周 斌

1)中國(guó)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(kù)誘發(fā)地震時(shí)空演化特征及其動(dòng)態(tài)響應(yīng)機(jī)制研究以紫坪鋪水庫(kù)為例

周 斌1,2)

1)中國(guó)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(kù)誘發(fā)地震(reservoir-induced seismicity,簡(jiǎn)稱(chēng)RIS)是由水庫(kù)蓄水或排水過(guò)程引發(fā)的一類(lèi)特殊的地震活動(dòng)。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(shí)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(kù)誘發(fā)6級(jí)以上強(qiáng)震以后,RIS很快引起社會(huì)各界的廣泛關(guān)注,特別是20世紀(jì)80年代以來(lái),RIS逐漸成為地學(xué)界研究的熱門(mén)和前瞻性課題之一。經(jīng)過(guò)半個(gè)世紀(jì)的探索,人們對(duì)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(cè)評(píng)價(jià)方法等方面的認(rèn)識(shí)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(wèn)題,例如:①前人大多從統(tǒng)計(jì)資料來(lái)歸納RIS的共性,總結(jié)其規(guī)律。此方法雖有實(shí)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(gè)典型水庫(kù)都處于剪切或拉張構(gòu)造應(yīng)力環(huán)境中,目前尚缺少對(duì)處于擠壓構(gòu)造應(yīng)力環(huán)境中誘震水庫(kù)進(jìn)行詳細(xì)解剖的實(shí)例。因此,亟需跨越震例統(tǒng)計(jì)分析的局限,面向擠壓構(gòu)造應(yīng)力環(huán)境的誘震水庫(kù),利用多學(xué)科的手段和方法,開(kāi)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(duì)RIS力學(xué)機(jī)制雖然有了一些定性的認(rèn)識(shí),但對(duì)水庫(kù)水位變化過(guò)程中,誘發(fā)地震活動(dòng)在不同時(shí)、空尺度上對(duì)庫(kù)體荷載及水庫(kù)附加水頭壓力擴(kuò)散的動(dòng)態(tài)響應(yīng)機(jī)制的認(rèn)識(shí)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(duì)探索RIS誘發(fā)機(jī)制而言無(wú)疑是一項(xiàng)創(chuàng)新性的工作。③在定量化研究方面,前人大多是在半無(wú)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(chǎng)和流體壓力場(chǎng),定量討論斷層庫(kù)侖應(yīng)力變化對(duì)庫(kù)體荷載及附加水頭壓力擴(kuò)散的靜態(tài)響應(yīng)問(wèn)題。這一方法雖然便捷,但在處理復(fù)雜介質(zhì)域時(shí)卻有很大的局限性。同時(shí),由于他們多采用了簡(jiǎn)化的地質(zhì)模型,忽視了發(fā)震庫(kù)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(duì)RIS的重要影響,因此,很難對(duì)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(wèn)題,本文以庫(kù)水加卸載過(guò)程中RIS的時(shí)空演化特征及動(dòng)態(tài)響應(yīng)機(jī)制研究為切入點(diǎn),在系統(tǒng)收集全球最新RIS震例資料,分析其空間分布與時(shí)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(kù)為重點(diǎn),較為深入地研究了庫(kù)區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造及水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)條件、水庫(kù)蓄水后小震活動(dòng)的時(shí)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(jì)算了水庫(kù)蓄水過(guò)程中彈性附加應(yīng)力場(chǎng)、有效附加應(yīng)力場(chǎng)、孔隙壓力和斷層穩(wěn)定性的動(dòng)態(tài)變化,研究了RIS對(duì)庫(kù)水加卸載及滲透過(guò)程動(dòng)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(duì)紫坪鋪水庫(kù)蓄水與“5·12”汶川大震可能的關(guān)聯(lián)性問(wèn)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(dòng)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(shí)對(duì)于區(qū)域穩(wěn)定性評(píng)價(jià)及RIS預(yù)測(cè)也有重要的參考價(jià)值。

1 主要研究?jī)?nèi)容及取得的成果與認(rèn)識(shí)

1.1 初步分析了全球RIS空間分布與時(shí)間響應(yīng)的基本特征

(1)在空間分布上,RIS主要集中在水庫(kù)周緣10 km范圍之內(nèi),并局限于特定的庫(kù)段叢集分布。當(dāng)庫(kù)區(qū)具備一定的地質(zhì)構(gòu)造與水文地質(zhì)條件時(shí),誘發(fā)地震活動(dòng)會(huì)隨著水庫(kù)蓄、放水過(guò)程中的水位變化而發(fā)生遷移,筆者對(duì)遷移類(lèi)型進(jìn)行了歸納。

(2)對(duì)于不同地區(qū)或不同水庫(kù),誘發(fā)地震活動(dòng)的時(shí)間響應(yīng)存在著差異,總體上:在水庫(kù)蓄水后1年以內(nèi),RIS初次響應(yīng)占據(jù)一定的優(yōu)勢(shì),而絕大部分誘發(fā)主震活動(dòng)發(fā)生在水庫(kù)初始蓄水1年以后;對(duì)長(zhǎng)時(shí)間的水庫(kù)蓄水歷程而言,“混合響應(yīng)”是RIS活動(dòng)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(shí)間段內(nèi)反應(yīng)的階段性現(xiàn)象;RIS響應(yīng)與水庫(kù)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(shí)在某種程度上表現(xiàn)出了較高震級(jí)的RIS對(duì)水位變化速率的依賴(lài)。

(3)RIS時(shí)空分布受發(fā)震庫(kù)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(shí)上,它們對(duì)RIS時(shí)空分布的控制作用并不是截然分開(kāi)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(duì)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(kù)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(shí),本文將RIS誘發(fā)機(jī)制的定量化模型分為兩個(gè)層次:一是以孔隙介質(zhì)為載體的流體滲流對(duì)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(duì)庫(kù)水加卸載的變形響應(yīng)上的差異;二是對(duì)斷層相關(guān)的RIS定量研究則將水庫(kù)附加水頭壓力沿?cái)鄬用?區(qū))的擴(kuò)散與斷層庫(kù)侖應(yīng)力變化聯(lián)系起來(lái)。兩種形式模型的結(jié)合將能對(duì)RIS定量研究提供一個(gè)相對(duì)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(dòng)生成軟件FEPG編寫(xiě)了計(jì)算程序。完善了針對(duì)RIS問(wèn)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(kù)區(qū)復(fù)雜介質(zhì)條件的問(wèn)題。

1.3 分析了紫坪鋪庫(kù)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(kù)區(qū)位于青藏高原東緣龍門(mén)山造山帶的中段,茂縣—汶川、北川—映秀、通濟(jì)場(chǎng)、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(kù)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(pán)破碎帶導(dǎo)水、下盤(pán)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(lèi)型,這種斷裂滲透結(jié)構(gòu)對(duì)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(kù)體坐落于龍門(mén)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(dòng)對(duì)巖性條件的依賴(lài)。依據(jù)谷德振等對(duì)巖體結(jié)構(gòu)的分類(lèi)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(lèi)型,巖體滲透穩(wěn)定性分為高、中、低3個(gè)類(lèi)別。

(4)在前人研究的基礎(chǔ)上,運(yùn)用比較構(gòu)造學(xué)和解析構(gòu)造學(xué)的理論和方法,對(duì)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(kù)蓄水過(guò)程中RIS時(shí)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(cè)記錄以來(lái),到紫坪鋪水庫(kù)蓄水之前,庫(kù)區(qū)及鄰近區(qū)域的中、小地震活動(dòng)在空間分布上非常分散,時(shí)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(kù)臺(tái)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(kù)蓄水后地震活動(dòng)的時(shí)空演化規(guī)律,發(fā)現(xiàn):

①紫坪鋪水庫(kù)蓄水后,小震活動(dòng)明顯呈現(xiàn)出條帶狀分布和叢集分布的特點(diǎn)。震中大多分布于庫(kù)岸周邊10 km范圍內(nèi)且平行于主構(gòu)造線呈NE向優(yōu)勢(shì)分布;小震活動(dòng)在水庫(kù)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(kù)體覆蓋區(qū)地震活動(dòng)非常少,幾乎為空白區(qū)。隨水庫(kù)蓄、放水過(guò)程的變化,小震活動(dòng)亦表現(xiàn)出一定程度的震中遷移特征。

②紫坪鋪水庫(kù)蓄水后,小震震源深度優(yōu)勢(shì)分布在4～10 km范圍內(nèi),在通濟(jì)場(chǎng)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(shí),小震活動(dòng)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(kù)西南側(cè)和東北側(cè)兩個(gè)叢集區(qū)的小震活動(dòng)可能屬于“快速響應(yīng)型”誘發(fā)地震活動(dòng),而都江堰小震群活動(dòng)可能屬于“滯后響應(yīng)型”水庫(kù)誘發(fā)地震。

1.5 揭示了RIS時(shí)空演化與庫(kù)水加卸載及滲透過(guò)程的動(dòng)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(kù)水加卸載及滲透過(guò)程中庫(kù)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(kù)體荷載作用的結(jié)果一般會(huì)使庫(kù)底斷層更趨向穩(wěn)定,而水庫(kù)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(gè)矛盾雙方相互制約與平衡的動(dòng)態(tài)過(guò)程,控制了斷層庫(kù)侖應(yīng)力變化的取向,從而決定了RIS時(shí)空演化的規(guī)律。從紫坪鋪水庫(kù)蓄水后小震活動(dòng)的特征來(lái)看,亦表明了RIS時(shí)空演化受控于ΔCFS的動(dòng)態(tài)變化過(guò)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(dòng)力地質(zhì)作用有關(guān),也有一些與地表的外動(dòng)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(kù)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(kù)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^(guò)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(dòng)力學(xué)因子的相互作用,共同推動(dòng)了RIS的孕發(fā)過(guò)程。研究同時(shí)表明,由于庫(kù)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(dòng)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(duì)水庫(kù)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(kù)蓄水與汶川“5·12”大震可能的相關(guān)性問(wèn)題

從地表水體能夠下滲的最大深度、水庫(kù)蓄水后庫(kù)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(kù)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(kù)侖應(yīng)力變化等方面,對(duì)汶川8.0級(jí)大地震與紫坪鋪水庫(kù)蓄水可能的關(guān)聯(lián)性問(wèn)題進(jìn)行了初步的討論。分析認(rèn)為:從目前掌握的資料來(lái)看,尚未發(fā)現(xiàn)汶川8.0級(jí)大震與紫坪鋪水庫(kù)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(xiàng)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(gè)范例。

(2)發(fā)現(xiàn)了紫坪鋪水庫(kù)蓄水后,小震活動(dòng)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(shí)了RIS對(duì)巖體滲透穩(wěn)定性的依賴(lài)。

(3)充分考慮了庫(kù)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(duì)RIS的影響,將RIS誘發(fā)機(jī)制的定量化模型分為兩個(gè)層次,建立了相對(duì)宏觀的定量評(píng)價(jià)的力學(xué)框架,嘗試解決了以往難以處理庫(kù)區(qū)復(fù)雜介質(zhì)條件的問(wèn)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(kù)蓄水過(guò)程中彈性附加應(yīng)力場(chǎng)、有效附加應(yīng)力場(chǎng)、孔隙壓力和斷層穩(wěn)定性的動(dòng)態(tài)變化,揭示了紫坪鋪水庫(kù)誘發(fā)地震的可能成因及誘震主控性因素。進(jìn)一步證實(shí)了在以擠壓為主的構(gòu)造應(yīng)力環(huán)境中,庫(kù)體荷載作用一般使庫(kù)底斷層更趨向穩(wěn)定,水庫(kù)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(gè)因素相互制約與平衡的動(dòng)態(tài)過(guò)程控制了斷層庫(kù)侖應(yīng)力變化的取向與RIS時(shí)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(kù)誘發(fā)地震;時(shí)空演化;庫(kù)體載荷;孔隙壓力;紫坪鋪水庫(kù);汶川地震