0 引言

地电阻率是实施地震中短期预测的有效观测方法之一，其观测的物理意义是探测在地下构造应力作用下，一定范围内介质变形而引起的微破裂活动电阻率变化。其与地下含水孔隙变化直接相关，是构造活动引起含水孔隙排列方式改变或变形导致介质电阻率变化的综合反映。地震预测研究从20世纪60年代开始，至今仍处于经验性发展阶段，但根据对机理的研究和总结，发现在近震中区的地震异常形态常以负异常为主，并伴有年变畸变(Mjachkin et al，1975；杜学彬等，2007)。在半个多世纪的连续地震地电阻率监测实践中，地电阻率多次记录到不同尺度的地震异常现象，如1973年炉霍M7.6、1975年海城M7.3、1976年唐山M7.6、1998年张北M6.2、2003年大姚M6.2及2008年汶川M8.0地震(钱复业等，1982、1990；钱家栋等，2013；汪志亮等，2002；杜学彬，2010；Lu et al，1999)。Huang(2008)、张学民等(2009)、张继红等(2010)从不同角度分析了汶川8.0级地震震前电阻率的变化，给出了地电阻率在反映地震异常方面更高的评价和地震异常指示意义。从历史震例中全面、科学地总结分析，尽可能提取与孕震有关的信息，指导后人不断提高对观测信息的物理机制的研究水平，不断改进和提高观测技术水平，使获得的观测信息具有可靠的科学基础和研究价值。

本文以通州地表地电阻率在1976年唐山M7.8地震前出现明显前兆异常，以及通州新建井下小极距地电阻率在2020年古冶M5.1和2021年滦州M4.3地震前出现的异常变化，分析通州地电阻率对唐山地区中强地震的灵敏性，为更多的地电台站优化奠定基础。

1 观测条件

北京通州台位于夏垫断层的西南，即大厂凹陷的西南边缘，距断层东约3km，台站西北0.3km处有潮白河通过，该地区为北部燕山山脉与北京平原过渡带(图 1)。夏垫断层为全新世活动断层，台站周边第四系沉积物埋深204.8m，基岩为第三系杂色砾岩层，下伏震旦纪石灰岩地层。通州台距离唐山约130km，从地质构造看，与唐山地区不可分割，属于张渤带的中段部位。张家口-渤海地震构造带是由华北平原北部一系列不连续的NW向断裂组成的一条宽阔构造带的总称，宽达数十千米(徐杰等，1998)，包括南口—孙河断裂、宝坻断裂、蓟运河断裂、汉沽断裂等，控制了第四纪断陷盆地的发育，形成了一条第四纪下沉较深的隐伏断陷盆地带和地震活动带(高战武等，2001)，该构造带又与NE向断裂交错切割，为华北地区中强以上地震的主要发生地，如1679年三河-平谷8.0级、1976年唐山7.8级、宁河6.9级地震等。

通州地电阻率于1970年7月正式开始观测，装置布设EW、NS两个测向，AB供电极距1760m，MN测量极距500m，电极埋深2m。随着首都地区经济建设的快速发展，环境干扰严重，使得地电阻率观测装置多次进行改造。2015年在台站东北方向约3km的候各庄建设通州地电子台，布设EW、NS两个测向，AB供电极距1800m，MN测量极距400m，电极A、B埋深2m，M、N埋深20m。迁址后的地电阻率观测受地表金属管线等地表环境干扰的影响得到了一定改善，但城市轨道的影响依然存在。2018年测区东供电电极附近新建首都环线，修建了高压输电电杆、京唐高铁等，环境干扰对观测的影响进一步增加。2019年在子台测区内建设井下小极距地电阻率观测，采用对称四极观测装置，布设EW、N30E、N30W三个水平测道和一个垂直测道。根据测区电性结构，供电极距AB为80m，测量极距MN为20m，水平向电极埋深100m，垂直向观测井深140m，分别于60m、90m、110m和140m位置埋设电极，垂直观测井距离水平观测井50m(图 2)。

2 地震前地电阻率异常现象

华北地区的地表地电阻率在强震前一般会出现下降-折返的“凹斗”型变化，地震则大多数发生在折返—上升阶段，且为多台准同步异常，如1976年7月28日唐山M7.8、1999年3月26日大同M5.8、和1998年1月10日张北M6.2地震。近年来，由于城市建设的快速发展，地电阻率观测环境干扰增强，中强地震前的异常现象越来越少。通州地电阻率在唐山M7.8地震发生前有明显中短期地震异常现象，后来由于环境干扰的增强，异常现象逐渐减少或模糊不清。2019年在同测区建设井下小极距地电阻率观测后，在2020年7月12日古冶M5.1和2021年4月16日唐山滦州M4.3地震前重现异常现象，因此，本文针对通州地电阻率在唐山地区的几次中强地震异常现象进行分析。

2.1 1976年7月28日唐山M7.8和滦县M7.1地震

1976年唐山M7.8地震前后，华北地区多个台站地电阻率出现地震异常现象，通州西集地震台为其中之一。从图 3月均值曲线可以看出，NS测道观测值从1973年下半年开始下降，1975年11月到达最低值，下降幅度约为2.5%，然后折返上升至地震发生。EW测道观测值1974年出现下降，1975年11月到达最低值后持平，下降速率相对NS测道不明显，约为1.5%，1976年2月上升至地震发生，异常变化过程为典型的“凹斗”形状。唐山M7.8地震后，通州地电阻率再次出现“凹斗”变化，变化期间相继发生1976年11月15日、1977年5月12日和1977年11月27日宁河M6.9、M6.3和M5.5地震。

2.2 2020年7月12日古冶M5.1地震

1976年唐山M7.8地震后，通州西集地电阻率经历过3次搬迁及多次装置系统改造，2015年搬迁至台站东北方向3km左右的通州子台(图 1)。2019年，冬奥会保障晋冀蒙监测能力提升项目在地表地电阻率观测区内建设井下小极距地电阻率，2020年1月15日开始观测，2020年7月12日古冶5.1级地震前，NW向出现典型的地震异常现象，即从2020年4月下旬出现快速下降，6月20日到达最低点后折返上升，7月19号后恢复正常变化，变化时间大致为70天，变化幅度约为0.05%，和同台潜水位对比分析，该“凹斗”型变化先于潜水位变化，因此认为此变化不是潜水变化引起，而是古冶地震的前兆异常(图 4，图 5)。

2.3 2021年4月16日滦州M4.3地震

唐山古冶地震发生后，通州井下小极距地电阻率的NE和EW测道持续下降，NW测道转平后也在同年9月出现下降变化。2020年11月EW测道出现下降速率减缓变化，至2021年4月初折返上升，出现小“凹斗”型变化；2021年1月NW和NE测道也由下降变化转为小幅度折返上升，2月底后数据转平，分别形成一个小“凹斗”型变化，2021年4月16日发生滦州M4.3地震(图 4)。通州井下小极距地电阻率出现的下降—折返上升的小“凹斗”变化，尤其是EW测道为此次滦州M4.3地震异常的可能性较大。

3 讨论分析

在过去50多年的地表大极距观测中，多数5级以上地震发生前地电阻率异常变化幅度超过1%。通州地电阻率EW、NS两个测道在1976年唐山M7.8地震前有明显前兆现象，前兆变化形态为下降—折返回升的“凹斗”型，下降幅度大于1%。但随着城市的快速发展，观测环境受到干扰严重，测区周边出现蔬菜大棚、鱼塘铁丝网围栏等，尤其是城市轨道的发展，通州地电阻率日均方差增大10倍以上，映震效果随之减弱。1991年5月29日和30日唐山M5.1、M5.3地震以及1995年10月6日滦州M5.0地震时，通州地电阻率均未有明显的震前异常现象，这可能是由于震级较小且地表观测环境受到干扰的影响。

2019年通州地电阻率同测区建设了井下小极距地电阻率观测，较好地抑制了地表环境干扰对观测的影响，不仅能清晰重现周边地区强震的震前地电阻率变化，且能对4.0级左右地震(尤其是唐山地区)的震前变化有指示意义。2020年7月12日古冶M5.1和2021年滦州M4.3地震前都出现了类似于唐山M7.8地震前的“凹斗”型变化，但下降幅度小于1%。从通州井下小极距日均方差(图 6)可以看出，数据的日均方差变化为千分之几或者更小。图 7显示的数据变化分辨率同样表明通州井下小极距地电阻率的数据变化是可信的，即下降0.05%的数据变化真实地反映了测区地下介质的电阻率变化过程。这可能是由于通州台采用了近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变化发生大幅度变化对观测的影响，观测数据变化形态更为平稳(解滔等，2019)。

通州西集地震台距离唐山地区130km，根据钱复业等(1982)、钱家栋等(1985)和郭增建等(1973)的地电阻率发震机理分析，5.0级以上地震的异常范围为0~300km左右，则通州西集地电阻率对1976年唐山M7.8地震、2020年古冶M5.1地震异常可信。从异常形态上分析，三个地震发生前，通州地电阻率变化形态符合前人总结的地电阻率发震机理。1976年7月28日唐山M7.8、2020年7月12日唐山古冶M5.1和2021年4月16日滦州M4.3地震均为走滑型发震断裂，张宏志等(2008)分析1976年唐山M7.8地震主震区的震源机制解P轴为N81°E。根据杜学彬(2010)和钱复业等(1996)的分析结果显示，对于大多数走滑型发震断裂而言，垂直于震源机制解P轴的台站测道变化幅度最大，斜交次之，平行最小。因此，通州地电阻率的布极为EW和NS两个方向，且NS测道变化明显于EW测道。2020年古冶M5.1地震的震源机制解P轴为N105.13°E，2021年滦州M4.3地震的震源机制解P轴为N90.13°E，通州井下小极距的地电阻率布极为NE、EW和NW三个方向，从图 8可以看出，NE近垂直于震源机制P轴，NW次之，EW近于平行，因此NW变化最明显，NE次之，EW最小，表现出和震源机制一致性的各项异性变化特征。

华北地区发生的中强历史地震，其明显的特点是成组发生，通常在这种情况下，地震异常的持续时间都比较长，主震发生后异常一般会继续下降或维持低值异常，成组地震结束后，异常才很快折返上升，即每个中强地震发生都会有下降—折返上升变化，但整个成组地震的趋势背景非常清楚的为下降趋势(张学民等，2003)。因此，通州地电阻率不同测道在地震前显示明显的各向异性，有些测道有明显的小“凹斗”现象，也有持续长时间下降的现象。

张渤带在深部表现为NWW向的地壳厚度变化带，张先康等(1998)认为该带壳内界面及莫霍面均发生明显变形，又称之为莫霍面向东南伸出的舌状构造。前人利用重磁资料、地震剖面、大地电磁测深及地震层析成像等方法获得了对张渤带深部构造的认识，认为香河—宝坻—唐山区域存在一条错断莫霍面的近NW向深大断裂，甚至延伸至北京的大兴地区，构成新生代冀中坳陷和沧县隆起的北界，也是华北裂陷盆地与燕山断块隆起的分界断裂，同时还是唐山菱形块体的南边界断裂(国家地震局《一九七六年唐山地震》编辑组，1982；徐杰等，1998；赵国泽等，1998；张成科等，2002)，蓟运河断裂、宝坻断裂等都是其中重要部分，这条深大断裂贯通NE向的夏垫断裂、唐山断裂等。杜学彬等(1999)、杜学彬(2010)认为，中强地震的震兆异常往往集中在震中周边，主要在活动构造上或其附近、活动构造交汇部位或以往强震震中区的同一构造或者相邻关联构造区域，地电阻率可以有较好的反映，且反映距离较远。因此，通州地电阻率不仅能够记录到台站附近的地下介质的视电阻率变化，也能够清晰地反映台站100km之外的唐山地区的地下介质的视电阻率变化。

4 结论

通州地电阻率对唐山地区中强地震具有“灵敏”反映，即1976年唐山M7.8地震与2020年唐山古冶M5.1地震震中相距约15km、与2021年滦州M4.3地震震中相距38km，且这3个地震的震源机制解均为走滑型。

地电阻率的震兆异常比较复杂，不仅取决于介质的不均匀性，还和发震构造的类型、震源附近的构造特点有关。通州台临近的夏垫断裂和唐山地区的构造断裂有很好的关联性。

相比地表观测，井下小极距地电阻率不受地表环境干扰的影响，更容易接收到来自深部的孕震信号，对中强地震的短临地震异常现象能够较为清晰的显现。