水库区库仑应力变化及地震活动机理研究

水库地震是由于水库蓄水或者水位变化,使得库区附近地震的次数和震级明显增高的现象。1939年米德湖4.6级地震发生后,水库地震的问题被首次提出。与构造地震相比,水库地震通常具有震源浅、震中烈度高、易于发生滑坡崩塌等次生灾害的特点。事实上,一些发生在水库区的地震常常与库区的构造活动相关,属于构造型水库地震。如何区分这类构造型水库地震和构造地震是当前面临和亟待解决的问题。水库地震发生的机理是解决该问题的关键。本文围绕水库蓄水后引起的库区应力变化和地震发生机理开展了研究。实现了孔弹耦合介质中解析解形式的扩散孔隙压的求解;获取了作为典型水库的三峡水库、紫坪铺水库库区的主要断层面上的孔隙压变化量、正应力变化量、剪应力变化量和库仑应力变化量;分析了引起库区应力变化的主要原因及蓄水与库区地震活动的关系;通过比较不同水库的计算结果,初步尝试性地提炼和总结了水库地震活动的发生机理。同时,本文通过构建新的地质模型,完成了孔弹耦合介质中解析解形式的扩散孔隙压计算程序,并结合弹性半空间理论完成了蓄水引起的水库区主要断层上应力变化量计算平台,针对水库地震机理问题开展定量分析计算,取得了以下研究成果和结论:(1)自1959年至三峡水库蓄水前,库区及邻近区域地震活动主要发生在水库库区外围,空间分布上比较分散。三峡库区蓄水后,库区地震活动显著增加,时间上与库水变化相关,空间上与库区的主要活动断裂带相关,且明显呈丛集状和条带状分布。地震活动主要在库首区九湾溪断裂带和仙女山断裂带交界处、库中泄滩附近和库尾高桥断裂带附近分布。(2)紫坪铺蓄水后,库区的地震活动显著增加,且主要发生在北川–映秀断裂带附近,呈三丛分布,分别为库水正下方区域、库区东北端和库区西南端。(3)水库蓄水后,三峡库区九湾溪断裂带上库仑应力变化量大于0,且最大值可达到0.01 MPa,断层附近发生的地震活动与水库蓄水有关,扩散孔隙压的影响大于水体载荷的作用。仙女山断裂带上的库仑应力变化量小于0,水库蓄水对仙女山断裂带附近地震活动的发生具有抑制作用。高桥断裂带和水田坝断裂带上库仑应力变化量大于0,最大值为0.001 MPa。断裂带附近的地震活动与蓄水在一定程度上相关,其中孔压扩散对地震活动的影响作用大于水体载荷的作用。(4)三峡水库蓄水进入175 m高水位蓄水段后,库区与M5地震有关的扩散孔隙压值为0.01 MPa量级,与M4地震有关的扩散孔隙压值为0.0001 MPa量级。水库水体的重力作用使得库区175 m高水位蓄水段的3次M4地震(2013年12月16日高桥M5.1、2014年3月27日秭归M4.3和2014年3月30日秭归M4.7)震源处库仑应力增加,断层趋于失稳,扩散孔隙压的作用进一步使库仑应力增加,是地震活动发生的主要因素。初步判断,此3次M4地震为构造型的水库地震。(5)紫坪铺水库蓄水后,发生在库岸东北端的丛集中的地震均与水库蓄水有关;地震震源处的库仑应力变化量均大于0,其增量为0~0.002 MPa之间;当扩散系数D=5 m2/s,孔压扩散的影响使得库仑应力变化量的量值增加为0.001~0.003 MPa,是引发地震活动的主控因素。同时,在蓄水后发生在库区西南端丛集中的地震中,10.2%与蓄水载荷作用有关,震源处库仑应力增量为0~0.002 MPa;在发生在库底正下方丛集中的地震中,67.8%与水库蓄水载荷作用有关,震源处库仑应力增量为0~0.02 MPa。在这两丛集的地震中,孔压的扩散作用使得更多的地震震源处的库仑应力变化量增加,表明扩散孔压是引起这两丛集内地震发生的主要原因。(6)无论是否考虑扩散孔隙压的影响,汶川MS8.0地震震源一直处于库仑应力变化量为负的区域。地震发生时,汶川地震震源区及其附近的库仑应力变化量的值为-0.001 MPa。据此初步判断蓄水引发汶川MS8.0地震的可能性微乎甚微。     

2019年河南淅川ML 4.2地震震源深度测定

采用震源深度测定的确定性方法（PTD）和震源机制CAP反演法,对2019年11月30日河南淅川丹江口水库发生的M_L 4.2地震进行分析,重新计算了此次地震的震源深度。结果表明,2种方法所得到的震源深度基本一致,均约为7.0 km,与中国地震台网中心统一编目结果（7.1 km）相差不大,此结果可能表明地震监测台网相对较好的情况下,用不同方法测得的震源深度相差不大。     

锡场地区5次M_L4.0级以上地震的静态库仑应力触发研究

2012年2月至2014年7月,以往地震活动很弱的锡场地区接连发生5次M_L4.0级以上地震。为研究这5次事件之间是否存在应力触发关系,首先使用双差定位方法、 CAP方法反演得到了这5次事件精确的震源位置、震源机制解和震源深度,并根据精定位后的地震展布和区域活动断裂选择了真实发震断层面。以此计算了锡场地区5次M_L4.0级以上地震之间的静态库仑应力触发影响。计算结果表明:锡场地区5次地震之间累计静态库仑应力变化大小均超过阈值0.1 Bar,存在应力触发现象。其中, 2014年7月11日的M_L4.5级地震被已发生的前4次地震触发,应力增加达0.331 Bar; 2014年4月25日的M_L4.4级地震被已发生的前3次地震触发,应力增加达0.368 Bar;而2013年2月22日的M_L5.1级可能被前面两次地震触发,累计静态应力增加为0.119 Bar,大于阈值0.1 Bar; 2012年2月17日的M_L4.2被2012年2月16日的M_L5.2级地震抑制,应力降低为3.37 Bar。     

河南淅川M_L 4.6地震序列特征及发震诱因初探

2018年2月9日河南淅川发生M_L4.6地震序列,震中位于丹江口水库库区,依据有关地震序列判别规则和地震学分析方法,分析认为此次地震序列非前震序列,属主余型地震,后续无更大地震发生。2017年11月丹江口水库蓄水位首次达167 m,3个月后即发生此次M_L4.6地震序列,通过丹江口水库水位与地震的相关性,分析认为具有较明显的水库地震特征。     

2015年9月14日河北昌黎4.2级地震及震中附近应力状态分析

2015年9月14日在河北昌黎发生了M_S4.2地震,这次地震位于唐山老震区,是2015年内首都圈地区最显著的地震。本文计算了这次地震的地震矩张量和2015年内发生在其附近小地震的震源物理参数,对比之前的研究成果讨论了小区域的应力状态。以往应力场研究侧重于最大应力主轴方向,本研究通过计算地震视应力参数估计了区域绝对应力水平下限,获得了有关应力状态的丰富信息。本文采用(1)反演地震矩张量的波形拟合法及(2)积分宽频带平均震源谱法2种方法计算出地震矩,得到的地震矩比较接近,说明本文计算流程和参数选择合理。综合分析得出下面两点认识:(1)区域应力场受到华北应力场控制,同时也表现出小区域特征;(2)地震视应力分布与10年前相比没有明显差别,可能意味着该区域的地震活动会维持现状。     

地震视应力在云南地震序列中的前兆特征

在假设震源位移谱符合omega;平方模型的基础上,得到了利用震源位移谱低频水平与拐角频率来计算中小地震视应力值的数学表达式.采用数字化速度波形记录,通过校正仪器响应、介质衰减与吸收效应、台站场地响应等影响因素后,计算得到了云南地区4个地震序列共823次中小地震的视应力值.结果表明,地震视应力在云南地区的这4个地震序列中有很好的前兆特征表现,即:地震序列中只要发生了视应力值超过1MPa的中小地震,其后就一定会有中强震发生;如果序列中中强地震发生后再没有发生视应力值超过1MPa的中小地震,则该序列就不会有强余震发生.同时研究表明,4个地震序列所在地区的平均视应力值为0.8MPa,地震视应力值与地震震级没有显著相关关系.      

银川地区M_L4级地震活动特征研究

1970年以来银川地区ML4级地震在时间上丛集发生,分别从主震震前小震与震后余震分布特征、余震序列参数计算和震源机制解的角度,研究了以上地震的活动特征。结果显示:每次地震的发生均具有一定的独立性;可计算余震参数的地震序列为非前兆震群,这一点与实际相符;震源机制解显示几次地震的发震断层主要属于银川隐伏断裂,并可能与该断裂附近的一系列次级断裂有关。分析认为几次地震的发生可能是局部应力调整的结果,与未来该区域是否发生大震关系不大,同时可以推测未来该区域依旧可能发生类似震级的有感地震。     

2020年河北唐山5.1级地震前震源参数变化

利用谱分析方法对河北省测震台网2016年1月—2020年7月唐山老震区(117.5°～119.5°E,39°～41°N)85次M_L≥2.5地震进行震源参数分析,发现该时段唐山老震区应力降范围在0.1～10.3MPa,主要集中在0.1～1.0MPa,其中应力降小于2MPa的地震占81%。当2.5≤M_L≤3.5时,应力降、拐角频率与震级之间无明显的对应关系;ML≥4.0地震较少,但应力降有随震级增大而增大的趋势,拐角频率有随震级增大而减小的趋势。2019年12月5日河北丰南M4.5地震和2020年7月12日唐山M5.1地震之间发生了 7次M_L≥2.5地震,震级范围为2.5≤M_L≤2.8,提取该震级范围的震源参数进行时空分析,发现唐山M5.1地震前有2次明显的高应力降事件,2次高应力降事件呈现出应力降数值高、拐角频率高、震源尺度小的特点,表明单位体积所释放能量较多。2次高应力降事件均发生在唐山M5.1地震震中17km范围内,可能是唐山M5.1地震前震源区构造应力较高的一个标志。     

2018年7月10日河南固始ML 4.0地震震源参数与发震构造分析

2018年7月10日河南固始发生M_L 4.0地震,为区域4级地震平静长达18年背景下的一次显著事件。为分析此次地震震源破裂性质和发震构造特征,采用Snoke方法计算震源机制解,结果显示,震源错动类型以正断为主兼具走滑,其中节面Ⅰ：走向127.0°,倾角75.0°,滑动角-78.0°;节面Ⅱ：走向268.0°,倾角19.0°,滑动角-128.0°,且节面Ⅰ性质与淮滨断裂破裂特征和切错方式符合;采用震源谱拟合计算得到此次地震应力降为2.756 MPa,固始及邻区M_L 2.5-4.0地震应力降普遍小于3 MPa,且与震级存在一定正相关关系。     

2000年以来南美板缘强震对2014年智利M_S8.2地震触发关系的初步研究

计算了2000年以来南美板缘强震(先前地震)对2014年4月1日智利北部M_S8.2主震、2014年4月3日M_S7.6强余震以及本次主震对其后续余震的应力触发作用,研究结果表明:先前地震在主震震源机制解2个节面上产生的库仑应力变化均为正;采用不同的有效摩擦系数,在主震破裂面上产生的库仑应力变化超过阈值(0.01MPa)的子元最低占22.2%,库仑应力变化为正子元的比率最低和最高分别为74.3%、95.5%。先前地震和主震在4月3日M_S7.6地震震源机制解的2个节面上产生的库仑应力变化也均为正,且远大于触发阈值;最低有58.2%的破裂面子元上库仑应力变化超过触发阈值,最低有64.0%的破裂面子元上库仑应力变化为正。故先前地震有利于本次主震的发生,先前地震及本次主震又有利于M_S7.6强余震的发生。根据全球CMT目录搜索到的8次余震震源机制解资料,计算了本次主震在后续余震震源机制解节面上的库仑破裂应力变化,计算结果显示,主震对其后续余震的触发效果不明显,由于余震资料的有限性,主震对余震的触发作用还有待于进一步研究。     

2015年11月22日广东徐闻M_L 4.2地震震源机制解及精定位分析

基于海南地震台网数字波形资料,采用CAP方法对2015年11月22日广东徐闻M_L 4.2地震反演震源机制解,计算得出节面Ⅰ参数:走向110°,倾角84°,滑动角-158°;节面Ⅱ参数:走向18°,倾角69°,滑动角-5°。推断为1次走滑为主兼有正断性质的破裂,与铺前—清澜断裂属于走滑正断的运动特征较为吻合。对2000年1月—2016年6月主震周边地区(19.3°—20.6°N,110.0°—111.0°E)M_L1.0以上183次地震进行双差精定位分析,得到146次地震的重定位结果。结果显示:震源深度分布不再仅局限于10 km附近,而是呈垂直带状分布,与雷琼地区新构造运动主要以垂直差异性活动为主的活动特征相吻合。     

利用模板匹配技术识别大岗山水库库区爆破事件

采用匹配定位方法,利用大岗山水库库区及附近（29.2°—29.9°N,101.9°—102.5°E）5次已知爆破事件对2014年3月1日至2015年12月31日内连续波形进行模板检测与定位,经过人工复核后共获取23次疑爆事件,这些事件与模板事件间有较高的相关性,相关系数达0.773 4,匹配后疑爆事件数为模板数的4.6倍,提高了对疑爆事件的识别率,同时剔除了原地震目录中人工误判的8次疑爆事件,有效地提高了地震编目质量。将匹配出来的疑爆事件及距离最近的台站记录到的NS向波形分别在Google Earth上投影,从影像图上可见扫描出的事件附近存在采石场或蓄水前修建大坝的场地,较符合爆破实际情况,重定位偏离量基本在0.5 km之内。研究认为,利用匹配定位的方法,能有效地区分不同类型的地震活动。     

2018年佳木斯汤原ML 4.4地震震源机制及地震趋势分析

2018年1月15日佳木斯汤原县发生M_L 4.4地震,采用ISOLA方法反演矩张量解,结果显示为逆冲型地震,兼少量走滑成分。结合震源区地质构造背景,推断依舒断裂北段通河-汤原段西支断裂为发震构造,主压应力轴与背景应力场方向不一致。分析认为,黑龙江亚板块由东南转向东北运动,造成断层两侧应力产生差异,区域应力场调整诱发汤原M_L 4.4地震。     

中原地区ML 3.0地震高频异常与ML 4.5以上地震时空特征分析

选取中原地区1970—2020年发生的983次M_L≥3.0地震,按季度、半年和全年统计地震频次,回溯检验各时段M_L≥3.0地震高频次异常与周边地区M_L 4.5地震的对应关系,得到以下结果：按照季度、半年和全年统计,3级地震高频次异常定量指标分别为5次、9次和18次,高频异常后1年内发生M_L≥4.5地震的概率分别为0.65、0.63和0.64,且R值计算结果表明,使用该方法预测地震具有一定可信度。将研究区以不同形式划分多种小区,进行3级地震高频次与M_L≥4.5地震震中空间相关性研究,发现在19次震例中,18次震例均可预估M_L≥4.5地震的发震区域,认为预测范围可由42平方度减小到21平方度,在少震弱震地区地震预测预报日常工作中,具有一定实用价值。     

2019年黄海ML4.6地震序列的震源机制和发震构造

2019年黄海M_L4.6地震序列发生在NW向苏北—滨海断裂带附近,历史上该断裂带附近曾多次发生破坏性地震。为了判断此次地震序列的发生是否与苏北—滨海断裂带活动有关,本文基于黄海M_L4.6地震震中附近400 km范围内的测震台站记录,采用CAP方法计算了此次黄海地震序列中M_L4.6和M_L4.1地震的深度和震源机制解参数,并使用双差定位方法对该地震序列进行了重新定位。研究结果显示:2019年12月8日黄海M_L4.6和12日黄海M_L4.1地震的震源深度分别为20 km和21 km,位于发震区域的脆韧转换带内;黄海M_L4.6地震震源机制解节面Ⅰ的走向、倾角、滑动角分别为123°,74°和61°,节面Ⅱ的走向、倾角、滑动角分别为6°,33°和149°;黄海M_L4.1地震震源机制解节面Ⅰ的走向、倾角、滑动角分别为135°,77°和32°,节面Ⅱ的走向、倾角、滑动角分别为37°,59°和165°。两次地震的震源机制解节面参数与苏北—滨海断裂带的几何参数并不一致,表明此次黄海地震序列的发生与苏北—滨海断裂带的主断裂活动没有直接关系。黄海地震序列震中的重新定位结果显示该地震序列呈NW向分布。由上述反演所获的两次黄海地震的震源机制和地震序列的重新定位结果推测,黄海M_L4.6和M_L4.1地震的破裂方向可能为NW向,黄海M_L4.6地震序列可能是发生在区域壳内脆韧转换带的左旋走滑地震事件。      

2016年门源MS 6.4地震前后视应力变化

利用青海区域地震台网数字地震波资料,计算2010—2016年研究区域184个M_L≥2.5地震及2016年门源地震序列150个M_L≥2.0地震的震源动力学参数,分析视应力时空变化。结果显示：视应力与震级呈正相关,随震级增大而升高;门源6.4级地震前中小震视应力存在起伏变化,可能反映了区域应力场的增强;门源M_L 5.0强余震前小震视应力呈升高趋势。     

利用sPL震相测定2017年河北临城ML 4.4地震震源深度

2017年9月4日河北临城地区发生M_L 4.4地震,为得到准确的震源深度,根据sPL震相基本特征,对震中距20-70 km范围内8个地震台站波形数据进行处理,在其中4个地震台观测到明显的sPL震相,利用频率-波数（F-K）方法,计算其理论波形图,与处理后的观测波形拟合对比,得到震源深度范围,与TDMT-INV方法、PTD方法及河北测震台网编目等结果基本一致,表明利用sPL震相测定河北临城M_L 4.4地震震源深度可靠,其深度范围为10-11 km。