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.     

龙滩水库地震危险性分析

龙滩水库位于云贵高原东南部,是一座高坝、大库容水库,根据已有水库诱发地震的特征,并对该库区的地质构造与主要断层特征、地层与岩性、地震活动背景及水文地质条件等进行分析,认为龙滩水库蓄水后约6年会诱发6-6.5级地震。通过对龙滩水库地震危险性分析,对未来该库区的地震趋势判断具有一定的指导意义。     

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。     

龙滩水库区诱发地震危险性估计

龙滩水库为待建工程。利用库坝区近年来发生的三个天然地震的资料,求得该区主压应力方向为N50°W。龙鱼和河池两地区发生的震群的Q值偏低,平均分别为360和23。对震源参数的测定结果表明,M_0与M_1呈线性相关,震源尺度a、应力降Δσ与M_L无相关性。估计水库建成后可能会诱发较强地震。     

广西龙滩水库诱发地震环境影响评价

本文根据现有地震地质资料,尤其是近五百年来库区周围的历史地震活动情况,对龙滩水库诱发地震可能造成的环境影响作了初步评价.其结果表明,库坝区存在发生破坏性水库地震的风险,尤其库区周围岩溶的存在,为诱发岩溶塌陷型水库地震创造了条件,对于水库堤坝岸坡的稳定是不利的,对库区周围的环境亦有不利影响.     

水力扩散与水库诱发地震关系的讨论

本文讨论了水力扩散和水库诱发地震与水文动力地质条件之间的联系,提出了水力扩散是水库诱发地震的主要原因。本文还建立了两个与水力扩散相联系的诱发震源模型——非应力增长模型和应力调整模型,並给出了该模型在水库地震预报中的应用条件和方法。     

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     

龙滩库区蓄水初期水库诱发地震活动分析

龙滩水利枢纽位于广西天峨,是一座典型高坝大库容水库。本文通过对库区及周围的地质构造和蓄水前后地震活动分析,总结了龙滩水库蓄水初期诱发地震的时间、空间和深度分布特征以及蓄水后库区水位变化与地震活动关系,讨论了龙滩库区蓄水初期诱发地震机理。     

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.     

广西龙滩库区深部孕震结构大地电磁探测研究

在广西龙滩库区布置2条北北西-南东东向大地电磁探测剖面进行了32个测点的观测,观测频段为320 Hz~1000 s.对2条剖面上测量和计算得到的各种电磁参数、深部电性结构图像以及库区地质构造、岩性和水域分布等进行分析研究.结果显示库区发育的6条断裂在电性上表现为不同程度的电性差异边界,其中拉浪—达良断裂和拉色—辉马断裂为库区主要断裂带.库区深部电性结构总体表现为纵向上自地表到20 km深度呈现高—低—高的波浪起伏的三层结构,横向上呈明显的高低电阻块状组合样式.龙滩库区4个地震丛集区的震源都位于高、低电阻接触带附近,其中3个地震丛集区的震源位于低阻特性的石炭系地层的下部,为岩溶水体诱发地震;发生最大震级的地震丛集区的震源位于上宽下窄似"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.     

Distribution Characteristics of the Seismicity of Zipingpu Reservoir Region after the Wenchuan Earthquake

815 earthquakes recorded by 12 seismic stations of the Zipingpu reservoir seismic network in 2009 were relocated using the double difference algorithm to analyze the seismic activity of the Zipingpu reservoir.Relocation results show that the earthquakes are concentrated relatively in three zones.The distribution characteristics of focal depth are obviously different among different concentration zones.This means earthquakes in different concentration zones may have different causes.Compared to relocation of...     

Pore pressure diffusion and the mechanism of reservoir-induced seismicity

The study of reservoir-induced seismicity offers a controlled setting to understand the physics of the earthquake process. Data from detailed investigations at reservoirs in South Carolina suggested that the mechanism of transmission of stress to hypocentral locations is by a process of diffusion of pore pressure (Pp). These results were compared with available worldwide data. The seismic hydraulic diffusivity, _s , was estimated from various seismological observations, and was found to be a good estimate of the material hydraulic diffusivity, . Application of these results to a dedicated experiment to understand RIS at Monticello Reservoir, S.C., suggested that the diffusing Pp front plays a dual role in the triggering of seismicity. The spatial and temporal pattern of RIS can be explained by the mechanical effect of diffusion of Pp with a characteristic hydraulic diffusivity within an order of magnitude of 5×10⁴ cm²/s, corresponding to permeability values in the millidarcy range. The triggering of seismicity is due to the combined mechanical effect of Pp in reducing the strength and, possibly, the chemical effect in reducing the coefficient of friction between the clays in the pre-existing fractures and the rocks that enclose these fractures.     

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.     

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.     

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.

     

水口水库地区地震震源机制解特征分析

求解了福建水口水库地区15个地震的震源机制解。 结果表明, 水库蓄水早期地震震源参数变化较大, 而蓄水晚期地震震源参数基本一致。 此外, 还对蓄水早期和蓄水晚期构造主应力方位、作用类型以及地震断层滑动性质特征进行了分析, 虽然这些地震都属于水库蓄水诱发地震, 但相对而言, 蓄水晚期的诱发地震具有明显的构造地震特征。 这些结论将对其他水库地震分析具有一定的参考价值。     

龙滩水库地区P波、S波和尾波衰减

利用发生在龙滩水库地区的144次ML≥1.0地震资料,研究了该地区地壳介质的衰减特征,并采用尾波归一化方法分别估算了P波、S波的品质因子QP和QS,用单次反散射模型计算了尾波品质因子QC．结果表明,该地区上述3个值与频率的依赖关系分别为QP（f）=（7.43±0.78）f(1.05±0.06),QS（f）=（13.08±3.20）f(1.76±0.15),QC（f）=（50.52±2.71）f(1.13±0.03),总体呈现低QO和高η值的特点．在所研究的频带范围1—16Hz内,QS／QP比值均大于1,表明该地区体波衰减中散射可能起着较大作用．QC与QS的比较结果表明,在小于8Hz时,QS＜QC;而大于8Hz时,则QS＞QC．这可能是由于介质的多次散射作用的结果．