周 斌

1)中國地震局地質(zhì)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(yīng)機(jī)制研究以紫坪鋪水庫為例

周 斌1,2)

1)中國地震局地質(zhì)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(shè)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(nèi)容,同時也是地震學(xué)、區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定性和環(huán)境工程地質(zhì)研究的重要內(nèi)容之一。

20世紀(jì)60年代世界上接連發(fā)生水庫誘發(fā)6級以上強(qiáng)震以后,RIS很快引起社會各界的廣泛關(guān)注,特別是20世紀(jì)80年代以來,RIS逐漸成為地學(xué)界研究的熱門和前瞻性課題之一。經(jīng)過半個世紀(jì)的探索,人們對RIS的地震學(xué)特征、易于誘發(fā)地震的地質(zhì)構(gòu)造條件、誘震機(jī)理及預(yù)測評價方法等方面的認(rèn)識取得了一定的進(jìn)展,但由于RIS本身的復(fù)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(jié)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(jī)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(gòu)造應(yīng)力環(huán)境中,目前尚缺少對處于擠壓構(gòu)造應(yīng)力環(huán)境中誘震水庫進(jìn)行詳細(xì)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(gòu)造應(yīng)力環(huán)境的誘震水庫,利用多學(xué)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(jī)制及誘震主控性因素,豐富RIS理論體系。②當(dāng)前,對RIS力學(xué)機(jī)制雖然有了一些定性的認(rèn)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(kuò)散的動態(tài)響應(yīng)機(jī)制的認(rèn)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(jī)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(zhì)的假設(shè)下,利用格林函數(shù)和孔隙壓力擴(kuò)散方程求解應(yīng)力場和流體壓力場,定量討論斷層庫侖應(yīng)力變化對庫體荷載及附加水頭壓力擴(kuò)散的靜態(tài)響應(yīng)問題。這一方法雖然便捷,但在處理復(fù)雜介質(zhì)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(zhì)模型,忽視了發(fā)震庫區(qū)地質(zhì)構(gòu)造及水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜性及巖體力學(xué)性質(zhì)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(jìn)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(yīng)機(jī)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(yīng)基本特征的基礎(chǔ)上,以處于擠壓構(gòu)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(zhì)構(gòu)造及水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)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(zhì)構(gòu)造條件的關(guān)系;以先進(jìn)的巖體介質(zhì)變形與流體滲流耦合及斷層穩(wěn)定性理論為指導(dǎo),利用有限元方法計算了水庫蓄水過程中彈性附加應(yīng)力場、有效附加應(yīng)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(yīng)的力學(xué)機(jī)制,分析了RIS孕發(fā)的主控性因素;并結(jié)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(guān)聯(lián)性問題進(jìn)行了初步討論。此研究不僅有助于豐富構(gòu)造流體動力學(xué)的理論體系和拓寬RIS孕育發(fā)生機(jī)理研究的思路,同時對于區(qū)域穩(wěn)定性評價及RIS預(yù)測也有重要的參考價值。

1 主要研究內(nèi)容及取得的成果與認(rèn)識

1.1 初步分析了全球RIS空間分布與時間響應(yīng)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(nèi),并局限于特定的庫段叢集分布。當(dāng)庫區(qū)具備一定的地質(zhì)構(gòu)造與水文地質(zhì)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(jìn)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(yīng)存在著差異,總體上:在水庫蓄水后1年以內(nèi),RIS初次響應(yīng)占據(jù)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(yīng)”是RIS活動表現(xiàn)形式的主體,而“快速響應(yīng)”和“滯后響應(yīng)”僅是在一定的時間段內(nèi)反應(yīng)的階段性現(xiàn)象;RIS響應(yīng)與水庫水位變化的關(guān)系十分復(fù)雜多樣,既存在正相關(guān)關(guān)系,又有負(fù)相關(guān)性,同時在某種程度上表現(xiàn)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(zhì)構(gòu)造條件、巖性條件、水文地質(zhì)條件等方面的先存內(nèi)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(guān)系。

1.2 建立了針對RIS定量化研究的數(shù)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(jié)構(gòu)面有關(guān),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(xué)性質(zhì)與滲透性能的不均勻性?；诖苏J(rèn)識,本文將RIS誘發(fā)機(jī)制的定量化模型分為兩個層次:一是以孔隙介質(zhì)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(jìn)行描述,此模型可反映巖體力學(xué)性質(zhì)與滲透性能的不均勻性及其對庫水加卸載的變形響應(yīng)上的差異;二是對斷層相關(guān)的RIS定量研究則將水庫附加水頭壓力沿斷層面(區(qū))的擴(kuò)散與斷層庫侖應(yīng)力變化聯(lián)系起來。兩種形式模型的結(jié)合將能對RIS定量研究提供一個相對宏觀的力學(xué)框架。

(2)根據(jù)Galerkin有限元理論,推導(dǎo)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(fù)雜介質(zhì)條件的問題。

1.3 分析了紫坪鋪庫區(qū)及鄰近區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造與水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)條件,建立了二維地質(zhì)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(jì)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(gòu)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(dǎo)水、下盤地層及斷層核阻水的“上導(dǎo)下阻型”的新的滲透結(jié)構(gòu)類型,這種斷裂滲透結(jié)構(gòu)對孔隙壓力變化下斷裂的力學(xué)響應(yīng)具有重要的影響。

(2)在地質(zhì)構(gòu)造單元上,紫坪鋪庫體坐落于龍門山前緣拆離帶內(nèi)。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(gòu)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(dǎo)致了誘發(fā)地震活動對巖性條件的依賴。依據(jù)谷德振等對巖體結(jié)構(gòu)的分類標(biāo)準(zhǔn),將研究區(qū)的巖體結(jié)構(gòu)分為整體結(jié)構(gòu)、層狀結(jié)構(gòu)和散體結(jié)構(gòu)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(chǔ)上,運用比較構(gòu)造學(xué)和解析構(gòu)造學(xué)的理論和方法,對研究區(qū)深淺構(gòu)造組合特征進(jìn)行了解析,建立了研究區(qū)二維地質(zhì)構(gòu)造與水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)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(zhì)構(gòu)造及巖體滲透穩(wěn)定性的關(guān)系

(1)自1970年有較為可靠的現(xiàn)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(xiàn)出明顯的周期性變化規(guī)律。

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

①紫坪鋪水庫蓄水后,小震活動明顯呈現(xiàn)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(nèi)且平行于主構(gòu)造線呈NE向優(yōu)勢分布;小震活動在水庫西南側(cè)、東北側(cè)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(xiàn)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(nèi),在通濟(jì)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(cè)和東北側(cè)兩個叢集區(qū)的小震活動可能屬于“快速響應(yīng)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(yīng)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(yīng)關(guān)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(yīng)力的變化密切相關(guān)。在以擠壓為主的構(gòu)造應(yīng)力環(huán)境中,庫體荷載作用的結(jié)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(kuò)散的效應(yīng)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(yīng)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(fù)雜,其中有些與地殼的內(nèi)動力地質(zhì)作用有關(guān),也有一些與地表的外動力地質(zhì)作用關(guān)系密切。在影響RIS孕發(fā)的諸多因素中,孕震區(qū)應(yīng)變能積累達(dá)到臨界狀態(tài)是構(gòu)造型RIS發(fā)生的先決條件,庫區(qū)斷裂滲透結(jié)構(gòu)和巖體滲透穩(wěn)定性是RIS誘發(fā)的主控性內(nèi)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(dāng)?shù)卣鹪杏^程本身進(jìn)入臨界不穩(wěn)定狀態(tài)后,是誘發(fā)因子和構(gòu)造動力學(xué)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(gòu)造應(yīng)力環(huán)境的不同、發(fā)震構(gòu)造尺度的差異及巖體性質(zhì)的各向異性,造成了孕震構(gòu)造達(dá)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(jī)率反而較高這一客觀現(xiàn)象。

(3)孔隙壓擴(kuò)散與誘發(fā)地震活動之間存在著相互促進(jìn)與制約的關(guān)系。誘發(fā)地震序列初期的微震既是對水庫蓄水的響應(yīng),又是一種反饋因素,它們?yōu)楦笠?guī)模釋放構(gòu)造應(yīng)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(guān)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(qiáng)水庫誘發(fā)地震序列的差異以及彈性介質(zhì)條件假設(shè)下震源處的斷層庫侖應(yīng)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(guān)聯(lián)性問題進(jìn)行了初步的討論。分析認(rèn)為:從目前掌握的資料來看,尚未發(fā)現(xiàn)汶川8.0級大震與紫坪鋪水庫蓄水有關(guān)系的直接證據(jù)。

2 研究取得的主要進(jìn)展

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

(2)發(fā)現(xiàn)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(xiàn)象,進(jìn)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(xué)性質(zhì)與滲透性能不均勻性等對RIS的影響,將RIS誘發(fā)機(jī)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(xué)框架,嘗試解決了以往難以處理庫區(qū)復(fù)雜介質(zhì)條件的問題。

(4)基于巖體介質(zhì)變形與流體滲流耦合及斷層穩(wěn)定性理論進(jìn)行了有限元數(shù)值模擬,分析了水庫蓄水過程中彈性附加應(yīng)力場、有效附加應(yīng)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(jìn)一步證實了在以擠壓為主的構(gòu)造應(yīng)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(kuò)散的效應(yīng)是促使斷層趨向失穩(wěn)。認(rèn)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(yīng)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