Cause for abnormal decline of DC apparent resistivity at Tanggu station in Tianjin
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摘要: 依据塘沽台所在区域的水文环境、地质构造和动力学等特征，讨论了地表储水能力、地下静水位及构造变形等因素对视电阻率的影响和塘沽台直流视电阻率下降异常的成因机制。结果表明，长期构造位移变化与地下静水位下降是视电阻率呈下降趋势的主要原因；短期降水量大且雨季长，加之有利的地表储水能力是造成塘沽台视电阻率破年变的主要原因。虽然对于塘沽视电阻率异常中是否掺有前兆信息尚缺少确凿证据，但本文采取的分析方法仍可为典型的异常形态提供有益的参考。Abstract: The decline of DC apparent resistivity is a common abnormal variation in electromagnetic forecast, the reason is the change of underground electrical structure caused by rock stress change. Therefore, it is very important for timely identification and scientific judgment of earthquake precursory anomalies to effectively analyze their genetic properties. The EW direction of the resistivity of Tanggu station showed a downward trend since 2013, and the low value in 2021 was significantly lower than previous years, which was a breaking anomaly in the downward trend. The low range was 0.104 Ω·m, accounting for about 1% of the background value, and the low value time was delayed compared with previous years. Based on the hydrologic environment, geological structure and dynamic characteristics of the area where Tanggu station is located, we discussed the influence and genetic mechanism of surface water storage capacity, underground static water level and tectonic deformation. The results show that the long-term tectonic displacement change and the decline of groundwater static water level are the main reasons for the decline of the resistivity trend, and the large short-term precipitation and long rainy season, together with the favorable surface water storage capacity, are the main reasons for the formation of the break year change pattern. Although there is no conclusive evidence that is precursory information in the apparent resistivity anomaly of Tanggu station, the analytical method adopted in this paper can still provide useful reference for the typical anomaly pattern.
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Keywords:
- apparent resistivity /
- Tanggu station /
- decline change /
- electrical structure /
- lag effect
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引言
直流视电阻率观测以地下岩土导电性差异为基础，通过观测与研究地下电流场的形态规律获取地下电性结构变化等信息（张国民等，2001；李金铭，2005）。视电阻率观测基于岩石破裂的压电效应等实验结果，可为地震前兆研究提供较为充分的理论依据，并且通过长时间的实践资料的积累，探索了震前地下介质电性参数的变化，不仅具有较为深入的理论意义，而且有望在中短期地震预报中产生实际的应用价值（杜学彬，2010）。
以往的研究结果表明，视电阻率趋势性下降，并在短期内出现加速下降的形态，其潜在的前兆指示意义较为显著，应引起足够的重视（杜学彬等，2001，2007）。在实验室证据方面，日本学者Yamazaki （1965）通过实验证明，常温下电阻率随岩石压力的增加而下降，消除外力后电阻率回复原值；美国学者Brace和Orange （1968）提出岩石在受压状态下，初始阶段的孔隙闭合使导电通路受阻造成电阻率上升，当压应力超过岩石破裂应力的2/3时，电阻率将明显减小。在震前视电阻率分析结果方面，震中附近的视电阻率变化一般表现为偏离多年背景观测值范围的年尺度持续性下降或上升，持续时间为数月至两年左右，部分地震震前一个月内出现过加速下降变化，某些台站可观测到准同震的阶跃变化（赵玉林等，2001；Lu et al，2016）。下降变化目前仍是基于视电阻率开展地震预测的重要异常形态之一。
视电阻率异常主要反映近源区域介质所受到的孕震应力的影响，近距中强震前的视电阻率异常多以下降为主，但变化幅度并不剧烈（解滔，卢军，2020）。岩石破裂前视电阻率可能出现与主压应力方位有关的各向异性变化（陈峰等，2013；解滔等，2020a），且中强以上地震震中周围视电阻率定点观测常常在震前出现与主压应力方位有关的持续性下降异常，震后出现与震前异常变化形态相反的恢复变化，这是孕震过程中应力应变积累引起的介质物性变化（王同利等，2020）。直流视电阻率变化形态不仅与台站地下介质的应力状态有关，而且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也存在较大差异，因此相比正常背景变化和观测系统、场地环境等引起的观测噪声来说，部分台站震前的异常变化幅度并不剧烈（杜学彬等，2017）。
前人在视电阻率下降的实验室认识，以及震前对视电阻率下降异常的总结方面均作了非常多的工作，但视电阻率下降是否为真是作为震兆异常的先决条件。本文拟通过对天津塘沽台视电阻率下降异常进行现场核实，并结合季节性降雨、地表储水能力、地下静水位和构造位移等方面的综合研判，较为深入地分析塘沽台视电阻率的下降成因，以解释视电阻率下降与地震前兆之间的关系。
1. 区域构造背景与电性结构
天津塘沽台位于华北北部唐山菱形地块的西南缘、张渤地震带与河北平原带交会处（图1a），该区历史构造活动强烈，曾发生多次强震，例如1976年唐山MS7.8地震距离塘沽台仅78 km。2002年以来塘沽台120 km范围内M5.0以上地震有两次，100 km范围内M4.0以上地震有8次，近距M4.0—5.0地震多发。台站50 km内南、西、北东三个方向各存在一条主要断裂：① 台站以南约7 km的海河断裂，该断裂长约110 km，走向NWW—NW，倾向SW，倾角平均30°—60°，为一条正断断裂，最新活动年代为中更新世—全新世；② 台站以西8 km的沧东断裂，该断裂长约350 km，走向NNE，倾向SE，倾角平均约60° （邵永新等，2020），为右旋张扭性正断裂，石油地震剖面显示其为基底滑脱型的铲式正断裂（张群伟，朱守彪，2019），1704年在该断裂上曾发生过M5½地震，最新活动年代为中更新世，沧东断裂在塘沽附近的分段为唐官屯至宁河段，断裂产状变化较大，平面上为NNE和NWW两组断裂呈锯齿状分布，断面呈平面和铲状，水平拉张3—4 m，控制着北塘和板桥凹陷的发育（高战武等，2000），该断裂并非区域主要控震断裂，中强震风险性相对较低；③ 台站东北约54 km为蓟运河断裂，全长约60 km，走向NW，倾向SW，倾角平均约70°，为一条右旋正断断裂，该断裂可分为NW和SE两段，NW段为晚更新世早期断裂，SE段为早—中更新世断裂（张文朋等，2022），1976年宁河MS6.9地震即发生在该断裂附近，近年来该区域小震活跃，2002年丰南MS4.1地震、2019年丰南MS4.5地震的发震构造均为蓟运河断裂。
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图 1 区域构造背景与电性结构（a） 区域主要断裂、台站位置及2000—2022年M＞1.0地震分布图；（b） 观测区视电阻率布极图；（c） NS向与EW向电测深曲线图Figure 1. Regional tectonic background and electrical structure（a） Distribution of major faults，station locations and M＞1.0 earthquakes during 2000−2022； （b） The electrode layout of apparent resistivity at the observation area ；（c） Electrical sounding curves in NS and EW directions塘沽台视电阻率观测装置采用十字型对称四极布设，NS向与EW向非标准正交，NS向布极方位为N11°W，EW向布极方位为N89°E （图1b），NS向供电极距A1B1为1 500 m，测量极距M1N1为500 m，EW向供电极距A3B3为1 000 m，测量极距M3N3为300 m。布极方式采用架空铜钢绞线引入观测室，电极为铅电极，规格为800 mm×1 000 mm×5 mm，埋深为2 m。2001年以来塘沽视电阻率NS向年变幅度约为0.5 Ω·m，数据总体保持在12.2—13.0 Ω·m之间，EW向年变幅度约为0.2 Ω·m，数据总体保持在10.4—10.9 Ω·m之间。NS向与EW向年动态变化比较清晰，基本可以反映场地视电阻率变化水平。塘沽台地下潜水位埋深较浅，盐碱度大，新生界地层沉积厚度较厚，所处北塘凹陷的厚度一般为150—180 m，最厚可达400 m，根据钻孔资料显示，所揭露地层属全新统、上更新统陆相沉积，100 m内浅层钻孔岩性主要为黏土、细砂、粉砂和砂质黏土，在这样的地质环境下，探测较深的电性结构变化就需要较长的电极供测极距，根据塘沽台视电阻率电测深数据资料，测区NS向电测深为HK型，EW向为H型，NS向与EW向视电阻率各向异性度较低（图1c）。
2. 塘沽台视电阻率的异常特征
塘沽台于2012年开始使用ZD8M地电阻率观测仪，采样率为整点值。图2给出了塘沽视电阻率2017—2022年的日均值曲线，从图中可以看出：与往年数据低值辅助线A，B对比显示，2021年NS向数据年变低点在辅助线附近，部分数据略低于辅助线，EW向数据年变低点明显低于往年；与低值辅助线C，D对比显示，2017—2018年塘沽台视电阻率NS向和EW向年变形态清晰，下半年低点出现的时间基本同步、幅度较为正常；与低值辅助线E，F对比显示，2019—2020年NS向年变形态清晰，EW向2019年底受东测量极附近施工的影响，低点形态并不突出，仅可通过辅助线E在NS向的低点时间来大致判定，2020年底EW向低点位置也较模糊，2021年7—10月EW向数据下降幅度较大，造成2021年出现数据破年变的变化形态。
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图 2 塘沽台视电阻率多年日均值曲线图A，B为往年数据低值对比辅助线，C，D，E，F，G为历年低值时间对比辅助线Figure 2. Curves of multi-year daily mean value for apparent resistivity at Tanggu stationA and B are contrast auxiliary lines of low-values of previous years，and C，D，E，F， and G are contrast auxiliary lines of low-value time of previous years，respectively塘沽台视电阻率观测数据长期以来基本稳定，近5年年变幅度NS向与EW向均小于1 Ω·m。台站距离天津地铁9号线较近，受地铁供电回路中直流牵引漏电的影响，日变数据有明显的脉冲干扰（张明东等，2014）。为了更好地量化异常特征，我们选用每日地铁停运时段，即夜静（地方时1:00—4:00）时段数据的平均值进行分析（图3）。相较日值数据，夜静数据的脉冲干扰信号明显减少，但由于夜静数据缺少日值数据的平均计算步骤，因此个别数据存在突跳现象。EW向A和B两部分有别于常年同期形态（虚线为理想的虚拟年变趋势线）。经分析，A处的变化是由东测量极附近的场地环境变化（土方堆积）造成的；B处的变化源于2021年3月9日西测量极位置的调整，数据产生0.054 Ω·m的下降台阶，去除该台阶影响后，数据整体虽有升高（虚线B示意），但低值仍低于往年平均水平。综上，塘沽视电阻率异常特征可概括为长尺度的趋势下降和中短期尺度的下降破年变，以上两点特征EW向数据比NS向数据更加突出。
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图 3 塘沽视电阻率夜静时段（1:00—4:00）平均值数据虚线为理想的虚拟年变趋势线Figure 3. Apparent resistivity data of Tanggu station at night （1:00—4:00 am）. Dashed line is an ideal virtual annual trend line3. 塘沽台视电阻率异常的成因分析
3.1 水文因素的影响机制
3.1.1 测区季节性降雨与地表储水能力分析
季节性降水会对地表浅层介质电阻率的观测产生影响，且影响具有一定的即时性和滞后效应（张国苓等，2021）。根据塘沽台的地质情况可知，其台基地质条件为粉质黏土和粉砂，厚度为几十米，为降水的渗透提供了较好的孔隙条件，因此土层介质的视电阻率会随降雨量的增大而降低，而连续强降雨可能导致表层潜水位的上升，对视电阻率的影响具有延续性，塘沽台测区内池塘众多，为表层水的储备提供了更加有利的条件。
塘沽台视电阻率NS向周边池塘、河流、水渠众多（图4）。① NS向。经实地勘察，北供电极B1和北测量极N1东侧均存在较大池塘，面积约为2.75×104 m2，B1与N1之间有平行和垂直于测线的水塘，南测量极M1东西两侧均存在较大池塘，总面积约为5.25×104 m2，南供电极A1以北有垂直于测线的水渠，A1与M1之间有零星的水体，面积约为1.7×104 m2，测线西侧200 m有NS向黑猪河，该河流基本平行于NS向测线；② EW向，黑猪河贯穿西供电极A3与西测量极M3之间，东供电极B3北侧存在3个较大池塘，面积约为9.45×104 m2，SE方向存在较大水域，面积约为4.95×104 m2，东西测量极M3与N3之间南北两侧有小型池塘；③ 整体来看，塘沽台视电阻率测区地表储水能力较高，测区总水域面积超过2.4×105 m2，2021年7—10月连续的强降雨造成测区内池塘水位较高，体量较大，至2022年1月池塘表面结冰，冰面仍处于高位。除池塘、水渠、河流外，测区内大部分为林地、殡仪用地、仓库等，大型工业活动痕迹较少，大片林地对水体的贮存也起到积极的作用。由于季节性降水恰逢视电阻率处于年动态下降阶段，浅层地表持续性的水饱和将导致视电阻率先下降、后在低值区间变化，造成年度低值较往年偏低及拐点位置延后等现象。
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图 4 塘沽台NS向和EW向测线附近的水体位置分布图长方形与不规则形状表示池塘或水渠，点划线为河流，直线为布极方向线，虚线为金属管线Figure 4. Water locations near the NS and EW survey lines at Tanggu stationRectangles and irregular shapes represent ponds or canals，dot dash lines are rivers，straight lines are survey lines，dotted lines are metal pipelines2017—2021年塘沽台降雨量显示（图5），每年7—8月是全年降雨最多的时段，视电阻率也基本准同步转折回升，在回升过程中如遇较大降雨，会出现明显的下降变化，例如2017年8月降雨量最大，9月无降雨，10月降雨量达62.5 mm，视电阻率在转折向上的过程中出现明显的下降变化；2021年7月塘沽视电阻率EW向与NS向数据同步持续下降，8—10月降雨量一直处于较高水平（表1，图5），统计分析2017年以来塘沽台每年雨季（7—10月）的降雨量发现，2021年降雨量为602.4 mm，2017—2020年同期平均降雨量为330.9 mm，2021年几乎是前4年均值的两倍（图6），持续大量降雨导致周边池塘储水量显著增加，地表浅层含水量更加充沛，潜水位上升导致视电阻率维持在较低水平，可能导致其低值低于往年。综上认为，2021年雨季长且雨量大，加之测区具有良好的地表储水条件，是造成塘沽台视电阻率破年变形态的主要因素。
表 1 塘沽台降雨量数据统计表Table 1. Statistical table of rainfall data at Tanggu station月份 降雨量/mm 2017年 2018年 2019年 2020年 2017—2020年均值 2021年 1月 0.5 0 0 0 0.1 0 2月 0 0 0 0 0 0 3月 4.4 0 0.7 8.1 3.3 10 4月 2.0 31.1 12.7 15.9 15.4 18.6 5月 15.7 21.9 14.8 57.3 27.4 8.5 6月 56.8 56.2 18.1 5.9 34.3 30.7 7月 60.7 130.1 155.7 98.9 111.4 298.9 8月 236.4 139.3 58.3 176.0 152.5 88.7 9月 0 13.9 18.9 147.6 45.1 128.3 10月 62.5 14.1 4.1 7.0 21.9 86.5 11月 0 3.3 1.3 30 8.7 7.2 12月 0 0 1.9 0 0.5 0 总和 439.0 409.9 286.5 546.7 420.5 677.4 ![]()
图 5 2017—2021年塘沽台降雨量统计图黑色矩形为最大降雨月份后降雨量持续影响视电阻率变化的部分；红色竖虚线代表每年最大降雨量月份对应的视电阻率位置；红色横虚线为往年视电阻率低值辅助线Figure 5. Statistical map of rainfall at Tanggu station from 2017 to 2021The black box is the part where the rainfall continues to affect the change of apparent resistivity after the maximum rainfall month； the vertical red dotted line represents the position of apparent resistivity corresponding to the month of maximum rainfall of each year；the horizontal red dotted line is the low value auxiliary line of apparent resistivity in previous years![]()
图 6 2017—2021年7—10月塘沽台降雨量统计图线A表示2021年降雨量，线B表示2017—2020年降雨量均值Figure 6. Statistical diagram of rainfall at Tanggu station from July to October during 2017 to 2021Line A refers to the rainfall in 2021，line B refers to the mean rainfall during 2017—20203.1.2 静水位因素分析
分析视电阻率的变化应考虑表层水位和深层水位的区分，因两者影响因素不同。表层水位通常受大气降水、表层抽水和灌溉等因素的影响，而深层水位的岩石水饱和度较高，主要影响因素为孔隙度的变化（沈红会等，2020）。水位与视电阻率变化的本质关系为各层电阻率的影响系数和每层岩石/土壤的水饱和度及孔隙度，二者不存在固定的相关关系，即便是同一台站的不同方向，对水位的反应也不相同（何康等，2010）。塘沽台静水位自2011年1月1日开始观测，十年来总体呈上升趋势（图7），与EW向视电阻率总体趋势相反，期间有两次较大的上升阶变，分别为2015年5月9日水位突升约8 m和2019年11月24日水位突升近10 m，两次阶升变化虽未找到确切的原因，但其均未对静水位和视电阻率的趋势造成影响（图7）。2012年6月至2013年8月水位数据出现下降变化，尤其是2013年6—8月间水位数据出现约5 m的下降，视电阻率同期虽有在下降过程中的上升波动，但幅度很小，基本不影响年变形态。根据皮尔逊相关系数计算公式计算视电阻率与静水位年变的耦合系数ρ。
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图 7 塘沽台EW向视电阻率与静水位对比图Figure 7. Comparison of EW direction apparent resistivity and static water level at Tanggu station$$ {\rho } （ A， B ） ＝\frac{1}{N－1}\sum _{i＝1}^{N}\left(\frac{{A}_{i}{－\mu }_{A}}{{\sigma }_{A}}\right)\left(\frac{{B}_{i}{-\mu }_{B}}{{\sigma }_{B}}\right) {，} $$ (1) 式中，A为视电阻率，B为静水位，µA为视电阻率均值，µB为静水位均值，i为数据序列，N为数据总量，σ为标准差。经过计算发现近10年相关性变化不大，除个别年份外，皮尔逊相关系数均保持在0.513—0.625之间，二者关联长期吻合，因此认为塘沽静水位与EW向视电阻率长期趋势关联程度较好，该现象也符合“地下水位上升-视电阻率下降”的物理基本解释，即静水位的长期上升是造成视电阻率趋势下降的主要因素。
3.2 地壳运动的影响机制
2002—2022年间塘沽台视电阻率NS向和EW向数据呈上升-调整-下降的变化趋势，其中2002—2010年为趋势上升阶段，之后经过两年左右的调整后，转变为趋势下降（图8）。调整期内发生了2011年3月11日日本本州东海MW9.0巨震，这与塘沽台视电阻率的数据转折可能存在一定关联，从长尺度图像上看，近10年趋势性下降异常可能属于正常的延续性下降。
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图 8 2002—2022年塘沽台视电阻率长趋势曲线形态Figure 8. Morphology of long trend curves of apparent resistivity at Tanggu station during 2002−2022计算分析中国大陆与朝鲜半岛的应力应变状态，我们选取了北京房山台、天津蓟县台和山东泰安台，分别对应韩国的水原台和大田台作全球导航卫星系统（global navigation satellite system，缩写为GNSS）基线分析（图9），图中显示在日本MW9.0地震前后华北地区6条EW向基线确实出现了明显转折，其中“韩国水原—天津蓟县”与“韩国大田—天津蓟县”的基线变化最为明显，地震前后1—2年内变幅接近20 mm，基线由震前的多年挤压状态转为震后的多年拉张状态，这可能造成了塘沽台（距离蓟县台约97 km）静水位的长期上升，继而导致视电阻率的趋势下降。GNSS基线基本反映相关构造体强震对华北地区地壳状态的影响，符合大震过后应力积累的弹性回跳理论。塘沽台视电阻率的长趋势数据转折，时间上与应力场调整基本同步（2011—2012年前后），EW向近10年都处于趋势下降状态，累计下降幅度约为4%，2021年虽然低值创历史新低，但整体年变形态比较清晰。结合构造位移-地下静水位-视电阻率三者的趋势形态，认为长期缓慢的单方向构造位移可能导致水位的趋势变化，继而影响视电阻率的趋势，我们也曾讨论过构造位移与压电效应的关系，但以塘沽台松软的第四纪厚覆盖层的台址条件，水对视电阻率的影响应远大于岩土电性变化对视电阻率的影响，因此塘沽台视电阻率长期尺度趋势下降与大尺度构造位移可能存在一定的物理联系。
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图 9 GNSS基线值在日本MW9.0地震前后的变化Figure 9. Changes of GNSS baseline values before and after the MW9.0 earthquake in Japan3.3 表层土方堆积与金属管线等影响因素分析
观测场地的环境变化也会改变视电阻率的异常形态。2018年以来塘沽视电阻率EW向总体呈下降趋势（图10），2021年下半年数据下降幅度较大，年度低值明显较往年偏低，变化幅度约为0.05 Ω·m，约占背景均值的0.5%，从A，B两条辅助线易见此次变化。若不考虑因2021年3月9日更换西测量极位置而产生的影响，其变化幅度约为0.104 Ω·m，约占背景均值的1%，下降变化将更加突出。由辅助线C可知2019年底的年度低值较往年偏高，当时进行异常核实发现，观测场地环境出现较大变化，东测量极附近有工程施工，堆积大量土方作业，经过无人机拍摄与实地调查，土方堆积位置（图11红圈）紧邻东测量极，NS向长约70 m，EW向最宽约30 m，高约5 m，体量较大。
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图 10 塘沽台2018年以来视电阻率EW向数据图像黑色曲线为视电阻率EW向数据的多项式拟合曲线；虚线A为多年低点趋势性下降的低值辅助线；虚线B为2021年非拟合低值的实际位置，该点略低于A；虚线C为2019年非拟合低值的实际位置，该点略高于AFigure 10. EW trend data images of apparent resistivity at Tanggu station since 2018The black line is the polynomial fitting curve of the EW direction data of the apparent resistivity；the dotted line A is the moving average of multi-year low values trending downward；the dotted line B is the actual location of the unfitted low value in 2021，which is slightly below A；the dotted line C is the actual location of the unfitted low value in 2019，which is slightly above A![]()
图 11 无人机航拍照片与土方堆积的实地拍摄照片航拍图像叠加在百度地图上Figure 11. Aerial photos of UAV and field photos of earthwork accumulationAerial images are overlaid on Baidu Maps根据H型电性结构的三维影响系数分布，土方堆积会对测区（特别是测量极附近）介质产生加载效应。此次土方堆积位置为东测量极西侧，根据视电阻率三维影响系数，供电电极与测量电极之间存在影响系数为负的两个椭球区域，其余区域影响系数为正，即测量极之间的影响系数也为正（解滔等，2020b）；从方向上看，在应力作用下，视电阻率变化呈现各向异性，在与最大主应力垂直方向上的变化幅度最大，平行方向上最小，此次东测量极距离土方很近，可能受到来自西侧较大荷载的应力影响，但应力方向与测线方向基本平行，因此所受应力作用不大。综上可知，2019年年底塘沽台视电阻率EW向年变低值偏高与东测量极附近堆积大量土方有关。
2021年10月前后，东测量极北侧约120 m处新建三层房屋一座，且附近（房屋南约20 m处）存在金属围栏，长度约150 m，金属管直接接地，房屋与金属围栏距北供电极也较近，相隔约100多米，两者之间为一个池塘。因施工时间不明确，查阅NS向与EW向8—12月视电阻率数据，未发现台阶等明显变化。由于金属围栏属低阻干扰源，当其位于影响系数为正的区域时会引起视电阻率观测值的下降变化（解滔，卢军，2016），且其与长度、方位和位置等密切相关，平行于测线铺设的金属导线影响最为显著，而塘沽台金属围栏与EW向大致平行（图4b），因此无法完全排除金属管线的影响。综上可知，东测量极西侧的土方堆积不会造成视电阻率的下降变化，与视电阻率下降破年变无关。但东测量极北侧的建筑施工和金属管线等影响因素则无法完全排除，可能与视电阻率下降破年变有一定关联。
3.4 历史震例分析
1976年河北唐山MS7.8地震前，塘沽台视电阻率数据曾出现小幅变化（图12），也有学者认为塘沽台震前无明显异常（赵玉林，钱复业，1978）。NS向和EW向数据在地震前均出现短期下降变化（图12），其中：NS向由1976年5月的13.06 Ω·m下降至8月的12.82 Ω·m，下降幅度为0.24 Ω·m，约占背景值的2%，9月仍小幅下降，10月开始升高；EW向由1976年5月的13.2 Ω·m下降至8月的12.94 Ω·m，下降幅度为0.26 Ω·m，约占背景值的2%，9月和10月数据小幅调整后上升。唐山大地震距塘沽台约78.3 km，若所记录数据真实可靠，且震前下降就是前兆信号，那么1次100 km以内的MS7.8地震所能造成的塘沽台视电阻率的下降幅度约为2%左右，且包含正常的年变下降成分。而近几年塘沽台视电阻率的年动态下降幅度在2%左右，其与震前京津冀其它台站的视电阻率异常相比幅度不大。唐山地震距今已40余年，当前塘沽台视电阻率的仪器装置、观测系统、外线布设、电极工艺等均较1976年有很大改变，因此该数据仅作为历史震例资料进行参考。
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图 12 1976年唐山MS7.8地震前后塘沽台视电阻率变化Figure 12. Apparent resistivity variation of Tanggu station before and after the Tangshan MS7.8 earthquake in 19762002年以来塘沽台120 km范围内M5.0以上地震有两次；100 km范围以内M4.0以上地震有8次（表2）。从塘沽台视电阻率EW向数据与历史地震时间的对应关系上看，各地震发震前均未出现典型的视电阻率发震形态（图13）。对于视电阻率而言，M4.0地震震级偏小，1976年唐山MS7.8地震前，塘沽台视电阻率也无明显变化。2006年文安MW5.1地震和2020年古冶MS5.1地震前，塘沽台视电阻率EW向数据处于正常的年变下降阶段，下降速率与往年基本一致，未出现大幅下降-转折抬升的迹象。各M4.0地震震前数据形态基本稳定，震兆异常并不明显，震源机制解一致性不高，塘沽台位于张渤地震带与华北平原的交会处，地下结构较为破碎，附近中等地震的震源机制解以走滑拉张等形态为主，未发现明显的震前震兆形态。因此，塘沽台视电阻率在中强地震前的震兆信息并不明显。
表 2 2002年以来塘沽台120 km范围地震目录Table 2. List of earthquakes around Tanggu station with 120 km range since 2002地震编号 发震日期
年-月-日发震地点 M 震中距/km 走向/° 倾角/° 滑动角/° 震前阶段 震源机制解 A 2006-07-04 河北文安 5.1 112.8 215 87 −115 年变下降段 
B 2020-07-12 河北古冶 5.1 105.6 61 73 −180 年变下降段 
a 2002-05-19 河北丰南 4.2 45.7 318 79 −32 年变下降段 
b 2010-03-06 河北唐山 4.2 99.9 354 45 −33 高值转折段 
c 2010-04-09 河北丰南 4.1 59.7 324 90 −27 高值转折段 
d 2012-05-28 河北唐山 4.8 100.1 314 76 −20 年变下降段 
e 2012-06-18 天津宝坻 4.1 55.6 131 77 −25 年变下降段 
f 2016-09-10 河北唐山 4.2 92.7 152 80 8 低值转折段 
g 2018-02-12 河北永清 4.3 83.9 52 62 −140 年变上升段 
h 2019-12-05 河北丰南 4.5 46.0 325 54 −170 低值转折段 
注：2008年以后地震目录来源于地震编目系统，2002—2007年地震目录来自天津地震局历史地震目录总结 ![]()
图 13 塘沽台视电阻率EW向与地震时间对应关系地震b，c相距34天可视为一组，地震d，e相距21天可视为一组，图中字母对应表2中的地震事件Figure 13. Correspondence between EW direction of apparent resistivity at Tanggu station and historical earthquake timeEarthquakes b and c can be considered as a group of 34 days apart，so as the earthquakes d and e of 21 days apart，letters mean the events listed in Table 24. 讨论与结论
针对塘沽台视电阻率下降破年变的数据形态，分析观测场地的水文环境、地质构造和动力学等特征，讨论了地表储水能力、地下静水位、构造变形等因素对塘沽台视电阻率的影响，得到以下初步认识：
1） 地下静水位方面。塘沽台视电阻率自2013年以来，EW向和NS向先后出现转折下降的趋势变化，至今已持续下降8年，累计下降幅度约为4%。此下降趋势与塘沽台地下静水位变化趋势高度相关，地下水位在这8年间呈稳定上升状态，符合“水位上升-视电阻率下降”的物理解释，二者存在物理机制上的关联。
2） 构造位移方面。塘沽台视电阻率NS向和EW向数据在2002—2022年间出现“上升-调整-下降”的趋势变化，调整期内发生了2011年日本本州东海MW9.0大地震，从华北地区与朝鲜半岛多年的GNSS基线来看，此次地震前后基线出现重大转折，近20年的基线形态与视电阻率形态相关性较高，分析认为“GNSS基线-地下静水位-视电阻率”三者之间的物理机制存在一定的关联。
3） 地表储水能力与降雨方面。2021年雨季长且雨量大，加之测区具有良好的地表储水条件，是造成塘沽台视电阻率中短期尺度破年变形态的显著因素。
4） 观测场地变化方面。东测量极西侧的土方堆积不会造成视电阻率的下降变化，与视电阻率下降破年变无关。东测量极北侧的建筑施工和金属管线等影响因素则无法完全排除，可能与视电阻率下降破年变有一定关联。
5） 从以往震例来看，中强震前塘沽台视电阻率的震兆异常不明显，震源机制解一致性差，该区地下结构较为破碎，此次塘沽台视电阻率趋势性下降和中短期的破年变下降缺少含有震兆信息的确凿证据。
天津市地震局滨海中心站卞真付站长和马义山高级工程师在现场异常核实工作中全程参与了外线路环境调查和仪器检查等工作；天津市地震局天津地震台张磊博士在GNSS基线分析中提供了重要的指导意见，宋程工程师帮助绘制了相关图件、刘双庆高级工程师和马婷博士提供了震源机制解的计算软件和相关信息；中国地震台网中心解滔副研究员和黑龙江省地震局刘长生高级工程师对塘沽台视电阻率下降的原因提供了指导和建议；天津市震灾风险防治中心张文朋高级工程师提供了部分构造断裂信息；评审专家为本文的撰写提出了多项建设性意见，作者在此一并表示感谢！
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图 9 GNSS基线值在日本MW9.0地震前后的变化
Figure 9. Changes of GNSS baseline values before and after the MW9.0 earthquake in Japan
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图 1 区域构造背景与电性结构
（a） 区域主要断裂、台站位置及2000—2022年M＞1.0地震分布图；（b） 观测区视电阻率布极图；（c） NS向与EW向电测深曲线图
Figure 1. Regional tectonic background and electrical structure
（a） Distribution of major faults，station locations and M＞1.0 earthquakes during 2000−2022； （b） The electrode layout of apparent resistivity at the observation area ；（c） Electrical sounding curves in NS and EW directions
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图 2 塘沽台视电阻率多年日均值曲线图
A，B为往年数据低值对比辅助线，C，D，E，F，G为历年低值时间对比辅助线
Figure 2. Curves of multi-year daily mean value for apparent resistivity at Tanggu station
A and B are contrast auxiliary lines of low-values of previous years，and C，D，E，F， and G are contrast auxiliary lines of low-value time of previous years，respectively
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图 3 塘沽视电阻率夜静时段（1:00—4:00）平均值数据
虚线为理想的虚拟年变趋势线
Figure 3. Apparent resistivity data of Tanggu station at night （1:00—4:00 am）. Dashed line is an ideal virtual annual trend line
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图 4 塘沽台NS向和EW向测线附近的水体位置分布图
长方形与不规则形状表示池塘或水渠，点划线为河流，直线为布极方向线，虚线为金属管线
Figure 4. Water locations near the NS and EW survey lines at Tanggu station
Rectangles and irregular shapes represent ponds or canals，dot dash lines are rivers，straight lines are survey lines，dotted lines are metal pipelines
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图 5 2017—2021年塘沽台降雨量统计图
黑色矩形为最大降雨月份后降雨量持续影响视电阻率变化的部分；红色竖虚线代表每年最大降雨量月份对应的视电阻率位置；红色横虚线为往年视电阻率低值辅助线
Figure 5. Statistical map of rainfall at Tanggu station from 2017 to 2021
The black box is the part where the rainfall continues to affect the change of apparent resistivity after the maximum rainfall month； the vertical red dotted line represents the position of apparent resistivity corresponding to the month of maximum rainfall of each year；the horizontal red dotted line is the low value auxiliary line of apparent resistivity in previous years
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图 6 2017—2021年7—10月塘沽台降雨量统计图
线A表示2021年降雨量，线B表示2017—2020年降雨量均值
Figure 6. Statistical diagram of rainfall at Tanggu station from July to October during 2017 to 2021
Line A refers to the rainfall in 2021，line B refers to the mean rainfall during 2017—2020
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图 7 塘沽台EW向视电阻率与静水位对比图
Figure 7. Comparison of EW direction apparent resistivity and static water level at Tanggu station
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图 8 2002—2022年塘沽台视电阻率长趋势曲线形态
Figure 8. Morphology of long trend curves of apparent resistivity at Tanggu station during 2002−2022
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图 10 塘沽台2018年以来视电阻率EW向数据图像
黑色曲线为视电阻率EW向数据的多项式拟合曲线；虚线A为多年低点趋势性下降的低值辅助线；虚线B为2021年非拟合低值的实际位置，该点略低于A；虚线C为2019年非拟合低值的实际位置，该点略高于A
Figure 10. EW trend data images of apparent resistivity at Tanggu station since 2018
The black line is the polynomial fitting curve of the EW direction data of the apparent resistivity；the dotted line A is the moving average of multi-year low values trending downward；the dotted line B is the actual location of the unfitted low value in 2021，which is slightly below A；the dotted line C is the actual location of the unfitted low value in 2019，which is slightly above A
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图 11 无人机航拍照片与土方堆积的实地拍摄照片
航拍图像叠加在百度地图上
Figure 11. Aerial photos of UAV and field photos of earthwork accumulation
Aerial images are overlaid on Baidu Maps
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图 12 1976年唐山MS7.8地震前后塘沽台视电阻率变化
Figure 12. Apparent resistivity variation of Tanggu station before and after the Tangshan MS7.8 earthquake in 1976
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图 13 塘沽台视电阻率EW向与地震时间对应关系
地震b，c相距34天可视为一组，地震d，e相距21天可视为一组，图中字母对应表2中的地震事件
Figure 13. Correspondence between EW direction of apparent resistivity at Tanggu station and historical earthquake time
Earthquakes b and c can be considered as a group of 34 days apart，so as the earthquakes d and e of 21 days apart，letters mean the events listed in Table 2
表 1 塘沽台降雨量数据统计表
Table 1 Statistical table of rainfall data at Tanggu station
月份 降雨量/mm 2017年 2018年 2019年 2020年 2017—2020年均值 2021年 1月 0.5 0 0 0 0.1 0 2月 0 0 0 0 0 0 3月 4.4 0 0.7 8.1 3.3 10 4月 2.0 31.1 12.7 15.9 15.4 18.6 5月 15.7 21.9 14.8 57.3 27.4 8.5 6月 56.8 56.2 18.1 5.9 34.3 30.7 7月 60.7 130.1 155.7 98.9 111.4 298.9 8月 236.4 139.3 58.3 176.0 152.5 88.7 9月 0 13.9 18.9 147.6 45.1 128.3 10月 62.5 14.1 4.1 7.0 21.9 86.5 11月 0 3.3 1.3 30 8.7 7.2 12月 0 0 1.9 0 0.5 0 总和 439.0 409.9 286.5 546.7 420.5 677.4 
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表 2 2002年以来塘沽台120 km范围地震目录
Table 2 List of earthquakes around Tanggu station with 120 km range since 2002
地震编号 发震日期
年-月-日发震地点 M 震中距/km 走向/° 倾角/° 滑动角/° 震前阶段 震源机制解 A 2006-07-04 河北文安 5.1 112.8 215 87 −115 年变下降段 B 2020-07-12 河北古冶 5.1 105.6 61 73 −180 年变下降段 a 2002-05-19 河北丰南 4.2 45.7 318 79 −32 年变下降段 b 2010-03-06 河北唐山 4.2 99.9 354 45 −33 高值转折段 c 2010-04-09 河北丰南 4.1 59.7 324 90 −27 高值转折段 d 2012-05-28 河北唐山 4.8 100.1 314 76 −20 年变下降段 e 2012-06-18 天津宝坻 4.1 55.6 131 77 −25 年变下降段 f 2016-09-10 河北唐山 4.2 92.7 152 80 8 低值转折段 g 2018-02-12 河北永清 4.3 83.9 52 62 −140 年变上升段 h 2019-12-05 河北丰南 4.5 46.0 325 54 −170 低值转折段 注：2008年以后地震目录来源于地震编目系统，2002—2007年地震目录来自天津地震局历史地震目录总结
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1. 刘长生，刘学谦，周晨，李娇，高峰. 绥化地震台视电阻率数据跟踪分析. 地震地磁观测与研究. 2024(06): 72-82 . 
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