2008年5月12日中国四川省龙门山断裂带发生M_S8.0地震，地表破裂带主体自微观震中映秀镇沿断裂带向NE方向扩展，总长度超过330km(黄媛等，2008；徐锡伟等，2008)。震前，在距震中450km范围内运行有7个视电阻率台站，分别为成都台、江油台、甘孜台、冕宁台、小庙台、武都台和天水台。震后研究人员通过资料分析和台站测区环境实地调查，认为除小庙台之外的6个台站视电阻率在震前出现了不同形态和幅度的异常变化(张学民等，2009；杜学彬，2010；Huang，2011；钱家栋等，2013；朱涛，2013；杜学彬等，2015)。结合视电阻率异常机理以及震后观测数据变化的分析表明，邻近地表破裂带的成都台和江油台的震前异常变化与汶川地震的关系可能更为密切(Lu et al，2016；解滔等，2018)。

视电阻率是测区地下介质电阻率的综合反映，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)，异常幅度和出现时间存在随震中距增加而衰减和延迟的现象(钱复业等，1982；赵玉林等，2001)，近震中区域同一台站不同方向视电阻率的各向异性变化与地震主压应力方位关系密切(赵玉林等，1983；杜学彬，2010；解滔等，2020)。因此，获取地震前震中或破裂带附近甚至更大范围内应力应变的主要集中区域的空间分布，可更为清晰地讨论不同区域内各台站视电阻率异常变化与地震之间的关系，进一步认识地震前视电阻率异常复杂的时空分布特征。本文采用断层虚位错模式，在模型中将汶川地震的同震滑动位移按大小相等但方向相反的方式进行加载，获取震前产生这部分同震位移的应力应变积累及其空间分布特征，以期从应力应变-介质电阻率变化的角度，对这7个台站震前的视电阻率变化进行分析，为今后依据视电阻率异常变化进行地震危险性分析和优化观测台网布局提供参考。

汶川地震发生时距震中450km范围内的视电阻率台站空间分布如图 1所示，其中成都台和江油台位于龙门山断裂带附近，武都台和天水台位于青藏高原东北缘，甘孜台位于鲜水河断裂北段，冕宁台和小庙台则位于安宁河断裂带。这些台站的视电阻率观测采用对称四级装置，观测极距AB=240~1200m(表 1)，观测时在供电电极A、B向地下供入1~2A的直流电流，然后测量2个测量电极M、N之间的电位差，电阻率仪电位差分辨力为0.01mV。采用正反向供电的方式，可从相邻2次供电测量的电位差数据中消除自然电位差。每小时进行1次测量，单次测量观测5~10组数据，剔除错误数据后计算均值作为单次测量数据。定期采用标准电源、电阻对地电阻率仪进行校检，确保地电阻率观测的准确度。据多年的连续观测结果，台站长期观测数据精度优于3‰，对于背景电磁噪声小的台站，观测精度可优于1‰(解滔等，2019)。

图 1

图 1 汶川地震及震中附近视电阻率台站分布

表 1

表 1 汶川地震距震中450km范围内视电阻率台站相关信息 序号 台站 经度/(°E) 纬度/(°N) 测道 震中距/km 观测极距/m 幅度/% 备注 1 成都台 103.76 30.91 N58°E 35 736 -6.7 N49°W 846 无 2 江油台 104.68 31.79 N10°E 150 710 无 距主破裂带约30km N70°W 660 -1.5 3 甘孜台 100.01 31.61 N30°E 329 500 -5.3 N60°W 500 -4.9 4 冕宁台 102.19 28.53 EW 300 1200 -23 测区环境干扰严重 NS 1200 无 N45°W 1200 无 5 小庙台 102.02 28.01 EW 360 740 无 NS 436 无 6 武都台 104.97 33.36 N85°E 298 1000 无 距主破裂带约110km N73°W 924 无 N54°W 1000 2.9 7 天水台 104.92 34.57 EW 419 900 无 距主破裂带约240km N45°E 240 无 N15°W 1000 1.5 注：幅度列中“无”表示震前无明显异常变化。

表 1 汶川地震距震中450km范围内视电阻率台站相关信息

成都台N58°E测道自2006年8月开始出现年变形态畸变和持续性下降变化，震前最大下降幅度为-6.7%(图 2(a))，N49°W测道无明显变化；成都台N58°E测道和N49°W测道在地震发生前后2个时次的观测数据出现-0.61%和-0.39%的准同震阶跃下降变化(Lu et al，2016)。震后成都台N58°E测道开始恢复上升，2008年7月8日在测区搭建38个金属简易住房引起观测数据阶跃下降，但之后仍然持续回升，直至2009年成灌高铁施工经过测区导致数据形态完全破坏。武都台N54°W测道自2007年开始出现趋势上升且年变化形态稳定，震前上升幅度约2.9%，震后原有变化趋势保持不变(图 2(b))，其余测道震前无明显变化。甘孜台N60°W测道和N30°E测道自2006年出现趋势下降，年变形态稳定，震前下降幅度分别约为-4.9%和-5.3%，震后原有变化趋势未受影响(图 2(c)、2(d))。震前江油台N10°E测道无明显变化，江油台N70°W测道自2006年8月出现下降变化，并有一定的年变化形态畸变，震前下降幅度约-1.5%；在地震发生前后2个时次，两测道分别记录到-5.3%和-3.9%的准同震阶跃下降变化(Lu et al，2016)，震后观测数据同步回升(图 2(e)、2(f))，直至2009年8月台站停测。冕宁台EW测道自2006年出现下降变化，震前累计下降幅度约-23%(图 2(g))，震后通过现场调查认为该变化是由测区内观测环境干扰引起的。天水台N15°W测道2008年之前变化较为稳定，在2008年3月出现幅度约为1.5%的阶跃上升变化，之后维持高值状态至5月31日出现阶跃下降变化，观测数据恢复至3月之前的年变化状态(图 2(h))。小庙台EW和NS测道震前均无明显中短期异常变化。此外，武都台、甘孜台、天水台、冕宁台和小庙台的观测数据在地震发生前后2个时次无准同震阶跃变化。

图 2

图 2 汶川地震震中周围视电阻率观测数据 (a)成都台N58°E测道日均值观测数据；(b)武都台N54°W测道；(c)甘孜台N30°E测道；(d)甘孜台N60°W测道；(e)江油台N10°E测道；(f)江油台N70°W测道；(g)冕宁台EW测道；(h)天水台N15°W测道

地震是构造应力长期持续积累最终导致断层失稳错动的结果，震前断层两侧积累的部分应变能通过断层错动的方式予以释放，并产生同震位错。地震虚位错模式是在模型中将地震发生时的同震位错按大小相等但方向相反的方式进行加载，以获取地震发生之前能够产生该断层滑动的应力应变积累的空间分布特征(赵玉林等，1996)。逆冲断层、正断层和走滑断层的同震错动和虚位错模式如图 3所示。断层错动通常同时含有逆冲和走滑分量，或同时含有正断和走滑分量。大地震产生较长的断层破裂，不同的破裂段可能出现差异较大的错动方式(张勇等，2009)。

图 3

图 3 断层同震位错与虚位错模式 (a)逆冲断层；(b)正断层；(c)走滑断层

本文采用断层滑动位错模型(Lin et al，2004；Toda et al，2005)计算断层虚位错产生的应力应变分布，模型为半空间均匀弹性介质。震前构造区域内的绝对应力状态是难以获取的，在虚位错加载之前，模型中的预应力水平也是未知的。因此，在计算时通常将模型的预应力水平设置为零，采用同震位错或者虚位错模式的计算结果仅表示这部分断层滑动量所能引起的应力应变的变化量。但是，计算结果可以呈现出与此次地震有关的应力应变集中区域。需要注意的是，虚位错模式并非断层的真实滑动，且模型中初始预应力为零，在整体为挤压的构造区域，逆冲兼走滑型地震的虚位错模式计算结果中的拉张区域并不能区分其是拉张还是挤压区域，但可认为是挤压相对不显著的区域；同样，在整体为拉张的构造区域，正断兼走滑型地震的虚位错模式计算结果中的挤压区域也不能区分其是拉张还是挤压区域，但可认为是拉张相对不显著的区域。

汶川地震的同震破裂模型采用Shen等(2009)的反演结果(图 4)，模型包括映秀-北川(Y-B)断裂和灌县-安县(G-A)断裂。Y-B断裂长度约269km，深度约28km。G-A断裂长度约61km，深度约9km。2条断裂共计划分为554个片段，每个片段的空间结构和滑动位错量如图 4(a)所示，图 4(b)为右旋走滑分量，图 4(c)为逆冲分量。从Y-B断裂同震位错剖面(图 4(d))可以看出，断裂南段以逆冲分量为主，中段走滑与逆冲分量大致相当，北段逐渐转换为以走滑分量为主；Y-B断裂虚位错模式为图 4(d-2)。G-A断裂整体以逆冲分量为主(图 4(e))，但位错量相对较小，其虚位错模式为图 4(e-2)。

图 4

图 4 汶川地震同震位错(据Shen等(2009))与虚位错模式 (a)同震位错模型；(b)同震位错走滑分量；(c)同震位错逆冲分量；(d)映秀-北川(Y-B)断裂同震位错剖面及其虚位错；(e)灌县-安县(G-A)断裂同震位错剖面及其虚位错

中国大陆浅源地震的震源深度超过数千米，地震孕育阶段断层闭区域应力应变持续积累，并逐渐向外围和浅层方向扩展。通过计算视电阻率影响系数随深度的变化(钱家栋等，1985；Park et al，1991；解滔等，2016)，可以估计出对观测影响最为敏感的深度范围。上述问题通常是在半无限空间均匀介质中予以讨论，假设介质电阻率为100Ω · m，将上部3km厚度地层划分为厚度为5m的600层，3km以下视为厚度无穷大的地层。采用温纳装置，电极均位于地表，极距AB分别为2km、1km和500m的3种装置影响系数随深度的变化见图 5。从图 5可以看出，对称四级装置的视电阻率观测对深度约AB/10左右范围内介质电阻率变化最为敏感。

图 5

图 5 视电阻率观测影响系数随深度的变化

视电阻率定点观测台站的观测极距AB通常在1000m左右，对观测影响最敏感的深度大约在100m左右。因此，我们在模型中计算100m深度介质应力应变的变化分布，以此呈现震前应力应变的集中区域。模型中取杨氏模量E=7.5×10¹⁰Pa，泊松比σ=0.25，剪切模量G=3×10¹⁰Pa，断层摩擦系数μ=0.4(Shen et al，2009)。图 6(a)和图 6(b)分别为正应力和剪切应力的变化分布，震前研究区域内7个视电阻率台站中，仅成都台和江油台位于挤压和剪切应力集中区域，而其他台站则位于应力较弱的地区。图 7为体应变的变化分布，同样，震前仅成都台和江油台位于挤压变形的集中区域。应力应变集中区大致分布在汶川地震主破裂段(Y-B断裂)两侧约100km的范围内，北段集中区范围相对窄一些。

图 6

图 6 汶川地震断层虚位错模式100m深度的应力变化分布 (a)正应力，拉张为正；(b)剪切应力，沿断层滑动方向为正

图 7

图 7 汶川地震断层虚位错模式100m深度体应变的变化分布

视电阻率变化反映的是地下介质真实电阻率的变化，影响介质电阻率变化的因素主要包括介质成分、温度、流体饱和度、流体矿化度和裂隙率等。汶川地震前视电阻率异常持续时间约22个月，期间探测范围内介质成分可视为不变；数十至数百米深度范围内介质温度变化微弱，水溶液矿化度也可视为不变；视电阻率主要探测范围位于地表潜水位以下，且水溶液有足够的时间进出裂隙，饱和度也可视为不变(杜学彬等，2007；杜学彬，2010)。因此，震前震中周围的视电阻率异常变化，主要反映因介质变形诱发的微裂隙变化引起的电阻率变化。对于千米尺度的含裂隙介质，变形主要包括弹塑性应变和裂隙变化。弹性变形对介质电阻率变化的贡献较低，而电阻率则对裂隙变化非常敏感(钱家栋等，1985；解滔等，2020)。

岩土力学的相关实验和理论分析表明，对于初始含有裂隙的介质，当应力积累到一定程度之后，随着新生裂隙不断产生，最终形成的新裂隙系统将沿最大主应力方向展布(徐靖南等，1993；李新平等，2002)。实验室内和野外原地实验结果以及基于含裂隙介质模型分析结果表明，对于对称四级装置观测的视电阻率，垂直于最大主应力方向变化幅度最大，平行方向最小，斜交方向介于二者之间，呈现出视电阻率的各向异性变化(赵玉林等，1983；杜学彬，2010；解滔等，2020)。汶川地震的分段震源机制解显示，成都台附近区域P轴方位为N51°W，江油台附近为N5°W(张勇等，2009)。成都台和江油台与P轴夹角较大的测道震前记录到了显著的异常变化，而与P轴大致平行的测道则无异常变化，与应力作用下介质电阻率的变化机制相吻合。

虚位错模式给出的应力、应变分布(图 6、7)，其幅度变化是构造应力长期积累的结果，与地震前视电阻率异常变化存在时间尺度上的显著差异，不能依据应力、应变的幅度变化来讨论视电阻率异常。但是，虚位错模式呈现出了地震前产生这些同震位错的应力应变积累区域。只有当区域应力积累到一定程度之后，才能产生新的微裂隙和新生微裂隙系统并沿最大主应力方向展布(李新平等，2002)。成都台和江油台距离主破裂带较近，位于震前应力应变的高积累区域，且视电阻率呈现出与主压应力方位有关的各向异性变化，地震发生前后2个时次的观测数据存在准同震阶跃变化，震后随着应力释放，视电阻率出现恢复上升。因此，成都台和江油台震前的视电阻率异常变化与汶川地震之间存在紧密的联系。其余台站则位于汶川地震孕震过程应力应变积累较弱的区域，且震后观测数据原有变化趋势和形态未发生改变，因而这些台站震前的变化与汶川地震之间的关联性较弱。

虚位错模式给出的结果显示，震前应力应变集中区域主要位于断层两侧约100km的范围内，而1976年唐山M_S7.8地震虚位错模式的应力应变集中区域则超过200km(赵玉林等，1996)。可能的原因是汶川地震发震断层为高角度逆冲断层，断层闭锁段附近积累的应变能更多地作用于垂直方向，而唐山地震发震断裂则为走滑断层，应变能主要作用于水平方向。由此可以推测，逆冲型地震震前视电阻率异常的空间范围将小于相同震级的走滑型地震，且断层逆冲角度越大，异常空间范围可能越小。对于6~7级的强震，也可以推测其异常空间分布应小于上述范围。因此，若以6级以上地震为主要监测目标，台站应布设在断层两侧数十千米内，且条件允许时应尽可能地靠近断层；为了在一次地震之前能记录到多个异常，以便相互印证提升异常的可信度和进一步依据异常时空演化特征对未来地震危险性做出更合理的判断，应适当增加断层两侧台站分布密度，沿断层方向布设多组不同距离的台站，以构成组网成场观测。

本文采用2008年汶川地震同震位错的虚位错模式，计算了分析区域内震前附近100m深度介质应力应变的变化幅度分布，结果显示震前应力应变的集中区主要位于龙门山中央断裂两侧约100km的范围内，且断裂带北段分布范围相对更狭窄一些。震前震中450km范围内的7个视电阻率台站中，成都台和江油台位于挤压应变积累的集中区域，其视电阻率异常变化呈现震前下降—准同震阶跃—震后回升的形态，与应力作用下含水介质电阻率变化相吻合，显示出台站测区应力应变震前积累—震后释放，因而认为这2个台站震前的异常变化与汶川地震的孕震过程存在紧密的联系。武都台、甘孜台和天水台震前虽存在趋势和短期变化，但震后观测数据原有变化形态和趋势未改变，且3个台站位于挤压应变不明显的区域，其震前变化与汶川地震的关联性较弱。经台站实地调查，冕宁台震前的变化与测区环境干扰有关，小庙台震前无异常变化，且这2个台站震前也位于挤压应变不明显的区域。