三峡水库蓄水后仙女山断裂北段数值模拟及其孕震机理研究

基于线弹性理论有限元方法,建立三峡库首区的三维有限元模型,模拟计算了库首区尤其是仙女山断裂北段在蓄水后的全位移场和构造应力场变化。结果表明:三峡水库175 m水位蓄水,造成仙女山断裂和九畹溪断裂北段处于全位移场归州低值区和新滩高值区的梯度带上;同时,仙女山断裂和九畹溪断裂北段深部3组主应力值较蓄水前陡增。这样的地段全位移差值变化明显,3组主应力值增高,剪应力和剪应变能易于集中,容易加速仙女山断裂和九畹溪断裂北端失稳而诱发水库地震。     

长江三峡工程库首区胡家坪M_S4.1水库诱发地震研究

本文在系统收集有关资料并对地震现场进行考察的基础上,分析了2008年11月22日发生在秭归县归州镇香溪村胡家坪 M_S4.1级地震及其发生的地质-水文地质与地震活动背景条件,介绍了地震灾害. 并进一步讨论了相关的地震前兆异常、地震成因等科学问题,认为该地震是在水库水体荷载与库水下渗的共同作用下沿仙女山断裂发生的构造型水库诱发地震, 并认为震前有一定的前兆异常,这个地震的发生除了水库蓄水作用之外,可能还与汶川地震对该区应力场的影响有关.     

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。     

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。     

溪洛渡水库影响区地震活动性分析

利用2008—2018年云南省及邻省区域地震台网的地震监测资料,结合区域构造特征、溪洛渡库区水载荷变化,对溪洛渡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、地震应力降参数深入分析。结果表明:①溪洛渡水库影响区及附近区域第四纪活动与不活动的断裂交汇,构造环境复杂且存在应力水平较高区域,水库影响区地震空间分布明显受区域构造控制;②水库蓄水初期水位变化对库区基底岩层及库岸岩体影响显著;③溪洛渡水库影响区的构造存在高应力背景,在水载荷变化波动的影响下,触发了构造区的应力释放,且蓄水高水位作用使该区域构造应力以双震的形式得以释放;④库区蓄水后,水库载荷变化对区域构造应力有较大的扰动作用,库区持续的微小地震活动无明显的衰减迹象,表明库岸再造仍在持续。     

向家坝水库蓄水期间的地震活动分析

根据2008年9月至2013年10月金沙江下游水库地震台网监测资料,分析了蓄水期间水库地震影响区的地震活动和震源机制。向家坝水库蓄水1年多,蓄水后库首区A、B段的地震活动频次和强度都维持在较低水平。蓄水期间地震活动显著增加,集中分布在库区C段,并不是蓄水初期地震活动就增加,与库区2013年6月启动第二阶段蓄水有一定相关性,强度在3级地震活动水平。增加的地震活动位于近南北走向的翼子坝、玛瑙断裂的中段。这些局部地段蓄水后发生的地震,其震源的力学机制多为倾滑或正断型,分析认为部分地震为水库诱发岩溶或塌陷型地震,多数仍属构造地震。本文结果为水库诱发地震的研究提供了资料和震例。     

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.     

复杂构造环境下水库地震活动性研究——以糯扎渡水电站为例

糯扎渡水电站位于澜沧江中下游,该地区构造环境复杂,活动断层发育,地震频发。本文利用区域构造、糯扎渡库区水荷载变化、云南省区域地震台网2000-2021年地震监测资料,对糯扎渡水库区域断层性质、库水位荷载变化、地震震源参数和水库蓄水前后的地震活动空间等进行综合分析。研究结果表明,糯扎渡水库影响区及附近区域活断层密集,构造环境复杂且存在应力水平较高区域,蓄水前库区地震活动强度较高。伴随蓄水量的增加,微小地震活动频度和强度逐渐增强,显示出蓄水对库区内断层上的应力分布具有明显的扰动作用。蓄水后水库坝区附近和澜沧江库区中段窝拖寨断层区的地震活动频度和强度有所增强,普洱大河库段地震活动强度则低于区域背景地震,但微小地震活动的频度有所上升,且与库水位的周期性变化有一定的相关性。地震活动的空间位置与库区内复杂的构造断层密切相关。在区域构造应力和库区水加、卸载的共同作用下,构成了糯扎渡水库影响区微小地震时间、空间、强度的活动图像。未来区内地震活动仍将受到区域构造应力影响和水位变化及水的渗透作用影响,其地震活动强度可能达到5.0级左右。     

由向家坝水库震源机制探讨诱发地震的成因

金沙江向家坝水库是目前中国第三大水库,2012年底水库开始蓄水,水位升高71m;2013年6月底再次蓄水,升高的水位淹没到库尾段。该水库以及上游的溪洛渡水库布设了地震台网,有35台仪器连续记录,能够很好地控制库区及周边的地震。水库地震台网在2007年9月—2013年6月记录了库尾一带1级以上地震共计38次,平均每月发生0.66次。而2013年7—9月则记录ML≥1.0地震186次,平均水平达到每月62次,已经接近以往月均值的100倍,可判别为诱发地震。同期还记录1级以下地震553次,在强震背景区发生大量小地震已经引起巨大反响。震源位置采用3维速度模型进行重新修订,发现这些地震有94%发生在0~5km深度范围。利用水库地震台网的观测资料,取垂直向记录到直达P、S波的最大振幅,得到库尾一带蓄水之前9个、蓄水后69个小地震的震源机制,并进一步利用这些震源机制反演了南、北2个区的应力场,以期通过分析震源机制和应力场变化,探索水库诱发地震发生的特点及成因。结果显示,在蓄水后69个震源机制中走向滑动类型占最多,存在较多过渡类型,倾向滑动的正断层、逆冲断层数目较少,震源机制空间取向复杂、破裂类型多样,显示区域应力场对小震的控制较弱。利用这些震源机制反演得到南、北2个区的应力场差别较大,状态不均匀,北区呈现挤压应力状态,而南区呈现弱拉张状态,均与区域应力场不一致。穿过库尾的猰子坝断裂是活动断裂,却没有控制诱发地震,有可能表明水库蓄水抑制了逆断层的活动。库尾区分布碳酸盐岩、灰岩,存在溶洞。分析认为库水涌入溶洞,渗透到裂隙、节理,导致孔隙压力增加,摩擦强度、岩石破裂强度降低以及库水载荷加大造成弹性变形等共同作用是诱发地震的成因。     

鲜水河断裂带断层间相互作用的触震与缓震效应

探讨了断层间相互作用产生的同震库仑应力改变及对地震的触发与延缓效应，并以鲜水河断裂带不同断裂段时间上连续发生的4次MS6.0以上地震为例，计算和分析了每次地震发生后，在周围其它断裂上产生的同震库仑应力改变及其对后续地震的触发，以及1973年炉霍MS7.6地震和1981年道孚MS6.9地震发生后，在其周围最易破坏失稳的微破裂上产生的同震库仑应力改变及对余震活动的影响．在其它条件保持不变的情况下，将这4次地震的累积触震与缓震效应加以定量考虑，对鲜水河断裂带各断裂段的地震潜势进行了重新计算，并与已有预测结果进行对比分析，检验和评估了鲜水河断裂带断层间相互作用触震与缓震效应的重要性．结果表明:鲜水河断裂带每次地震都发生于受其先前发生的地震影响而产生同震库仑应力增加的断裂段上，不同断层间相互作用的触震和缓震效应导致地震复发概率的改变可高达30.5％以上， 主震后的余震大多发生于同震库仑应力增加较高的微破裂上．      

The M_S 4.1 Reservoir-induced Hujiaping Earthquake in the Yangtze Three Gorges Reservoir Region

In this paper,based on the collected data and earthquake field investigation,characteristics of the MS4.1 Hujiaping earthquake of November 22,2008 at Guizhou town in Zigui county,Hubei Province and the geological and hydrogeological conditions and seismicity background of the area are analyzed,and the earthquake disaster is presented. Some scientific issues relating to earthquake precursors and the cause of the earthquake is discussed. The authors consider that the earthquake is a tectonic type reservoir-induced earthquake,occurring along the Xiannvshan fault under the joint action of reservoir water loading and water infiltration,and that there were certain suspected anomalies appearing in the gravity field before the earthquake. The cause of the earthquake may also be related to the effect of the Wenchuan earthquake on the local stress field.     

APPARENT STRESS VARIATION CHARACTERISTICS BEFORE AND AFTER BADONG EARTHQUAKE IN THE THREE GORGES RESERVOIR AREA

The causes of earthquakes in the Three Gorges reservoir area are complex. In order to study the cause of earthquakes happening in the region, we calculated the source parameters of 394 M_L ≥ 2.0 earthquakes occurring in Three Gorges reservoir area based on waveform data observed by the regional seismic network of Hubei Province and Three Gorges, obtained the apparent stress spatial-temporal variation map of Three Gorges reservoir area, and analyzed apparent stress spatial-temporal variation characteristics before and after the main earthquakes in the Three Gorges reservoir area. The results show that:1)Before the Badong M_L5.5, Zigui M_L4.7 and Zigui M_L5.1 earthquake, high apparent stress of earthquakes with different magnitudes is concentrated in Xinhua-Shuitianba Fault and Gaoqiao Fault. The distribution of high value area shows the high degree of synergism before the earthquake and the scattering after the earthquake, which indicates that the area accumulated a high stress before the earthquake, and the fault was in a locked state; 2)In the study area, the apparent stress before and after the earthquake showed significant rise in the first and then decline, the earthquake occurred in the process of rising; 3)Apparent stress depth profiles show that apparent stress at different depths has a positive correlation with the size of magnitude of earthquake, and the phenomenon of "small magnitude and strong apparent stress" did not appear. The small earthquakes occurring after the major earthquakes in the study area belong to low strain release under the background of low stress release, and there are no new apparent stress anomaly concentration areas appearing, this indicates that the Badong-Gaoqiao Fault, Zhoujiashan-Niukou Fault and Zigui Xiannushan Fault have been effective in releasing after the Badong earthquake and Zigui earthquakes and the probability of destructive earthquake is small on these faults.     

广东地区现代构造应力场的模拟计算

运用已知的断裂边界条件、区内震源机制解、小震应力降和环境应力场等资料作为基本数据,建立地质模型和计算模型,用有限元方法模拟计算了华南地区的现代地壳构造应力场.初步得到了本区的外力作用方式、断裂活动情况、应力集中状况、区应力场分布状况,为划分地震危险区段提供了依据.     

2013年芦山Ms7.0地震前重力场源变化分析

陆地重力观测获取的时变重力信号是研究地壳内部孕震区介质变化的重要依据。利用贝叶斯平差方法处理了川西地区2010—2012年的流动重力观测资料,发现相对重力仪的格值系数在两年内变化可达2×10^-4,而且仪器存在较小的非线性漂移率;重力场累积动态变化图像显示,2013年芦山MS7.0地震发生在重力梯度带零值线与龙门山断裂带交会部位附近。进一步采用等效源方法划定了测网内以雅安、康定和石棉为中心的场源分辨能力较高的区域,并反演了地震前的地壳视密度变化。场源视密度动态变化结果表明:2013年芦山MS7.0地震前2年,在龙门山断裂带的南侧和鲜水河断裂南段的东侧区域形成了范围较大的等效视密度增加区,而在小金至康定一带和都江堰周边地区也存在小规模的视密度增加。本文基于陆地时变重力测量结果反演得到芦山地震前的地壳内部等效视密度变化,可为研究壳内深部孕震环境变化特征提供参考。     

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.     

天水地震区深部地温场的有限元计算

用有限元方法计算了天水地震区上地壳地温场。结果表明，影响该区浅部（层）地温场的主要因素是基底构造和断裂构造。祁连褶皱系为高热异常区，秦岭褶皱系为低热异常区，西秦岭北缘断裂带为地温梯度带。认为该带历史地震的发生与热应力差有关     

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。     

昆仑山口西M_S 8.1地震同震影响场的数值模拟

根据野外调查得到的地震破裂以及同震位错分布,利用三维有限元模型研究了昆仑山口西MS8.1地震的同震位移场和同震应力场的分布,讨论了震后地震活动与同震应力场变化的关系。模拟的MS8.1地震同震位移场显示,东昆仑断裂带南北两侧的同震位移衰减程度存在差异,断裂带南部的同震位移衰减大于北部同震位移的衰减;同震应力场研究结果则表明,MS8.1地震的同震最大剪切应力主要集中在东昆仑断裂带的周边地区,最大剪切应力等值线沿断裂带密集分布,形成了高梯度带。MS8.1地震的发生使青藏活动地块区的地壳应力发生了剧烈的变化,可能导致研究区的地壳应力场得到松弛。库伦破裂应力的研究表明,昆仑山地震对其后发生的5次强余震有一定的触发作用,昆仑山口西MS8.1地震可能也触发了2003年的德令哈6.6级地震     

Research on Seismicity and Source Parameters of Small Earthquakes in the Zipingpu Reservoir before the Wenchuan M_S 8. 0 Earthquake

Based on the digital seismic waveform data observed from regional and reservoir seismic networks,the seismicity and source parameters in the Zipingpu reservoir area from January 1,2000 to May 11,2008 before the Wenchuan MS8.0 earthquake are studied. The analysis shows a continuous activity of small earthquakes before the Wenchuan MS8. 0 earthquake. The level of seismic activity was from ML2.0 to ML3.0 in recent years. The impoundment of Zipingpu reservoir started in September 2005 and the obvious increment of seismic activities occurred in February 2008,but according to the analysis of the longer time series,the frequency and intensity of seismic activities do not exceed its range,which means it is still a fluctuation of regional seismic activities or tectonic activity. At the same time,we also studied the spatio-temporal distribution and the change of apparent stress difference in the source region before the great earthquake,and the results show that the apparent stress values of small earthquakes are generally higher than fitted values of apparent stress in the reservoir area in the nearly three months before the Wenchuan MS8.0 earthquake. It can be seen from the spatial distribution of apparent stress difference,that the epicenter of the earthquake is located at a low stress distribution area,and the relatively high apparent stress difference is at the east of the epicenter. Apparent stress increment occurred in local areas.