0 引言

地震是构造应力不断积累并导致断层失稳破裂、应变能快速释放的自然现象。对地震孕育过程中断层力学状态、区域内地震活动性、地球物理和地球化学现象进行动态跟踪研究，是目前开展地震预测的主要途径。电阻率是地下岩土介质的基本物理属性之一，与岩土基质组分、裂隙率、裂隙结构、裂隙内流体、温度等因素有关。应力作用下介质内裂隙结构的变化会引起电阻率变化，因而电阻率广泛应用于与地壳浅层介质变形有关的监测。自20世纪50年代，日本、苏联和美国分别在东京南部地区、加尔姆地区和圣安德列斯断层附近开展了与地震有关的地电阻率实验观测，并报道了地震发生前的异常变化和地震发生后短时间内的同震变化（Barsukov et al，1973；Mazzella et al，1974；Morrison et al，1977）。

1966年河北邢台M_S 7.2地震后，我国逐步开展了规范化和规模化的地电阻率连续观测。目前，已在全国范围内建立起涵盖南北地震带、华北、东北和新疆等地震重点监视地区的地电阻率监测站网，共90余个观测站。地电阻率观测采用对称四级装置，供电极距AB为数百米至2 400 m，观测值是数百米至千米尺度范围内介质电阻率的综合反映（赵和云等，1982；钱家栋等，1985；杜学彬等，2008）。在50多年观测实践过程中，积累了大量宝贵的观测数据和丰富的震例，尤其是大地震前相似异常特征具有较好的重复性，证实了地震前地电阻率异常的客观存在性，表明地电阻率观测是开展地震中短期预测的有效方法（钱复业等, 1982, 1998；钱家栋等, 1985, 1998；赵玉林等，2001；汪志亮等，2002；张学民等，2009；杜学彬，2010；Lu et al，2016；解滔等，2022）。

在分析地电阻率异常时空演化与地震孕育过程的关系时，由于地下介质和地壳构造的复杂性，异常的演化过程必然复杂多变。对同一次地震，不同台站的观测结果在异常持续时间、异常幅度和形态演化上也存在差异。因此，描述单一台站地电阻率异常或选择部分异常作为研究样本会导致研究结果存在偶然性，甚至结果间出现较大差异。本文通过文献调研和数据分析，对自1967年开展地电阻率观测以来，在观测站网及附近区域发生的M_S 6.0以上地震的地电阻率震前异常变化进行系统梳理，并对这些异常特征进行初步的统计性分析，以期为开展震情跟踪工作和相关研究提供一定参考。

1 地电阻率异常变化

在地表进行观测时，地电阻率观测数据通常表现为持续多年的稳定的趋势变化，且年变形态清晰，在某一年份出现趋势转折变化，而后开始新阶段的趋势变化。地电阻率中短期异常变化表现为偏离之前多年背景值变化范围、持续时间数月至2年左右的下降/上升变化，通常伴有年变形态畸变；或者虽然无明显下降/上升变化，但年变化幅度明显增大/减小、甚至形态消失；短临异常通常表现为在已有中短期异常基础上的加速变化、转折变化、不稳定扰动变化等形态（钱复业等，1998；汪志亮等，2002；杜学彬，2010）。通常，对于M_S 6.0—6.9地震，在距离震中250 km范围内的台站记录的地电阻率异常形态清晰，幅度和时间满足指标；对于M_S≥7.0地震，距离震中400 km范围内的台站记录的地电阻率异常满足指标（杜学斌，1992；杜学彬等，2000）。统计1967—2022年中国大陆发生的M_S 6.0以上地震，空间分布见图 1，其中46次/组M_S 6.0—6.9地震在距震中250 km范围内有地电阻率观测台站分布，16次/组M_S≥7.0地震在距震中400 km范围内有地电阻率观测台站分布。因此，选取上述震例开展震前地电阻率异常特征研究。

1.1 M_S≥7.0地震前异常变化

在距观测站约400 km范围内的16次/组M_S≥7.0地震中，13次/组地震前出现显著的地电阻率中短期异常变化，震前无明显中短期异常变化的地震分别为1995年孟连M_S 7.3、2010年玉树M_S 7.1和2021年玛多M_S 7.4地震。其中：2010年玉树地震发生前，甘孜站仪器遭雷击停测约4个月，恢复观测后数据较之前出现较大幅度的阶跃现象，无法为数据分析提供前期参考背景；2021年玛多地震发生前，5个观测站距震中均超过340 km，震中附近无观测站分布。

以观测站为单位进行统计，异常频次共38次，统计结果见表 1，部分地震前视电阻率异常变化曲线见图 2。

1.2 6.0≤M_S≤6.9地震前异常变化

在距观测站250 km范围内的46次/组M_S 6.0—6.9地震中，41次/组地震前出现较为显著的地电阻率中短期异常变化，震前无明显中短期异常变化的地震分别为1993年普洱M_S 6.3、2014年盈江M_S 6.1、2021年泸县M_S 6.0、2022年门源M_S 6.9和德令哈M_S 6.0地震。其中：腾冲站和成都站分别于2013年和2021年实施改造，在2014年盈江地震和2021年泸县地震前新观测数据积累时间较短，无法为数据分析提供前期参考背景；在2022年门源M_S 6.9和德令哈M_S 6.0地震震中周边观测站中，拦隆口和白水河站震前受干扰严重，仅山丹、武威和玉门站出现较为稳定的趋势变化，但未出现明显的中短期异常变化。

以观测站为单位进行统计，异常频次共计63次，统计结果见表 2，部分地震前视电阻率异常变化曲线见图 3。

2 异常统计特征

根据各观测站在地震前地电阻率异常变化的梳理结果，对不同震中距范围内异常观测站比率、异常平均持续时间和震级的关系、异常平均持续时间和震中距的关系展开分析。

2.1 异常观测站比率与震中距

在50多年的地电阻率观测过程中，在不同时段内存在观测站增加或减少现象，难以完整梳理各时段内全部台站的观测历史。

（1）对于M_S 6.0—6.9地震，系统梳理自1989年大同—阳高地震以来各次地震前不同震中距范围内出现异常的观测站比率，结果见图 4。按0—100 km、100—200 km、200—250 km划分震中距区间，分别计算各区间内异常观测站比率。在0—100 km震中距区间内，异常观测站比率约47%；100—200 km区间内，异常观测站比率降至40%；200—250 km震中距区间，异常观测站比率仅35%。可见，对于M_S 6.0—6.9地震，随着震中距的增加，观测站出现异常比率明显降低。

（2）M_S≥7.0地震前，在不同震中距范围内具有异常记录台站的统计结果见图 5。按0—100 km、100—200 km、200—300 km、300—400 km划分震中距区间，统计各震中距范围内异常观测站比率。在0—100 km范围内，异常观测站比率约为83%；100—200 km范围内，异常观测站比率降至50%；200—300 km范围内，异常观测站比率下降至43%；在300—400 km范围内，记录到震前异常的观测站数量远低于观测台站总体数量，比率仅23%。

上述结果表明，对于M_S≥7.0地震，出现异常的观测站比率随着震中距的增加显著降低，该结果与M_S 6.0—6.9地震统计结果一致。此外，震中100 km范围内，M_S≥7.0地震前出现异常的比率显著高于M_S 6.0—6.9地震，说明M_S≥7.0地震对近震中区介质变形的控制作用更加显著。

2.2 异常平均持续时间与震级

根据统计结果，计算同一震级下所有台站异常持续时间的平均值，并分析该持续时间与震级的关系，结果见图 6。

由图 6可见，对于M_S 6.0—6.9地震，异常平均持续时间总体呈现上升趋势，仅在M_S 6.3和M_S 6.8出现跳点；对于M_S≥7.0地震，异常平均持续时间整体高于M_S 6.0—6.9地震，但离散度较高。总体上，M_S≥7.0地震异常平均持续时间与震级未呈现明显对应关系。进一步地，以M_S 6.0—6.9、M_S 7.0—7.9和M_S 8.0划分震级区间，计算各区间所有地震的台站异常持续时间均值，其中M_S 6.0—6.9地震为9.4个月，M_S 7.0—7.9地震为12.0个月，M_S 8.0地震为22.0个月，震级升高1级，异常平均持续时间显著增长。

2.3 异常持续时间与震中距

对于M_S 6.0—6.9地震，异常持续时间和震中距之间未呈现明显对应关系[图 7(a)]，不同震中距范围内的异常持续时间大部分位于1年以内。对于M_S≥7.0地震，随着震中距的增加，异常持续时间存在减小趋势[图 7(b)]，但离散度依然较大。

3 讨论

地电阻率具有体积探测效应，在不破坏地层结构的情况下可以实现对数百米至千米尺度体积内介质电阻率的连续观测。地下岩土介质电阻率的变化受基质组分、介质内裂隙、裂隙流体、温度等因素控制。地震前地电阻率异常持续时间通常在数月至2年以内，期间基质组分可视为不变；地电阻率观测的主体探测范围位于潜水位之下，地下浅层介质通常含有较多相互连通的裂隙，流体有足够时间进出裂隙，裂隙内含水饱和度的影响较小；在非地热地区，数十米深度以下地层的温度在数月至2年时间尺度内可视为不变或者变化很小。因此，在分析地电阻率异常变化与地震孕育过程之间的关系时，应力作用下介质裂隙变化是主要考虑因素。

岩石样品的应力加卸载实验结果显示，含水岩石电阻率随压应力的加载而减小，在岩石邻近破裂时加速下降，破裂后呈上升恢复变化。实验中同步测量岩石样品的体积变化，发现在应力加载超过一定程度之后，岩土体积开始增大而出现扩容，反映出新生裂隙的不断产生（Brace et al，1965；Morrow et al，1981）。野外原地应力加卸载实验结果也表明，地电阻率的下降幅度随应力加载强度的增加而增加，应力卸载过程中恢复上升，但应力完全卸载后不能恢复至初始状态（赵玉林等，1983）。这些实验研究基本上明确了在实验样品尺度下，岩土介质在应力作用下诱发的微裂隙活动是电阻率变化的重要原因之一。

地震发生前，闭锁断层附近存在较高水平的应力、应变积累，并引起震中附近区域介质的变形。直观而言，地震孕育过程对近距离区域内介质变形的控制作用强于较远距离的区域，这可能是震中距近的区域出现异常观测站的比例较高的原因。钱复业等（1982）依据当时积累的震例，选择震中距较近的异常台站拟合了异常持续时间和震级的关系，发现异常持续时间越长，对应震级越高。杜学彬等（2000）拟合了震前异常平均持续时间与震级的非线性关系，结果表明，在低震级阶段，异常持续时间对震级具有较好的区分度，高震级阶段则不宜区分。对于M_S 6.0—6.9地震，随着震级的增加，异常持续时间略微有所增加，而对于M_S≥7.0地震，已不能根据异常持续时间对震级做出更进一步的细化估计，图 6所示的统计结果与之相近。M_S≥7.0地震前的异常持续时间随震中距的增加有一定的减小趋势，但离散度大，而M_S 6.0—6.9地震前并未出现相似特征，也表明地震前异常的时空演化特征是复杂的。介质电阻率变化与裂隙体积变化之间存在Δρ/ρ = K·Δφ/φ的关系，式中K被称为放大系数。理论和实验分析结果表明，不同介质的放大系数之间存在数量级上的差异（Morrow et al，1981；解滔等，2020），此为地震前地电阻率异常时空演化特征复杂化的重要原因之一。

由图 4和图 5可知，近些年震前异常观测站数量较之前有所下降。我国地电阻率观测在20世纪70—80年代初达到高峰，观测站数量达到120个。80年代中后期从站址条件、干扰因素和数据质量等对观测站进行全面清理，加之其他因素制约，观测站数量锐减至50多个。“十五”计划期间部分观测站陆续投入建设，目前观测站数量恢复至90余个，但在地震多发的川滇和新疆地区，观测站数量依然偏少。整体而言，2013年以来，6级地震震中100 km范围内、7级地震震中200 km范围内，观测站数量有所减少（图 4，图 5）。此外，随着城镇化建设和乡村经济的发展，部分观测站环境受到干扰，从而降低了观测数据质量。这些因素可能是造成近些年震前异常观测站数量减少的原因。目前，观测站网中有32个观测站具有井下观测装置，观测实践表明，其对地表环境干扰具有较强的抑制作用，今后台站建设可考虑开展井下观测。

4 结论

通过文献调研和数据分析，系统梳理了自地电阻率观测以来，发生在观测站网内及附近区域M_S≥6.0地震前的地电阻率异常变化，并对异常特征开展了初步统计分析。据统计，距观测站约400 km范围内共计发生16次/组M_S≥7.0地震，其中13次/组前出现较为显著的中短期异常，按台站统计，异常频次共计38次；距观测站250 km范围内共计发生46次/组M_S 6.0—6.9地震，其中41次/组前出现较为显著的中短期异常，异常频次共计63次。对于M_S≥6.0地震，距离震中越近的区域，出现异常的台站比例越高。对于M_S 6.0—6.9地震，异常持续时间随震级的升高略有增加，而M_S≥7.0地震发生前，随着的震级升高，异常持续时间并未出现可识别的显著增加现象。不同震中距范围内异常持续时间并未呈现较好的规律性，显示出地震前异常时空演化特征的复杂性。

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