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.     

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.     

四川大岗山水库蓄水对地震活动影响的数值模拟研究

水库地震问题是我国西南地区大型水电工程建设所面临的重要科学问题.四川大岗山水库处于龙门山断裂、鲜水河断裂和安宁河断裂等几条大型断裂的交汇区域, 属于地震高烈度区域.库区的地震观测显示在水库达到正常蓄水位后, 库区周边地震表现为丛集增强的特征, 在鲜水河断裂南段磨西断裂的西侧地震活动性明显增强, 而在龙门山断裂带南段即大渡河断裂的东侧, 地震活动性则有一定的降低.大岗山水库蓄水过程是否以及如何影响该区域断层的活动性呢？本研究依据四川大岗山水库的实际构造地质特征及高精度数字高程模型数据, 建立了该区三维孔隙弹性数值模型, 并利用有限元的方法计算了水库蓄水过程造成的附加应力对该区域断层的库仑应力影响.从断层和水库主要水体的空间分布来看, 大岗山库区的主蓄水区域位于磨西断裂的下盘以及大渡河断裂的上盘.因此, 水库蓄水的弹性载荷效应造成磨西断裂的活动更加活跃并抑制了大渡河断裂的活动.数值模型的计算结果表明, 在库水的重力作用和水渗流引起孔隙压力增加的叠加影响下, 磨西断裂以西地区库仑应力变化量为正值, 5 km深度最大增加45 kPa; 库水的弹性效应使得大渡河以东区域库仑应力变化量为负值, 最大降低约-12 kPa.这与该区域蓄水前后的地震活动性变化一致.进一步的计算结果表明, 当水库蓄水维持在正常水位时, 随着蓄水时间持续增长, 渗流造成的孔隙压力增加会使得整个库区库仑应力变化量趋于正值, 从而导致该区地震活动性整体增强.

     

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。     

卡里巴水库蓄水引起库区应力场变化影响分析

水库地震是近几年国际上地震学和地球动力学领域研究的热点问题。 作为世界上库容最大的卡里巴(Kariba)水库在其蓄水后库区地震活动性不断增加, 并于1963年9月23日发生M6.1地震, 是世界上公认发生过6级以上水库地震的四大水库之一。 对该水库蓄水引起库区应力场变化进行量化估算, 有助于对特大—大型水库蓄水后库区应力场变化及应力触发地震这一基础性科学问题的深入了解。 本文分别应用解析解和数值解方法对卡里巴水库蓄水引起库区弹性应力场、 不排水和排水孔隙压力变化进行了计算分析。 结果表明, 卡里巴水库蓄水引起M6.1地震震源处孔压变化为0.015~0.22 MPa, 库仑应力变化约0.03~0.17 MPa, 触发了此次地震的发生。     

锦屏一级水电站库区中小地震震源机制解与局部应力场特征

利用四川及邻区数字地震台网2013—2018年的波形资料, 基于CAP和HASH方法反演得到锦屏一级水电站(以下简称锦屏水库)库区及周边M_L≥2.5地震的震源机制解, 根据DRSSI方法计算得到库区局部应力场信息, 结合该区域的地质资料, 从震源机制参数和局部应力场变化等方面讨论了水库加卸载对该区域地震活动的影响.取得的主要认识如下: (1)库区地震活动类型以走滑型为主, 不同加卸载阶段震源机制类型存在一定差异, 库区蓄水前期震源机制类型呈现多样性, 蓄水后期与区域背景场趋于一致; (2)库区应力场最大主应力方向以NNW-SSE向为主, 分时段结果显示, 蓄水后期局部应力场最大主应力方向由NNW向逐渐发生偏转至NW向; (3)库区周边的地质构造和岩性条件有利于库水的渗透, 蓄水后重力载荷和流体渗透的共同作用导致岩体断层面库仑应力的变化, 从而呈现出库区蓄水前后中小地震活跃程度的显著差异特征.

     

库水渗流与荷载对水库地震形成的影响分析

文中从库区水文地质结构及库水重力对库区附近断层库仑应力的影响出发分别进行讨论,得出以下结论:1)当蓄水区域存在碳酸盐岩地层,且岩体存在较大、较深的饱和或非饱和溶洞、矿洞时,该洞穴被库水淹没后,容易形成快速响应型地震。2)通过数值计算可知,库水重力对库区附近断层库仑应力的影响,与区域背景应力场、断层产状及断层与水库的相对位置有关。当水库位于断层下降盘,且断层倾角较大时,对断层失稳有显著的促进作用。此时,正倾滑断层局部与逆倾滑断层整体易出现库仑应力值增加。具有相似地表出露环境与产状的正倾滑断层库仑应力最大正增量大于逆倾滑断层库仑应力最大正增量。摩擦系数为0.6时,重力引起的断层库仑应力的最大正增量约为饱和溶洞内孔隙压力影响值的1/4。孔隙压力的作用更值得重视。     

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.     

2008年新疆于田MS7.3地震对后续 地震的完全库仑应力触发作用

在离散波数法基础上计算2008年3月21日新疆于田M_S7.3地震造成的近场区域完全库仑应力变化, 分析该变化对余震发生所产生的影响, 得到了此次地震在2008年10月5日乌恰M_S6.8地震震中处所产生的动态库仑破裂应力变化. 计算结果表明, 该地震近场区域库仑应力变化图像演化大概持续了60 s, 库仑应力变化对余震的触发率达到90%以上, 其中动态库仑应力变化图像更好地解释了余震的分布. 余震震中处的完全库仑应力变化计算结果表明, 其动态库仑应力变化远远大于静态库仑应力变化. 于田M_S7.3地震在乌恰M_S6.8地震震中处造成的最大动态库仑应力变化为0.12 MPa, 说明后者可能受到了于田M_S7.3地震的动态应力触发作用, 但不显著;而静态库仑应力则对其影响很小.      

1992年兰德斯地震对1999年赫克托矿地震的粘弹性应力触发

1999年MW7.1级赫克托矿地震发生在离1992年MW7．3兰德期地震断层仅20km的地方。两个地震相距较近表明，兰德斯地震触发了赫克托矿地震。基于弹性半空间模型，USGS、SCEC和CDMG（2000）的科学家发现兰德斯地震引起赫托矿地震震源处产生了负的库仑应力变化。这一负的应力变化与静态应力触发假说不一致。本文中，我们给出由下地壳的粘弹性流动控制的过程兰德斯地震对赫克托矿地震应力触发的证据。这种粘弹性流动产生了已为GPS和InSAR测量技术观测到的大尺度震后回跳。本项研究的结果是，粘弹性流动明显改变了兰德斯地震后莫哈韦沙漠地区的区域应力场。包括粘弹性流动的演化应力场逐渐使赫克托矿震源处的库仑应力演化到正应力的水平。就在赫克托矿地震前，库仑应力增长超过1bar，使赫克托矿破裂趋近灾难性破裂的边缘。     

白鹤滩水库蓄水前后邻区地震活动与应力场变化特征

水库诱发地震是水利水电工程和区域构造稳定性研究的重要内容.白鹤滩水库位于金沙江下游河段,地处小江断裂、则木河断裂和大凉山断裂等多条大型断裂交汇区域,属于地震高烈度区.2021年4月6日白鹤滩水库开始蓄水,本文利用小江断裂带中北段巧家台阵2020年1月—2021年12月地震记录,确定了水库邻区11477个地震事件,采用广义极性振幅技术反演获得了1.5级以上地震震源机制解654个.对水库蓄水前后地震活动和震源机制解分布特征的分析表明：整体而言研究区地震活动时序与水库水位密切相关,水位抬升时地震活动增强,水位维持不变或回落时,地震活动减弱,白鹤滩水库蓄水约6个月后,地震数量基本恢复至蓄水前平均水平.沿水域线附近主断裂带区域,蓄水后地震活动显著增强,数量和震级增大,深度减小,蓄水前地震类型以走滑为主,蓄水后以正断层为主;主断裂带以外以及距离水域线较远的某些区域,蓄水后地震活动受到抑制.基于震源机制解,采用区域应力场阻尼反演方法计算获取了研究区应力场时空分布,结果显示主拉应力轴方向稳定,随时间波动很小,主压应力轴方向随时间波动较大,尤其位于大坝附近的主断裂带交汇区域,蓄水前应力场为走滑型,蓄水后应力场变为正断型.这些结果揭示了水库诱发地震活动和应力场改变的更多细节特征,可进一步为水库诱发地震危险性评估提供重要参考.

     

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.     

基于案例分析的库仑应力变化触发地震机理探索

在许多地震触发研究案例中,不少学者都利用大地震造成的库仑应力变化研讨其对后续地震的影响,但众多结果中存在的共同规律尚未得到很好的统计与归纳。基于库仑应力变化理论,通过统计多个地震序列与典型事件中库仑应力研究结果,分别从震级,触发距离,触发地震库仑应力变化(ΔCFS)以及触发时间4个方面进行分析。结果表明,静态库仑应力的最优影响范围在5～50 km间,触发地震的应力条件多在0.01～0.4 MPa,触发地震震级与距离和主震震级无明显对应关系;动态触发的作用范围在100～2500 km间,主震震级通常较高,触发地震的震级都小于主震震级,在几个典型远程触发的事件分析中,主震震级与可触发距离呈正相关,但触发次数与其他所分析因素均无关;震后应力转移的三种机制,从理论上合理地解释了长时间尺度延迟触发的现象,但精确计算应力转移的量值可能对库仑应力变化与触发地震之间关系的更合理解释有推动作用,需引起关注。     

Prediction and verification of earthquakes induced by the Xiluodu hydropower station reservoir

Research has been conducted on reservoir-induced earthquakes in China since the Xinfengjiang reservoir-induced earthquakes in the 1960s. Regulations now require the risk of reservoir-induced earthquakes to be evaluated in the pre-research stage of all hydropower projects. Although nearly 40 cases of reservoir-induced earthquakes have been reported in China, analyses comparing the changes in seismic activity following reservoir impoundment with predictions are rare. In this study, we compared seismic activities observed in the reservoir area before and after the impoundment of the Xiluodu hydropower station in terms of the spatial distribution, frequency, and focal depths of the earthquakes, and clarified the correlation between their frequency/timing and reservoir level after impoundment. We then concluded that the seismic events in the head region were karst-type earthquakes, while those in the second segment of the reservoir were tectonic earthquakes. The spatial distribution of the earthquake epicenters and the seismic intensities validated some of the results for the reservoir-induced seismic risk assessment for the Xiluodu hydropower station, indicating that the proposed earthquake triggers and predictive models are reasonable. This study can provide a valuable reference for investigating the mechanism (s) of reservoir-induced earthquakes, revising reservoir-induced earthquake hazard assessment codes, and predicting the hazard zones of reservoir-induced seismicity under similar conditions.     

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.     

梯级水坝的地震触发级联效应: 以溪洛渡和向家坝水库为例

本文研究了溪洛渡和向家坝水库蓄水后的级联效应对周围应力场的扰动, 建立了梯级水库联合蓄水的三维孔隙弹性耦合模型, 应用有限元方法计算孔隙压力场、弹性应力场和断层上库仑应力的变化.结果表明: (1)震群的时空分布与孔隙压力增加的区域存在明显的一致性; (2)水库蓄水在2014年4月永善M_L5.1地震和8月永善M_L5.2地震震源处造成的ΔCFS分别为: 0.67 kPa和10.87 kPa, 说明蓄水对两者具有促进作用, 且对后者促进作用更为明显; (3)溪洛渡蓄水引起的弹性应力场变化在前期对向家坝库尾地震具有一定的触发作用, 但向家坝水库蓄水增加的孔隙压力占据主导作用, 孔隙压力变化可达1.0 kPa; (4)库区内烟峰断层南段和莲峰断层中段地震危险性增大, 而玛瑙断层受水库蓄水的影响较小.