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.     

湖南省黄石水库诱发地震的形成条件及成因探讨

在湖南桃源县黄石水库库区，由于张扭性活断层和深部岩溶的存在，水库蓄水后产生的附加应力场及水库区增强的岩石孔隙流体压力诱发了断层的断滑，使得库区应力集中区和岩溶发育区合二为一的地带发生构造型地震，从而在震活动的时间序列、空间规律，地震与库水位关系，震源深度、震情等方面表现出构造水库诱发地震的特点。     

孔隙压力扩散与水库诱发地震活动性的初步研究

水库诱发地震活动与水的渗透有密切关系,本文认为水库诱发地震中,前震活动主要是由于水的渗透引起孔隙压力扩散,岩石强度弱化所致。由于水库区地下岩石渗透性质的复杂性,将库区岩石介质分为均匀、非均匀渗透的两种情况,利用两相(固、液)多孔介质中孔隙压力扩散理论,分别对水库蓄水所引起的孔隙压力场进行了数值模拟计算,计算结果表明,非均匀渗透模型中水渗透所形成的孔隙压力分布与水库地震发生的空间位置对应得较好,孔隙压力峰值扩散到水库诱发地震的前震震源处的时间(1.8天～45天)与水库蓄水后引起前震活动的滞后时间大体一致。     

水库诱发地震与构造地震震源参数特征差异性研究——以龙滩水库为例

首先讨论龙滩库区水库蓄水与地震活动之间的关系,发现龙滩水库诱发地震特征十分明显,地震共分5丛呈丛集分布.利用库区架设的24个固定和流动台站记录的数字记录资料,在研究得到龙滩库区非弹性衰减和台站场地响应的基础上,精确测定得到了该地区总共1616个ML≥0.1级地震的震源参数,比较了水库诱发地震与构造地震震源参数特征的差异,得到了以下主要结论:1)龙滩水库地震活动与水库蓄水关系密切,不同蓄水阶段5丛的地震活动状态不同,局部断裂构造发育以及岩石透水性能影响着地震活动对蓄水过程的响应.2)龙滩水库诱发地震的地震矩M0随震级ML的增大而增大,两者之间存在较好的线性关系,统计关系为LogM0=1.07 ML+10.17.应力降与地震大小之间的关系和Nuttli的板内地震为增加应力降(ISD)模型的结果比较吻合,统计关系为LogΔσ=0.71 ML-2.89.3)龙滩水库地区地震辐射能量和地震视应力均随震级的增大而增大,后者意味着大地震是比小地震更高效率的地震能量辐射体.4)总体上不同丛地震应力降水平存在差异.地震应力降空间分布上与库水深度有较好的一致性,即库水深的区域应力降水平高.5)与同震级的构造地震相比,水库诱发地震的应力降值比前者明显偏低,大约小10倍.这可能是由于水库蓄水造成地下介质孔隙压力增大或者水的润滑作用,从而导致在一个比较低的构造应力情况下发生水库诱发地震.     

龙滩水库库区地震活动与水位的互相关分析及孔隙压力扩散系数估算

对广西壮族自治区龙滩水库库区2013年3月1日至2019年10月31日的地震数目与水位进行互相关计算，得到了地震活动对库区蓄水响应的延迟时间为37天，并通过替代数据检验确认了其可靠性。37天的延迟时间说明在水位达到峰值后地震活动开始快速增强，可能暗示着现阶段库水流体作用的影响主要局限在库区内。根据延迟时间和地震深度分布，以及周期性边界条件下孔隙压力扩散方程的解，在不考虑孔隙压力扩散与应力耦合时得到孔隙压力扩散系数D=(8.66±4.11) m²/s；在考虑孔隙压力扩散与应力耦合时得到扩散系数D=(1.72±0.82) m²/s。后者在物理上更为合理，说明现阶段孔隙压力扩散与应力耦合可能是诱发龙滩库区水库地震的主要因素。     

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     

隔河岩水库诱发地震的环境条件

隔河岩水库蓄水后相继发生地震１０００余次,共中最大震级ＭＬ＝３．３。微震活动与水库蓄水过程密切相关,属水库诱发地震。库水渗透、地下水储积、岩溶和现代应力场等因素的研究表明,水库蓄水使库区水文地质环境发生变化,从而诱发了一系列微震。     

龙滩库区库水加卸载过程深部电阻率变化与水库地震

广西龙滩库区于2009年度至2010年2个年度库水加卸载及渗透过程中,在交比屯、坪上、中良坪和向阳4个地点进行了5期次大地电磁定点测量,观测频段为320 Hz~1000 s.结合区域深部电性结构探测研究成果分析.结果显示,4个测点位于不同的岩性和深部电性结构区域,4个测点上观测的5期次视电阻率值发生变化的频段不同,位于库区中游的坪上、中良坪和向阳3个测点上5期次测量的视电阻率数值在频率1 Hz以下频段在高水位时段测量值小、在低水位时段测量值大,位于库首区域的交比屯测点在最高水位时段视电阻率数值最小,说明库水在加卸载及渗透过程中对地下介质有明显影响,库区上游库水渗透影响深度可达7 km左右,在坝首区域可达10 km.龙滩水库区4个地震丛集区中的3个地震丛集区的震源区位于具有低阻特性的二迭系下统和石炭系地层的下部,以岩溶水体诱发地震为主;位于坝首地震丛集区的震源区位于上宽下窄似"铆钉状"的高阻体下部,推测是因水库蓄水后水体压力增大和库水渗透作用下,在聚集高变形能的脆性高电阻体内部发生的地震.电磁探测结果说明库水渗透对龙滩水库区地震孕育和发生起着重要、直接的作用.     

弹性多孔介质中应力—孔隙压耦联理论在新丰江水库地震研究中的应用

本文用二维有限元法,将弹性多孔介质中应力-孔隙压耦联理论应用于新丰江水库诱发地震机制的研究。计算中,不仅考虑了均匀、非均匀模型的耦联,还考虑了断层的性质、产状对耦联作用的影响及库水位随时间的变化。 结果表明:附加应力与孔隙压耦联作用是诱发水库地震的重要因素。新丰江水库地震不仅与库区存在的断裂、高密度基底有关,还与库水的加、卸载方式有关。     

云南小湾水库蓄水后P波速度结构的双差地震层析成像研究

联合小湾水库库区及其附近11249个地震的P波绝对到时、相对到时数据,利用双差地震层析成像方法反演得到小湾水库蓄水后2008年12月16日～2011年6月30日和2011年7月1日～2016年12月31日2个时间段内库区及其附近的地震重定位结果和三维P波速度结构。结果表明,蓄水后黑惠江段和小湾水库回水澜沧江段地震的增多与水库蓄水有关。由于水体渗透导致孔隙压变化,并随着时间的推移孔隙压变化朝着更深的部位扩散,地震震源深度也随之向深部扩散,进而导致介质变化和P波速度降低。蓄水回水至澜沧江保山段后该区域地震增多,P波速度下降,库水渗透作用为主控因素,该区域地下一定深度的地质构造有利于库水的快速渗透。初步判定2015年10月30日云南昌宁M_S5.1地震余震序列是与蓄水有关的柯街断裂上的构造地震。同时,也存在着与蓄水相关性不大的属于构造地震的活动,如云南施甸一带历来地震多发,施甸2010年6月1日M_L4.8、2012年9月11日M_S4.7地震序列均属于构造地震,与水库蓄水无关。     

Reservoir-induced seismicity in the Longtan reservoir, southwestern China

A pronounced increase in seismicity started in and around Longtan reservoir, southwestern China after October 1, 2006 when it began the impoundment, and by the end of May 14, 2010, about 3,233 earthquakes with ?0.6?≤?M _L?≤?4.2 had been located. This seismicity which occurred in five clusters mainly concentrated in the areas where few earthquakes had occurred before the first filling. There were four water filling periods in the Longtan reservoir, and the observed reservoir-induced seismicity (RIS) shows a strong correlation with the filling cycles. After the first filling, there appears to be an instant undrained response due to an elastic response to the reservoir load in the third and fourth cluster. Then, this seismicity is followed by a delayed, drained response due to pore pressure diffusion, with the seismicity migrating outwards in one or more directions in the second and third filling period. The seismic diffusivity (α _s) we estimated is about 4.54?×?10⁵?cm²/s. The activity levels in the five clusters are different due to differences in the structures and permeabilities of the faults. The delayed seismic response to the filling in the third cluster was due to the combined effects of the lack of local fault intersecting the reservoir and lower permeability of the rock. The b value we obtained for reservoir-induced events was significantly different and higher than that of pre-impoundment natural tectonic earthquakes in the Longtan reservoir. The results of relocated earthquakes based on double difference earthquake location algorithm showed that their focal depths were mainly shallower than about 10 km and the distribution of relocated RIS in four clusters had no relation with these intersecting faults in the Longtan reservoir except the fifth cluster. All these characteristics of RIS in the Longtan reservoir indicate that they may relate to the coupled poroelastic response that includes both pore pressure diffusion and an undrained response, but the pore pressure diffusion and the water permeation appear to play a more important role on inducing the earthquakes in Longtan reservoir.     

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。     

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.     

Source Parameters and Scaling Relations for Reservoir Induced Seismicity in the Longtan Reservoir Area

We investigate the relationship between the impoundment and seismicity in the Longtan reservoir, southwestern China and find evidence that the seismicity was reservoir induced. After the reservoir impoundment, a pronounced increase in seismicity was observed in five clusters mainly concentrated in the areas where few earthquakes had occurred before the first filling. The observed induced seismicity shows a strong correlation with the filling cycles. The activity levels in the five clusters are different due to differences in the structures and permeabilities of the faults. Source parameters for 1,616 earthquakes with M _L 0.1–4.2 recorded by 24 fixed and temporary stations deployed around the reservoir were calculated after applying corrections for geometrical spreading, frequency-dependent Q, and site effects. The static stress drop and apparent stress in this area both appear to increase with increasing seismic moment over the entire magnitude range. Our results show that reservoir induced earthquakes have ten times lower average stress drop than natural tectonic earthquakes. These results may indicate that the reservoir induced seismicity can occur with a lower tectonic stress due to the high pore pressures of the underground medium, and that the effect of the water decreases the coefficient of friction.     

不同时期水库地震活动主要影响因素讨论以三峡库区微震活动为例

结合微震活动的流体作用强度检测及孔隙压扩散模拟,讨论了三峡库区不同时期微震活动的主要影响因素。以2008年9月蓄水季为界划分前、后期,前期流体渗透导致的孔隙压力增加,使裂隙或断层面强度降低,是库区微震活动的主要影响因素,这一时期微震频次及ETAS模型参数μ值有起伏地缓慢增大,与库水位加卸载过程关系不明显; 后期由于流体渗透引起的孔隙压力变化趋于零,在新的流体平衡条件下,库水位加卸载过程所导致的裂隙或断层面上的应力变化,成为库区微震活动的主要影响因素,这一时期微震频次及μ值显示出与水位变化明显的关联特征。库区小震震源深度的时间变化支持上述观点。在此基础上,进一步讨论了水库“诱发”和水库“触发”地震的力学差异,认为前者主要缘于流体渗透导致的裂隙或断层面强度的“主动”降低,后者则主要与库水加卸载所导致的裂隙或断层面上应力增强有关。进一步推论认为,流体对小地震“诱发”、“触发”皆可能发生,但中强地震缘于流体“诱发”的可能性非常小,对水库区发生的中强地震,流体仅可能对处于临界状态的断层系统起到“触发”作用。