雨水触发地震及其对喀斯特地质的依赖

最近报道的因3次独立的暴雨引发的雨水触发地震都发生在喀斯特地质区域。本人在该文中讨论了在强降雨直接侵入喀斯特地区以后喀斯特水文地质是怎样通过水流通道控制雨水触发地震的。这种通道导致水头大量增加,更重要的是,它极大地增加了作用于地下孔弹性介质的垂直应力。快速加载于孔弹性介质的载荷,通过以一种观测到的向水库注水类似的方式,增加深部孔隙压力,从而诱发地震。采用简单的一维孔弹性介质模型可以看到,深部流体压力的激增是边界处压力阶跃的实质性的一部分,接下来是与典型的线性扩散问题相关的随时间变化的孔隙压力的增加。这些结果含有对触发地震所必需的流体压力变化的暗示,并导致以下尚待检验的假设：明显的雨水触发地震将只发生在喀斯特地区。     

利用统计地震模型从地震活动参数中获得流体信号

根据众所周知的库伦破裂准则,应力或孔隙压力的变化都会导致地震破裂。余震活动一般认为是地震应力变化引起的,它服从大森定律。而地震群则认为是通过地下流体侵入岩层所致。应力触发可以通过在地壳单独构建三维弹力应变模型分析,而地震引起的地下流体流动情况必须通过空隙压力变化和地震之间相互作用应力场的改变这样复杂的地震活动图像研究。我们看到ETAS模型是从复杂地震活动图像获得最初流体信号的一种适当工具。我们主要分析2000年发生在欧洲中部的波西米亚西北部Vogtland地区的大地震群。通过拟合随机的传染型余震序列模型(ETAS)我们发现应力触发在创建观测地震活动图像和解释观测事件破碎时间分布时起支配性作用。外力在直接触发引起地震活动中起到的作用是很有限的,这种外力被认为是由于流体入侵导致孔隙压力变化而产生的。然而时间上的反褶积表明显著的流体信号源于地震群。这些结果已被我们的仿真模型模拟研究证实,在这个研究中,流体侵入和应力在三维弹性半空间中沿断层面转移时触发地震。基于ETAS模型的反褶积过程能够揭示地下孔隙压力变化。     

孔隙压力扩散触发2000年Vogtland地震群的证据

因孔隙中注入流体而诱发的地震通常有某些特定的典型时空特征。当孔隙压力扩散是主要的触发机制时,这些特征在某种程度上被认为是地震前的信号。由人工地震的典型扩散特征出发,我们在中欧的德国和捷克边疆的Vogtland/NW Bohem ia(VB)地区寻找相似的地震模式。VB地区的特点在于在其内部重复发生震级达ML4.5级的地震群。强有力的地球物理学证据表明,在地壳内部的地震事件与流体相关的过程有联系。此项工作的主要目的在于研究,流体在VB地区所担当的可能角色。通过孔隙压力扩散机制,我们检验了上升的岩浆流体触发地震事件这样的假定。触发过程主要由两个物理量来控制,水压扩散率和地震临界值(也就是,临界孔隙压力导致地震;稳定的场地有高临界压力的特点),二者以完全不同的形式存在于岩石当中。VB地区2000年地震群的数据分析结果支持了这种观点。我们能够识别扩散信号,并获得了在地震活跃区域水压扩散率的估计值在0.3到10 m2/s之间。应用考虑了与空间相关的扩散率和criticalitypatches的数字模型,我们成功地模拟了2000年地震群的普遍地震模式,包括地震事件的时空分簇和地震活动性的运移。     

福建仙游震群的孔隙压扩散特征

2010年8月至2015年12月,福建仙游地区发生了一系列小震群活动。基于孔隙压力扩散机制对精定位的小震数据进行分析,结果显示仙游震群序列在空间上呈丛集分布,且具有明显的分区现象,发震时间受金钟水库水位变化的调制作用较为明显。5个分区（A—E）的流体孔隙压力扩散系数分别为0.04,0.08,0.07,0.12和0.05 m2/s,伴随着地震活动性由强至弱,孔隙压扩散系数呈先增后减的变化规律。仙游震群位于断裂构造发育区内,震中分布优势方向与石苍断裂一致,沿着断裂走向的孔隙压扩散系数最大,说明地下流体沿狭长的石苍断裂由NW向NE活动。各分区的流体孔隙压系数与扩散最大距离、最大诱发地震震级及地震释放能量均有较好的相关性。此外,当金钟水库水位下降时,各分区的扩散距离r呈现减小趋势,震群范围收缩,地震频次增加,并伴有较大震级的地震,说明水位下降时,流体孔隙压力的扩散作用在同一地点反复作用,使得触发源附近区域的应力水平更容易达到饱和或临界状态,进而触发较大震级的地震,这也解释了水位下降过程中地震更为强烈的原因。      

阿拉斯加迪纳利M=7．9级地震瞬时变形引起的地震成核

推断导致地震触发的永久和动态(瞬时)应力变化常比地震本身释放的应力数量级小，这意味着触发发生在应力处于临界状态的断层上(Hill et al，1993；Gomberg et al，2000；Huc and Main，2003；Belardinelli et al，2003)。所以，触发的地震活动速率增加可能出现在加载速率最高以及可能由高温流体引起孔隙压力升高，使孽擦力减小促使断层破裂的区域(Coccoand Rice，2002；Streitand Cox，2001；Sturtevant et，al，1996)。本文说明2002年阿拉斯加州迪纳利M=7．9级地震在整个不列颠哥伦比亚省和美国西部触发了广泛的地震活动速率增加。地震波引起的动态触发应该沿着辐射能集中的破裂方向增加，我们利用迪纳利主震的地震波和新的高精度GPS记录证实了这个结论。这些观测结果和1992年加利福尼亚州兰德斯M=7．4级地震(Hill et al，1993)引起的触发仅在震级上具有可比性，并说明兰德斯地震的触发没有反映该地区的特性和地震活动性。可是，由迪纳利地震触发的地震活动速率增加的地区构造活动并不明显，意味着即使在周围应力加载速率低的地区，断层可能仍然处于应力临界状态，动态的触发很可能是普遍存在和无法预测的。     

孔隙弹性介质中的震后流体流与库仑应力变化

一般认为地震序列的发生意味着不同断层段之间的一种相互作用。每次位错产生的同震应力的传递则是这种相互作用最显著的成分。然而，一个地震系列中各个后续事件之间的时间间隔却表明，同震应力尚不足以单独引发其他的地震。我们研究了同震应力场可能诱发孔隙流体流，改变了所在区域的孔隙压力分布情况。鉴于地壳在很多地区都是一种流体饱和介质，故将地壳视为一种孔隙弹性固体。由于孔隙物质所表现的应力场依赖于时间，所以我们将验证这种性质能否解释余震的触发。我们考察了一些现有的半无限平面断层的解析方法。对可渗透的和不可渗透的位错面均作了考虑。我们将孔隙弹性介质的解法与孔隙介质的解法作了对比，计算了变形与流体扩散之间的耦合效应。结果发现主震产生的库仑应力变化在某些区域初始时可能表现为负值，但尔后随着孔隙流体的重新分布而变为正值。这种变化意义重大。如果地壳确如我们所假定的表现为一种各向同性、充满流体的孔隙弹性介质的话，那么，通过孔隙流体扩散的库仑应力触发作用则很可能是余震产生的重要机制，余震发生的范围分别为长约2．5个断层长度，宽约0．5个断层长度。这个范围小于以前模型的预测值，以前的这些模型都忽略了弹性变形和孔隙流体扩散之间的力学相互作用。对于典型的孔隙结构，流体流引起的应力变化在主震发生后约一年内会有很大程度的衰减。     

震后地形变与孔隙压力瞬态变化的相互关系

大震改变地壳的应力,从而触发地震及其余震。一系列随时间变化的过程,包括余滑、孔隙流体的流动、下地壳和上地幔粘性的张驰、断层附近应力和孔隙压力调整以及地震的触发进程。然而,尽管进行过多次尝试,但通过直接场地的观测,很难将这些过程区分开来。这里我们采用一种星载雷达干涉图和冰岛南部地震带两个6.5级地震地热井水位变化过程结合的测量法。干涉图记录到的形变既不能用余滑也不能用粘-弹性张驰来解释,但它与地震发生后最初两个月孔隙弹性物质的回跳一致,这可以用地震引起水位变化的快速恢复(1—2个月)来证实,相反余震序列的持续时间达到3.5年,这表明余震的持续时间并不是由孔隙流体的流动控制的,但是,因为表面应变是由地壳浅部孔隙压力的变化控制的,因此,我们不能排除在余震发生深度存在较长时间的孔隙压力瞬态变化。余震的持续时间与随速度和状态变化的摩擦定律控制的地震活动变化速率模型是一致的。     

不同时期水库地震活动主要影响因素讨论以三峡库区微震活动为例

结合微震活动的流体作用强度检测及孔隙压扩散模拟,讨论了三峡库区不同时期微震活动的主要影响因素。以2008年9月蓄水季为界划分前、后期,前期流体渗透导致的孔隙压力增加,使裂隙或断层面强度降低,是库区微震活动的主要影响因素,这一时期微震频次及ETAS模型参数μ值有起伏地缓慢增大,与库水位加卸载过程关系不明显; 后期由于流体渗透引起的孔隙压力变化趋于零,在新的流体平衡条件下,库水位加卸载过程所导致的裂隙或断层面上的应力变化,成为库区微震活动的主要影响因素,这一时期微震频次及μ值显示出与水位变化明显的关联特征。库区小震震源深度的时间变化支持上述观点。在此基础上,进一步讨论了水库“诱发”和水库“触发”地震的力学差异,认为前者主要缘于流体渗透导致的裂隙或断层面强度的“主动”降低,后者则主要与库水加卸载所导致的裂隙或断层面上应力增强有关。进一步推论认为,流体对小地震“诱发”、“触发”皆可能发生,但中强地震缘于流体“诱发”的可能性非常小,对水库区发生的中强地震,流体仅可能对处于临界状态的断层系统起到“触发”作用。     

基于流固耦合的静态库仑应力变化的数值计算及其在地震触发研究中的应用

地震"应力触发"是近年来地震科学研究中的热点之一,由地震引起应力转移从而对后续事件产生触发作用的应力触发模型已被大量震例的研究成果所支持。应力触发理论中的最关键问题是如何计算库仑应力变化,但传统方法的计算一般都是基于Okada的解析解,其中不考虑流体对固体骨架力学行为的影响。同时,模型中通常仅仅计算同震位错效应所产生的库仑应力变化,而不考虑震后余滑、孔隙流体迁移等其他因素造成的影响。但实际上,流体广泛存在于地下岩土介质中,对固体变形有着非常重要的影响。当主震发生后,随着时间的推移,震后余滑、介质孔隙压变化等震后效应的作用逐渐突出,由此引起的静态库仑应力变化也逐渐发挥作用。为此,本文基于孔隙弹性理论,考虑流-固之间的完全耦合作用,针对3种不同类型的断层错动模型(走滑型、逆冲型以及正断型),利用有限元数值模拟方法,分别计算同震静态库仑应力变化的空间分布,然后将其结果与传统算法进行比较,考察流-固耦合的效果。在此之上,进一步计算震后余滑、孔隙流体迁移等引起的库仑应力变化的时空分布,定置分析这些因素对地震触发的影响。研究中,主要获得的成果如下:(1)3种不同类型地震模型得到的介质孔隙压变化在空间的分布格局完全不同:走滑型地震产生的同震孔隙压变化图案在空间中呈正负相间的四象限分布,近场的静态库仑应力明显下降,流-固耦合作用对静态库仑应力变化的影响较大;逆冲和正断层地震产生的介质孔隙压变化在空间的分布图案类似,但正负区域正好相反;孔隙压在逆冲地震的震源附近上升,而在正断层地震的震源附近下降。同传统方法计算的库仑应力相比,逆冲地震产生的介质孔隙压变化使得震源附近的应力影区面积减小,这将会触发更多的余震;而正断层地震产生的孔隙压变化则正好相反,增大了震源附近的应力影区范围,这样可能会减小该区域余震发生的机会。(2)3种不同类型地震的震后流体扩散效果也很不相同:在渗透率相同的介质中,走滑型地震的孔隙压力变化衰减速度相对较慢,在20天内逐渐衰减;逆冲和正断层地震产生的孔隙压变化则会在10天内急剧降低;但3种不同类型地震的孔隙压变化最终都会在60天后衰减完毕。虽然孔隙压力变化会在震后不断地演化,但由于孔隙压力变化对库仑应力变化的贡献所占比例较小,因而对总体静态库仑应力变化的影响非常有限。由此可见,单纯震后流体孔隙压力变化对地震触发的能力较弱,震后流体运移触发地震的物理机制还需深入研究。(3)3种不同类型地震的震后余滑效果也很不一样:走滑型地震的震后余滑能整体上提升库仑应力变化的幅度,触发更多的地震;逆冲地震的库仑应力上升区域会在空间中整体扩展,触发范围更大的余震;而正断层地震的震后余滑对库仑应力变化的影响较小,仅沿断层两端有较小的扩展。(4)此外,研究中还专门利用传统方法计算了四川芦山地震(A/s7.0)对其余震的触发情况。当选择最优破裂面投影、或选择余震节面投影或使用不同的震源位错模型以及不同的有效摩擦系数时,大量的数值计算均发现,芦山地震对其余震没有明显的触发效果。总之,计算地震引起的库仑应力变化不是一个简单的问题,它涉及地震发生、震后响应、构造应力场和介质环境变化等。只有充分利用数值模拟手段,考虑诸如介质的流-固耦合等多种物理因素,才有可能获得比较接近真实的库仑应力变化,从而使得地震触发理论更为完善,能更加科学合理地分析地震趋势及评估地震灾害。     

中国重庆荣昌气田3km深度注水诱发地震研究

自1988年7月起,有关部门在位于中国西南部的重庆荣昌天然气田以2．1～2．9MPa的泵送压力间歇性地向2．6～2．9kin的深度注入了超过100万立方米的采气废水。截止到2006年底,这项注水工作已诱发了超过32000次地表记录到的地震,包括2次ML≥5．0的地震,14次ML≥4．0的地震,及超过100次ML≥3．0的地震。我们对该地震序列的传染型余震序列（简称ETAS）模型及地震活动的一些统计参数的时间演化进行了统计分析。传染型余震序列模型中的随机成分可被视为流体驱动的地震活动的指标,而大森定律型余震的发生率则表示了地震本身的应力触发。我们观测到注水以来地震的活动可划分为3个不同阶段,与注水的不同时期相对应。第一阶段对应于低速率（长时间间隔）的注水初期,绝大多数地震为大森型地震,只有8％是因外部因素（即注水）所致。第二阶段对应于高速率注水时期,具有地震活动度高,而且有相当比例（45％）的地震活动与流体作用有关的特点。第三阶段注水速率的降低直接导致地震活动下降;有超过70％的地震为随机发生,表明了外部触发起主导作用。荣昌诱发地震序列的物理机制是伴随深井注水的孔隙压力扩散作用和先前地震本身引起的库仑破裂应力变化联合作用的结果。深井注水引起的2．1～2．9MPa的孔隙压力增加,足以引起当地地层破裂而发生地震。     

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。     

震群活动的一种可能的触发机制

分析了1975年2月4目辽宁海城地震后的熊岳、1976年4月6日内蒙和林格尔地震后的凉城、以及1976年7月28日唐山大震后的宝坻等震群活动的时空分布特点.由位错模式计算了大地震在相应地区产生的附加应力(张应力)的大小(3——6巴),它和由这些震群中的小地震计算的应力降的大小相当.附加的张性应力相当于减小围压.根据不同应力途径的三轴压缩实验以及原地庄水诱发地震的试验结果指出,上述量级的应力变化可以在地壳浅处应力水平已经很高的地区触发地震活动.考虑到地下流体的扩散特性及其作用,初步解释了震群活动的高潮滞后大地震的观测事实,从而引出了大地震对其附近的震群活动的一种可能的触发机制.      

探讨水头增量及其变化率对水库诱发地震活动的影响——以紫坪铺水库为例

分析水库蓄水在地震发生中的作用时,首先需要了解水在其中的扩散过程及其作用机理。文中通过紫坪铺水库蓄水后,汶川地震前的小震活动时空演化,探讨水库蓄水诱发地震活动的发生、发展过程及其机理。从比较地震时空分布和水体范围变化开始,进而探讨影响建模计算的各个因素,最后给出计算结果。得出以下几点认识:1)紫坪铺水库蓄水后到汶川地震发生前,水库周围的小震活动与水库蓄水密切相关,并且小震分布在汶川地震的地震断层上。2)受地形和介质的影响,水库影响范围实际上是有限的,并且是各向异性的。因此在建模计算前,半定量地获得了孔隙压力扩散系数,沿断裂走向和倾向分别为0.7m2/s和0.35m2/s;定性地设定了地表约束。3)计算结果表明紫坪铺水库附近地震活动的范围与孔隙压力增量有关。当应力值达到触发地震活动的阈值之后,不论水头增量是否处于高值,地震活动的兴衰皆受控于增量变化率。这表明孔隙压力对震群活动的触发是动态触发。     

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...     

四川岷江上游滑坡触发因素分析

以高山峡谷为地貌特征的岷江上游地区人口密集,在晚更新世以来发生了数以万计的滑坡,探讨该地区滑坡发生的主要触发因素对该地区的地质灾害防治意义重大。文中从区域降雨特点、滑坡坡形特点、地震震级大小与滑坡面积的对应关系以及叠溪已恢复地震记录的周期性分析等方面入手展开探索性研究。在降雨方面,与滑坡灾害严重的尼泊尔相比,岷江上游无论是累积降雨量还是日降雨量均未达到触发滑坡的关键阈值。在坡形方面,岷江上游的滑坡不具有暴雨触发滑坡形成的坡底峡谷地形特征,而具有地震触发滑坡形成的自上而下较为平坦的坡面特征。在震级大小与滑坡面积的对应关系中,岷江上游的大面积滑坡分布支持地震触发,与暴雨触发的局部小面积滑坡形成鲜明对比。在叠溪已恢复地震记录的周期分析中,我们获得能够导致该地区软沉积物变形的5.0或5.5级地震的复发周期集中于二三十年,而引发大面积滑坡的可能类似汶川特大地震的平均复发间隔为2.6ka。这与中等—特大地震以及滑坡面积随地震震级一般呈现指数增长关系相吻合。据此,我们初步认为,岷江上游地区晚更新世以来发育的大量滑坡由降雨触发的可能性很小,绝大部分可能为地震触发。这一初步认识有待今后的细致研究进一步验证。     

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.     

新疆天山地震带的地震流体地质效应

天山地区的高压自流水、高压油气藏及地热异常区的出露与天山地震带分布的一致性表明,孔隙水压异常高的动力条件可能成为触发浅源地震的重要机制。本文以丰富的震例为依据,认为天山地震带中强地震前地下流体出现两类异常:一类是应力应变能积累阶段的趋势性异常;一类是应力应变能预释放阶段的临震突发性异常。两类异常在形态上和时空分布上有完全不同的特征,它们显示出地震孕育过程中的两个完全不同的物理、化学过程。     

云南大姚、姚安及附近地区地震活动与潮汐应力的触发关系

以云南大姚、姚安及其附近地区8个M5.0地震序列为研究对象,计算了主震震源断层上的潮汐应力,并通过Schuster潮汐相位角统计检验,分析了该地区地震活动与潮汐应力的触发相关性,进一步确认两者的潮汐应力触发关系。结果显示,7个地震序列的P值小于5%,6个地震序列的潮汐库仑破裂应力为正值。考虑到震源参数的不确定性,8个M5.0地震序列中,至少5个地震序列与潮汐应力存在一定的触发相关性,说明潮汐应力对该地区地震活动具有一定的潮汐触发作用。     

濮城油田注水驱油引起的地震活动特征分析

利用孔隙压力扩散机制,分析了濮城油田注水引起的地震活动特征,获得了油田开发期不同时段的流体孔隙压力扩散特征,并分析了注水压力、注水量与诱发地震的频度、震级之间的相关性特征.研究结果表明:濮城油田与注水有关的地震活动表现出明显的分期特征,基于孔隙压力扩散过程触发机理,计算出孔隙压扩散系数在初期注水量增加时段(1980—1994年)约为0.1 m~2/s,在注水量保持稳定时段(1994—2006年)在0.12~0.16 m~2/s之间,在实施层间精细注采措施后(2007年后)约为0.05 m~2/s;濮城油田注水诱发地震的地震频度、最大震级和注水压力、累积失水量之间存在一定的相关性,其地震年频度和注水压力、累积失水量之间呈现指数相关特征,其最大震级和注水压力、累积失水量之间呈现线性相关特征.本项研究对分析解释注水诱发地震机理、定量评价注水诱发地震的危险性具有一定的参考价值.     

地下流体对地震孕育发生过程的影响研究综述

地下流体对地震的孕育、发生过程起着重要作用.本文简述了近年来国内外关于地下流体影响地震的研究进展,对流体诱发地震的物理机制进行了深入介绍,主要有孔隙压的增加对有效应力的降低、流体受热膨胀扩容以及对岩石的润滑和软化作用;同时介绍了一些典型的流体触发地震模式,包括地震泵、断层阀、膨胀—扩散模式等,并讨论了目前存在的主要问题...