水庫誘發(fā)地震時空演化特征及其動態(tài)響應機制研究以紫坪鋪水庫為例

周 斌

1)中國地震局地質研究所,北京 100029

2)廣西壯族自治區(qū)地震局,南寧 530022

水庫誘發(fā)地震時空演化特征及其動態(tài)響應機制研究以紫坪鋪水庫為例

周 斌1,2)

1)中國地震局地質研究所,北京 100029

2)廣西壯族自治區(qū)地震局,南寧 530022

水庫誘發(fā)地震(reservoir-induced seismicity,簡稱RIS)是由水庫蓄水或排水過程引發(fā)的一類特殊的地震活動。由于其震中位置一般鄰近重要的水利工程設施,且震源淺、震中烈度高,往往具有很大的破壞性,可造成大壩及附近建筑物的破壞和人員傷亡。因此,RIS不僅是水利水電工程研究的重要內容,同時也是地震學、區(qū)域構造穩(wěn)定性和環(huán)境工程地質研究的重要內容之一。

20世紀60年代世界上接連發(fā)生水庫誘發(fā)6級以上強震以后,RIS很快引起社會各界的廣泛關注,特別是20世紀80年代以來,RIS逐漸成為地學界研究的熱門和前瞻性課題之一。經過半個世紀的探索,人們對RIS的地震學特征、易于誘發(fā)地震的地質構造條件、誘震機理及預測評價方法等方面的認識取得了一定的進展,但由于RIS本身的復雜性,目前尚存在著許多問題,例如:①前人大多從統(tǒng)計資料來歸納RIS的共性,總結其規(guī)律。此方法雖有實用的一面,但并不能從根本上解釋RIS的成因機制。此外,研究程度較高的幾個典型水庫都處于剪切或拉張構造應力環(huán)境中,目前尚缺少對處于擠壓構造應力環(huán)境中誘震水庫進行詳細解剖的實例。因此,亟需跨越震例統(tǒng)計分析的局限,面向擠壓構造應力環(huán)境的誘震水庫,利用多學科的手段和方法,開展多方位的綜合研究,探索擠壓環(huán)境條件下RIS成因機制及誘震主控性因素,豐富RIS理論體系。②當前,對RIS力學機制雖然有了一些定性的認識,但對水庫水位變化過程中,誘發(fā)地震活動在不同時、空尺度上對庫體荷載及水庫附加水頭壓力擴散的動態(tài)響應機制的認識尚不清晰。倘若能從這方面得到一些由定性到定量的揭示,對探索RIS誘發(fā)機制而言無疑是一項創(chuàng)新性的工作。③在定量化研究方面,前人大多是在半無限彈性介質的假設下,利用格林函數和孔隙壓力擴散方程求解應力場和流體壓力場,定量討論斷層庫侖應力變化對庫體荷載及附加水頭壓力擴散的靜態(tài)響應問題。這一方法雖然便捷,但在處理復雜介質域時卻有很大的局限性。同時,由于他們多采用了簡化的地質模型,忽視了發(fā)震庫區(qū)地質構造及水文地質結構復雜性及巖體力學性質與滲透性能不均勻性對RIS的重要影響,因此,很難對發(fā)生在圍巖體中的中小RIS進行定量化分析。

正是基于以上存在的問題,本文以庫水加卸載過程中RIS的時空演化特征及動態(tài)響應機制研究為切入點,在系統(tǒng)收集全球最新RIS震例資料,分析其空間分布與時間響應基本特征的基礎上,以處于擠壓構造背景的紫坪鋪水庫為重點,較為深入地研究了庫區(qū)的地質構造及水文地質結構條件、水庫蓄水后小震活動的時空演化特征,剖析了小震分布與局部地質構造條件的關系;以先進的巖體介質變形與流體滲流耦合及斷層穩(wěn)定性理論為指導,利用有限元方法計算了水庫蓄水過程中彈性附加應力場、有效附加應力場、孔隙壓力和斷層穩(wěn)定性的動態(tài)變化,研究了RIS對庫水加卸載及滲透過程動態(tài)響應的力學機制,分析了RIS孕發(fā)的主控性因素;并結合前人的研究,對紫坪鋪水庫蓄水與“5·12”汶川大震可能的關聯(lián)性問題進行了初步討論。此研究不僅有助于豐富構造流體動力學的理論體系和拓寬RIS孕育發(fā)生機理研究的思路,同時對于區(qū)域穩(wěn)定性評價及RIS預測也有重要的參考價值。

1 主要研究內容及取得的成果與認識

1.1 初步分析了全球RIS空間分布與時間響應的基本特征

(1)在空間分布上,RIS主要集中在水庫周緣10 km范圍之內,并局限于特定的庫段叢集分布。當庫區(qū)具備一定的地質構造與水文地質條件時,誘發(fā)地震活動會隨著水庫蓄、放水過程中的水位變化而發(fā)生遷移,筆者對遷移類型進行了歸納。

(2)對于不同地區(qū)或不同水庫,誘發(fā)地震活動的時間響應存在著差異,總體上:在水庫蓄水后1年以內,RIS初次響應占據一定的優(yōu)勢,而絕大部分誘發(fā)主震活動發(fā)生在水庫初始蓄水1年以后;對長時間的水庫蓄水歷程而言,“混合響應”是RIS活動表現形式的主體,而“快速響應”和“滯后響應”僅是在一定的時間段內反應的階段性現象;RIS響應與水庫水位變化的關系十分復雜多樣,既存在正相關關系,又有負相關性,同時在某種程度上表現出了較高震級的RIS對水位變化速率的依賴。

(3)RIS時空分布受發(fā)震庫區(qū)地形地貌與局部地質構造條件、巖性條件、水文地質條件等方面的先存內因的控制,事實上,它們對RIS時空分布的控制作用并不是截然分開的,其間存在著相互依存、辯證統(tǒng)一的關系。

1.2 建立了針對RIS定量化研究的數理模型,完善了有限元求解程序

(1)RIS的發(fā)生不僅與庫底先存斷層等大型結構面有關,而且還受控于斷層與圍巖的組合形式,以及圍巖體的巖石組合、巖性變化反映的巖體力學性質與滲透性能的不均勻性?；诖苏J識,本文將RIS誘發(fā)機制的定量化模型分為兩個層次:一是以孔隙介質為載體的流體滲流對巖體變形和穩(wěn)定性的影響,由流-固耦合形式的巖體變形與孔隙滲流模型進行描述,此模型可反映巖體力學性質與滲透性能的不均勻性及其對庫水加卸載的變形響應上的差異;二是對斷層相關的RIS定量研究則將水庫附加水頭壓力沿斷層面(區(qū))的擴散與斷層庫侖應力變化聯(lián)系起來。兩種形式模型的結合將能對RIS定量研究提供一個相對宏觀的力學框架。

(2)根據Galerkin有限元理論,推導了“弱積分”形式的有限元公式,并利用有限元程序自動生成軟件FEPG編寫了計算程序。完善了針對RIS問題的有限元求解方法,嘗試解決了以往RIS定量研究中難以處理庫區(qū)復雜介質條件的問題。

1.3 分析了紫坪鋪庫區(qū)及鄰近區(qū)域地質構造與水文地質結構條件,建立了二維地質模型

(1)紫坪鋪庫區(qū)位于青藏高原東緣龍門山造山帶的中段,茂縣—汶川、北川—映秀、通濟場、安縣—灌縣和廣元—大邑5條主干斷裂控制了本區(qū)的基本構造格架。庫區(qū)附近的主干斷裂都不同程度地具有使地表水體向深部滲流的通道性。在斷裂的深部,可能是一種上盤破碎帶導水、下盤地層及斷層核阻水的“上導下阻型”的新的滲透結構類型,這種斷裂滲透結構對孔隙壓力變化下斷裂的力學響應具有重要的影響。

(2)在地質構造單元上,紫坪鋪庫體坐落于龍門山前緣拆離帶內。主滑脫面發(fā)育在三疊系雷口坡組和嘉陵江組的弱地層中,滑脫面上、下沉積地層組成及構造變形程度、變形樣式等都存在著顯著的差異。

(3)巖體滲透穩(wěn)定性差異在很大程度上導致了誘發(fā)地震活動對巖性條件的依賴。依據谷德振等對巖體結構的分類標準,將研究區(qū)的巖體結構分為整體結構、層狀結構和散體結構3種類型,巖體滲透穩(wěn)定性分為高、中、低3個類別。

(4)在前人研究的基礎上,運用比較構造學和解析構造學的理論和方法,對研究區(qū)深淺構造組合特征進行了解析,建立了研究區(qū)二維地質構造與水文地質結構模型。

1.4 研究了紫坪鋪水庫蓄水過程中RIS時空演化特征,分析了小震分布與地質構造及巖體滲透穩(wěn)定性的關系

(1)自1970年有較為可靠的現代小震監(jiān)測記錄以來,到紫坪鋪水庫蓄水之前,庫區(qū)及鄰近區(qū)域的中、小地震活動在空間分布上非常分散,時間分布上也未表現出明顯的周期性變化規(guī)律。

(2)利用紫坪鋪水庫臺網2004年8月16日至2008年5月10日期間記錄小震的精定位數據,分析了水庫蓄水后地震活動的時空演化規(guī)律,發(fā)現:

①紫坪鋪水庫蓄水后,小震活動明顯呈現出條帶狀分布和叢集分布的特點。震中大多分布于庫岸周邊10 km范圍內且平行于主構造線呈NE向優(yōu)勢分布;小震活動在水庫西南側、東北側和壩址下游9～18 km的都江堰市幸福鄉(xiāng)、中興鎮(zhèn)和聚源鎮(zhèn)一帶叢集分布,在庫體覆蓋區(qū)地震活動非常少,幾乎為空白區(qū)。隨水庫蓄、放水過程的變化,小震活動亦表現出一定程度的震中遷移特征。

②紫坪鋪水庫蓄水后,小震震源深度優(yōu)勢分布在4～10 km范圍內,在通濟場斷裂與安縣-灌縣斷裂的深部匯聚區(qū)域震源分布最為密集。同時,小震活動主要集中發(fā)生在脆性程度高、滲透穩(wěn)定性低的碳酸鹽巖地層中,而在巖性較軟弱、滲透穩(wěn)定性高的三疊系須家河組砂泥巖和煤系地層中很少有地震發(fā)生。

(3)水庫西南側和東北側兩個叢集區(qū)的小震活動可能屬于“快速響應型”誘發(fā)地震活動,而都江堰小震群活動可能屬于“滯后響應型”水庫誘發(fā)地震。

1.5 揭示了RIS時空演化與庫水加卸載及滲透過程的動態(tài)響應關系,初步搞清了RIS孕發(fā)的主控性因素

(1)RIS的發(fā)生與庫水加卸載及滲透過程中庫底巖體有效應力的變化密切相關。在以擠壓為主的構造應力環(huán)境中,庫體荷載作用的結果一般會使庫底斷層更趨向穩(wěn)定,而水庫附加水頭壓力擴散的效應則是促使斷層趨向失穩(wěn),正是這個矛盾雙方相互制約與平衡的動態(tài)過程,控制了斷層庫侖應力變化的取向,從而決定了RIS時空演化的規(guī)律。從紫坪鋪水庫蓄水后小震活動的特征來看,亦表明了RIS時空演化受控于ΔCFS的動態(tài)變化過程。

(2)RIS的誘發(fā)條件和因素十分復雜,其中有些與地殼的內動力地質作用有關,也有一些與地表的外動力地質作用關系密切。在影響RIS孕發(fā)的諸多因素中,孕震區(qū)應變能積累達到臨界狀態(tài)是構造型RIS發(fā)生的先決條件,庫區(qū)斷裂滲透結構和巖體滲透穩(wěn)定性是RIS誘發(fā)的主控性內因,水庫水位變化幅度是直接影響RIS發(fā)生的重要外在條件。當地震孕育過程本身進入臨界不穩(wěn)定狀態(tài)后,是誘發(fā)因子和構造動力學因子的相互作用,共同推動了RIS的孕發(fā)過程。研究同時表明,由于庫區(qū)所處的構造應力環(huán)境的不同、發(fā)震構造尺度的差異及巖體性質的各向異性,造成了孕震構造達到破裂臨界狀態(tài)的條件亦有所不同,依此合理解釋了弱震區(qū)或中等震區(qū)RIS的發(fā)生機率反而較高這一客觀現象。

(3)孔隙壓擴散與誘發(fā)地震活動之間存在著相互促進與制約的關系。誘發(fā)地震序列初期的微震既是對水庫蓄水的響應,又是一種反饋因素,它們?yōu)楦笠?guī)模釋放構造應變能的積累創(chuàng)造了條件。

1.6 嘗試性探討了紫坪鋪水庫蓄水與汶川“5·12”大震可能的相關性問題

從地表水體能夠下滲的最大深度、水庫蓄水后庫區(qū)及附近區(qū)域的波速異常、汶川地震序列與典型中強水庫誘發(fā)地震序列的差異以及彈性介質條件假設下震源處的斷層庫侖應力變化等方面,對汶川8.0級大地震與紫坪鋪水庫蓄水可能的關聯(lián)性問題進行了初步的討論。分析認為:從目前掌握的資料來看,尚未發(fā)現汶川8.0級大震與紫坪鋪水庫蓄水有關系的直接證據。

2 研究取得的主要進展

(1)本項研究綜合了地質學、地震學和力學等多學科的方法,體現出集成性、前瞻性的特色,為擠壓為主的構造應力環(huán)境中RIS綜合研究的探索提供了一個范例。

(2)發(fā)現了紫坪鋪水庫蓄水后,小震活動主要集中發(fā)生在脆性程度高、滲透穩(wěn)定性低的碳酸鹽巖地層中,而在巖性較軟弱、滲透穩(wěn)定性高的三疊系須家河組砂泥巖和煤系地層中很少有地震發(fā)生的現象,進一步證實了RIS對巖體滲透穩(wěn)定性的依賴。

(3)充分考慮了庫底先存斷層、斷層與圍巖的組合形式,以及圍巖體的巖石組合、巖性變化反映的巖體力學性質與滲透性能不均勻性等對RIS的影響,將RIS誘發(fā)機制的定量化模型分為兩個層次,建立了相對宏觀的定量評價的力學框架,嘗試解決了以往難以處理庫區(qū)復雜介質條件的問題。

(4)基于巖體介質變形與流體滲流耦合及斷層穩(wěn)定性理論進行了有限元數值模擬,分析了水庫蓄水過程中彈性附加應力場、有效附加應力場、孔隙壓力和斷層穩(wěn)定性的動態(tài)變化,揭示了紫坪鋪水庫誘發(fā)地震的可能成因及誘震主控性因素。進一步證實了在以擠壓為主的構造應力環(huán)境中,庫體荷載作用一般使庫底斷層更趨向穩(wěn)定,水庫附加水頭壓力擴散的效應是促使斷層趨向失穩(wěn)。認為這兩個因素相互制約與平衡的動態(tài)過程控制了斷層庫侖應力變化的取向與RIS時空演化的規(guī)律。

(作者電子信箱,周 斌:dztzb@163.com)

P315.5;

A;

10.3969/j.issn.0235-4975.2011.06.007

水庫誘發(fā)地震;時空演化;庫體載荷;孔隙壓力;紫坪鋪水庫;汶川地震