三峡库首区蓄放水重力效应模型的构建与观测

通过高分遥感影像精确提取三峡库首区水体边界,对水体部分构建精密的离散化数值模型,模拟计算三峡库首区在不同蓄放水位产生的重力效应,并对秭归站2017年gPhone 101重力仪与茅坪站2019~2021年gPhone 113重力仪的连续观测数据进行精细预处理。结果表明,在145~175 m蓄水过程中,模拟得到不同蓄水高度(间隔5 m)对岸边的重力变化值分别为0~28μGal、0~47μGal、0~60μGal、0~97μGal、0~170μGal、0~210μGal。当蓄水位升高5 m时,离岸2 km范围内存在10~20μGal的影响;当蓄水位升高30 m时,离岸5 km范围内存在30~40μGal的影响。重力残差主要反映水文重力效应信息,秭归站重力残差记录到约40μGal的重力变化,茅坪站重力残差记录到约50μGal的重力变化,重力变化趋势和水位变化呈现非常好的一致性,验证了模型模拟结果的准确性,可为三峡库首区及其岸边稳定性监测提供参考。

三峡库首区蓄水前后构造应力场三维数值模拟研究

迄今为止,长江三峡库首区蓄水对上地壳构造应力场影响的数值模拟研究中存在的最大问题是未考虑地形“峡谷效应”和库水下渗导致“岩石弱化”的影响。利用高精度DEM图和135 m水位蓄水同期重力异常观测资料,首次建立包含地形单元、库水下渗因素等复杂条件下的三峡库首区上地壳三维数值模型。在Marc软件平台上,以优选加载方案进行数值模拟,揭示135 m水位、175 m水位蓄水条件下库首区上地壳构造应力场的动态变化,发现九湾溪、马鹿池、官渡口、牛口等断裂带挟持区出现最大3.5～5.0 MPa的最大主应力降等有利于高角度正断层失稳的应力场变化,预测175 m水位蓄水影响将呈“继承性”发展。首次提出“二次诱发地震”、“水库诱发地震潜在震源”、“叠加潜在震源”的思想,探讨了蓄水对秭归、巴东2个重点区域断裂稳定性、孕震环境及地震危险性的影响。

三峡库首区重点断裂围限区蓄水的加卸载效应

通过对蓄水前后三峡库首区构造应力场进行三维数值模拟发现,相对于蓄水前,蓄水至135 m水位时,官渡口断裂-马鹿池断裂-牛口断裂围限区、秭归地理中心和九湾溪断裂带,出现了4个主应力下降区和共轭的主应力增长区,形成了差应力场;175 m水位与135 m水位相比,局部差应力场呈现逆向变化,即形成了加载效应与卸载效应的交替过程。这一过程,可能是水库诱发地震的诱震(或触震)因素。

三峡库首区非构造型水库地震的烈度衰减

非构造型水库地震具有震级小、震源浅、烈度高的特点,研究其烈度衰减对库区地震地质灾害的预测与防治具有重要的意义。根据三峡库首区近年地震实地科考原始烈度资料,选择椭圆衰减模型并对其进行二元回归分析,得到非构造型水库地震的烈度衰减关系。并与原有构造型水库地震烈度衰减关系进行比较。结果可供库区地震危险性分析与地震小区划使用。

震源联合定位方法在三峡库首区地震定位中的应用

利用三峡台网2001年1月1日至2011年9月9日的到时地震波形资料,采用震源联合定位方法,对三峡库首区7 011次地震重新定位,得到了不同蓄水阶段的台站校正值。结果显示:①地震主要分布在长江沿岸,并集中于郭家坝—屈原镇、泄滩、巴东—巫山一带;②三峡库首区存在地震波速横向不均匀性,速度分布与地质构造、蓄水等因素密切相关;③蓄水前地震波速分布情况主要受地质构造影响,而蓄水阶段三峡库首区的地震波速分布情况除受地质构造影响外,还受库区渗水影响。该方法在三峡库首区地震定位中取得了很好的应用效果。

三峡库首区河长坡降指标及其地质构造意义

利用数字高程数据和空间分析方法,提取三峡库首区长江支流的河长坡降指标(SL)以及标准化坡降指标(SL/K),对该区构造活动进行分析。结果显示,研究区水系发育主要受断裂构造、地层岩性和新构造运动的影响,在空间上存在一定差异性,说明研究区构造活动存在区域性差异。在不同岩性地区,特别是三叠系地层区,水系响应较为明显,这与地层的抗水流侵蚀强度有关。该区水系发育受断裂构造控制作用较小,但受新构造抬升影响较大。

三峡库首区现今构造应力场的形成体制分析

本文从地质、地震、形变、地应力测量等方面对三峡库首区现今构造应力场进行了系统的分析和论证,并用数值模拟进行了验证,认为三峡库首区现今构造应力场属于纯剪切变形体制,即:在来自西部NE—SW方向主压应力挤压的基础上,同时叠加有因江汉—洞庭盆地拉张而引起的NWW—SEE向主张应力的作用,这两种力源近于直交,可以分别作为研究区现今构造应力场的主压应力(1σ)和主张应力(σ3)。

基于流固耦合理论的三峡库首区蓄水后附加应力场研究

首先在Rhino软件中导出三峡库首区的DEM地形图,再将地形面数据文件导入FLAC 3D软件中并建立实体模型,设置好模型相关的力学参数和计算模式,得到在145 m和175 m蓄水位时三峡库首区的流固耦合计算结果。根据结果讨论三峡库首区孔隙水压场和等效应力场的特点发现,孔隙水压从地表至地下3 km范围内产生的影响不容忽视。

三峡库首区诱发地质灾害的强降水特征分析

利用三峡库首区1971—2019年国家站和区域站逐日雨量和地质灾害个例数据,对三峡库首区诱发地质灾害的强降水特征进行分析,发现:(1)三峡库首区暴雨日数近50年来呈现增长趋势;暴雨主要集中在4—10月,暴雨日数发生最多的月份为7月和8月;地质灾害主要集中在5—10月发生,呈现出夏半年多、冬半年少的特征。(2)秭归降水量年变化最大,更容易出现干旱或洪涝,兴山降水量年变化最小。(3)三峡库首区汛期平均雨量呈现14a周期性波动,其次是9a周期性波动。主汛期平均雨量呈现9a周期性波动,其次是14a周期性波动。(4)三峡库首区主汛期雨量和地质灾害出现次数的相关性达0.468,说明主汛期降水偏多时,更容易出现较多的地质灾害。

三峡库首区一次典型降雪形势的预报分析

利用常规地面和高空观测资料、EC(ERA5)、NCEP(FNL)再分析资料及EC和日本高分辨率模式资料,分析三峡库首区一次典型降雪环流形势下降雪预报失误的主要原因和三峡库首区所处特殊地形对降雪天气系统的影响机制。结果表明此次降雪空报的原因有:(1)冷空气过强,地面暖倒槽填塞,边界层下沉运动明显、抬升条件差;(2)对冰晶层水汽条件差、湿度垂直分布不利条件估计不足;(3)模式的降水量级和相态预报存在较大偏差;(4)受高大山体阻挡,冷空气绕流,气旋式环流在东部平原地区加强;(5)翻山冷空气下沉增温,冬季三峡河谷区域水体的增温效应使得边界层低层降温有限。

时序InSAR技术在三峡库首区潜在滑坡识别中的应用研究

三峡库区内断裂带发育,诱发多种地质灾害,其中主要为滑坡灾害,因此对滑坡灾害进行识别尤为重要。在已有三峡库区地质灾害调查的基础上,利用时序InSAR技术对三峡库首区的地表形变进行监测,通过影像裁剪、影像配准、地形相位估计、差分干涉、高相干点选取、相位解缠、形变提取和误差估计等数据处理手段,获取三峡库首区时间序列PS点,利用PS点的形变速率值来圈定潜在滑坡区;通过形变曲线及影像分析,证明时序InSAR技术用于三峡库首区滑坡识别可行且效果较好,能为三峡库区地质灾害风险防控提供科学依据。

三峡蓄水进程中库首区地震活动与库水位的关联性研究

利用三峡数字遥测地震台网产出的地震观测资料,基于互相关-重排实验技术系统分析三峡工程在蓄水进程中地震活动与库水位的相关性及不确定度,探讨三峡水库地震的成因机制。结果表明:1)蓄水进程中库首区地壳经历了“持续加载-渗透饱水-回弹与再平衡”的复杂过程,库区地震活动的时空分布特征与库水位的时序变化关系密切;2)从开始蓄水到175 m实验性蓄水阶段,巨量的直接库水荷载导致沿江近库岸10 km范围内的矿洞、溶洞、浅表性岩层、断层等失稳而诱发地震,震源深度5 km范围内的浅震活动明显与库水位快速上升产生的弹性加载有关,对库水位上涨呈“瞬时”响应;3)随着175 m实验性蓄水阶段稳定运行,渗透作用逐渐成为库区地震活动的主要影响因素,断层软化等作用可能是接连触发2014-03秭归M4.5、M4.9等构造型水库地震的原因,震源深度大于5 km的深震活动开始呈现对库水位的“滞后”响应特征。长江香溪库段作为仙女山、九畹溪断裂与长江交会的三角形构造部位,其周缘或存在发生中等强度地震的危险性。

三峡水库库首区地壳深部构造环境与地震成因研究

利用地震P波层析成像结果和三峡水库蓄水前的地震,研究三峡坝址及邻近区域的地壳深部构造环境与地震关系,探讨地震成因。结论如下:三峡地区蓄水前地震与地壳深部构造环境密切相关,地震基本发生在地壳深部高速异常构造与低速异常构造接壤处形成的速度梯度带上或附近,这表明,速度梯度带是地壳深部构造运动最活跃的地方,具有隐伏断裂的特征。三峡地区在现今区域构造应力场作用下,以及受上地幔部分熔融物质变形、膨胀、垂直向上的扰动场与伸张应力和热应力作用,导致地壳中断裂和隐伏断裂活动或产生新破裂,发生地震。

统计预测模型对三峡库区诱发地震预测的应用

通过实地考察并结合前人的研究成果,在地震地质背景研究的基础上,将长江三峡工程坝址至巫山库段划分为5个预测区共12个预测单元,选用8个诱震因素,运用统计预测模型预测了水库诱发地震的可能性及诱发地震震级。结果表明,库水蓄至最高水位,三峡工程坝址至巫山库段中多数预测单元诱发微震和不发生地震的概率值高,无震可能性较大。但九湾溪断层沿线、仙女山断层库段具备诱发3.0～4.5级或4.5～6.0级地震的可能;考虑到龙会观5.1级地震与高桥断裂的关系,预测结果显示高桥断裂沿线具有诱发强烈水库地震(≥6.0级)的可能性,其预测概率值为0.23。

三峡水库蓄水对库区孕震环境及潜在震源影响研究

三峡水库蓄水对库首区孕震环境影响有多大,是否需要对潜在震源的划分方案及现行地震危险性分析方法做出调整、改进,是一个亟待解决的问题。综合分析了三峡水库蓄水前后形变、重力等同步观测资料;论述了蓄水对库首区孕震环境与潜在震源可能的影响,并提出了一些研究设想。

仙女山断裂与三峡库首诱发地震和滑坡的相关性

仙女山活动断裂诱发地震及其对滑坡的控制是三峡库首区重大地质问题。野外地层剖面记录表明,仙女山活动断裂经历了两次强烈抬升,为滑坡形成提供了物质基础;依据地震与滑坡在时间和空间上的相关性分析,仙女山断裂可能对新滩滑坡的产生具有控制作用;引入摩尔-库仑准则对仙女山断裂活动性进行分析后认为,库水位涨落引起断裂三维应力状态变化,且诱发地震在高低两极水位和蓄水回落阶段高发。该研究可为揭示仙女山活动断裂与地震和滑坡的相关性提供依据。

三峡库区顺层基岩岸坡稳定性影响因素与破坏机制分析

随着三峡库区移民迁建工程实施,三峡一带的地质构造逐步受到关注。尤其是长江三峡库首区广泛分布的具有变倾角结构的顺层岸坡,常常是引发大中型岩质滑坡的罪魁祸首。一般情况下,它们状态比较稳定,然而一旦遭到破坏时,其后果不堪设想。长江三峡库首区是库区地质环境最为复杂特殊、受水库蓄水影响最大的地段之一,同时这些变倾角顺层岸坡处也是人类活动最为频繁地带,分布着大量的人口和工程建设设施。因此,对长江三峡库首区变倾角顺层岸坡的稳定性影响因素和破坏机制分析,具有相当重大的理论价值和社会意义。着重从内在因素的影响、外在动力的诱发以及顺层岸坡的破坏机制三大块着手分析。