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.     

答“评‘紫坪铺水库造成孔隙弹性耦合变化及其对2008年汶川地震触发作用’二维模拟的局限性”

程惠红等(2015)在"评‘紫坪铺水库造成孔隙弹性耦合变化及其对2008年汶川地震触发作用’二维模拟的局限性"一文中提出,陶玮等(2014)采用二维模型模拟紫坪铺水库造成孔隙弹性耦合变化是一个不足,夸大了汶川地震震源处库仑应力增长值.我们认为采用二维模型模拟水库造成汶川地震震源处库仑应力变化确实可能存在一定偏差,但不会如程惠红等认为的"与三维模型相比夸大三倍".这是因为在程惠红等引用的论证中,二维模型计算中选取了接近水库最大剖面宽度而不是水库平均剖面宽度作为加载量参数,造成计算得到震源处库仑应力明显夸大.此外,陶玮等(2014)提出论断的主要依据不是"震源处"库仑应力值的大小,而是紫坪铺水库蓄水"由浅入深影响到整条断层,尤其对浅层范围的加载作用明显,达上百千帕,为整个断层面的失稳提供了基础".初始破裂的发生既可能是由水库蓄水引起,也可能是并非水库蓄水造成的一次普通构造小震,但其发生引发断层面上部已被水库蓄水弱化部分的连锁失稳而发生大震.即汶川地震既可能为直接触发也可能为间接触发,而我们的研究结果认为地震的发生完全可能由间接触发产生.若仅纠结于"震源处"的库仑应力变化,则忽视了水库蓄水影响的主体.水库蓄水对地震触发作用是一个复杂问题,相对这一问题所涉及的一系列不确定性因素来说,二维模拟的局限性所造成的影响并不很大也不是最大的,也不妨碍我们据此得出紫坪铺水库蓄水促进汶川地震发生的结论.     

紫坪铺水库造成孔隙弹性耦合变化及其对2008年汶川地震触发作用

位于川西地区龙门山断裂带附近的紫坪铺水库于2005年9月开始蓄水.约2.7年后,2008年5月12日,M_w7.9级汶川地震在龙门山断裂带上发生,两事件在时间和空间上的接近,揭示其可能相互关联,但前人的诸多研究给出了不同甚至是相反的结果.本研究基于完全耦合孔隙弹性理论,利用二维有限元模型(FEM),模拟水库蓄水造成的区域孔隙压力场和应力场的演化过程,基于库仑应力演化探讨其对龙门山断裂带活动的影响.模拟结果显示紫坪铺水库蓄水打破了原来的区域孔隙压力平衡,形成孔隙压力梯度源,向周围地壳传播;进而造成龙门山断裂带上库仑应力正值范围不断扩大,由浅入深影响到整条断层,尤其对浅层范围的加载作用明显,达上百千帕,为整个断层面的失稳提供了基础.震源区域库仑应力呈持续增长趋势,汶川地震发震前,增长了约数千帕~数十千帕,即使初期库仑应力为负,在未来某时刻库仑应力仍可能由负转正,并不断增大.通过计算汶川地震震源及其附近区域内相对于多种可能断层倾角的库仑应力,发现库仑应力随断层倾角增大而增加.因此整体来看,紫坪铺水库蓄水对龙门山断裂带起加载作用,有可能触发地震.对紫坪铺库区周围的小震分析也显示,蓄水以来小震明显增多、且不同时段小震发生密集区与水库距离逐渐增大,与孔隙压力扩散趋势一致.以上结果表明紫坪铺水库的蓄水增加了汶川地震的危险性.     

水库触发地震研究中二维与三维有限元模拟结果比较

紫坪铺水库蓄水载荷引起的库仑应力变化以及是否可以触发汶川M_S8.0地震是地学界关注的一个热点问题。 已有较多研究均建立在二维有限元模拟基础上, 然而二维与三维结果存在较大差异, 本文定量给出了该差异的大小。 首先比较了有限元方法与解析方法求解半无限空间点载荷下弹性问题结果, 确认了三维有限元计算在百万网格下具有足够的计算精度; 然后数值计算并比较了二维、 三维模型中紫坪埔水库蓄水的弹性力学及渗流效应。 结果表明, 总体上弹性加载会造成逆断层更趋安全, 而水压渗透使其趋于危险, 两者叠加仍然没有导致增加汶川地震危险性; 但现有的二维有限元模拟夸大了真实结果, 在汶川震源位置三维计算的应力大小仅为二维计算的1/3到1/4, 因此在严格的讨论中必须使用三维建模。     

定量分析紫坪铺水库蓄水与汶川地震发生的关系

为分析紫坪铺水库蓄水与2008年汶川M_S8.0地震的关系, 通过求解二维孔弹耦合层状介质下解析解形式的扩散孔隙压, 获取了汶川地震发生前地震震源处的扩散孔隙压值。 在此基础上, 开展了汶川地震发生前, 地震震源处以及北川—映秀断裂带断层面上应力变化量的计算。 结果表明, 汶川地震发生前, 地震震源处的库仑应力变化量值较小, 为-0.001 MPa, 表明蓄水对汶川地震的发生具有一定程度的抑制作用。     

评“紫坪铺水库造成孔隙弹性耦合变化及其对2008年汶川地震触发作用”二维模拟的局限性

2014年10月《地球物理学报》出版的陶玮等(2014)"紫坪铺水库造成孔隙弹性耦合变化及其对2008年汶川地震触发作用"一文基于完全耦合孔隙弹性理论,采用二维有限单元法模拟了紫坪铺水库蓄水造成的库区应力场和孔隙压力场的变化.该文模拟计算原则和思路是正确的,但仍然采用二维模型是一个不足.真实三维模型中水库是有限的一定面积内的载荷;而二维计算模型,却把水库载荷作为无限长的带状载荷,夸大了水库的作用.如果考虑三维模型,该研究得到的震源处库仑应力增长2~25kPa的结论可能只能解读为0.7~8.0kPa.对于紫坪铺水库是否对汶川地震有触发作用,目前各个研究组估计的库仑应力变化恰好处在是否可以触发的边缘.取得进一步认识的关键有赖于对地下结构、状态和物性认识的突破性进展.     

地表水体对断层应力与地震时空分布影响的综合分析——以紫坪铺水库为例

为系统研究水库对附近地区地震活动的影响,提出了一个综合分析地震活动性与水库蓄水引起的应力变化的方法并开发了通用性较强的软件。以紫坪铺水库为例,对水库引起的应力变化与库区附近地震活动性变化的关系进行了详细分析。一方面,定量地分析了水库蓄水过程在附近断层附加的库仑应力变化;另一方面,用紫坪铺水库地震观测台网的地震目录,对包括地震发生频度、能量释放速率、b值、空间相关距离等统计参数的时间演化进行了详细解析。数值计算结果发现,无论是荷重还是孔隙压的扩散都在被认为是汶川大地震发震断层的映秀-北川断层和灌县-江油断层的库区下伏段引起了明显的库仑应力变化。地震活动统计特性的时间演化与主要断层的应力变化之间存在明确的且符合岩石力学破坏准则的相关性。据此,初步认为紫坪铺水库在其蓄水过程中对其地下的龙门山中央断层和山前断层有明显的作用     

水库蓄水与断层带流体孔隙压时-空分布的数值模拟——以紫坪铺水库为例

通过对汶川地震破裂带上的断层岩及围岩的渗透率测量,获得了研究区岩石的渗透率随深度变化的规律。依据所得到的渗透率实验数据,数值模拟了紫坪铺水库蓄水所产生的流体孔隙压的时空分布。模拟结果显示,渗透率是否随深度变化,其流体孔隙压的模拟结果也相差很大。由于断层带具有高渗的特点,因此与水库底部存在水力联系的断层带及其宽度对流体渗透的模拟结果有明显的影响。断层带越宽,下渗作用越明显,流体孔隙压的分布与断层带的产状越接近。若断层带宽度为100~300m,2008年汶川MS8.0地震发生时,其震源区的流体孔隙压为0.1~0.15MPa,与库体载荷在断层面上产生的附加正应力相当。该模拟结果可以作为进一步分析汶川地震的发生是否与紫坪铺水库蓄水存在关联的重要约束。     

紫坪铺水库区不同蓄水阶段的地震活动及成因分析

利用紫坪铺水库地震小台网和成都遥测数字地震台网记录的地震资料,研究给出紫坪铺水库区的地震活动的定位结果和震源机制解.分析紫坪铺水库区不同蓄水阶段地震活动的差异变化.汶川8.0级地震前小震活动集中分布在起始破裂区的东侧,起始破裂区出现的微破裂增加可以理解为诱发小震活动,是发生在水库反复蓄、放水的第3个蓄水高峰后的卸载段,但从频次和强度分析仍属构造本身长期地震活动的一种起伏.汶川8.0级地震为巨大构造地震.紫坪铺水库区构造和环境条件满足诱发地震活动的条件.今后应注意水库区小震活动的变化,重视其缓慢的链式小震续增过程对本身就是巨大孕震构造带的突变作用.     

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.     

Discussion on 'Was the 2008 Wenchuan earthquake triggered by Zipingpu Reservoir?'

Some recent publications presented a result suggesting that Zipingpu reservoir hastened the occurrence of the 2008 MS8.0 Wenchuan earthquake by tens to hundreds of years.Their researches calculated the Coulomb stress change induced by Zipingpu reservoir on the rupturing fault of Wenchuan earthquake.Their results,however,are critically dependent upon the 3-D event location,reservoir location,and the fault plane orientation.We repeated Ge et al.'s work in this paper and found that an improper dip angle parameter of their 2-D fault model might lead to a wrong conclusion.Both the modeling results based on the 2-D model and 3-D model with proper fault parameters will show Coulomb stress changes alone were neither large enough nor had the correct orientation to affect the occurrence of Wenchuan earthquake,which supports our recent argument based on the local seismicity analysis and the induced Coulomb stress change calculation with a 3-D model.     

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。     

INFLUENCE OF PRESSURE HEAD CHANGE AND ITS CHANGE RATE ON RESERVOIR TRIGGERED SEISMICITY -A CASE STUDY OF ZIPINGPU RESERVOIR

For analyzing the role that reservoir impounding plays in triggering earthquake, the process of diffusion of pore pressure and its mechanism of action should be understood firstly. The temporal distribution of seismicity, which occurred before the M_S8.0 Wenchuan earthquake, following the impoundment of Zipingpu reservoir is studied in this paper. Then the mechanisms of the occurrence and development of reservoir triggered seismicity are discussed. A comparative analysis of the temporal distribution of seismicity and the submerged area by reservoir impounding is carried out firstly. Then the influence of various factors on modeling is analyzed in detail. After calculating, the pore pressure change by the Zipingpu reservoir impoundment is obtained. The following observations are made:(1)Conspicuous swarms of earthquakes, of which the sources are located on the same fault of the M_S8.0 Wenchuan earthquake, occurred orderly with the impoundment of Zipingpu reservoir.(2)Because of the influences of the terrain and the medium, the range of effect of pore pressure change by the impoundmemt is limited and anisotropic. Hydraulic diffusivities(D)of 0.7 and 0.35m²/s along the fault strike and the fault dip are reached respectively by a semi-quantitative assessment. Of course, the qualitative pressure constraints on the surface are also applied for the modeling.(3)The calculation results show that the temporal distribution of seismicity near the Zipingpu reservoir is related with the pore pressure change. After the pore pressure reached the threshold of triggering earthquake, whether the pressure head change is high or not, the change rate of pressure head change plays a key role in the decrease or increase of seismicity. It means that the triggered seismicity by pore pressure is a dynamic triggering process.     

2001年8.1级昆仑山大震破裂过程及对2008年汶川8.0级大震孕育发生影响的研究

本文用三维流变非连续变形(块体边界)与有限元(块体内)相结合(DDA+FEM)的方法,在青藏高原及其东侧四川盆地,鄂尔多斯块体地区三维构造块体相互制约的大环境中,考虑了龙门山断裂带东西两侧地势、地壳厚度和分层的明显变化,及断裂带东侧四川盆地及鄂尔多斯块体坚硬地壳阻挡的影响,通过用GPS资料做位移速率边界约束和震源机制约...     

CHARACTERISTICS OF TECTONIC STRESS FIELD OF THE XIAOWAN RESERVOIR BEFORE AND AFTER THE IMPOUNDMENT

Using the seismic waveform data of Xiaowan seismic network and Yunnan seismic network, we determined the focal mechanisms of 36 earthquakes(M_L ≥ 3.0)from Jun. 2005 to Dec. 2008 and 51 earthquakes(M_L ≥ 2.5)from Jan. 2009 to Dec. 2015 by generalized polarity and amplitude technique. We inverted tectonic stress field of the Xiaowan reservoir before impounding, using the focal mechanisms of 36 earthquakes(M_L ≥ 3.0)from Jun. 2005 to Dec. 2008 and CAP solutions of 58 earthquakes(M_L ≥ 4.0)collected and the solutions in the Global Centroid Moment Tensor(GCMT)catalog; We inverted local stress field of the reservoir-triggered earthquake clustering area, using 51 earthquakes(M_L ≥ 2.5)from Jan. 2009 to Dec. 2015. Focal mechanisms statistics show that, the Weixi-Qiaohou Fault is the seismic fault. Focal mechanisms were strike-slip type in initial stage, but normal fault type in later stage. Focal depths statistics of 51 earthquakes(M_L ≥ 2.5)show that, the average value of focal depths in period Ⅰ, period Ⅱ and period Ⅲ are 8.2km, 7.3km and 7.8km respectively and the standard deviations are 4.3km, 3.5km and 6.0km respectively. The average value of focal depths is basically stable in different period, only the standard deviation is slightly different. Therefore, there is not positive connection between focal depth and deviation of focal mechanisms. What's more, there are 2 earthquakes(number 46 and number 47 in Fig.5 and Table 3)with almost the same magnitude, epicenter and focal depth, but they have different faulting types as normal and strike-slip. The focal mechanism of event No.46 is strike:302°, dip:40° and rake:-97° for plane Ⅰ, however, the focal mechanism of event No.47 is strike:292°, dip:82° and rake:140° for plane Ⅰ. Likewise, earthquake of number 3 and number 18 have similar characteristic. Therefore, the obvious focal mechanism difference of similar earthquake pair indicates the complexity of Weixi-Qiaohou Fault. Considering the quiet-active character of reservoir-triggered earthquakes, we discussed the change of local stress field in different period. The σ₁ of tectonic stress field was in the near-south direction, with a dip angle of 14° before the impoundment, however, the direction of σ₁ of local stress field changed continuously, with the dip angle getting larger after the impoundment. The direction of σ₁ of local stress field of reservoir-triggered earthquake clustering area is close to the strike of Weixi-Qiaohou Fault, and reservoir impoundment increased the shear stress in the fault, so the weakening of fault was beneficial to trigger earthquakes. Comprehensive analysis suggests that fluid permeation and pore pressure diffusion caused by the water impounding, and the weakening of fault caused by local stress field are the key factors to trigger earthquake in the Xiaowan reservoir.