利用三维孔隙弹性模型探讨紫坪铺水库对汶川地震的影响

本文基于三维孔隙弹性理论,建立了紫坪铺水库及周边地区的有限元模型.根据紫坪铺水库开始蓄水到汶川地震发震时刻的水位变化情况,计算了整个区域的孔隙压力和库仑应力.详细讨论了断层及周围地层的弹性模量和扩散系数对计算结果的影响.计算结果表明:从弹性角度看,断层的弹性模量对汶川地震震源处的库仑应力影响很小;震源处的库仑应力随着断层和周围地层的扩散系数增大而增大.当给定弹性模量和扩散系数代表性值的时候,计算结果表明在汶川地震发震时刻,震源处的库仑应力变化量为+1 kPa左右,这表明紫坪铺水库使得汶川地震发震断层更加危险.是否这个量级的库仑应力就能够触发汶川地震还需要进一步探讨.通过分析库区周边小震的分布,发现小震分布区域均是库仑应力增加的地区,因此紫坪铺水库周边的小震应该与紫坪铺水库蓄水有直接关系.     

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

位于川西地区龙门山断裂带附近的紫坪铺水库于2005年9月开始蓄水.约2.7年后,2008年5月12日,M_w7.9级汶川地震在龙门山断裂带上发生,两事件在时间和空间上的接近,揭示其可能相互关联,但前人的诸多研究给出了不同甚至是相反的结果.本研究基于完全耦合孔隙弹性理论,利用二维有限元模型(FEM),模拟水库蓄水造成的区域孔隙压力场和应力场的演化过程,基于库仑应力演化探讨其对龙门山断裂带活动的影响.模拟结果显示紫坪铺水库蓄水打破了原来的区域孔隙压力平衡,形成孔隙压力梯度源,向周围地壳传播;进而造成龙门山断裂带上库仑应力正值范围不断扩大,由浅入深影响到整条断层,尤其对浅层范围的加载作用明显,达上百千帕,为整个断层面的失稳提供了基础.震源区域库仑应力呈持续增长趋势,汶川地震发震前,增长了约数千帕~数十千帕,即使初期库仑应力为负,在未来某时刻库仑应力仍可能由负转正,并不断增大.通过计算汶川地震震源及其附近区域内相对于多种可能断层倾角的库仑应力,发现库仑应力随断层倾角增大而增加.因此整体来看,紫坪铺水库蓄水对龙门山断裂带起加载作用,有可能触发地震.对紫坪铺库区周围的小震分析也显示,蓄水以来小震明显增多、且不同时段小震发生密集区与水库距离逐渐增大,与孔隙压力扩散趋势一致.以上结果表明紫坪铺水库的蓄水增加了汶川地震的危险性.     

关于紫坪铺水库蓄水是否与汶川地震有关的影响因素综合分析

汶川地震后,紫坪铺水库蓄水是否触发了汶川地震在国内外学术界引起了广泛关注.除定性讨论外,许多学者也采用定量分析的方法进行了计算,但因计算结果不同而得出了不同的结论.本文从目前紫坪铺水库蓄水不同研究组定量计算中出现的争议为出发点,通过对水库蓄水定量计算基本原理和可能引起计算结果差异可能因素的分析,找出定量计算中的关键影响因素,了解目前水库蓄水定量计算中存在的不确定性问题所在.初步结果显示:计算方法、模型维数、扩散模型、震源参数和扩散系数等的取值不同是造成计算结果差异的主要因素,特别是裂隙岩体的扩散系数.在紫坪铺水库定量计算中模型维数的差别使得汶川地震震源处的库仑应力变化计算结果相差约3倍;仅考虑断层渗透率(把岩体渗透率视为无穷大)或仅考虑均匀各向同性的岩体渗透率(忽视断层渗透率),均具有片面性;震源机制解断层走向倾角的差异,会显著影响库仑应力大小计算结果,可到达2~7倍;不同扩散系数下,孔隙压力相差可达几百倍."紫坪铺水库蓄水是否能够触发汶川大地震的发生?",鉴于目前的研究成果,库仑应力变化在kPa量级,尚不能排除触发的可能性,但得出的蓄水震源处的库仑应力变化太低,在背景构造应力场不明确的情况下,也不能确定一定有联系.在未来的工作中需有针对性的进行野外考察和室内试验,改进模型,采用高性能模拟分析计算,并在此基础上对中国和世界多个水库地震触发机制进行对比研究,探讨不同机制下水库地震触发机制特点,进一步量化分析水库地震发生的力学机制及水库对构造活动的影响和作用机理.     

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.     

汶川8.0级地震后紫坪铺水库库区地震的分布特征

采用双差定位方法对紫坪铺水库库区12个地震台站2009年记录的857个地震进行了重新定位,获得了815个地震的震源位置。定位结果显示库区有3个地震相对集中区域,在各个集中区域地震震源深度的分布特征各不相同。与已有的汶川8.0级地震前库区地震精定位的研究结果相比较,汶川8.0级地震后库区地震相对集中区域的位置关系发生了明显变化。     

紫坪铺水库与汶川地震关系的讨论

利用紫坪铺水库专用地震台站和加密地震台站资料,使用双差法完成了震前930次地震、汶川8级主震和5, 789次余震的重新定位,探讨了紫坪铺水库与汶川地震之间的关系,获得了有利于证明它们之间密切关联的事实: 1)紫坪铺水库2005年蓄水之后出现了水磨、深溪沟和都江堰震群,地震应变能释放增加了200%,与库水位变化密切相关,在汶川地震前呈现出加速释放的现象; 2)野外调查表明存在1条贯穿紫坪铺水库库区、走向NE的同震地表破裂带,与中滩铺断层位置一致; 3)余震分布以中滩铺断层为界,西北上盘多,东南下盘少; 4)利用P波初始到时重新确定出的汶川主震发震时刻为27分59.5秒,初始破裂深度在6～9km左右,直接位于水磨震群之下; 5)汶川主震与发生在2008年4月5日水磨震群中的1次小震的各个台站到时差相同。     

定量分析紫坪铺水库蓄水与汶川地震发生的关系

为分析紫坪铺水库蓄水与2008年汶川M_S8.0地震的关系, 通过求解二维孔弹耦合层状介质下解析解形式的扩散孔隙压, 获取了汶川地震发生前地震震源处的扩散孔隙压值。 在此基础上, 开展了汶川地震发生前, 地震震源处以及北川—映秀断裂带断层面上应力变化量的计算。 结果表明, 汶川地震发生前, 地震震源处的库仑应力变化量值较小, 为-0.001 MPa, 表明蓄水对汶川地震的发生具有一定程度的抑制作用。     

答“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”

程惠红等(2015)在"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"一文中提出,陶玮等(2014)采用二维模型模拟紫坪铺水库造成孔隙弹性耦合变化是一个不足,夸大了汶川地震震源处库仑应力增长值.我们认为采用二维模型模拟水库造成汶川地震震源处库仑应力变化确实可能存在一定偏差,但不会如程惠红等认为的"与三维模型相比夸大三倍".这是因为在程惠红等引用的论证中,二维模型计算中选取了接近水库最大剖面宽度而不是水库平均剖面宽度作为加载量参数,造成计算得到震源处库仑应力明显夸大.此外,陶玮等(2014)提出论断的主要依据不是"震源处"库仑应力值的大小,而是紫坪铺水库蓄水"由浅入深影响到整条断层,尤其对浅层范围的加载作用明显,达上百千帕,为整个断层面的失稳提供了基础".初始破裂的发生既可能是由水库蓄水引起,也可能是并非水库蓄水造成的一次普通构造小震,但其发生引发断层面上部已被水库蓄水弱化部分的连锁失稳而发生大震.即汶川地震既可能为直接触发也可能为间接触发,而我们的研究结果认为地震的发生完全可能由间接触发产生.若仅纠结于"震源处"的库仑应力变化,则忽视了水库蓄水影响的主体.水库蓄水对地震触发作用是一个复杂问题,相对这一问题所涉及的一系列不确定性因素来说,二维模拟的局限性所造成的影响并不很大也不是最大的,也不妨碍我们据此得出紫坪铺水库蓄水促进汶川地震发生的结论.     

紫坪铺水库区不同蓄水阶段的地震活动及成因分析

利用紫坪铺水库地震小台网和成都遥测数字地震台网记录的地震资料,研究给出紫坪铺水库区的地震活动的定位结果和震源机制解.分析紫坪铺水库区不同蓄水阶段地震活动的差异变化.汶川8.0级地震前小震活动集中分布在起始破裂区的东侧,起始破裂区出现的微破裂增加可以理解为诱发小震活动,是发生在水库反复蓄、放水的第3个蓄水高峰后的卸载段,但从频次和强度分析仍属构造本身长期地震活动的一种起伏.汶川8.0级地震为巨大构造地震.紫坪铺水库区构造和环境条件满足诱发地震活动的条件.今后应注意水库区小震活动的变化,重视其缓慢的链式小震续增过程对本身就是巨大孕震构造带的突变作用.     

龙滩水库诱发地震三维孔隙弹性有限元数值模拟

本文以龙滩水库为例,根据库区地质构造、深部速度结构及数字地面高程,建立了库区三维有限元模型,基于孔隙弹性理论计算了水库蓄水过程中库底断层和围岩体孔隙压力、有效附加正应力、剪应力和库伦应力的动态变化,并结合水库蓄水后库区地震活动时空分布的特征,讨论了RIS时空演化与库水加卸载及渗透过程的动态响应关系及其可能的成因机制.结果表明：（1） 龙滩水库蓄水后地震活动呈现出明显的丛集性,主要分布在罗妥（丛Ⅰ）、八茂（丛Ⅱ）、拉浪（丛Ⅲ）、坝首（丛Ⅳ）和布柳河（丛Ⅴ）5个水库蓄水后淹没的深水区,这些区域也恰恰是库水加卸载及渗透过程中ΔCFS增加最明显的区域,而ΔCFS的影区几乎没有地震发生,表明水库蓄水后库区地震活动与ΔCFS的变化密切相关.（2） 在水库蓄水过程中,与水库有直接水力联系且渗透性较好的断裂成为地表水体附加水头压力向深部扩散的优势通道,沿此通道附加水头压力扩散的最大深度达13 km左右,震旦系—古生界以碳酸盐岩为主的地层成为附加水头压力扩散的主体层位,这与蓄水后库区中、小地震震源深度均小于13 km,且优势分布在5~10 km的特征相吻合,表明由于孔隙压力的存在降低了岩石的抗剪强度,同时部分抵消了围压的影响,致使该层位的岩体易于产生脆性破坏从而诱发地震活动.（3） 无论是深部还是浅部,各丛地震密集发生的时段绝大部分与相应深度ΔCFS加速升高或阶段性高值时段相重叠,可能说明在库水位快速抬升或阶段性高值时段,受外部荷载加载速率快速升高的影响,库底岩体和断层、裂隙等结构面更容易实现失稳扩展;深、浅部地震响应时间、活动频度和强度的差异可能与不同层位岩体力学性质及渗透性能的不均匀性有关.（4） 各丛地震诱发的物理力学机制有所不同.丛Ⅰ、丛Ⅱ、丛Ⅲ地震的诱发可能与库体重力荷载、孔隙压力扩散和库水浸润弱化3种作用都有关;丛Ⅳ地震的诱发主要受控于库体重力荷载作用,孔隙压力扩散和库水浸润弱化不起主导作用;丛Ⅴ地震的诱发主要受孔隙压力扩散和库水浸润弱化作用的影响,库体重力荷载作用一定程度上抑制了地震的发生.     

紫坪铺库区小震产生的库仑应力变化及其与汶川地震的关系

本文选取自2004年8月至2008年5月12日汶川地震发生前,紫坪铺库区发生的2.1 < M_L < 4.0的65次小震,分别计算了历次地震在汶川地震震源处产生的应力扰动量,随后根据不同机构给出的汶川地震震源机制解求取震源区的静态库仑应力改变量,讨论了紫坪铺库区小震与汶川地震的关系.在不同计算参数下,小震震群在汶川震源处产生的静态库仑应力扰动量之和为6±3 Pa,尽管分析认为小震群可能在汶川震源处产生较大的动态应力扰动,约为百帕量级,但均远未达到触发阈值,认为小震群并未直接对汶川地震有触发作用.推测小震群之间相互作用产生连续振动改变了周边区域介质的渗透率及强度,进而可能与汶川地震的发生具有间接关系.

     

2008年汶川大地震对周围断层的影响

2008年5月12日的汶川地震明显地改变了区域地震的应力场．理解这种应力场的改变对周围断层构造加载进程和区域地震危险性的改变非常重要．本文以汶川地震的破裂为驱动源,计算了该地震造成周围断层上的静态库仑破裂应力变化．结果表明,汶川大地震的发生使得龙门山断裂北部和最南端、鲜水河断裂最南端、东昆仑断裂、陇县——宝鸡断裂、鄂拉山断裂、白玉断裂、日月山断裂南端、马边——盐津断裂南部、班公错——嘉黎断裂西部、则木河断裂的库仑破裂应力增加,量值达0.00001——0.06MPa．库仑破裂应力增加尤为显著的断裂量值分别为:龙门山断裂的地震断层南端最大增加0.01MPa、北端0.03MPa,秦岭南缘断裂的西南部最大增加0.03MPa,东昆仑断裂的东南部为0.007MPa,地震破裂断层西南部的鲜水河断裂为0.005MPa,西秦岭北缘断裂的天水——宝鸡段为0.004MPa,陇县——宝鸡断裂为0.0003MPa．该地震还使得龙日坝断裂、怒江断裂、西秦岭北缘断裂西部、秦岭北缘断裂、庄浪河断裂、日月山断裂北部、海原断裂、岷江断裂、玉树——玛曲断裂、金沙江断裂的库仑破裂应力减少;减少尤为显著的断裂为龙门山断裂的断层破裂段、岷江断裂和鲜水河断裂的炉霍段,其库仑破裂应力减少分别达0.04——0.7MPa,0.001——0.1MPa和0.008——0.01MPa．本次地震在小金河、安宁河和大凉山断裂面上产生的库仑应力变化很小,对断层地震活动没有显著影响．      

Distribution Characteristics of the Seismicity of Zipingpu Reservoir Region after the Wenchuan Earthquake

815 earthquakes recorded by 12 seismic stations of the Zipingpu reservoir seismic network in 2009 were relocated using the double difference algorithm to analyze the seismic activity of the Zipingpu reservoir.Relocation results show that the earthquakes are concentrated relatively in three zones.The distribution characteristics of focal depth are obviously different among different concentration zones.This means earthquakes in different concentration zones may have different causes.Compared to relocation of...     

Analysis on residual strain of Zipingpu Concrete Faced Rockfill Dam after Wenchuan earthquake

The Zipingpu Concrete Faced Rockfill Dam (CFRD) was subjected to significant local damage in the “5.12” Wenchuan earthquake. It is the first rockfill dam of more than one hundred meters high to encounter a strong earthquake anywhere in the world. Based on the finite element smoothing method, the residual strains at a typical cross-section and a downstream slope of the dam were obtained by processing the dam monitored displacement data. The position of and reason for the dam settlement and deformation of rockfill dilatancy in the earthquake were analyzed according to the section residual strain. The results show that the maximum settlement ratio on the dam body approximately occurs at 2/3 of the dam height; dilatancy occurs from the dam crest to 25–30 m in the upstream and downstream slope; the immediate cause of the face slabs horizontal construction joint dislocation is excessive residual shear strain. Meanwhile, the position of and reason for the dam fissure in the earthquake were analyzed according to the dam slope residual strain.     

2008年汶川地震的破裂模型及引起的余震活动分析

用两种发震构造的破裂位移分布模型对2008年汶川地震造成的区域主要断裂的库仑应力变化进行了模拟.通过对这两种破裂位移模型模拟结果的对比分析,表明破裂位移模型的逆冲兼右旋滑动的位移模式及南北两段分别有两个滑动量高值区这样的特点控制了区域库仑应力变化的总体分布特征.汶川地震的余震分布和计算结果还显示:所获得的区域主要断裂的库仑应力变化分布和正应力变化分布同时控制了该地震发生后余震的分布,库仑应力变化增强同时断层面受到主震断层位错拉张的区域和余震的分布强烈吻合,而库仑应力变化增强但是相应部位断层面受到主震的挤压作用却没有余震发生,显示了强震后区域断层受到的正应力变化和库仑应力变化均对余震的发生起到了重要作用,而不仅仅是库仑应力变化增强是触发余震的机制;两种模型计算结果的细微差异显示了倾角向下变缓的震源破裂模型能更好地解释余震在破裂断层北部的分布特点.对昆仑山断裂、鲜水河断裂等周边强震多发断层的库仑应力变化及对未来地震活动的可能影响进行了初步评价.     

The Focal Mechanism and Characteristic of Stress Field in the Zipingpu Area before the M_S8.0 Wenchuan Earthquake

Based on seismic wave records of the Chengdu digital seismic network and Zipingpu reservoir digital seismic network from August 16,2004 to May 12,2008 when the Wenchuan MS8.0 earthquake occurred,the parameters of focal mechanisms of 486 earthquakes with magnitude larger than M1.6 in the Zipingpu reservoir area were calculated using amplitude ratio method,meanwhile the temporal-spatial variation characteristics of mechanisms and stress field were analyzed based on these parameters.Results show a low ratio of thrust earthquakes and an increased number of strike-slip earthquakes in the reservoir water area in the period from 2006 to 2008.While in the areas far from the reservoir waterfront,the thrust earthquakes took up a high proportion and the strike-slip ones did not increase.The direction of mean principal compressive stress field was deflected and disturbed differently in each area before the Wenchuan MS8.0 earthquake.     

Numerical analysis of dislocations of the face slabs of the Zipingpu Concrete Faced Rockfill Dam during the Wenchuan earthquake

The Zipingpu Concrete Faced Rockfill Dam (CFRD) was obviously damaged during the Wenchuan earthquake in 2008. A wide range of dislocations occurred along the horizontal construction joints at EL. 845m, between the face slabs constructed in the second and third stages. The maximum displacement of the dislocations reached 17cm. In this study, the slab dislocations were investigated using finite element (FE) analysis. The method based on strain potential was applied to compute the permanent deformation of the Zipingpu Dam during the Wenchuan earthquake. The calculated magnitude of the slab dislocation showed good agreements with the field measurements. The dislocation mechanism was discussed. The results show that the dislocation of the concrete slab is a subsequent damage after the permanent deformation of the rockfill materials. The effects of the shear strength and the direction of the construction joints, the reservoir water level and the seismic waves were studied. The shear strength and the direction of the construction joints, reservoir water level and have a significant effect on the dislocation displacement. The dislocation can be effectively reduced by measures such as changing the direction of the construction joints or improving the shear strength at the horizontal joints.     

紫坪铺水库地区尾波 Q_C值研究

利用Sato模型研究了汶川 M_S8.0地震前位于震源区的紫坪铺水库地区尾波 Q_C值特征. 结果表明,库区 Q_C值与频率有很强的依赖关系,4个台站的平均 Q_C=21.6 f~(1.211),尾波 Q_0值较小,平均为21.6. 离震群最近的MZP台 Q_0最大,为29.0,离震群最远的BAJ台 Q_0最小,为13.9. 这种尾波 Q_0值的差别可能与尾波 Q 值所反映的介质深度存在一定的关系,而较小的流逝时间可能是这里η值偏高的原因之一.