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.

     

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.     

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.     

汶川8.0级地震触发与余震活动空间分布研究

文中分析研究了2008年汶川8.0级地震发震构造即龙门山断裂带历史和现今地震活动情况, 并计算主震发生后产生的库仑破裂静应力变化, 讨论了地震触发与余震空间分布之间的联系。 结果表明, 龙门山断裂带以虎牙—北川—安县为界分为二段, 西南段和东北段在地震活动性方面存在着较大的差异。 虽同处一条断裂带上, 但两者之间地震活动没有联系。 汶川8.0级主震发生之后, 在空间上产生的库仑破裂静应力变化具有很明显的分区特征。 龙门山断裂带北川至青川之间库仑破裂应力变化值大于+0.05 MPa, 主震对该地区后续M_L≥5.0余震的发生存在着触发作用。     

地震应力触发研究

介绍地震应力触发基本理论．从地震静态和动态应力触发、粘弹性模型在地震应力触发中的应用、火山喷发或爆炸与地震触发及地震触发的其它解释等几个方面，综述近年来地震应力触发的研究进展，并对地震应力触发研究近期的发展进行展望．      

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.     

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.     

1937年花石峡地震滑动亏损和后续地震应力触发研究

在1937年花石峡7 1/2级大地震后，沿该地震断裂带上，于1963、1971年又先后发生了7级和6．3级2次地震。这2次地震不仅震中位于1937年地震断裂沿线上，而且所形成的地表破裂也与1937年地震地表断裂重合，断错方式也完全一致。中计算了沿1937年花石峡地震地表破裂带及其延长线上的库仑破裂应力变化，发现2次后续地震都发生在库仑破裂应力变化为正的断层单元上，而且其震级和库仑破裂应力变化为正的断层单元长度有很好的对应关系。这说明，1937年花石峡地震产生的库仑破裂应力变化触发了同一断裂带上的2次后续地震。在1937年花石峡地震地表破裂带东端，有一段库仑破裂应力变化为正、长度大于34km断层单元，这可能是未来中长期6．5级以上地震易发地段。     

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.     

昌马MS7.6地震三维同震形变场数值模拟及库仑应力触发研究

1932年12月25日,甘肃玉门市昌马镇附近发生M_S7.6地震(震中：39.70°N,96.70°E),此次地震是继1920年海原M_S8.5地震、1927年古浪M_S8.0地震之后青藏高原东北缘祁连山—河西走廊地震带内的又一强震。这组大地震活动无论在时间序列上还是在空间序列上都极其罕见,引起了众多国内外学者的广泛关注,普遍认为是一次陆内地震活动沿相关断裂带由东向西迁移的典型样例。基于PSGRN/PSCMP程序,以前人地表地质调查相关结果为约束,利用弹性位错理论获取昌马地震断层破裂模型,以此为基础,基于黏弹性半空间分层模型模拟计算昌马地震产生的地表同震三维形变场。通过研究单次地震与地震叠加的库仑应力变化对后续地震的触发关系,分别对海原地震、古浪地震以及它们的叠加对昌马地震的触发作用进行研究。结果表明：海原地震、古浪地震以及它们的叠加均未超过可能触发地震的经验阈值,故认为昌马地震可能不受海原地震和古浪地震所造成的库仑应力变化的影响。此研究可为利用实际形变解释昌马地震的孕震过程研究提供理论依据。     

湖南东江水库地震的预测研究

1986年8月2日湖南东江水库截流蓄水,10个月后发生水库诱发地震。蓄水初期,地震活动频度与库水位有较明显的相关关系,但1993年至今,地震活动的频度与库水位之间的这种相关性已逐步消失。诱发地震空间分布有一定的规律性,受水体、构造、岩性的控制。依据地震构造背景、水库规模、水库蓄水后诱发最大震级的最大概率时间等预测东江水库诱发地震最大震级不会大于4．99级．1991年发生的3．2级地震应为最大震级的概率是80％。今后仍可能发生3级左右地震。     

紫坪铺水库诱发地震与构造地震波谱时频特征差异性研究

利用紫坪铺水库2004～2007年记录的实际地震数据,通过比较多种滤波方法,发展出一种既能有效滤除地震数据中本底噪音、又对有效信号损伤较小的比值滤波方法。对去噪后的水库诱发地震和构造地震数据,利用小波变换方法,分别进行时频分析获得两类地震的时频谱,并提取可以反映地震发生前后能量分布和聚集情况的时频属性,最后根据各个属性的响应效果,组合得到新的属性。将时频谱与时频属性相结合,总结归纳紫坪铺水库诱发地震与构造地震波谱时频特征的差异性,为地震监测分析提供基础依据。     

应力场演化与强震间相互作用的有限元模拟研究

针对川滇地区,在大量搜集前人资料和结果的基础上,建立了包括上地壳、中地壳、下地壳、上地幔等4层结构的三维有限元模型。通过反复调试,确定了其边界条件。然后计算了川滇地区背景应力场、断层蠕动产生的应力场和强震触发的应力场,以及它们的动态变化。结果表明后续地震大多发生在前面地震引发的库仑破裂应力正值区,前一地震对后续地震有一定的触发作用,强震是在较高的应力背景下成组发生的。这对判断、识别地震异常,提高地震预测水平有着很大的意义。     

紫坪铺水库库区地震精定位研究及分析

利用双差定位法, 对紫坪铺水库台网8个地震台站记录到的2004年8月16日至2008年5月10日的1569个小震进行重新定位。 结果显示, 重新定位后的小震主要集中分布在龙门山推覆构造带的中央北川—映秀断裂、 前山灌县-江油断裂和后山汶川—茂汶断裂上, 其中大部分地震位于北川—映秀断裂并收敛于紫坪铺水库的两端, 走向NE向; 震源深度集中在5~15 km范围内, 平均深度为7.8 km, 15~30 km也有少量地震发生。 水库区域小震活动频度与水库水位存在一定的相关性。 精定位后, 到时残差的均方根平均值为0.048 s, 震源位置的估算误差在水平方向上平均为0.63 km, 在垂直方向上平均为0.51 km。 文中还讨论了紫坪铺水库区震源分布和地质构造的关系。     

2008年汶川Ms8.0地震在2013年芦山Ms7.0地震和2014年康定Ms6.3地震破裂区引起的库仑破裂应力

2008年5月12日四川汶川发生M_S8.0地震发生之后, 先后于2013年4月20日和2014年11月22日分别在汶川M_S8.0地震震中西南约80 km的芦山县和约178 km的康定县发生了M_S7.0和M_S6.3地震。 芦山地震位于龙门山前主边界处, 康定地震位于鲜水河断裂带上。 芦山地震发生前有几位作者先后计算了汶川M_S8.0地震引起的库仑破裂应力, 分析了其对周围断层的影响。 本文对这些研究结果进行了简要回顾, 并根据芦山地震和康定地震的实际发震断层面参数, 计算了汶川M_S8.0地震在芦山地震和康定地震震源深度处的水平面上以及其发震断层面上产生的库仑破裂应力, 还给出了其震中处库仑破裂应力随深度的变化。 结果表明, 汶川M_S8.0地震发生使芦山地震震源断层面上有利于其错动发震的应力大面积增加而使康定地震震源断层面上有利于其错动发震的应力大面积减小。 在芦山地震初始破裂点处引起的库仑破裂应力达0.245 MPa, 在康定地震初始破裂点处引起的库仑破裂应力为-0.00063 MPa。 因此, 汶川M_S8.0地震的发生对芦山地震具有明显的促进作用, 而对康定地震的作用不明显。 在目标断层面参数已知的情况下, 根据库仑破裂应力在目标断层面上的分布, 可能为未来地震发生的地点提供线索, 进而对地震发生的危险性进行预测。 若一次地震的发生使目标断层面上有利于其错动发震的应力大面积显著增加, 这种情况下库仑破裂应力对未来地震具有预测意义。     

朱溪水库诱发地震可能性分析

台州市朱溪水库于201 1年开始筹备建设,坝高73.5m,总库容1.257亿m3,属于大型水库.水库建成蓄水后是否会诱发地震,一旦诱发地震,可达的最大震级有多大,这一焦点问题备受各方关注.本文通过对库区区域构造背景、主要断层活动、破坏性地震的影响及地震地质条件,结合水库库区的具体情况,采用构造类比分析法和概率预测法,对朱溪水库诱发地震的可能性进行了分析,最终给出了相对科学的预测结论,为将来应对可能出现的水库诱发地震问题提供了科学依据.     

三峡水库与诱发地震

三峡水利枢纽规模宏大,举世瞩目,具有巨大的防洪、发电、航运等综合效益,是开发治理长江的骨干工程。三峡工程已于2003年6月15日蓄水至135m,永久船闸通航,7月第一批机组发电;2006年5月20日大坝185m高程全线贯通,10月27日蓄水至156m;2009年全部工程竣工投产。三峡水库已初步形成,随着蓄水位上升,库容加大,诱发水库地震的可能性也将加大。根据最大历史地震震级并适当加权,确定库区最大可信地震为6级左右。在仙女山和九湾溪断裂一带(距坝址为18km)存在诱发地震的可能,震级MS=5.0～5.8级。对坝址所受影响烈度为Ⅵ度,不会对按烈度Ⅶ度设防的枢纽主要建筑物构成直接威胁。必须加强对三峡水库诱发地震的监测及预报,预防地震及地质灾害,确保工程建设及运行安全,构建和谐社会,确保长治久安。本文根据国内外及三峡水库有关地震监测及预测预报资料,对三峡水库诱发地震进行初步探讨,供参阅指正。