[J]. Acta Scientiarum Naturalium Universitatis Pekinensis, 38(3): 427-430 (in Chinese). http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-BJDZ200203026.htm

    陈峰, 安金珍, 廖椿庭. 2003a.原始电阻率各向异性岩石电阻率变化的方向性[J].地球物理学报, 46(2): 271-280. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-DQWX200302022.htm

    Chen F, An J Z, Liao C T. 2003a. Directional characteristic of resistivity changes in rock of original resistivity anisotropy[J]. Chinese Journal of Geophysics, 46(2): 271-280 (in Chinese). http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-DQWX200302022.htm

    陈峰, 廖椿庭, 安金珍. 2003b.剪切和摩擦滑动大模型的视电阻率变化幅度和各向异性[J].地球物理学报, 46(5): 667-675. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-DQWX200305013.htm

    Chen F, Liao C T, An J Z. 2003b. Amplitude and anisotropy of apparent resistivity change in big models during shear and frictional slipping[J]. Chinese Journal of Geophysics, 46(5): 667-675 (in Chinese). http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-DQWX200305013.htm

    陈峰, 马麦宁, 安金珍. 2013.承压介质电阻率变化的方向性与主应力的关系[J].地震学报, 35(1): 84-93. http://www.dzxb.org/Magazine/Show?id=28819

    Chen F, Ma M N, An J Z. 2013. Relation between directional characteristics of resistivity changes and principal stress[J]. Acta Seismologica Sinica, 35(1): 84-93 (in Chinese). http://www.dzxb.org/Magazine/Show?id=28819

    杜学彬, 薛顺章, 郝臻, 张世中. 2000.地电阻率中短期异常与地震的关系[J].地震学报, 22(4): 368-376. http://www.dzxb.org/Magazine/Show?id=26877

    Du X B, Xue S Z, Hao Z, Zhang S Z. 2000. On the relation of moderate-short term anomaly of earth resistivity to earthquake[J]. Acta Seismologica Sinica, 22(4): 368-376 (in Chinese). http://www.dzxb.org/Magazine/Show?id=26877

    杜学彬, 阮爱国, 范世宏, 郝臻. 2001.强震近震中区地电阻率变化速率的各向异性[J].地震学报, 23(3): 289-297. http://www.dzxb.org/Magazine/Show?id=26951

    Du X B, Ruan A G, Fan S H, Hao Z. 2001. Anisotropy of the variation rate of apparent resistivity near the epicentral region of strong earthquakes[J]. Acta Seismologica Sinica, 23(3): 289-297 (in Chinese). http://www.dzxb.org/Magazine/Show?id=26951

    杜学彬, 马占虎, 叶青, 谭大诚, 陈军营. 2006.与强地震有关的视电阻率各向异性变化[J].地球物理学进展, 21(1): 93-100. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-DQWJ200601014.htm

    Du X B, Ma Z H, Ye Q, Tan D C, Chen J Y. 2006. Anisotropic changes in apparent resistivity associated with strong earthquakes[J]. Progress in Geophysics, 21(1): 93-100 (in Chinese). http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-DQWJ200601014.htm

    杜学彬, 刘君, 崔腾发, 范莹莹, 安张辉, 闫睿, 王丽. 2015.两次近距离大震前成都台视电阻率重现性、相似性和各向异性变化[J].地球物理学报, 58(2): 576-588. doi: 10.6038/cjg20150220

    Du X B, Liu J, Cui T F, Fan Y Y, An Z H, Yan R, Wang L. 2015. Repeatability, similarity and anisotropy changes in apparent resistivity recorded by station Chengdu at near distances before two great earthquakes[J]. Chinese Journal of Geophysics, 58(2): 576-588 (in Chinese). doi: 10.6038/cjg20150220

    冯锐, 郝锦绮, 周建国. 2001.地震监测中的电阻率层析技术[J].地球物理学报, 44(6): 833-842. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-DQWX200106012.htm

    Feng R, Hao J Q, Zhou J G. 2001. Resistivity tomography in earthquake monitoring[J]. Chinese Journal of Geophy-sics, 44(6): 833-842 (in Chinese). http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-DQWX200106012.htm

    郝锦绮, 冯锐, 周建国, 钱书清, 高金田. 2002.岩石破裂过程中电阻率变化机理的探讨[J].地球物理学报, 45(3): 426-434. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-DQWX200203013.htm

    Hao J Q, Feng R, Zhou J G, Qian S Q, Gao J T. 2002. Study on the mechanism of resistivity changes during rock cracking[J]. Chinese Journal of Geophysics, 45(3): 426-434 (in Chinese). http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-DQWX200203013.htm

    金耀, 张天中, 华正兴, 徐明发, 黄平章. 1983.单轴压缩下多裂隙含水岩样电阻率变化与体积应变[J].地震学报, 5(1): 99-106. http://www.dzxb.org/Magazine/Show?id=28004

    Jin Y, Zhang T Z, Hua Z X, Xu M F, Huang P Z. 1983. The electrical resistivity changes and volumetric strain of water-bearing cracked rock samples under uniaxial compression[J]. Acta Seismologica Sinica, 5(1): 99-106 (in Chinese). http://www.dzxb.org/Magazine/Show?id=28004

    康云生, 安海静, 马可兴, 谭大诚. 2013.天水地电阻率地表与井下多种观测方式的试验分析[J].地震工程学报, 35(1): 190-195. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-ZBDZ201301029.htm

    Kang Y S, An H J, Ma K X, Tan D C. 2013. Test analysis on geoelectrical resistivity observation combining the surface and deep-well methods at Tianshui seismic station in Gansu Province[J]. China Earthquake Engineering Journal, 35(1): 190-195 (in Chinese). http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-ZBDZ201301029.htm

    毛桐恩, 王铁城, 姚家榴, 卢军, 张洪魁. 1995.唐山地震地电阻率各向异性变化特征研究[J].地震学报, 17(4): 505-510. http://www.dzxb.org/Magazine/Show?id=27812

    Mao T E, Wang T C, Yao J L, Lu J, Zhang H K. 1995. The characteristics of anisotropy changes in earth resistivity of Tangshan MS7.8[J]. Acta Seismologica Sinica, 17(4): 505-510 (in Chinese). http://www.dzxb.org/Magazine/Show?id=27812

    毛桐恩, 胥广银, 范思源, 赵明, 孙景芳. 1999.地电阻率各向异性度的动态演化图象与地震孕育过程[J].地震学报, 21(2): 180-186. http://www.dzxb.org/Magazine/Show?id=27374

    Mao T E, Xu G Y, Fan S Y, Zhao M, Sun J F. 1999. Heterogeneity of dynamic evolution pattern of geoelectric resistivity and the seismogenic process[J]. Acta Seismologica Sinica, 21(2): 180-186 (in Chinese). http://www.dzxb.org/Magazine/Show?id=27374

    钱家栋, 赵和云. 1988.地电阻率的数值模拟和多极距观测系统[J].地震学报, 10(1): 77-88. http://www.dzxb.org/Magazine/Show?id=28238

    Qian J D, Zhao H Y. 1988. Earth resistivity modelling and observational system with multi-separation of electrodes[J]. Acta Seismologica Sinica, 10(1): 77-88 (in Chinese). http://www.dzxb.org/Magazine/Show?id=28238

    钱家栋, 马钦忠, 李劭秾. 2013.汶川MS8.0地震前成都台NE测线地电阻率异常的进一步研究[J].地震学报, 35(1): 4-17. http://www.dzxb.org/Magazine/Show?id=28812

    Qian J D, Ma Q Z, Li S N. 2013. Further study on the anomalies in apparent resistivity in the NE configuration at Chengdu station associated with Wenchuan MS8.0 earthquake[J]. Acta Seismologica Sinica, 35(1): 4-17 (in Chinese). http://www.dzxb.org/Magazine/Show?id=28812

    苏鸾声, 王邦本, 夏良苗, 李验轩. 1982.井下电极观测地电阻率排除地面干扰的实验[J].地震学报, 4(3): 274-276. http://www.dzxb.org/Magazine/Show?id=27987

    Su L S, Wang B B, Xia L M, Li Y X. 1982. Elimination of surface disturbances in earth-resistivity measurement by lowering the electrodes in shallow wells[J]. Acta Seismologica Sinica, 4(3): 274-276 (in Chinese). http://www.dzxb.org/Magazine/Show?id=27987

    汪雪泉, 郑兆苾, 薛维龙. 2002.安徽嘉山台的多极距电阻率观测[J].地震学刊, 22(1): 1-4. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-DZXK200201000.htm

    Wang X Q, Zheng Z B, Xue W L. 2002. Multiple polar distance resistivity observation at Jiashan, Anhui seismic station[J]. Journal of Seismology, 22(1): 1-4 (in Chinese). http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-DZXK200201000.htm

    王兰炜, 朱旭, 朱涛, 张世中, 刘大鹏, 胡哲, 张宇. 2011.地电阻率多极距观测系统及试验研究[J].地震, 31(1): 20-31. http://youxian.cnki.com.cn/yxdetail.aspx?filename=NMHB201706095&dbname=CJFDPREP

    Wang L W, Zhu X, Zhu T, Zhang S Z, Liu D P, Hu Z, Zhang Y. 2011. Multi-separation array geo-electrical resistivity observation system and its experimental observation[J]. Earthquake, 31(1): 20-31 (in Chinese). http://youxian.cnki.com.cn/yxdetail.aspx?filename=NMHB201706095&dbname=CJFDPREP

    薛顺章, 温新民, 董永德, 梁子彬, 张庆渊, 赵和云. 1994.地电阻率预报地震新方法的研究[J].地震学报, 16(2): 227-234. http://www.dzxb.org/Magazine/Show?id=28607

    Xue S Z, Wen X M, Dong Y D, Liang Z B, Zhang Q Y, Zhao H Y. 1994. Study on a new method of earthquake prediction using geoelectric resistivity[J]. Acta Seismologica Sinica, 16(2): 227-234 (in Chinese). http://www.dzxb.org/Magazine/Show?id=28607

    张金铸, 陆阳泉. 1983.不同三轴应力条件下岩石电阻率变化的试验研究[J].地震学报, 5(4): 440-445. http://www.dzxb.org/Magazine/Show?id=28041

    Zhang J Z, Lu Y Q. 1983. An experimental study on the variation of rock resistivity under triaxially different stresses[J]. Acta Seismologica Sinica, 5(4): 440-445 (in Chinese). http://www.dzxb.org/Magazine/Show?id=28041

    张天中, 华正兴, 徐明发. 1985. 1.2千巴围压下岩样破裂和摩擦滑动过程中电阻率变化[J].地震学报, 7(4): 428-433. http://www.dzxb.org/Magazine/Show?id=28132

    Zhang T Z, Hua Z X, Xu M F. 1985. Electrical resistivity changes in rock samples during fracture and frictional sliding at 1.2 Kb confine pressure[J]. Acta Seismologica Sinica, 7(4): 428-433 (in Chinese). http://www.dzxb.org/Magazine/Show?id=28132

    张学民, 李美, 关华平. 2009.汶川8.0级地震前的地电阻率异常分析[J].地震, 29(1): 108-115. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-DIZN200901014.htm

    Zhang X M, Li M, Guan H P. 2009. Anomaly analysis of earth resistivity observations before the Wenchuan earthquake[J]. Earthquake, 29(1): 108-115 (in Chinese). http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-DIZN200901014.htm

    赵和云, 钱家栋. 1987.郫县台多极距观测资料的反演和分析[J].中国地震, 3(增刊): 73-78. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-ZGZD1987S1008.htm

    Zhao H Y, Qian J D. 1987. Inversion and analysis of data of temporal change in apparent resistivity with multi-separations in Pixian stations, Sichuan Province[J]. Earthquake Research in China, 3(S): 73-78 (in Chinese). http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-ZGZD1987S1008.htm

    周启友, 杭悦宇, 刘汉乐, 戴水汉, 徐建平. 2009.饱水和排水过程中岩石电阻率各向异性特征的电阻率成像法研究[J].地球物理学报, 52(1): 281-288. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-DQWX200901036.htm

    Zhou Q Y, Hang Y Y, Liu H L, Dai S H, Xu J P. 2009. The anisotropic properties of rock resistivity during saturation and desaturation processes revealed by electrical resistivity tomography[J]. Chinese Journal of Geophysics, 52(1): 281-288 (in Chinese). http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-DQWX200901036.htm

    朱涛. 2013.汶川MS8.0地震前区域性地电阻率异常初步研究[J].地震学报, 35(1): 18-25. http://www.dzxb.org/Magazine/Show?id=28813

    Zhu T. 2013. Preliminary study on regional geo-resistivity anomaly before the Wenchuan MS8.0 earthquake[J]. Acta Seismologica Sinica, 35(1): 18-25 (in Chinese). http://www.dzxb.org/Magazine/Show?id=28813

    Brace W F, Orange A S, Madden T R. 1965. The effect of pressure on the electrical resistivity of water-saturated crystalline rocks[J]. J Geophys Res, 70(22): 5669-5678. doi: 10.1029/JZ070i022p05669

    Brace W F, Orange A S. 1966. Electrical resistivity changes in saturated rock under stress[J]. Science, 153(3743): 1525-1526. doi: 10.1126/science.153.3743.1525

    Brace W F, Orange A S. 1968a. Electrical resistivity changes in saturated rocks during fracture and frictional sliding[J]. J Geophys Res, 73(4): 1433-1444. doi: 10.1029/JB073i004p01433

    Brace W F, Orange A S. 1968b. Further studies of the effects of pressure on electrical resistivity of rocks[J]. J Geophys Res, 73(16): 5407-5420. doi: 10.1029/JB073i016p05407

    Diaferia I, Barchi M, Loddo M, Schiavone D, Siniscalchi A. 2006. Detailed imaging of tectonic structures by multiscale earth resistivity tomographies: The Colfiorito normal faults (central Italy)[J]. Geophys Res Lett, 33(9): L09305. doi: 10.1029/2006GL025828.

    Jackson D B, Kauahikaua J, Zablocki C J. 1985. Resistivity monitoring of an active volcano using the controlled-source electromagnetic technique: Kilauea, Hawaii[J]. J Geophys Res: Solid Earth, 90(B14): 12545-12555. doi: 10.1029/JB090iB14p12545

    Kayal J R, Banerjee B. 1988. Anomalous behaviour of precursor resistivity in Shillong area, NE India[J]. Geophys J Int, 94(1): 97-103. doi: 10.1111/gji.1988.94.issue-1

    Kurite K. 1986. How can we identify location of a fracture plane? Anisotropy of electrical conductivity and seismic velocity in dilatancy[J]. Earthq Predict Res, 4(1/2): 39-45.

    Parkhomenko E I, Bondarenko A T. 1960. Effect of uniaxial pressure on electrical resistivity of rock[J]. Bull Acad Sci USSR, Geophys Ser, 2: 326.

    Rikitake T, Yamazaki Y. 1969. Electrical conductivity of strained rocks, the 5th paper, residual strains associated with large earthquakes as observed by a resistivity variometer[J]. Bull Earthq Res Inst, 47(1): 99-105. https://www.researchgate.net/publication/29772651_6_Electrical_Conductivity_of_Strained_Rocks_The_Fifth_Paper_Residual_Strains_Associated_with_Large_Earthquakes_as_Observed_by_a_Resistivity_Variometer

    Stopinski W, Teisseyre R. 1982. Precursory rock resistivity variations related to mining tremors[J]. Acta Geophys Pol, 30(4): 293-320. https://www.researchgate.net/publication/292878216_Precursory_rock_resistivity_variations_related_to_mining_tremors

    Utada H. 2003. Interpretation of time changes in the apparent resistivity observed prior to the 1986 eruption of Izu-Oshima volcano, Japan[J]. J Volcanol Geoth Res, 126(1/2): 97-107. http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0377027303001197

    Yamazaki Y. 1965. Electrical conductivity of strained rocks, the first paper, laboratory experiments on sedimentary rocks[J]. Bull Earthq Res Inst, 43(4): 783-802. https://www.researchgate.net/publication/29772438_50_Electrical_Conductivity_of_Strained_Rocks_The_First_Paper_Laboratory_Experiments_on_Sedimentary_Rocks

    Zhu T, Zhou J G, Hao J Q. 2012. Experimental studies on the changes in resistivity and its anisotropy using electrical resistivity tomography[J]. Int J Geophys, 2012: 142069. doi: 10.1155/2012/142069.

图(15)  /  表(1)
计量
  • 文章访问数:  788
  • HTML全文浏览量:  306
  • PDF下载量:  32
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2016-11-29
  • 修回日期:  2017-02-07
  • 发布日期:  2017-06-30

目录

/

返回文章
返回