水库诱发地震孕育与发生过程中超临界流体作用的思考

阐述易发地震"多震层"中的地下流体有产生二级相变的地质条件,在地下流体二级相变过程中释放出来的能量所产生地质动力使快速地质过程(地震)成为可能。结合在水利建设过程中的实际情况,讨论了在深大断裂附近可能发生地下流体二级相变引发的水库诱发地震。重点关注特定水库蓄水使得其下方可能出现的地下流体变化情况,对于水库诱发地震的监测预测都是十分重要的。在新建水库特别是大型水库时,应当避免在深大断裂附近选择建设水库大坝,以减小诱发水库地震的可能。     

我国的水库地震及有关成因问题的讨论

本文介绍了我国八个水库地震的概况,总结了水库地震的一般特点,同时讨论了与成因有关的几个问题。指出库水沿周围岩石向深处的渗漏及入渗库水的封闭环境是主要的诱发条件。除构造应力外,岩体的重力可能是另一种更具普遍意义的发震初始应力。水库地震属粘滑机制。它与岩溶密切相关     

水库诱发地震研究的历史、现状与发展趋势

简要回顾了水库诱发地震(RIS)研究的历史。从诱震库区的地质构造条件、水库蓄水诱震机理的数学物理模型、水库诱发地震的地震学、水库诱发地层危险性评价的理论和方法四个方面，介绍了水库诱发地震研究过程中各阶段所取得的重要认识。指出了目前水库诱发地震研究中存在的主要问题。提出以岩体结构控制论为理论基础，重视库区岩体结构、水文地质结构研究以取得诱震环境模型的发展与创新，以非均质各向异性介质环境流固耦合数值模拟为手段，以取得诱震机理认识的深化，是未来水库诱发地层研究的发展趋势。     

2015年1月山西介休M_L3.3震群发震原因初步研究

2015年1月15~27日,山西介休发生M_L3.3震群活动。精定位结果显示:震源体很小,震源较浅;根据震源谱拐角频率和视应力特征认为,本次震群活动与水库诱发地震有相似之处。鉴于本次震群孕震过程可能有水等流体的参与,本文综合构造环境、震源参数、介休井水位升降以及不同时段区域应力场分析等,对介休震群发震原因进行了探讨。初步认为介休地区裂隙发育,地下水渗透、扩散使得地壳浅部岩体强度弱化,是山西介休M_L3.3震群发震的主要原因。同时,地下水渗透使得该区地震波高频成分衰减强烈,拐角频率和视应力明显低于山西其它地区同震级地震的水平。     

强地震附近视电阻率各向异性变化的原因

讨论了强地震、孕震晚期阶段、震源区及附近介质的物理变化过程，证明了视电阻率变化最显著的方向与最大加载方向之间的正交关系，建立了真、视电阻率各向异性变化与裂隙率ν、骨架电阻率ρ_o、饱水裂隙电阻率ρ_f的本构关系，解释了视电阻率各向异性变化的原因.研究认为：在强地震孕震晚期阶段，在震源区及附近地壳近地表的较深部，介质微裂隙发育，其走向沿最大主压应力方位优势取向，低阻水充填微裂隙，导电通道连通，引起最大主压应力方向真电阻率变化最显著的真各向异性变化，从而产生垂直主压应力方向视电阻率变化最显著的视各向异性变化，低阻水在其物理过程中起了显著作用.     

从新丰江水库地震的环境条件讨论水诱发地震的研究及其预测

新丰江水库诱发6.1级地震与库区存在库水渗透(漏)—储积(存)及孕(诱)震的活动构造有关。水库诱发地震预测应重视库区总体环境条的研究。对比新丰江库及长江三峡水库的环境组合条件,认为三峡水库三斗坪坝址诱发水库地震的可能性很小,而庙河一香溪库段存在有利干诱震的环境因子,发震的可能性较大,但其震级将不超过5 1/2级。     

共和地震的诱发机制与水库诱发地震的研究

本文通过对龙羊峡水库蓄水使共和盆地应力、重力等条件改变的讨论，认为：共和地震的形成和发生与龙羊峡水库蓄水有密切的关联，在将共和地震与水库诱发地震的特征进行了比较后，发现共和地震所表现出来的特征与水库诱发地震特征极其相似，进而提出共和地震应属水库诱发地震的范畴。     

基于可靠度理论的水库诱发地震分析

分析了水库诱发地震的影响因素,详细阐述了库水在诱发地震中起到的作用;将诱发水库地震的因素——断层面的产状、摩擦系数、凝聚力、应力状态、孔隙水压力视为随机变量,基于断层面的库仑应力,建立断层发震的功能函数,并应用可靠度理论,分析各主要因素对发震概率的影响。经一特定实例分析表明:1)随着断层面孔隙水压力的增加,断层发震概率大幅度增加;在孔隙水压力均值相等的条件下,随着发震部位孔隙水变异性的增加,发震概率明显增加;2)走向与水平向大主应力方向一致的断层和倾角60°的陡倾角断层更容易诱发地震;3)水平向小主应力对诱发地震的影响较大主应力大得多,水平向小主应力越大,断层越稳定,诱发地震的概率越小;4)随着断层面的摩擦系数和凝聚力的增加,断层的发震概率逐渐减小,但断层面摩擦系数对诱发地震的影响较断层面的凝聚力大得多。     

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.     

孕震构造势位(LDLEPS)及其相关的地震地质信息分析

在全变率(NDR)指标的基础上,结合GIS技术进一步开发了孕震构造势位(LDLEPS)分析法,以便定量评估地震危险性。在充分利用已有资料基础上绘制了华北地区LDLEPS图和地震分布图,从图中发现,孕震构造势位与地震空间分布的轮廓、位置、震级大小等是完全匹配的,即LDLEPS图可以用来预测未来震情。为此,在2006年绘制了四川、青海等地LDLEPS图,并据图对该地未来震情进行了试验性预测,后来的结果表明预测基本上是正确的。文中进一步讨论了孕震构造的形成机制:华北幔柱亚热柱活动后期对地壳的热作用与构造再造作用而衍生出孕震的二元结构模型,即下层半塑性流变层与上层脆性层,下层动力因素控制上层孕震构造的形成与发展。根据LDLEPS图把华北地区划分出甲～己6个孕震构造异常区,其中乙异常区(京西北)地热资源丰富,是深部热物质溢出地表的表现。其地震成因是:下层流变层的流体沿断层面涌入上层,断层复活致震,这是下层动力因素对上层间接作用的结果,其发震机制类似于水库诱发地震。乙异常区仅产生中等震级以下的地震。甲孕震构造异常区(渤海及其边缘带)是下层流变层强劲动力因素直接控制上层孕震构造的形成与发展,从而产生中频强震以下的地震。另外对探槽剖面及海相沉积物震积岩的古地震遗迹研究发现,甲区史前曾发生大量古地震事件与古海啸事件。现今该区高势位孕震构造和强震事件是过去事件的延续和重复。同时指出,华北南缘之SN地块在构造地形与震情上存在明显差异。     

北京南口—孙河断裂带水热系统特征与成因分析

中低温对流型地热资源在华北地区广泛分布,是一种清洁的替代能源.与活动断裂带相关的水热型地热资源是中低温地热系统的重要组成部分.本文基于高精度重力测量、微动测深及钻孔温度测量等数据,从热源、通道、储层和盖层四个方面探讨了南口—孙河断裂带水热系统特征.低重力异常揭示的燕山期花岗二长岩、闪长岩岩体范围为23.8 km~2和14.3 km~2,放射性测井数据计算得到其生热率均值为3.14μW·m~(-3),侏罗系火山岩生热率均值为1.65μW·m~(-3),隐伏岩体和火山岩均难以构成地热系统的附加热源.重力异常显示南口—孙河断裂带宽度约500~800 m,断裂带切割蓟县系雾迷山组白云岩热储层.钻井温度曲线显示断裂带内水热活动强烈,说明该断裂带是导水、导热的重要通道.断裂带南西侧马池口一带第四系松散层与侏罗系火山岩形成了热储盖层,微动测深显示火山岩最大厚度约1500 m.综上源、通、储、盖四个要素分析,该地热系统为热传导一对流复合型,来自京西北山区的大气降水经远距离径流深循环吸收地层热量后沿南口—孙河断裂上移到达裂隙发育的白云岩地层中形成热水.总之,沿南口—孙河断裂带具备了良好的地热地质条件,可达到规模开采的条件.     

Integrating gravimetric and interferometric synthetic aperture radar data for enhancing reservoir history matching of carbonate gas and volatile oil reservoirs

Reservoir history matching is assuming a critical role in understanding reservoir characteristics, tracking water fronts, and forecasting production. While production data have been incorporated for matching reservoir production levels and estimating critical reservoir parameters, the sparse spatial nature of this dataset limits the efficiency of the history matching process. Recently, gravimetry techniques have significantly advanced to the point of providing measurement accuracy in the microgal range and consequently can be used for the tracking of gas displacement caused by water influx. While gravity measurements provide information on subsurface density changes, i.e., the composition of the reservoir, these data do only yield marginal information about temporal displacements of oil and inflowing water. We propose to complement gravimetric data with interferometric synthetic aperture radar surface deformation data to exploit the strong pressure deformation relationship for enhancing fluid flow direction forecasts. We have developed an ensemble Kalman‐filter‐based history matching framework for gas, gas condensate, and volatile oil reservoirs, which synergizes time‐lapse gravity and interferometric synthetic aperture radar data for improved reservoir management and reservoir forecasts. Based on a dual state–parameter estimation algorithm separating the estimation of static reservoir parameters from the dynamic reservoir parameters, our numerical experiments demonstrate that history matching gravity measurements allow monitoring the density changes caused by oil–gas phase transition and water influx to determine the saturation levels, whereas the interferometric synthetic aperture radar measurements help to improve the forecasts of hydrocarbon production and water displacement directions. The reservoir estimates resulting from the dual filtering scheme are on average 20%–40% better than those from the joint estimation scheme, but require about a 30% increase in computational cost.     

A laboratory model of thermal convection under a central force field

Abstract

A laboratory model of thermal convection under a central force field has been constructed using a strong, alternating electric field gradient in a dielectric liquid. Both the electric field gradient and a temperature gradient are maintained between concentric vertical cylinders. The onset of thermal convection is detected by heat transfer and temperature measurements. It is governed by an electrical Rayleigh number, in which the electric force replaces gravity. Marginal stability analysis gives a critical electrical Rayleigh number in agreement with the experimentally determined value.     

Unstable steam-water convection as possible trigger to earthquakes

Convection occurs when two water reservoirs, the overlying and the underlying, are connected by a narrow channel and the fluid in the lower reservoir is heated to the stage of phase transition into steam. The laboratory study of the properties of unstable steam-water convection showed that under favourabieP-T conditions the convection can be the triggering mechanism of seismicity. This type of convection causes a sudden fall of pressure in the lower reservoir and in the connecting channel, the impulsive mechanical disturbances, and cyclicity. The point of initiation of this phenomenon can be located at a depth of 5–7 km from the earth's surface with subsequent propagation of the process of instability to larger and smaller depths. This model of the natural terrestrial conditions can account for the earthquake cyclicity in the same focal zones, the rise of temperature and of the level of ground waters during earthquakes, the enhancement of seismicity while filling the water storage basins, the effect of floating up of hypocenters of aftershocks and the greater intervals between them.     

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.     

水的渗透作用及新丰江水库地震的特点和机制

据具有孔隙的岩石中水的渗透作用及Mogi的地震分类原则,提出水的渗透过程形成了库区有效应力分布的非稳定的不均匀状态,水库地震的序列特点与其密切相关;讨论了水的渗透对引起主震的作用,得出水库区的渗透率约为10~(-4)达西,认为在蓄水前库区的构造应力场未达到临界状态,库水与地下水形成新水系,后在此基础上进一步渗透,孔隙压力增加,构造应力进一步集中,激发主震;根据库仑准则讨论了应力场的转换,提出主震后应力场的转换是造成前震和余震的震源应力场方向不同的原因     

岩石圈中水的临界奇异性与断裂耦合触发地震

以等压热容为例,研究岩石圈中水的临界奇异性及出现的条件,探讨岩石圈中水的临界奇异性与断裂耦合作用触发地震的可能性。岩石圈中水存在一、二级相变,相变时水的物理化学性质将发生明显改变,在临界点处表现出奇异性,如热容、膨胀系数和压缩系数等将趋于无穷大,按照Mie-Grneisen方程((P/T)V=γρCV),热容无穷大时将导致热压也趋于无穷大,压力将瞬时剧增。但水的临界奇异性出现的条件是温、压同时趋于临界值,在岩石圈中温、压是相互关联的,按照正常的地温梯度(15～35℃/km)和地压梯度(0.025～0.03GPa/km)计算,达到水的临界温度和压力的深度分别是24～10km和0.88～0.73km,即在岩石圈中若没有断裂的存在时则不可能同时达到水的临界温度和临界压力,不可能出现临界奇异性。断裂使压力降至水的临界压力,使得在岩石圈中某处温度和压力可同时达到水的临界值而出现奇异性,水的临界奇异性和断裂的耦合导致热压剧增,可能触发地震     

Topographic forcing of supercritical convection in a porous medium such as the oceanic crust

We have performed laboratory experiments using a Hele-Shaw cell to model a saturated, porous layer with various sinusoidal upper boundaries. Our intent was to determine the range of conditions over which boundary topography can control the pattern of thermal convection within a porous layer, and thereby take the first step toward understanding why heat flow seems correlated with hypsography in many areas of the ocean floor.These experiments indicate that above the critical Rayleigh number, topography does not control the convection pattern, except when the topographic wavelength is comparable to the depth of water penetration. Scaled to the depth of the layer, the convective wavenumbers are restricted to values between 2.5 and 4.8—a range which brackets π, the natural wavenumber for convection in a porous slab with planar, isothermal, impermeable boundaries. Topographies within this range control the circulation pattern perfectly, with downwelling under valleys and upwelling aligned with topographic highs. Other topographies do not force the pattern, although in some cases, the convection wavenumber may be a harmonic of the topographic wavenumber. Unforced circulation cells wander and vary in size, because they are not locked to the topography.For these experiments we employed eight different topographies with non-dimensional wavenumbers between 1.43 and 8.17, and we studied the flow at Rayleigh numbers between zero and five times the critical Rayleigh number. The amplitude of each topography tapered linearly (over a factor of three to six) from one end of the apparatus to the other, and the mean topographic amplitude was 0.05 times the depth of the layer. Under these conditions, amplitude has only a minor effect on the structural form and vigor of supercritical convection.Our results may apply to submarine geothermal systems, sealed by a thin layer of impermeable sediment draped over the basement topography. In this case, the convection wavelength—as measured perhaps by the spatial periodicity of conductive heat flow—may be a good measure of the depth to which water penetrates the crust. Where the circulation correlates with the bottom topography, it may be because the topographic wavelength is comparable to the depth to which water penetrates the porous crust.     

中低温对流型地热系统中氢同位素的变化

中低温对流型地热系统在阐明地区构造活动性、地热资源形成与分布、水-岩相互作用以及有用元素富集成矿等方面具有十分重要的意义。而水作为地热系统的载体,研究其同位素变化机制是分析此系统中水-岩相互作用和地热水来源的必要前提。文中统计了中国大陆前人发表的167个温泉水与同一地区冷水的氢同位素(δD值)资料,并讨论了这些温泉水与区域活动构造的空间分布关系。结果表明,温泉水δD值均低于同一地区冷水,且91.11%的温泉发育于活动构造周边。文中还对造成温泉水δD值低于冷水的原因进行了分析: 主要是水由地表向地下渗透的过程中,水分子H-D同位素产生分馏作用(深循环作用),且分馏速率与温度相关,温度越高H-D分馏作用越明显; 其次,对于围岩中含高岭土矿物的地区,水与高岭土的H-D同位素也可能发生交换反应,从而降低温泉水中D同位素的含量。     

水库蓄放水对库底岩石介质弹性波速影响的数值模拟

为了解水库水体加、卸载及渗透过程中,库底岩石介质有效应力变化对弹性波速的影响,以及弹性波速变化与孔隙压力、有效应力变化之间的定量关系,以四川省紫坪铺水库为例,在前期已建立库区地质构造与水文地质结构模型,并推导出岩石介质变形与流体渗流耦合数学模型的基础上,进一步建立了有效应力对岩石弹性波速影响的数学模型,利用有限元方法定量计算了库底岩石介质的孔隙压力、附加有效应力和弹性波速的变化。结果表明:在水库水体加、卸载及渗透过程中,地下岩石介质弹性波速增量值的变化并不明显,最大变幅仅为±0.013km/s,变化范围主要集中在库底5km以上的局部区域;弹性波速增量值与附加有效应力变化同步,与水库水位变化形态相似;不同观测点弹性波速变化量的大小与埋藏位置、深度及附加有效应力的变化幅度有关,同一观测点,弹性纵波波速变化幅度大于弹性横波波速。文中数值模拟的结果与一些学者通过环境噪声方法获得的紫坪铺水库附近区域相对波速变化的反演结果在变化形态上大体一致,但变化幅度略有差异。