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。     

龙滩库区水库地震震源机制及应力场特征

文中使用龙滩水库地震监测台网记录的波形数据,采用P波初动、SH波和P渡位移振幅比数据计算震源机制解的FOCMEC方法,获取了龙滩库区2006年9月蓄水至2008年底发生的73次M_L2.0以上地震的震源机制解,并在此基础上反演了库区应力场。龙滩库区2006年10月蓄水以来发生的2级以上地震以逆断层型为主,由震源机制解获得的2个地震丛集区应力场的主压应力都近于水平,取向都为NWW-SEE。反映出蓄水后库区仍为以水平NWW-SEE向压应力为主的应力场结构,且最大主压应力倾角更为水平。而最大主张应力及中等应力轴的分布则不一致,显示出在近水平的主压应力背景下,龙滩库区局部应力场的非一致性。通过对龙滩水库地震机制解特征及应力场的认识和讨论,初步提出了龙滩水库诱发地震的发震机理,认为载荷作用所引起的剪应力增大不是龙滩水库蓄水诱发地震的主要因素,而蓄水所产生的孔隙压力作用和库水渗透的润滑弱化作用的耦合作用可能是主要的成因     

瀑布沟库区地震活动及应力场特征

通过对瀑布沟水库和成都数字遥测地震台网记录的波形数据的研究发现,四川瀑布沟水库库区大量的所谓小震活动皆是爆破成因,从而改变了此前对该库区蓄水前地震活动密集,蓄水后地震活动骤然平静的认识。2009 年11 月水库蓄水后在蓄水区域周边10km 范围内仅发生ML1. 5 以上地震1 次,即2010 年8 月8 日ML1. 7 地震,蓄水前后小震稀少。水库西侧的2 个地震密集区的走滑型地震占较大比例,区域主压应力为NWW 向。水库东、北部区域的地震震源机制解呈多种类型。瀑布沟水库区小震活动总体受区域应力场控制,NWW 向近水平主压应力有利于库区NNW 向中小断裂发生走滑型错动。     

关于紫坪铺水库蓄水是否与汶川地震有关的影响因素综合分析

汶川地震后,紫坪铺水库蓄水是否触发了汶川地震在国内外学术界引起了广泛关注.除定性讨论外,许多学者也采用定量分析的方法进行了计算,但因计算结果不同而得出了不同的结论.本文从目前紫坪铺水库蓄水不同研究组定量计算中出现的争议为出发点,通过对水库蓄水定量计算基本原理和可能引起计算结果差异可能因素的分析,找出定量计算中的关键影响因素,了解目前水库蓄水定量计算中存在的不确定性问题所在.初步结果显示:计算方法、模型维数、扩散模型、震源参数和扩散系数等的取值不同是造成计算结果差异的主要因素,特别是裂隙岩体的扩散系数.在紫坪铺水库定量计算中模型维数的差别使得汶川地震震源处的库仑应力变化计算结果相差约3倍;仅考虑断层渗透率(把岩体渗透率视为无穷大)或仅考虑均匀各向同性的岩体渗透率(忽视断层渗透率),均具有片面性;震源机制解断层走向倾角的差异,会显著影响库仑应力大小计算结果,可到达2~7倍;不同扩散系数下,孔隙压力相差可达几百倍."紫坪铺水库蓄水是否能够触发汶川大地震的发生?",鉴于目前的研究成果,库仑应力变化在kPa量级,尚不能排除触发的可能性,但得出的蓄水震源处的库仑应力变化太低,在背景构造应力场不明确的情况下,也不能确定一定有联系.在未来的工作中需有针对性的进行野外考察和室内试验,改进模型,采用高性能模拟分析计算,并在此基础上对中国和世界多个水库地震触发机制进行对比研究,探讨不同机制下水库地震触发机制特点,进一步量化分析水库地震发生的力学机制及水库对构造活动的影响和作用机理.     

渔洞水库地区地震活动性和构造应力场分析

统计了渔洞水库的水位变化规律,分析了水库蓄水前后库区及其附近地区的地震活动性和构造应力场特征。结果表明,水库蓄水前后研究区地震活动的图像、强度和频次都没有明显变化;水库蓄水和水位变化对研究区构造应力场没有明显的影响。     

云南省糯扎渡水库蓄水前后地震活动性研究

采用2008年6月至2013年10月糯扎渡水库地震台网记录的6 300个地震,对水库蓄水前后的地震活动进行分析,发现库区蓄水后,地震频度与水位同步增长,地震活动显著增强,表明库区有水库诱发地震发生。蓄水前后的地震活动图像显示,澜沧江上景谷、双江交界处的小震活动增加最为显著,采用Hypodd双差相对定位方法对该震群进行了重新定位,定位后地震在空间上更为丛集,地震震源深度从0~20 km都有分布。该震群发生在窝拖寨断裂上,该断裂历史上曾发生过5.3级地震,因此分析认为,该震群的发生时间虽与水位相关,但可能是触发了构造地震,所以震源深度显现的是构造活动的特征。     

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。     

位于构造活跃区的小湾水库地震活动特征——基于地震精定位的分析

针对我国在西南构造活跃区修建的水库蓄水与地震活动的关系,本文对蓄水已长达7年并在高水位运维多个周期的云南小湾水库,采用结合波形互相关技术的双差地震定位法对水库库区及周边地区2005年7月至2014年12月发生的M≥1.0级地震进行了精定位处理,结果显示出明显的地震成丛活动特征,库区内外的地震震源深度差别较大.对地震震源深度、地震活动与水库蓄水水位及b值分析结果表明:小湾水库蓄水后地震活动明显增多,有水库触发地震发生,触发地震主要分布在沿黑惠江(A)和澜沧江流域(B、C)的3组地震丛中,且3个区的触发地震类型均为快速响应型;在水库蓄水响应活动最明显的地震丛集区A,展现出明显的随水库蓄水水体渗透发生地震"迁移"活动的现象;但库区内也存在着与蓄水关系不大的可能属于正常构造地震的活动,而库区外的地震活动与水库蓄水没有什么相关性,很可能是属于正常的构造地震.综合断层展布、岩性分布及震源深度分析,认为水库蓄水引起的溶岩作用和渗透作用及断层活动可能是小湾水库触发地震的主控因素.     

小湾水库影响区地震活动性探讨

利用区域构造、小湾库区水载荷变化及云南省区域地震台网2000—2021年的地震监测资料,对小湾水库影响区内水库蓄水前后地震活动空间、频度、强度等进行综合分析,并对区域断层性质、库水位载荷变化、震源机制解、地震应力降参数进行深入分析。结果显示:小湾水库影响区及附近第四纪断裂构造交汇,环境复杂且存在应力水平较高区域;水库蓄水对库区基底岩层及库岸岩体影响显著,地震活动明显增强;水库影响区地震空间分布明显受区域构造控制;在水载荷变化的影响下,触发了构造区的应力释放,发生了走滑断层性质破裂的2015年昌宁5.1级地震。     

漫湾水库蓄水前后库区地震活动性与构造应力场分析

对漫湾水库蓄水诱发地震作了分析，结果表明，蓄水后库区小震频次明显增加，近距离地震明显增多，在蓄水首次达到高水位和由高水位突降至低水位时，诱发了最强地震。表明蓄水对库区构造应力场产生了影响，使得局部应力场较区域构造应力场作用方向出现明显偏转，作用方式发生改变，呈现较大的垂直作用效应，节面错动出现较大正倾滑动分量。     

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.     

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.     

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.     

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.     

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.     

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.     

RELIABILITY BASED ANALYSIS ON RESERVOIR INDUCED EARTHQUAKES

Reservoir induced earthquakes (RIE) are caused by impoundment of reservoir,with the characteristics of small magnitude and shallow focal depth,but they can also lead to not only economic loss,but also many serious secondary disasters,such as dam destruction,landslide,producing greater damages far more than the damages directly produced by earthquakes.So study on RIE is quite significant in the field of dam construction,thus more attentions should be paid to RIE.There are many factors to induce reservoir earthquakes,such as geological condition,rock mass mechanical index,state of crustal stress,pore pressure distribution,all of which are extremely difficult to measure due to the presence of many randomness;even if applying most advanced methods to measure them,the values fluctuate in great range,without a certain value in time and space.The great variety of these parameters gives rise to troubles to analyze RIE by deterministic approaches.How to handle the randomness of these factors has become vital problem in the field of RIE research.In this study,based on probability theory,and taking the main influence factors as stochastic variables,a new method to analyze probability of RIE was proposed by applying reliability theory.Firstly,the factors inducing reservoir earthquakes were analyzed,of which pore pressure in fault caused by water impounding of reservoir plays a vital role in triggering earthquakes.Then,taking these factors,including attitude,friction coefficient,cohesion of fault plane,stress state of fault plane and pore pressure in fault,as stochastic variables,performance function of triggering earthquakes was established by applying Coulomb stress on the fault plane,and reliability theory was used to analyze probability of earthquake induced by main factors.A special case analysis showed that:(1) The probability of induced earthquakes dramatically increases as pore pressure in fault increases;under the condition of equal pore pressure at triggering earthquakes area,probability of induced earthquakes obviously rises with enlarging of variation of pore pressure;(2) those faults with strike approximately parallel to horizontal maximum principal stress direction or with steep dip angle about more than 60° are prone to inducing earthquake;(3) as horizontal minimum principal stress increases,which has greater effect on induced earthquakes than horizontal maximum principal stress,probability of induced earthquakes becomes lower and fault keeps in more stable condition;(4) probability of induced earthquakes gradually decreases with the increase of friction coefficient and cohesion of fault plane;However,the effect of friction coefficient on induced earthquakes is much greater than the cohesion of fault plane.