0 引言

2020年7月12日06时38分河北省唐山市古冶区发生M_S5.1地震，震中位置为118.44°E、39.78°N。地电阻率是实施中短期地震预测的有效观测手段，其观测物理量是测区地下探测范围内介质电阻率的综合反映，其变化主要反映构造应力作用下因测区介质变形而诱发微裂隙活动所引起的电阻率变化(Mjachkin et al，1975；Crampin et al，1984)。实验室和野外原地实验结果、各向异性电阻率模型以及震前的实际观测资料均表明，在应力作用下地电阻率会呈现出与主压应力方位有关的异常变化(Brace et al，1968；张金铸等，1983；赵玉林等，1983；钱复业等，1998；Jouniaux et al，2006；杜学彬等，2007；解滔等，2020)。

为有效提升2022年冬奥会举办期间及今后华北北部地区的震情监视能力，中国地震局于2018年开始实施了冬奥会晋冀蒙交界地区监测能力提升工程，在该区域内9个地电阻率台站原有测区内增加小极距井下观测，其中通州台于2019年11月完成建设，并于2020年投入实际观测。井下地电阻率观测数据的背景变化形态和幅度显著区别于地表观测，地震前异常的分析方法和判别依据目前还处于探索阶段。例如：天水台井下观测在2013年芦山M_S7.0地震和岷县-漳县M_S6.6地震前均出现高频扰动现象(刘君等，2013；高曙德，2016)，与50多年以来基于地表观测的经验认识存在一定的差异。通州台距离此次唐山地震的震中约133km，本文将对地震前通州台井下地电阻率观测资料进行初步分析，以期为该区域的井下观测资料分析提供参考。

1 通州地电阻率井下观测

通州地震台位于北京市通州区西集镇赵庄村西北约1km处，海拔高度15m，距离潮白河约1km，地下潜水位深度约8m。台站处于华北平原北端，大厂凹陷西南边缘，距NNE走向的夏垫断裂2km(图 1)。地电阻率测区覆盖层多为第四纪洪积物，厚度沿东北向增大，主要为细砂岩和砂岩与黏土互层。基岩埋深约为377m，岩性为第三纪杂色砾岩(图 2)。

通州台井下地电阻率观测于2019年10月开始建设，11月全部完成。2020年1月完成观测系统测试后正式投入观测。水平方向布设EW、N30°E和N30°W 3个测道，另布设垂直方向观测。水平测道和垂直测道供电极距AB=80m，测量极距MN=20m。水平测道装置埋深100m，采用等边三角形布局，两两测道共用公用供电电极(图 3)。垂直测道中心点深度100m，最底端供电极埋深140m，最顶端供电电极埋深60m，垂直测道与水平测道最近的电极之间的距离为50m。所有井孔在电极下放之后，采用黏土进行回填。测量仪器采用ZD8M地电阻率仪，每小时进行一次观测。

井下地电阻率观测水平测道的装置系数计算公式为(聂永安等，2010)

$ K = \frac{{4\pi }}{{{C_{\rm{A}}} - {C_{\rm{B}}}}} $

(1)

其中

$ \begin{array}{*{20}{l}} {{C_{\rm{A}}} = \frac{1}{{AM}} + \frac{1}{{\sqrt {A{M^2} + 4H_0^2} }} - \frac{1}{{AN}} - \frac{1}{{\sqrt {A{N^2} + 4H_0^2} }}}\\ {{C_{\rm{B}}} = \frac{1}{{BM}} + \frac{1}{{\sqrt {B{M^2} + 4H_0^2} }} - \frac{1}{{BN}} - \frac{1}{{\sqrt {B{N^2} + 4H_0^2} }}} \end{array} $

(2)

式中，AM、BM、AN、BN分别为电极A与M、B与M、A与N、B与N之间的距离；H₀为装置埋深。

垂直测道的装置系数计算公式具有与式(1)相同的形式，其中

$ \begin{array}{*{20}{l}} {{C_{\rm{A}}} = \frac{1}{{AM}} + \frac{1}{{2{H_{\rm{A}}} + AM}} - \frac{1}{{AN}} - \frac{1}{{2{H_{\rm{A}}} + AN}}}\\ {{C_{\rm{B}}} = \frac{1}{{BM}} + \frac{1}{{2{H_{\rm{B}}} - BM}} - \frac{1}{{BN}} - \frac{1}{{2{H_{\rm{B}}} - BN}}} \end{array} $

(3)

式中，H_A为供电电极A的埋深，H_B为供电电极B的埋深。

依据式(1)计算得到通州台井下观测水平测道装置系数K=468m，垂直测道装置系数K=464m。

2 观测数据变化分析

通州台井下地电阻率2020年2月15日~7月11日的观测数据见图 4。NE测道自4月上旬开始持续性下降，截至震前最大下降幅度为0.033Ω · m(图 4(a))。NW测道自4月上旬开始同步出现持续性下降，6月中旬开始转折回升，最大下降幅度为0.019Ω · m(图 4(b))。EW测道自2月开始持续上升，但变化幅度较小，截至震前上升幅度为0.008Ω · m(图 4(c))。垂直测道1月至5月初持续性上升，之后维持平稳状态(图 4(d))。

此次唐山5.1级地震发生在唐山断裂和滦县-乐亭断裂的交汇区域，位于1976年唐山大地震的余震区内，二者相距约15km。此次地震的震源机制解为走滑型，最大主压应力方向约为101°(图 1)。通州台NE、NW和EW测道与最大主压应力方向之间的夹角分别为70°、50°和10°。震前NE测道下降幅度最大，NW测道次之，EW测道变化幅度最小，呈现出明显的各向异性变化。实验室内及野外原地实验结果和多次中强以上地震震前的实际观测数据表明，应力作用下地电阻率将出现各向异性变化：垂直于最大主应力方向的测道变化幅度最大，平行方向的测道变化幅度最小或无明显变化，斜交方向的测道变化幅度介于二者之间(陈大元等，1983；赵玉林等，1983；杜学彬等，2007；陈峰等，2013)。唐山M_S5.1地震前通州台井下地电阻率各向异性变化特征与理论模型、实验结果和多次实际震例相吻合，说明其变化可能与此次地震之间存在力学机制上的联系。此外，NW测道变化形态为下降—转折回升，地震发生在转折回升阶段，与多次地震前地电阻率的变化特征也相吻合(钱复业等，1982；赵玉林等，2001；汪志亮等，2002；Du，2011)。

钱复业等(1982)依据40多次中强以上地震震前的地电阻率异常变化，拟合得到异常持续时间和震级之间的经验关系

$ M_{\mathrm{S}}=0.5+2.5 \lg (T) $

(4)

式中，T为异常持续时间(天)，此次地震前，通州台井下地电阻率变化时间约为90天，依据式(4)计算的震级为M_S5.4，与实际震级相近。

垂直测道4个电极位于同一个井孔内，电极下放之后采用黏土分批次进行回填。在自身重力的作用下，回填土势必会经历由松散到逐渐压实的过程，原有孔隙中的低阻水被挤出，井孔内介质的电阻率增加。垂直测道观测数据1月至5月初的持续上升很可能与这一过程有关。

3 讨论

1976年唐山M_S7.8地震的发震断裂为NNE走向的唐山断裂，主震主压应力方位近EW向(李钦祖等，1983；杨雅琼等，2016)。原通州西集台位于目前井下观测测区以西约2km处，距离1976年唐山M_S7.8地震震中约120km，震前NS测道出现约2.5%的下降异常，持续时间约3年，EW测道无明显异常变化(图 5 (a)、5(b))，地震发生在NS测道转折回升阶段。NS测道与主压应力方向近于垂直，而EW测道与主压应力方向近于平行，2个方向的异常变化同样符合地震前的各向异性变化规律(赵玉林等，1978)。因此，对于同一震源区2次主压应力方位大致相同的地震，通州台地电阻率出现与主压应力方位有关的各向异性变化的重现性。此外，与井下观测同场地还布设了NS和EW测道的地表观测，供电极距AB=1800m，测量极距MN=400m。2018年，经过测区的北京大七环连通，对观测造成显著影响，观测数据背景变化范围显著增加(图 5 (c)、5(d))，因此，难以分析此次M_S5.1地震前的异常变化。

尽管此次唐山M_S5.1地震前通州台井下地电阻率观测数据变化与地震前地电阻率的异常特征相吻合，但仍然存在一些不确定性。地震前新建成的井下观测系统刚刚投入观测，观测数据积累时间较短，还无法获取无震时的正常背景变化范围。此次出现显著变化的NE和NW测道，其变化幅度较小，分别为0.033Ω · m和0.019Ω · m。而在50多年的地表大极距观测中，多数地震前地电阻率异常变化幅度超过1%。异常幅度较小的原因一方面可能是此次地震震级较小，且震中距较远；另一方面，由于通州台采用了近似全空间的井下观测方式，有效降低了地表浅层介质电阻率因季节性降水和温度发生大幅度变化对观测的影响(解滔等，2019)，地电阻率观测数据变化形态更为平稳。由于采用了小极距的观测方式，深度探测范围较地表大极距方式变浅。通州台井下观测的主体探测范围位于沉积层，为空隙型含水介质，而之前地表大极距观测的探测深度可达到裂隙型的基岩。实验和理论分析表明，岩土介质骨架基质电阻率、孔(裂)隙结构和含水饱和度存在不同，对于相同幅度的孔隙度(裂隙率)变化，介质电阻率相对变化幅度存在数量级上的差异(Yamazaki；1966；赵玉林等，1983；解滔等，2020)。

发生在我国地电台网附近的多次中强地震，震前震中附近台站的地表大极距观测也记录到幅度低于1%的异常变化，如2019年11月~2020年5月南天山西段发生8次5.0级及以上地震(震级最大地震为2020年1月19日伽师M_S6.4地震)，震前柯坪台NS测道异常变化幅度为0.88%(图 6(a))；2014年内蒙古阿左旗M_S5.8地震前，石嘴山台NW测道的异常变化幅度为0.15%(图 6(b))。这9次地震的相关信息见表 1。鉴于不同台站地下介质电阻率对应力作用下微裂隙变化的响应能力存在较大差异，杜学彬等(2001、2017)提出采用多年背景变化幅度(速率)的均方差作为参照，可对背景动态变化幅度小的观测数据在地震前出现的异常变化进行有效地识别。

4 结论

2020年7月12日唐山M_S5.1地震前，通州台井下地电阻率NE、NW测道出现了较为显著的变化，EW测道变化不明显，3个测道的变化符合中强地震前地电阻率各向异性变化特征。结合1976年唐山地震前的异常变化，通州台地电阻率在同一震源区2次主压应力方位大致相同的地震发生前，出现与主压应力方位有关的各向异性变化的重现性。但通州台井下观测时间较短，且地震前的变化幅度较小，是否为此次M_S5.1地震前的异常变化仍具有一定的不确定性。

致谢: “冬奥会保障晋冀蒙监测能力提升项目”专家组、实施组和通州地震台工作人员为井下地电阻率观测付出了辛勤的工作，审稿专家提出了中肯的修改建议，在此一并表示衷心的感谢。