利用统计地震模型从地震活动参数中获得流体信号

根据众所周知的库伦破裂准则,应力或孔隙压力的变化都会导致地震破裂。余震活动一般认为是地震应力变化引起的,它服从大森定律。而地震群则认为是通过地下流体侵入岩层所致。应力触发可以通过在地壳单独构建三维弹力应变模型分析,而地震引起的地下流体流动情况必须通过空隙压力变化和地震之间相互作用应力场的改变这样复杂的地震活动图像研究。我们看到ETAS模型是从复杂地震活动图像获得最初流体信号的一种适当工具。我们主要分析2000年发生在欧洲中部的波西米亚西北部Vogtland地区的大地震群。通过拟合随机的传染型余震序列模型(ETAS)我们发现应力触发在创建观测地震活动图像和解释观测事件破碎时间分布时起支配性作用。外力在直接触发引起地震活动中起到的作用是很有限的,这种外力被认为是由于流体入侵导致孔隙压力变化而产生的。然而时间上的反褶积表明显著的流体信号源于地震群。这些结果已被我们的仿真模型模拟研究证实,在这个研究中,流体侵入和应力在三维弹性半空间中沿断层面转移时触发地震。基于ETAS模型的反褶积过程能够揭示地下孔隙压力变化。     

孔隙压力扩散触发2000年Vogtland地震群的证据

因孔隙中注入流体而诱发的地震通常有某些特定的典型时空特征。当孔隙压力扩散是主要的触发机制时,这些特征在某种程度上被认为是地震前的信号。由人工地震的典型扩散特征出发,我们在中欧的德国和捷克边疆的Vogtland/NW Bohem ia(VB)地区寻找相似的地震模式。VB地区的特点在于在其内部重复发生震级达ML4.5级的地震群。强有力的地球物理学证据表明,在地壳内部的地震事件与流体相关的过程有联系。此项工作的主要目的在于研究,流体在VB地区所担当的可能角色。通过孔隙压力扩散机制,我们检验了上升的岩浆流体触发地震事件这样的假定。触发过程主要由两个物理量来控制,水压扩散率和地震临界值(也就是,临界孔隙压力导致地震;稳定的场地有高临界压力的特点),二者以完全不同的形式存在于岩石当中。VB地区2000年地震群的数据分析结果支持了这种观点。我们能够识别扩散信号,并获得了在地震活跃区域水压扩散率的估计值在0.3到10 m2/s之间。应用考虑了与空间相关的扩散率和criticalitypatches的数字模型,我们成功地模拟了2000年地震群的普遍地震模式,包括地震事件的时空分簇和地震活动性的运移。     

福建仙游震群的孔隙压扩散特征

2010年8月至2015年12月,福建仙游地区发生了一系列小震群活动。基于孔隙压力扩散机制对精定位的小震数据进行分析,结果显示仙游震群序列在空间上呈丛集分布,且具有明显的分区现象,发震时间受金钟水库水位变化的调制作用较为明显。5个分区（A—E）的流体孔隙压力扩散系数分别为0.04,0.08,0.07,0.12和0.05 m2/s,伴随着地震活动性由强至弱,孔隙压扩散系数呈先增后减的变化规律。仙游震群位于断裂构造发育区内,震中分布优势方向与石苍断裂一致,沿着断裂走向的孔隙压扩散系数最大,说明地下流体沿狭长的石苍断裂由NW向NE活动。各分区的流体孔隙压系数与扩散最大距离、最大诱发地震震级及地震释放能量均有较好的相关性。此外,当金钟水库水位下降时,各分区的扩散距离r呈现减小趋势,震群范围收缩,地震频次增加,并伴有较大震级的地震,说明水位下降时,流体孔隙压力的扩散作用在同一地点反复作用,使得触发源附近区域的应力水平更容易达到饱和或临界状态,进而触发较大震级的地震,这也解释了水位下降过程中地震更为强烈的原因。      

龙滩水库诱发地震的孔隙压力扩散特征

利用孔隙压力扩散机制,分析了广西省龙滩水库与蓄水有关的小震精定位数据,获得了5个分区的流体孔隙压力扩散特征.龙滩水库与蓄水有关的小震活动表现出明显分区现象,使用多源孔隙压力扩散过程触发机理,计算出5个分区流体孔隙压扩散系数值为0.04～0.65 m2/s.根据5个分区流体孔隙压力扩散程度,将这5区划分为I、Ⅱ、Ⅲ三种类...     

圣安德烈斯断层中是否存在高孔隙压力

假设圣安德烈斯断层(加州)中存在高孔隙压力流体,并用其来解释断层的主动性失稳,这或许直接影响着对地震发生机理的认识.但最近在位于加州东部圣安德烈斯断层上的钻探(SAFOD,San Andreas Fault Observatory at Depth)中,未发现存在高孔隙压力流体的相关证据[1].假如没有高孔隙压力普遍存在的证据,这将影响我们对圣安德烈斯断层或其他活断层上地震发生机理的认识.然而,笔者认为圣安德烈斯断层深钻现有的证据,尚不足以否定高孔隙压力流体存在的假说.要充分认识断层中孔隙压力的特征,还需要在圣安德烈斯断层的钻孔上进行长期监测.以上分析结果或许对解释其他活断层钻探项目结果有所帮助.     

地壳中流体动力学模型研究

较全面介绍了近年国内外地壳地下流体动力学研究的最新成果。综合分析前人研究成果并将其系统化为地完尺度上地下流体动力学系统的概念模型和数学模型。模型根据影响地下流体动力特性的主要因素和介质渗透特征,把地壳渗流场分为深度小于6km的饯部带、6～17km的过渡带和大于17km的深部带。数学处理上把驱动流体运动的各种地质作用归一化为“地质力”,以地下流体运动方程中的源汇项表示。分析了不同地质环境各种地质作用对地下流体系统的作用特征。对地壳中普遍存在的异常孔隙压力现象,从流体动力学的角度进行了解释,并认为周期性地震活动是形成异常高孔隙压力的主导因素。     

震后地形变与孔隙压力瞬态变化的相互关系

大震改变地壳的应力,从而触发地震及其余震。一系列随时间变化的过程,包括余滑、孔隙流体的流动、下地壳和上地幔粘性的张驰、断层附近应力和孔隙压力调整以及地震的触发进程。然而,尽管进行过多次尝试,但通过直接场地的观测,很难将这些过程区分开来。这里我们采用一种星载雷达干涉图和冰岛南部地震带两个6.5级地震地热井水位变化过程结合的测量法。干涉图记录到的形变既不能用余滑也不能用粘-弹性张驰来解释,但它与地震发生后最初两个月孔隙弹性物质的回跳一致,这可以用地震引起水位变化的快速恢复(1—2个月)来证实,相反余震序列的持续时间达到3.5年,这表明余震的持续时间并不是由孔隙流体的流动控制的,但是,因为表面应变是由地壳浅部孔隙压力的变化控制的,因此,我们不能排除在余震发生深度存在较长时间的孔隙压力瞬态变化。余震的持续时间与随速度和状态变化的摩擦定律控制的地震活动变化速率模型是一致的。     

地下流体附加力源的研究新思路

提出地下流体储量变化是地震和多种前兆发生的附加力源的新观点，认为多种天然的和人为的因素所引起的地下流体储量变化。是一种附加力源。它通过流体载荷、孔隙压力、动水压力及化学腐蚀等作用，促进地壳的构造变形，并导致多种地震前兆异常的产生；而流体载荷和构造变形，又可促进地震的孕育和发生。对于降水、地表水、开采等因素造成的异常变化，不能简单地当做干扰来加以排除，它本身包含有大量的地震前兆信息。论述了该思路的科     

孔隙流体作用对地震活动影响的计算机模型研究

研究了孔隙流体对地震活动的影响．首先讨论了含有多个断层的地壳中流体的传输方程,并将该方程离散化,以期更有效地将流体的作用加到弹簧 滑块 阻尼器模型中;然后应用含有6个断层、每个断层含有8个震源的构造模型（简称68模型）,在给定镜像边条件的情况下,对孔隙流体的传输方程求显式和隐式解．通过分析有水源的情况,认为进行多步迭代时用隐式解法比较合理．利用隐式解法得到的结果,根据镜像边条件及无水源的初条件,对地震发生后破裂元件上孔隙流体压与周围未破裂元件上孔隙流体压,按某种比例进行了计算,并对所得结果进行了初步讨论．计算表明,有孔隙流体作用的系统中,地震活动明显增强,地震的频度和强度都有所增强．孔隙流体对模型系统地震活动的增强作用是不均衡的,因而流体压对地震系统的作用更增加了地震预测的复杂性．      

2019年长宁地震序列的震源性质:来自流体的影响

2019年长宁M_S6.0地震发生在构造稳定的四川盆地南缘,震中及其附近区域是重要的页岩气以及盐矿生产基地,因此长宁地震的发震机制是否与人类活动有关存在着很大争议.由于震源机制以及流体压力可以为地震诱发与否提供重要的约束,我们对长宁主震以及9个M_W≥4.0强余震的震源性质和发震机理进行了研究.研究结果表明,长宁主震及其大部分强余震都具有较浅的震源深度(1～4km)和显著的非双力偶成分特征.然而,主震与强余震之间存在两个显著的差异:(1)主震的非双力偶成分以补偿线性矢量偶极成分为主,而大多数强余震的非双力偶成分以各向同性成分为主;(2)主震的流体超压大于30MPa,而大部分强余震的流体超压小于10MPa.因此,认为2019年长宁地震的主震可能是由于长期流体注入导致断层强度减弱而触发的,其较高的非双力偶成分与复杂的破裂过程有关.同时,结合孔隙弹性介质下的库仑应力变化,推断强余震可能是由于震后孔隙弹性应力转移触发的.基于该地震的震源性质、流体超压以及孔隙作用引起的库伦应力变化,认为流体作用对长宁地震序列的发生产生了重要影响.     

低渗透储层孔隙流体压力预测方法及应用

在非常规储层的勘探开发历程中,人们逐渐意识到当非常规储层中具有异常高的孔隙流体压力时有利于油气的保存和获得较高的单井产能,为了在非常规储层中寻找高效井、高产井,对孔隙流体压力进行定量的预测是十分有必要的.目前预测孔隙流体压力的方法主要是利用了在异常高压地层中具有低纵波速度的特性,但由于异常高压不是唯一引起纵波速度降低的原因,所以利用现有方法预测孔隙流体压力存在一定的误差.近年来随着地震勘探技术的进步,很多学者利用岩石物理实验证实孔隙流体压力与横波速度之问也有很密切的关系,因此我们从杨氏模量的定义出发结合波动方程推导了有效应力与纵、横波速度以及密度之间的关系,并引入多孔介质中的有效应力定理开发出了一种新的方法来计算非常规储层中的孔隙流体压力.利用该方法在准噶尔盆地低渗透储层的油气勘探中取得了良好的应用效果.     

山东胜利油田角07井注水地震序列的演化及其机制

1985年12月至1986年1月发生的山东省胜利油田角07井注水地震序列,经历了特有的演化过程,即全序列可分解为4个子序列,且子序列逐渐由震群型向主余型过渡.前期地震(最大地震之前)呈升级趋势,地震b值前期高于后期,地震时间结构的分数维D则前期低于后期,以及较大地震的lg△t-lgt前期较为紊乱,而后期线性相关等.计算表明,注水后岩石孔隙压力大于临界孔隙压力,从而诱发了地壳浅部岩石低初始应力的提前释放,而水的渗透作用则导致岩石孔隙压力随时间由高度非均匀分布向相对均匀分布转换.角07井地震序列的演化与这一物理过程有关.      

深井孔隙压力测量及其与地震活动性的关系

介绍了在深钻井中测量岩层流体孔隙压的方法．以华北地区沉积盆地为例，分析了0～4 km深度岩层孔隙压实测值的变化规律，并结合区内1900年以来发生的MS5.0的地震，讨论了3 000 m深处异常孔隙压的区域分布与地震活动的关系．研究结果表明，深井中实测的岩层孔隙压p0并不完全等同于静水压pH，超孔隙压现象存在但不具普遍性．由油田勘探井、评价井及开发井中实测的孔隙压(p01，p02及p03)与静水压之间的关系为:① 具超孔压的地区p01＞p02＞pH＞p03；② 孔隙压正常或偏低的地区pH＞p01＞p02＞pH＞p03．通过对本区超孔隙压现象的区域分布与MS5.0地震活动的关系分析，发现大约以纬度36～36.5为界，南部存在超孔隙压现象，即在约2 000 m深度以下，实测孔隙压明显高于静水压，且随深度增加而呈幂函数递增，其地震活动性弱；而北部实测孔隙压基本正常或偏低，孔隙压值随深度呈线性递增，其地震活动性较强．      

基于地下水位观测的震后孔隙回弹：以2000年冰岛地震为例

以2000年两次M_W 6.5冰岛地震为例，利用近场地下水位的同震响应和震后响应约束孔隙模型参数，分析了孔隙回弹效应造成的地表变形大小和时间演化过程。首先利用数值模拟方法获得地震造成的孔隙压力变化和测井水位响应的时间序列，并以测井水位的同震阶跃幅值和震后水位恢复速率分别约束孔隙模型中的Skempton系数和扩散系数；然后基于孔隙弹性模型使用最优孔隙参数模拟震后孔隙回弹效应引起的地壳变形。结果显示：孔隙压力的同震响应控制着孔隙回弹引起的地壳变形，其变形速率与流体扩散系数呈正相关关系；孔隙回弹造成的变形以垂直向为主，且随时间快速衰减。因此，利用近场地下水位的同震响应和震后响应可以约束孔隙模型参数，为获取震后孔隙回弹机制所致的地壳变形提供依据。     

张北6.2级地震前廊坊地区水位中期异常特征分析

对张北6．2级地夺前廊坊市区域内4口浅井的水位变差研究表明，这4口井的水位变差在张北地震前显示出明显的中期和中短期异常变化，存在着“正值上升→下降→负值→地震”的规律。认为浅井水位作为一种附加力源，以流体载荷、孔隙压力、化学腐蚀的形式作用于地壳岩石，对张北地震的发生起到了促进作用。     

孔隙弹性介质中的震后流体流与库仑应力变化

一般认为地震序列的发生意味着不同断层段之间的一种相互作用。每次位错产生的同震应力的传递则是这种相互作用最显著的成分。然而，一个地震系列中各个后续事件之间的时间间隔却表明，同震应力尚不足以单独引发其他的地震。我们研究了同震应力场可能诱发孔隙流体流，改变了所在区域的孔隙压力分布情况。鉴于地壳在很多地区都是一种流体饱和介质，故将地壳视为一种孔隙弹性固体。由于孔隙物质所表现的应力场依赖于时间，所以我们将验证这种性质能否解释余震的触发。我们考察了一些现有的半无限平面断层的解析方法。对可渗透的和不可渗透的位错面均作了考虑。我们将孔隙弹性介质的解法与孔隙介质的解法作了对比，计算了变形与流体扩散之间的耦合效应。结果发现主震产生的库仑应力变化在某些区域初始时可能表现为负值，但尔后随着孔隙流体的重新分布而变为正值。这种变化意义重大。如果地壳确如我们所假定的表现为一种各向同性、充满流体的孔隙弹性介质的话，那么，通过孔隙流体扩散的库仑应力触发作用则很可能是余震产生的重要机制，余震发生的范围分别为长约2．5个断层长度，宽约0．5个断层长度。这个范围小于以前模型的预测值，以前的这些模型都忽略了弹性变形和孔隙流体扩散之间的力学相互作用。对于典型的孔隙结构，流体流引起的应力变化在主震发生后约一年内会有很大程度的衰减。     

汶川8.0级地震近场流体的同震响应与震后效应机理的数值模拟研究

2008年汶川8.0级地震引起大范围流体观测同震和震后显著响应, 本文通过对流体观测数据进行分析, 确定了此次地震显著近场流体观测变化的台站。 基于汶川8.0级地震永久形变引起的孔隙压力变化理论计算, 讨论近场流体观测同震和震后变化的物理机制。 为探讨强震引起的同震和震后流体影响空间特征, 分别计算了不同机制类型不同震级所对应的流体响应, 以期确定流体近场效应的空间特征, 为强震同震和震后流体观测机理分析提供了有意义的参考。     

2005年10月巴基斯坦MW7.6地震对余震的触发研究

本文研究分析了2005年10月8日巴基斯坦主震产生的库仑破裂应力变化对余震的影响。计算时考虑了以下因素：（1）断层泥区域的孔隙流体压力和介质弹性常数与周围介质中的不同；（2）地震震源区的构造应力场方向；（3）将震源区构造应力和主震破裂产生的应力叠加计算得到余震破裂机制。该研究考虑了多种因素，计算结果与余震的分布比较吻合。结果表明2005年10月8日巴基斯坦主震对大部分余震有触发作用。     

地震前热异常机理多物理场耦合数值模拟初步研究

地震的孕育和异常的产生是多物理场相互作用相互影响的过程,其中应力场、渗流场和热场是其中最重要的物理场.岩石变形与热效应导致流体孔隙压力和渗透特性的改变;流-固传热和岩石变形生热引起温度变化;热应力与流体孔隙压力变化影响岩石变形.     

龙滩水库诱发地震三维孔隙弹性有限元数值模拟

本文以龙滩水库为例,根据库区地质构造、深部速度结构及数字地面高程,建立了库区三维有限元模型,基于孔隙弹性理论计算了水库蓄水过程中库底断层和围岩体孔隙压力、有效附加正应力、剪应力和库伦应力的动态变化,并结合水库蓄水后库区地震活动时空分布的特征,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及其可能的成因机制.结果表明：（1） 龙滩水库蓄水后地震活动呈现出明显的丛集性,主要分布在罗妥（丛Ⅰ）、八茂（丛Ⅱ）、拉浪（丛Ⅲ）、坝首（丛Ⅳ）和布柳河（丛Ⅴ）5个水库蓄水后淹没的深水区,这些区域也恰恰是库水加卸载及渗透过程中ΔCFS增加最明显的区域,而ΔCFS的影区几乎没有地震发生,表明水库蓄水后库区地震活动与ΔCFS的变化密切相关.（2） 在水库蓄水过程中,与水库有直接水力联系且渗透性较好的断裂成为地表水体附加水头压力向深部扩散的优势通道,沿此通道附加水头压力扩散的最大深度达13 km左右,震旦系-古生界以碳酸盐岩为主的地层成为附加水头压力扩散的主体层位,这与蓄水后库区中、小地震震源深度均小于13 km,且优势分布在5~10 km的特征相吻合,表明由于孔隙压力的存在降低了岩石的抗剪强度,同时部分抵消了围压的影响,致使该层位的岩体易于产生脆性破坏从而诱发地震活动.（3） 无论是深部还是浅部,各丛地震密集发生的时段绝大部分与相应深度ΔCFS加速升高或阶段性高值时段相重叠,可能说明在库水位快速抬升或阶段性高值时段,受外部荷载加载速率快速升高的影响,库底岩体和断层、裂隙等结构面更容易实现失稳扩展;深、浅部地震响应时间、活动频度和强度的差异可能与不同层位岩体力学性质及渗透性能的不均匀性有关.（4） 各丛地震诱发的物理力学机制有所不同.丛Ⅰ、丛Ⅱ、丛Ⅲ地震的诱发可能与库体重力荷载、孔隙压力扩散和库水浸润弱化3种作用都有关;丛Ⅳ地震的诱发主要受控于库体重力荷载作用,孔隙压力扩散和库水浸润弱化不起主导作用;丛Ⅴ地震的诱发主要受孔隙压力扩散和库水浸润弱化作用的影响,库体重力荷载作用一定程度上抑制了地震的发生.