龙滩水库诱发地震的孔隙压力扩散特征

利用孔隙压力扩散机制,分析了广西省龙滩水库与蓄水有关的小震精定位数据,获得了5个分区的流体孔隙压力扩散特征.龙滩水库与蓄水有关的小震活动表现出明显分区现象,使用多源孔隙压力扩散过程触发机理,计算出5个分区流体孔隙压扩散系数值为0.04~0.65 m2 /s.根据5个分区流体孔隙压力扩散程度,将这5区划分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三种类型,各类型的流体孔隙压扩散系数分别为0.45~0.65 m2/s,0.25 m2 /s和0.04~0.08 m2 /s.断裂发育的区域内,地震分布范围较大,地震优势分布方向与断裂一致或相交,而断裂不发育的地块内,地震分布集中,无优势分布方向.各分区岩性的差异与流体孔隙压扩散系数的关系不显著.同时,各分区流体孔隙压力扩散的持续时间和最大扩散距离等均与孔隙压扩散系数的大小具有很好的相关性,第二次蓄水后库区发生的ML4.2最大水库诱发地震位于流体孔隙压扩散系数最大的Ⅰ区.本项研究对分析解释水库诱发震地震机理,定量评价水库诱发地震的危险性具有一定的参考价值.     

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。     

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.     

汶川8.0级地震后紫坪铺水库库区地震的分布特征

采用双差定位方法对紫坪铺水库库区12个地震台站2009年记录的857个地震进行了重新定位,获得了815个地震的震源位置。定位结果显示库区有3个地震相对集中区域,在各个集中区域地震震源深度的分布特征各不相同。与已有的汶川8.0级地震前库区地震精定位的研究结果相比较,汶川8.0级地震后库区地震相对集中区域的位置关系发生了明显变化。     

龙滩水库地震精定位及活动特征研究

水库地震的精确定位,尤其是深度的精确测定是揭示特定属性的水库体系(库区岩性、断层分布和类型、水文地质条件)在库水的动态加卸载过程中,库区介质和应力场发生响应的重要"云图",因此是进一步研究水库地震发生环境及机理,以及判断水库诱发地震危险性的基础.     

新丰江及龙滩水库地震活动性研究

水库诱发地震的地震活动特征与地震定位研究是开展水库地震研究及危险性评估的重要基础。结合新丰江及龙滩水库的蓄水过程研究讨论了新丰江及龙滩水库的地震活动性,利用2009～2010年在新丰江及龙滩库区架设的加密台站以及两水库原有的观测台站组成的观测台阵记录到的连续观测地震波形,通过结合了波形互相关技术的双差定位法做了地震精定位研究。研究结果证明利用波形互相关技术提取的互相关数据改良了地震定位结果,精定位后震中分布更为集中,与库水分布及周围断裂的分布一致,震源深度也有所收敛,希望该方法推广到今后的水库地震研究中去。     

龙滩水库地震精定位及活动特征研究

本文利用结合了波形互相关技术的双差定位法对龙滩库区2006年至2007年发生的地震进行了精确定位,并对其活动特征进行了分析.通过定位结果的比较,证明利用波形互相关技术提取的地震对的P、S波走时差数据及双差精定位法显著地提高了定位的精度和质量.对龙滩库区地震活动特征的研究结果表明,龙滩库区的地震活动与水库蓄水过程密切相关,成丛分布的地震活动分别表现出对水库蓄水过程不同的响应过程和活动特征,反应了龙滩库区在岩性特征、渗透条件、地质构造及应力场等方面存在局部性差异.     

地震触发、震群与余震活动过程中的孔隙压力作用

国际上对地震过程中孔隙压力作用的研究已成为认识和理解地壳流体作用的关键科学问题.普遍认为,孔隙压力作用是地震触发和影响震群与余震活动过程的重要因素之一.许多地震震源附近存在着低波速、高泊松比的异常区域,通常认为该区域赋存流体,存在高孔隙压力.     

深井孔隙压力测量及其与地震活动性的关系

介绍了在深钻井中测量岩层流体孔隙压的方法．以华北地区沉积盆地为例，分析了0～4 km深度岩层孔隙压实测值的变化规律，并结合区内1900年以来发生的MS5.0的地震，讨论了3 000 m深处异常孔隙压的区域分布与地震活动的关系．研究结果表明，深井中实测的岩层孔隙压p0并不完全等同于静水压pH，超孔隙压现象存在但不具普遍性．由油田勘探井、评价井及开发井中实测的孔隙压(p01，p02及p03)与静水压之间的关系为:① 具超孔压的地区p01＞p02＞pH＞p03；② 孔隙压正常或偏低的地区pH＞p01＞p02＞pH＞p03．通过对本区超孔隙压现象的区域分布与MS5.0地震活动的关系分析，发现大约以纬度36～36.5为界，南部存在超孔隙压现象，即在约2 000 m深度以下，实测孔隙压明显高于静水压，且随深度增加而呈幂函数递增，其地震活动性弱；而北部实测孔隙压基本正常或偏低，孔隙压值随深度呈线性递增，其地震活动性较强．      

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.     

漫湾水库蓄水前后库区地震活动性与构造应力场分析

对漫湾水库蓄水诱发地震作了分析，结果表明，蓄水后库区小震频次明显增加，近距离地震明显增多，在蓄水首次达到高水位和由高水位突降至低水位时，诱发了最强地震。表明蓄水对库区构造应力场产生了影响，使得局部应力场较区域构造应力场作用方向出现明显偏转，作用方式发生改变，呈现较大的垂直作用效应，节面错动出现较大正倾滑动分量。     

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.

     

定量分析紫坪铺水库蓄水与汶川地震发生的关系

为分析紫坪铺水库蓄水与2008年汶川M_S8.0地震的关系, 通过求解二维孔弹耦合层状介质下解析解形式的扩散孔隙压, 获取了汶川地震发生前地震震源处的扩散孔隙压值。 在此基础上, 开展了汶川地震发生前, 地震震源处以及北川—映秀断裂带断层面上应力变化量的计算。 结果表明, 汶川地震发生前, 地震震源处的库仑应力变化量值较小, 为-0.001 MPa, 表明蓄水对汶川地震的发生具有一定程度的抑制作用。     

紫坪铺水库区不同蓄水阶段的地震活动及成因分析

利用紫坪铺水库地震小台网和成都遥测数字地震台网记录的地震资料,研究给出紫坪铺水库区的地震活动的定位结果和震源机制解.分析紫坪铺水库区不同蓄水阶段地震活动的差异变化.汶川8.0级地震前小震活动集中分布在起始破裂区的东侧,起始破裂区出现的微破裂增加可以理解为诱发小震活动,是发生在水库反复蓄、放水的第3个蓄水高峰后的卸载段,但从频次和强度分析仍属构造本身长期地震活动的一种起伏.汶川8.0级地震为巨大构造地震.紫坪铺水库区构造和环境条件满足诱发地震活动的条件.今后应注意水库区小震活动的变化,重视其缓慢的链式小震续增过程对本身就是巨大孕震构造带的突变作用.     

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。     

水的渗透作用及新丰江水库地震的特点和机制

据具有孔隙的岩石中水的渗透作用及Mogi的地震分类原则,提出水的渗透过程形成了库区有效应力分布的非稳定的不均匀状态,水库地震的序列特点与其密切相关;讨论了水的渗透对引起主震的作用,得出水库区的渗透率约为10~(-4)达西,认为在蓄水前库区的构造应力场未达到临界状态,库水与地下水形成新水系,后在此基础上进一步渗透,孔隙压力增加,构造应力进一步集中,激发主震;根据库仑准则讨论了应力场的转换,提出主震后应力场的转换是造成前震和余震的震源应力场方向不同的原因     

饱和碳酸盐岩地震频带弹性参数响应的实验机理分析研究: 压力与孔隙流体影响

碳酸盐岩储层中蕴藏着全球近一半油气储量,也是我国深层、超深层的重点勘探领域.然而,深层碳酸盐岩复杂孔隙结构导致其储层条件下岩石物理响应机理不明,这对有效地震储层表征与流体预测带来了巨大挑战.目前,国内尚缺乏系统开展针对深层碳酸盐岩储层的地震频带岩石物理实验测试研究.厘清深层油藏开发中因流体流动而引起的储层压力场与孔隙流体性质变化对地震频带弹性参数影响机制,在一系列地球物理应用中具有十分重要的意义.通过开展跨频带（地震低频+超声高频）弹性参数实验测试,本文系统研究了压力与孔隙流体对深层碳酸盐岩弹性模量及其衰减的影响机制.针对中低孔渗碳酸盐岩储层岩芯,分别测量了其在干燥、饱和盐水与甘油下的弹性参数,分析了弹性模量对压力与频率敏感性.干燥岩芯杨氏模量频变特性显著低于饱和流体岩芯实测数据,且饱和甘油岩芯模量及其衰减均高于饱和盐水测量结果.部分饱和盐水岩芯的地震频带实测结果表明,杨氏模量与泊松比均随含水饱和度升高而增大,其频散程度却略有降低.此外,基于干燥岩芯弹性参数不依赖频率的前提,受迫振动法低频实验所得岩石弹性模量和衰减数据与三孔隙类型喷射流模型预测结果相一致,证实喷射流是引起复杂孔隙微观结构储层岩芯频变黏弹性响应的主控因素.