水库区库仑应力变化及地震活动机理研究

水库地震是由于水库蓄水或者水位变化,使得库区附近地震的次数和震级明显增高的现象。1939年米德湖4.6级地震发生后,水库地震的问题被首次提出。与构造地震相比,水库地震通常具有震源浅、震中烈度高、易于发生滑坡崩塌等次生灾害的特点。事实上,一些发生在水库区的地震常常与库区的构造活动相关,属于构造型水库地震。如何区分这类构造型水库地震和构造地震是当前面临和亟待解决的问题。水库地震发生的机理是解决该问题的关键。本文围绕水库蓄水后引起的库区应力变化和地震发生机理开展了研究。实现了孔弹耦合介质中解析解形式的扩散孔隙压的求解;获取了作为典型水库的三峡水库、紫坪铺水库库区的主要断层面上的孔隙压变化量、正应力变化量、剪应力变化量和库仑应力变化量;分析了引起库区应力变化的主要原因及蓄水与库区地震活动的关系;通过比较不同水库的计算结果,初步尝试性地提炼和总结了水库地震活动的发生机理。同时,本文通过构建新的地质模型,完成了孔弹耦合介质中解析解形式的扩散孔隙压计算程序,并结合弹性半空间理论完成了蓄水引起的水库区主要断层上应力变化量计算平台,针对水库地震机理问题开展定量分析计算,取得了以下研究成果和结论:(1)自1959年至三峡水库蓄水前,库区及邻近区域地震活动主要发生在水库库区外围,空间分布上比较分散。三峡库区蓄水后,库区地震活动显著增加,时间上与库水变化相关,空间上与库区的主要活动断裂带相关,且明显呈丛集状和条带状分布。地震活动主要在库首区九湾溪断裂带和仙女山断裂带交界处、库中泄滩附近和库尾高桥断裂带附近分布。(2)紫坪铺蓄水后,库区的地震活动显著增加,且主要发生在北川–映秀断裂带附近,呈三丛分布,分别为库水正下方区域、库区东北端和库区西南端。(3)水库蓄水后,三峡库区九湾溪断裂带上库仑应力变化量大于0,且最大值可达到0.01 MPa,断层附近发生的地震活动与水库蓄水有关,扩散孔隙压的影响大于水体载荷的作用。仙女山断裂带上的库仑应力变化量小于0,水库蓄水对仙女山断裂带附近地震活动的发生具有抑制作用。高桥断裂带和水田坝断裂带上库仑应力变化量大于0,最大值为0.001 MPa。断裂带附近的地震活动与蓄水在一定程度上相关,其中孔压扩散对地震活动的影响作用大于水体载荷的作用。(4)三峡水库蓄水进入175 m高水位蓄水段后,库区与M5地震有关的扩散孔隙压值为0.01 MPa量级,与M4地震有关的扩散孔隙压值为0.0001 MPa量级。水库水体的重力作用使得库区175 m高水位蓄水段的3次M>4地震(2013年12月16日高桥M5.1、2014年3月27日秭归M4.3和2014年3月30日秭归M4.7)震源处库仑应力增加,断层趋于失稳,扩散孔隙压的作用进一步使库仑应力增加,是地震活动发生的主要因素。初步判断,此3次M>4地震为构造型的水库地震。(5)紫坪铺水库蓄水后,发生在库岸东北端的丛集中的地震均与水库蓄水有关;地震震源处的库仑应力变化量均大于0,其增量为0~0.002 MPa之间;当扩散系数D=5 m2/s,孔压扩散的影响使得库仑应力变化量的量值增加为0.001~0.003 MPa,是引发地震活动的主控因素。同时,在蓄水后发生在库区西南端丛集中的地震中,10.2%与蓄水载荷作用有关,震源处库仑应力增量为0~0.002 MPa;在发生在库底正下方丛集中的地震中,67.8%与水库蓄水载荷作用有关,震源处库仑应力增量为0~0.02 MPa。在这两丛集的地震中,孔压的扩散作用使得更多的地震震源处的库仑应力变化量增加,表明扩散孔压是引起这两丛集内地震发生的主要原因。(6)无论是否考虑扩散孔隙压的影响,汶川MS8.0地震震源一直处于库仑应力变化量为负的区域。地震发生时,汶川地震震源区及其附近的库仑应力变化量的值为-0.001 MPa。据此初步判断蓄水引发汶川MS8.0地震的可能性微乎甚微。

巴颜喀拉块体东-南边界强震序列库仑应力触发过程

计算和研究了1973—2014年发生在巴颜喀拉块体东-南边界断裂带上的、由9次M_S≥6.3地震组成的强震序列引起的库仑静应力变化图像,分析序列中先发地震破裂对后发地震的应力触发作用。结果表明:(1)1973—1976年在巴颜喀拉块体东边界的虎牙断裂带上发生的4次强震存在着显著的应力触发关系,同时改变了龙门山断裂带中南段及周围区域的应力状态,相继触发了汶川M_S8.0地震和芦山M_S7.0地震;(2)南边界鲜水河断裂带自1973年以来发生的3次强震同样存在应力触发关系,2014年康定M_S6.3地震是巴颜喀拉块体东、南边界强震活动导致的库仑应力变化共同触发的结果;(3)序列中9次地震共同产生的库仑应力变化图像显示:龙门山断裂带南段的汶川地震至芦山地震破裂段之间的空区,鲜水河断裂带南段的道孚地震至康定地震破裂段之间的空区以及鲜水河断裂带、安宁河断裂带、龙门山断裂带交汇的三岔口地区均在库仑应力增加区的覆盖范围之内,需要重点关注。

用大量地震震源机制解检验2008年汶川地震对后续地震的触发作用

2008年汶川M S8.0强震过去已十几年,这期间,震源区发生了大量的余震,震源周边地区发生了多次中强震.本研究利用大量震源机制解资料系统地研究汶川地震对其周边中强震及其余震触发作用,并将研究结果与先前研究结果进行了对比和分析,获得以下结论:(1)汶川地震对其周边发生的中强震存在一定的触发作用;(2)当等效摩擦系数为0.4时,由三种震源破裂模型获得的余震触发率均为65%左右(以0.01 MPa为阈值);(3)随着等效摩擦系数的增大,余震震源机制解节面上ΔCFS为正的地震数增多,反映主震触发作用增强,这与等效摩擦系数增大地震难以发生并不矛盾,而是反映等效摩擦系数增大时,断层面上正应力对ΔCFS的贡献增大,同时表明在分析库仑应力触发作用时,合理选取等效摩擦系数是至关重要的;(4)统计余震震源机制解节面上受到的库仑应力大于某一数值和小于其相反数的地震数之比时,随着统计阈值的增大,比值呈现出增大的趋势,同时比值也变得离散,该现象还有待于进一步研究.

评“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”二维模拟的局限性

2014年10月《地球物理学报》出版的陶玮等（2014）“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”一文基于完全耦合孔隙弹性理论,采用二维有限单元法模拟了紫坪铺水库蓄水造成的库区应力场和孔隙压力场的变化.该文模拟计算原则和思路是正确的,但仍然采用二维模型是一个不足.真实三维模型中水库是有限的一定面积内的载荷;而二维计算模型,却把水库载荷作为无限长的带状载荷,夸大了水库的作用.如果考虑三维模型,该研究得到的震源处库仑应力增长2~25kPa的结论可能只能解读为0.7~8.0kPa.对于紫坪铺水库是否对汶川地震有触发作用,目前各个研究组估计的库仑应力变化恰好处在是否可以触发的边缘.取得进一步认识的关键有赖于对地下结构、状态和物性认识的突破性进展.

断-块模型中走滑型地震应力触发研究--以青藏高原北部几次强震为例

从发震断层与活动块体的分布关系出发,以青藏高原北部地区几次强震为例,研究了介质非连续的断—块构造模型中地震永久位移造成的区域断层静库仑应力变化.研究表明,在断块构造模型中,走滑型为主的地震位错引起的区域断层库仑应力变化在地震破裂面以外随距离衰减很快,影响范围仅为几十公里,和余震分布尺度相当;对有地表破裂数据的1 937年M7.5花石峡地震、1997年M7.5玛尼地震和2001年M7.8可可西里地震的模拟结果显示,先前地震的断层位移在后续地震断层面所造成的库仑应力甚微,预示了远距离地震之间的静应力触发效应不明显.

汶川M_s 8.0级地震断层间相互作用及其对起始破裂段的启示

汶川地震在地表形成了北东向与北西向两个方向的地表破裂带,余震分布也清晰地显示沿着小鱼洞断裂存在一条北西向小震密集条带。为了研究北西向小鱼洞断裂在汶川地震破裂过程中的作用,在已有的地表破裂数据和认识的基础上,结合汶川地震前小震资料和余震资料,完善了汶川地震震源构造模型。分别计算了以北川—映秀断裂西南的虹口段(BY1)与小鱼洞断裂作为初始破裂段所产生的库仑静应力变化量(ΔCFS)分布图像。结果显示,以北川—映秀断裂虹口段(BY1)做为起始破裂段,虽然小鱼洞断裂西北段(XYD2)的局部地段处于应力触发区,但在出现地表破裂的小鱼洞断裂东南段(XYD1)却处于1.5 bar的应力抑制区,同时随着北川—映秀断裂向北东方向的进一步破裂,小鱼洞断裂仍处于应力抑制区,并且范围有所扩大。如果这样,在汶川地震过程中,小鱼洞断裂应该是稳定的,不可能产生地表破裂带及小震密集条带;以小鱼洞断裂作为起始破裂段,北川—映秀断裂BY1段的大部分区段处于1.0～1.5 bar的应力触发区,不但如此,小鱼洞断裂对彭灌断裂也有触发作用。基于以上结果,认为汶川地震破裂过程是以北西向小鱼洞断裂为起始破裂段,该断裂的破裂触发了北川—映秀断裂和彭灌断裂,并导致北川—映秀断裂向北东方向发生级联破裂。

基于数值模拟方法的溪洛渡水库蓄水后地震活动性突变原因分析

溪洛渡水库自2013年5月开始蓄水并正式投入使用后,库区周边地区的地震活动性发生了较大的变化,且大量地震集中出现在位于库区周边10 km以内的务基镇、黄琅镇一带。为了研究库水水位变化对库区周边地区地震活动性的影响,采用数值模拟方法,对库水荷载产生的附加弹性应力场以及库仑应力变化量进行了计算。结果表明:(1)库水荷载产生的弹性附加应力对峨边—金阳断裂以及莲峰断裂影响较大,其附加正应力和剪应力均达到kPa量级;(2)库伦应力增量达到0.01 MPa量级的区域集中在云山村—田坝村一带,而务基镇周边地区的库仑应力变化量并未达到这一量级。经过分析认为,单纯的库水荷载产生的弹性附加应力不足以使水库影响区内的地震活动性发生如此大的变化,务基镇一带的背景应力可能在蓄水前就已经达到了临界状态,库水荷载在该处只起到了触发作用。