紫坪铺水库附近都江堰震群小震震源机制解分析

2008年2—4月,位于汶川大震初始破裂点的紫坪铺水库附近发生了一系列的小震活动,它们与汶川地震和紫坪铺水库小震的关系值得研究。本文采用CAP方法,反演了紫坪铺水库7个专用数字地震台站的数据,得到震级大于M_L 1.0的28个震源机制解。结果表明:有19个地震事件集中在紫坪铺水库东南方向的都江堰附近,最大地震为逆冲型,发震机制为逆冲型带走滑分量,少量带正断层分量;从深度剖面看,地震震源深度主要集中分布在地下13km附近区域,都江堰震群丛集在前山断裂带上,其它地震散布在中央断裂带上;发震最大主压应力方向随时间的变化具有从最大主压应力方向变化比较大到趋向一致的演化过程。这些现象说明龙门山断裂带在都江堰附近存在1个凸凹体,形成应力集中点,引发都江堰震群活动,由此迫使龙门山断裂带前山断裂发生逆冲性活动,从而加剧了龙门山断裂带中央断裂的活动,在一定程度上加速了汶川地震的发生。     

紫坪铺水库区域地壳QS动态变化及其与水库蓄水关系的研究

利用2004年8月16日——2008年5月11日双差精定位后的地震S波资料,采用衰减层析成像方法对紫坪铺水库区域地壳QS进行动态衰减成像,反演得到了该区的QS动态演化特征．以1个月为步长、1年为窗长,计算了紫坪铺水库地区不同大小区域按月滑动的平均QS值,统计了不同震级范围按月滑动的地震频次,并分别与水位进行了对比分析．研究结果表明,水位首次快速加载后,紫坪铺水库低QS值区域范围扩大,QS值下降,水库西南区、东北区、库区中段、东北岸QS值的变化较为明显．紫坪铺水库不同大小区域按月滑动的平均QS值随蓄水时间的增加、水位的升高而减小,库区中段QS值下降最为剧烈．水库蓄水增强了该区的地震活动性,对ML0.0——2.0的小震活动影响较为显著．      

The Focal Mechanism and Characteristic of Stress Field in the Zipingpu Area before the M_S8.0 Wenchuan Earthquake

Based on seismic wave records of the Chengdu digital seismic network and Zipingpu reservoir digital seismic network from August 16,2004 to May 12,2008 when the Wenchuan MS8.0 earthquake occurred,the parameters of focal mechanisms of 486 earthquakes with magnitude larger than M1.6 in the Zipingpu reservoir area were calculated using amplitude ratio method,meanwhile the temporal-spatial variation characteristics of mechanisms and stress field were analyzed based on these parameters.Results show a low ratio of thrust earthquakes and an increased number of strike-slip earthquakes in the reservoir water area in the period from 2006 to 2008.While in the areas far from the reservoir waterfront,the thrust earthquakes took up a high proportion and the strike-slip ones did not increase.The direction of mean principal compressive stress field was deflected and disturbed differently in each area before the Wenchuan MS8.0 earthquake.     

利用三维孔隙弹性模型探讨紫坪铺水库对汶川地震的影响

本文基于三维孔隙弹性理论,建立了紫坪铺水库及周边地区的有限元模型.根据紫坪铺水库开始蓄水到汶川地震发震时刻的水位变化情况,计算了整个区域的孔隙压力和库仑应力.详细讨论了断层及周围地层的弹性模量和扩散系数对计算结果的影响.计算结果表明:从弹性角度看,断层的弹性模量对汶川地震震源处的库仑应力影响很小;震源处的库仑应力随着断层和周围地层的扩散系数增大而增大.当给定弹性模量和扩散系数代表性值的时候,计算结果表明在汶川地震发震时刻,震源处的库仑应力变化量为+1 kPa左右,这表明紫坪铺水库使得汶川地震发震断层更加危险.是否这个量级的库仑应力就能够触发汶川地震还需要进一步探讨.通过分析库区周边小震的分布,发现小震分布区域均是库仑应力增加的地区,因此紫坪铺水库周边的小震应该与紫坪铺水库蓄水有直接关系.     

紫坪铺水库库区介质衰减、台站响应和震源参数研究

利用紫坪铺水库数字地震台网和成都区域数字台网中的油榨坪台2004年8月到2008年5月12日汶川大地震前的紫坪铺库区2级以上地震波形资料,采用Atkinson方法计算了紫坪铺水库库区地震波非弹性衰减系数、几何扩散系数和介质品质因子;利用Moya等提出的方法计算了台站场地响应;对震源谱的低频水平和拐角频率进行了联合反演,并计算了紫坪铺库区287次1.6级以上地震的震源波谱参数,同时讨论了它们之间的关系。结果表明:紫坪铺库区Q值与频率的关系为Q(f)=47.8×f0.91;场地响应均表现为与频率相关;紫坪铺库区小震地震矩、震级与震源谱拐角频率的依赖关系不明确,这可能与水库诱发地震有关     

紫坪铺水库库区地震精定位研究及分析

利用双差定位法, 对紫坪铺水库台网8个地震台站记录到的2004年8月16日至2008年5月10日的1569个小震进行重新定位。 结果显示, 重新定位后的小震主要集中分布在龙门山推覆构造带的中央北川—映秀断裂、 前山灌县-江油断裂和后山汶川—茂汶断裂上, 其中大部分地震位于北川—映秀断裂并收敛于紫坪铺水库的两端, 走向NE向; 震源深度集中在5~15 km范围内, 平均深度为7.8 km, 15~30 km也有少量地震发生。 水库区域小震活动频度与水库水位存在一定的相关性。 精定位后, 到时残差的均方根平均值为0.048 s, 震源位置的估算误差在水平方向上平均为0.63 km, 在垂直方向上平均为0.51 km。 文中还讨论了紫坪铺水库区震源分布和地质构造的关系。     

Research on Seismicity and Source Parameters of Small Earthquakes in the Zipingpu Reservoir before the Wenchuan M_S 8. 0 Earthquake

Based on the digital seismic waveform data observed from regional and reservoir seismic networks,the seismicity and source parameters in the Zipingpu reservoir area from January 1,2000 to May 11,2008 before the Wenchuan MS8.0 earthquake are studied. The analysis shows a continuous activity of small earthquakes before the Wenchuan MS8. 0 earthquake. The level of seismic activity was from ML2.0 to ML3.0 in recent years. The impoundment of Zipingpu reservoir started in September 2005 and the obvious increment of seismic activities occurred in February 2008,but according to the analysis of the longer time series,the frequency and intensity of seismic activities do not exceed its range,which means it is still a fluctuation of regional seismic activities or tectonic activity. At the same time,we also studied the spatio-temporal distribution and the change of apparent stress difference in the source region before the great earthquake,and the results show that the apparent stress values of small earthquakes are generally higher than fitted values of apparent stress in the reservoir area in the nearly three months before the Wenchuan MS8.0 earthquake. It can be seen from the spatial distribution of apparent stress difference,that the epicenter of the earthquake is located at a low stress distribution area,and the relatively high apparent stress difference is at the east of the epicenter. Apparent stress increment occurred in local areas.     

紫坪铺水库区域地壳Qs成像及其与渗透关系研究

利用衰减结构层析成像方法尝试对紫坪铺水库区域地壳Q_s进行成像,获得该区浅层地壳静态及蓄水前、后的Q_s变化特征,结合实验研究成果、岩体岩性、断裂构造、水文地质条件探讨库水的渗透作用及其对地壳介质的影响,对研究区内地震活动类型及发震成因的介质物性变化进行了讨论.研究结果表明:紫坪铺水库区域地壳Q_s横向不均匀变化显著,库区周边近似存在低Q_s值环形区域,主要包括水库东北、东南、西南、西北及库区中段五个区域.其中,水库东北、库区中段、西南低Q_s区域与库水渗透关系密切,初步认为库水可能沿着通济场断裂中段和两端的岩石破碎带及节理、裂隙发育地区向地下渗透,使岩石孔隙中充满流体,内摩擦增大,地震波大大衰减,从而导致Q_s值大幅下降.同时,在西南区诱发了水库小震群,在东北区和东南区诱发了部分水库小震群.另外,紫坪铺水库区域东北、东南、西南三个小震群基本位于高Q_s值(低衰减)和低Q_s值(高衰减)过渡区域,可能由于低Q_s区地震波衰减大,不易积累能量,而高、低Q_s值的过渡区域,介质介于"软"、"硬"之间,有可能积累应变能,孕育地震.当高、低Q_s过渡区域岩石裂纹饱含水或部分含水后,水对裂纹边界起潮湿和润滑作用,降低了发震断层的抗剪强度,使滑动容易产生,从而诱发地震.     

紫坪铺水库水位变化对剪切波分裂参数的影响

本文通过对2006—2009年四川紫坪铺水库库区8个地震台站记录的地震事件,采用剪切波分裂方法获得了水库库区剪切波分裂参数,并结合地震活动性与水库水位之间的变化关系,分析了紫坪铺水库库区地壳应力的变化特征.剪切波分裂结果显示该研究区域快波偏振方向有两个,分别为北东向和北西向,充分体现了紫坪铺水库地区地壳应力是由北西向的区域主压应力与南东走向的龙门山断裂带综合作用的结果.慢波延迟时间平均值为5.8ms·km-1,慢波延迟时间较大的地区位于库坝和库尾,分别是水库蓄水排水引起地壳应力变化最大的区域.对比慢波延迟时间的变化和水库水位的变化显示了慢波延迟时间与水库水位之间的一致变化关系,揭示了水库的蓄水排水对地壳应力的影响.     

汶川8.0级地震前紫坪铺水库小震活动及震源参数研究

利用区域和水库地震台网记录的数字地震波资料,研究了汶川8.0级地震前的2000年1月1日～2008年5月11日紫坪铺水库区的地震活动及震源参数.结果表明:汶川8.0级地震前该区域小震活动持续,地震活动水平为M_L2～3,自2005年9月紫坪铺水库蓄水以来,特别是2008年2月地震活动明显增加,但从长期的序列来看,地震活动频次和强度仍在区域地震活动的正常起伏范围.汶川8.0级地震发生前近3个月内,中小地震的视应力差值△σ_(app)普遍大于0,计算得到的视应力总大于其拟合值.汶川8.0级地震震中位于低应力区,而相对较高的视应力差值分布在震中以东地区,局部出现视应力增加的现象.     

紫坪铺水库地区震源位置和速度结构的联合反演

利用紫坪铺水库7个库区地震台站和10个区域地震台站记录的2004年8月至2008年5月的地震震相观测报告,通过震源位置和速度结构联合反演的方法,采用Simulps14软件对紫坪铺水库地区进行了小震精定位及速度结构反演。通过计算得到了紫坪铺水库地区记录到的几乎所有地震的精定位结果,以及0km、3km、6km和10km几个层面上较好的P波速度和波速比分布情况。精定位结果显示,紫坪铺水库地区的地震活动主要集中在虹口、玉堂镇和水磨3个地区。层析成像和波速比结果则较好地反映了紫坪铺地区受到水库渗水的影响范围及紫坪铺水库对汶川地震的影响。整体上来讲,紫坪铺水库的西南端水库渗水作用最大深度≤8km,汶川主震深度上没有明显的P波低速异常,也没有明显的波速比高值异常,说明水的渗透作用并没有达到汶川主震位置深度,即水对汶川地震的发生没有直接作用。     

紫坪铺水库不同干扰源的波形特征

用紫坪铺水库数字地震台网记录的数字波形资料,对库坝区周围发生的地震以及多种干扰事件进行了对比分析研究。结果表明地面爆破、空爆与构造地震在时空分布、波形特征、功率谱等方面都存在着较大差异,特别是空爆,此前几乎未有过类似的报道和研究。     

新丰江库区上地壳三维细结构层析成像

在新丰江库区布设一个范围约50 km×40 km、由50个地震临时台站组成的观测台阵,接收来自不同方位的人工震源产生的莫霍界面反射波;台阵中的20个台站和5个区域固定台还对2009年3月至2010年5月发生在库区的地方震进行了观测.本文联合利用人工地震莫霍面反射波走时和天然地震直达波走时,采用连续模型反演技术重建了库区上地壳P波、S波慢度扰动和V_p/V_s扰动分布图像.研究结果表明:新丰江库区东、西部地区上地壳结构存在明显的差异.库区东部地区构造复杂,多条断裂在该区呈交叉状分布.北西向的石角-新港-白田断裂带在库区段内具有复杂的岩性和构造特征,该断裂带在新港至双塘一线可能延伸至地下8 km左右;近北东向的断裂带切割地壳较深.峡谷区及大坝以东附近地区存在上、下贯通的波速比高值区,尤其是大坝以西的深水峡谷区,存在一条顺河走向的陡倾角断层裂隙带,为库水渗透提供了良好通道.库区西部地区为相对稳定构造区,完整坚硬的花岗岩体透水性能较差,受库水渗透影响很小.新丰江水库诱发地震的形成与深部构造环境密切相关.峡谷区及大坝以东附近地区上地壳介质性质呈现明显的横向不均匀性,微震分布在介质物性结构的特定部位,"软"、"硬"交错的介质环境是倾滑正断层型微小震产生的可能原因.     

Prediction and verification of earthquakes induced by the Xiluodu hydropower station reservoir

Research has been conducted on reservoir-induced earthquakes in China since the Xinfengjiang reservoir-induced earthquakes in the 1960s. Regulations now require the risk of reservoir-induced earthquakes to be evaluated in the pre-research stage of all hydropower projects. Although nearly 40 cases of reservoir-induced earthquakes have been reported in China, analyses comparing the changes in seismic activity following reservoir impoundment with predictions are rare. In this study, we compared seismic activities observed in the reservoir area before and after the impoundment of the Xiluodu hydropower station in terms of the spatial distribution, frequency, and focal depths of the earthquakes, and clarified the correlation between their frequency/timing and reservoir level after impoundment. We then concluded that the seismic events in the head region were karst-type earthquakes, while those in the second segment of the reservoir were tectonic earthquakes. The spatial distribution of the earthquake epicenters and the seismic intensities validated some of the results for the reservoir-induced seismic risk assessment for the Xiluodu hydropower station, indicating that the proposed earthquake triggers and predictive models are reasonable. This study can provide a valuable reference for investigating the mechanism (s) of reservoir-induced earthquakes, revising reservoir-induced earthquake hazard assessment codes, and predicting the hazard zones of reservoir-induced seismicity under similar conditions.     

四川紫坪铺水库库区地震剪切波分裂研究

本研究利用四川紫坪铺水库数字地震台网2004年8月17日~2008年5月11日的地震观测波形资料,使用剪切波分裂SAM系统分析方法,获得了四川紫坪铺水库库区8个数字地震台站的快剪切波偏振结果.结果表明,紫坪铺库区台站的快剪切波偏振优势方向主要为NE或NW方向;台站的快剪切波偏振优势方向与区域主压应力方向或活动断裂走向一致;快剪切波偏振方向变化可能与汶川大地震前区域应力场的增加和龙门山断裂带微破裂增加有关,慢剪切波时间延迟的变化与四川紫坪铺水库水位升降变化相关.     

水库诱发地震时空演化与库水加卸载及渗透过程的关系 ——以紫坪铺水库为例

为了解水库蓄水过程中,水库诱发地震活动的动态响应机制,本文建立了针对水库诱发地震(Reservoir-induced seismicity,RIS)定量化研究的数理模型,并以紫坪铺水库为例,对库区地质构造及水文地质结构条件、水库蓄水后库区小震活动时空演化特征进行了详细的研究.在此基础上,利用有限元方法计算了水库蓄水过程中弹性附加应力场、有效附加应力场、孔隙压力和断层稳定性的动态变化,讨论了RIS时空演化与库水加卸载及渗透过程的动态响应关系.结果表明:(1) RIS诱发机制的定量化模型可分为2个层次:一是以孔隙介质为载体的流体渗流对岩体变形和稳定性的影响,由流-固耦合形式的岩体变形与孔隙渗流模型进行描述;二是对断层相关的RIS定量研究可将水库附加水头压力沿断层面(区)的扩散与断层库仑应力变化联系起来.两种形式模型方法的结合能为RIS定量研究提供一个相对宏观的力学框架;(2) 断裂渗透结构对孔隙压力变化下断裂的力学响应具有重要的影响,研究区主干断裂可能属于一种上盘破碎带导水、下盘地层及断层核阻水的"下阻上导型"的渗透结构类型,不同程度的具有使地表水体向深部渗流的通道性.库区深部岩体渗透稳定性的差异在很大程度上导致了诱发地震活动对岩性条件的依赖.(3) 紫坪铺水库蓄水后,小震活动在空间分布上呈现出条带状分布、丛集分布和地震迁移的特点,小震震源深度优势分布在地下4~10 km范围内,在通济场断裂与安县-灌县断裂的深部汇聚区域震源分布最为密集.同时,小震活动主要集中发生在脆性程度高、渗透稳定性低的碳酸盐岩地层中,而在岩性较软弱、渗透稳定性高的三叠系须家河组砂泥岩和煤系地层中很少有地震发生.在水库蓄水后地震活动的时间响应特征上,水库西南侧和东北侧两个丛集区的小震活动可能属于"快速响应型"RIS,而都江堰小震群活动可能属于"滞后响应型"诱发地震活动;(4) RIS的发生与库水加卸载及渗透过程中库底岩体有效应力的变化密切相关.在以挤压为主的构造应力环境中,库体荷载作用的结果一般会使库底断层更趋向稳定,而水库附加水头压力扩散的效应则是促使断层趋向失稳,正是这个矛盾双方相互制约与平衡的动态过程,控制了断层库仑应力变化的取向,从而决定了RIS时空演化的规律.     

汶川8.0级与昆仑山口西8.1级地震前地震活动异常特征与启示

两次特大地震前在不同时段、 不同范围出现了多项相似的地震活动性异常, 它们对预测特大地震具有一定意义: ① 两次大震前10余年, 青藏块体同期出现了两个规模巨大的中强以上地震增强区, 两次大地震发生在增强区内的空区里; ② 两次巨大地震前数年, 形成规模巨大的中强地震活动带, 地震发生在两个条带间的平静区里; 同期形成中等以上地震活动环, 其内部的地震频度、 加卸载响应比及非均匀度等参数甚高, 且随时间而变化, 这可作为孕震进入中期的信号; ③ 两次大震前的震群、 震丛均很显著, 昆仑山口西地震前四个显著震丛环绕震中四周分布, 汶川地震前震群在震中周围形成包围圈, 它们应视为大震孕育进入后期的显示; ④ 大震前数月, 靠近发震断裂带发生少量中小地震或少见的震群。 汶川地震前10个月, 龙门山断裂带北部发生两次青川4级多地震和松潘4.3级地震, 南部康定附近发生3次4级以上地震。 紫坪铺水库区小震群于震前3个月活动十分强烈。 昆仑山口西地震前约1年青海兴海发生6.6级地震, 昆仑山口西发生5.1级地震, 该地震距离8.1级地震约30 km。这些特征给我们的重要启示是: ① 特大地震前出现的前兆时空特征与常见的中强地震差异很大, 现行的监测预报体制(分省分片负责)与特大地震前兆不相适应; ② 特大地震的预测预报不能单纯依靠地震前兆, 必须与地质构造及深部探测紧密结合起来; ③ 特大地震的预测预报应有新的预报战略、 观测系统与组织机构相适应。     

紫坪铺水库与汶川地震关系的讨论

利用紫坪铺水库专用地震台站和加密地震台站资料,使用双差法完成了震前930次地震、汶川8级主震和5, 789次余震的重新定位,探讨了紫坪铺水库与汶川地震之间的关系,获得了有利于证明它们之间密切关联的事实: 1)紫坪铺水库2005年蓄水之后出现了水磨、深溪沟和都江堰震群,地震应变能释放增加了200%,与库水位变化密切相关,在汶川地震前呈现出加速释放的现象; 2)野外调查表明存在1条贯穿紫坪铺水库库区、走向NE的同震地表破裂带,与中滩铺断层位置一致; 3)余震分布以中滩铺断层为界,西北上盘多,东南下盘少; 4)利用P波初始到时重新确定出的汶川主震发震时刻为27分59.5秒,初始破裂深度在6～9km左右,直接位于水磨震群之下; 5)汶川主震与发生在2008年4月5日水磨震群中的1次小震的各个台站到时差相同。     

紫坪铺水库诱发地震与构造地震波谱时频特征差异性研究

利用紫坪铺水库2004～2007年记录的实际地震数据,通过比较多种滤波方法,发展出一种既能有效滤除地震数据中本底噪音、又对有效信号损伤较小的比值滤波方法。对去噪后的水库诱发地震和构造地震数据,利用小波变换方法,分别进行时频分析获得两类地震的时频谱,并提取可以反映地震发生前后能量分布和聚集情况的时频属性,最后根据各个属性的响应效果,组合得到新的属性。将时频谱与时频属性相结合,总结归纳紫坪铺水库诱发地震与构造地震波谱时频特征的差异性,为地震监测分析提供基础依据。     

P-wave velocity structure beneath reservoirs and surrounding areas in the lower Jinsha River

The lower reaches of the Jinsha River are rich in hydropower resources because of the high mountains, deep valleys, and swift currents in this area. This region also features complex tectonic structures and frequent earthquakes. After the impoundment of the reservoirs, seismic activity increased significantly. Therefore, it is necessary to study the P-wave velocity structure and earthquake locations in the lower reaches of the Jinsha River and surrounds, thus providing seismological support for subsequent earthquake prevention and disaster reduction work in reservoir areas. In this study, we selected the data of 7,670 seismic events recorded by the seismic networks in Sichuan, Yunnan, and Chongqing and the temporary seismic arrays deployed nearby. We then applied the double-difference tomography method to this data, to obtain the P-wave velocity structure and earthquake locations in the lower reaches of the Jinsha River and surrounds. The results showed that the Jinsha River basin has a complex lateral P-wave velocity structure. Seismic events are mainly distributed in the transition zones between high- and low-velocity anomalies, and seismic events are particularly intense in the Xiluodu and Baihetan reservoir areas. Vertical cross-sections through the Xiangjiaba and Xiluodu reservoir areas revealed an apparent high-velocity anomaly at approximately 6 km depth; this high-velocity anomaly plays a role in stress accumulation, with few earthquakes distributed inside the high-velocity body. After the impoundment of the Baihetan reservoir, the number of earthquakes in the reservoir area increased significantly. The seismic events in the reservoir area north of 27° N were related to the enhanced activity of nearby faults after impoundment; the earthquakes in the reservoir area south of 27° N were probably induced by additional loads (or regional stress changes), and the multiple microseismic events may have been caused by rock rupture near the main faults under high pore pressure.