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    巴東Ms5.1地震——一種新的水庫地震類型*

    2014-09-20 08:04:54陳蜀俊姚運(yùn)生吳建超陳俊華蔡永建
    關(guān)鍵詞:巴東應(yīng)力場(chǎng)蓄水

    陳蜀俊 姚運(yùn)生 吳建超 陳俊華 蔡永建

    1)中國地震局地震研究所(地震大地測(cè)量重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室),武漢 430071

    2)中國地震局地殼應(yīng)力研究所武漢科技創(chuàng)新基地,武漢 430071

    3)武漢地震工程研究院,武漢 430071

    巴東Ms5.1地震
    ——一種新的水庫地震類型*

    陳蜀俊1)姚運(yùn)生1,2)吳建超1,3)陳俊華1)蔡永建1,3)

    1)中國地震局地震研究所(地震大地測(cè)量重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室),武漢 430071

    2)中國地震局地殼應(yīng)力研究所武漢科技創(chuàng)新基地,武漢 430071

    3)武漢地震工程研究院,武漢 430071

    為探討2013年巴東5.1級(jí)地震成因,模擬計(jì)算了不同蓄水工況下上地殼淺部構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)變化。地震發(fā)生在蓄水引起的巴東與牛口等效應(yīng)力差值區(qū)的梯度帶上,表明地震與蓄水有關(guān)。震區(qū)具有發(fā)生中強(qiáng)地震的構(gòu)造背景,也有沿構(gòu)造面發(fā)育大規(guī)模條帶狀巖溶的條件,測(cè)震學(xué)資料顯示地震既有構(gòu)造機(jī)制又有塌陷特征。綜合分析認(rèn)為,巴東Ms5.1地震可能以構(gòu)造機(jī)制為先導(dǎo),區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)疊加蓄水引起的局部構(gòu)造應(yīng)力狀態(tài)調(diào)整,可能在沿構(gòu)造面發(fā)育的巖溶區(qū)形成應(yīng)力集中造成塌陷,繼而觸發(fā)構(gòu)造失穩(wěn)傾滑,兩種機(jī)制互饋、交替、疊加而成震。據(jù)此提出一種新的水庫地震類型——構(gòu)造塌陷型水庫地震。

    三峽水庫自2003年6月蓄水以來,發(fā)生了數(shù)千次地震,絕大多數(shù)在Ms2.0以下,多為煤礦塌陷、巖溶塌陷等外動(dòng)力作用下誘發(fā)的水庫地震[1]。然而,伴隨著三峽水庫175 m蓄水進(jìn)程,2013-12-16巴東縣東瀼口鎮(zhèn)發(fā)生與該區(qū)歷史最大震級(jí)持平的Ms5.1地震。此次地震的震源深度5 km,震中烈度Ⅶ度[2];不同方法所得震源機(jī)制解雖有差別[2],但利用近震臺(tái)站所得結(jié)果顯示,斷層節(jié)面Ⅰ走向107°,傾角28°,滑動(dòng)角 -136°;斷層節(jié)面Ⅱ走向 337°,傾角71°,滑動(dòng)角-68°,為正斷傾滑性質(zhì);主震卓越頻率、拐角頻率低,與構(gòu)造地震存在差異,具有塌陷地震特征,而Ms2.0以上余震則具構(gòu)造地震特征[2]。

    研究表明,蓄水可引起庫區(qū)上地殼構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的調(diào)整,進(jìn)而影響庫區(qū)局部孕震環(huán)境[3-5]。尤其在庫水下滲、孔隙水壓作用導(dǎo)致斷層抗滑力下降的背景下,較低量級(jí)的應(yīng)力變化對(duì)本已接近失穩(wěn)或處于極限平衡狀態(tài)下的局部區(qū)域產(chǎn)生促滑和誘震作用是完全可能的[6]。為探討巴東5.1級(jí)地震成因,本文利用三維有限元方法,綜合考慮地形的“峽谷效應(yīng)”和庫水下滲導(dǎo)致的“巖石弱化”影響,模擬計(jì)算了蓄水后三峽庫首區(qū)尤其是巴東庫段上地殼構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng),探討了蓄水綜合效應(yīng)引起的庫首區(qū)上地殼表層構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的調(diào)整,及其對(duì)沿構(gòu)造面發(fā)育的巖溶支撐體系的影響,進(jìn)而結(jié)合巴東庫段局部構(gòu)造地質(zhì)、水文地質(zhì)條件,分析了巴東Ms5.1地震的孕震成震機(jī)理。

    1 研究區(qū)有限元模型

    以震中為中心,選擇的研究范圍為110 km×85 km,深度12 km(至上地殼底部)。依據(jù)研究區(qū)域的地形地貌、斷裂構(gòu)造、深淺部地層巖性等特征,建立研究區(qū)的三維幾何模型(圖1)。

    該模型的物性參數(shù)分為表層沉積蓋層和深部基底構(gòu)造層兩類。其中,沉積蓋層厚約7 km,巖性主要為花崗巖、灰?guī)r和砂巖;基底構(gòu)造層厚約5 km,巖性主要為花崗巖。參照文獻(xiàn)[4-5],斷裂帶參數(shù)分別取:彈性模量 E=1.07 ×1010Pa,泊松比 ν=0.24,密度ρ=2 570 kg/m3。有限元網(wǎng)格的劃分以滿足計(jì)算精度為要求,尤其對(duì)巴東庫段的網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化,計(jì)算模型單元19 146個(gè),節(jié)點(diǎn)23 165個(gè)。

    圖1 三峽庫首區(qū)三維數(shù)值模擬模型Fig.1 3D numerical model of the head area of the Three Gorges Reservoir

    依據(jù)三峽地區(qū)地震加密觀測(cè)資料[7]和現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的研究成果[8],加載方案為:NE-SW向的主壓應(yīng)力為790 MPa,NW-SE向的主張應(yīng)力為540 MPa。有限元模型采用三維線彈性模型,除約束部位外,每個(gè)節(jié)點(diǎn)有3個(gè)自由度。

    2 計(jì)算結(jié)果分析

    2.1 等效應(yīng)力

    等效應(yīng)力用主應(yīng)力表示為[9]:

    朱守彪等[10]對(duì)汶川地震發(fā)生過程進(jìn)行的有限元數(shù)值模擬結(jié)果顯示,等效應(yīng)力在空間分布上由地震前的分散狀態(tài)逐漸向龍門山地區(qū)集聚并增大,空間上龍門山斷裂帶成為了等效應(yīng)力積累單元。應(yīng)力水平不斷升高,直至超過摩擦極限,最終導(dǎo)致汶川地震的發(fā)生。吳建超等[11]研究認(rèn)為,秭歸縣屈原鎮(zhèn)Ms4.1地震發(fā)生在蓄水后等效應(yīng)力高值區(qū)與大范圍低值區(qū)的梯度帶上,等效應(yīng)力差值約為400 MPa。

    2.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

    根據(jù)巴東Ms5.1地震的震源深度,取Z=-5 km作為輸出層,得到175 m水位下地殼5 km深度處等效應(yīng)力場(chǎng)分布如圖2。另外,為獲得不同深度上等效應(yīng)力場(chǎng)的分布情況,計(jì)算得到175 m水位下三峽庫首區(qū)近東西向的等效應(yīng)力場(chǎng)剖面圖(圖3)。

    由圖2可知,175 m水位蓄水之后,巴東、牛口一帶的長江南北兩岸出現(xiàn)了較大范圍的等效應(yīng)力低值區(qū),大小約為300 MPa。在長江北岸,該低值區(qū)的展布方向?yàn)镹E向,與高橋斷裂的走向基本一致。由圖3可以看出,等效應(yīng)力值由地表至地殼深處逐漸增大,近似呈層狀展布。值得注意的是,在高橋斷裂、??跀嗔押途蓬迪浇刃?yīng)力值較斷裂兩側(cè)圍巖小,等效應(yīng)力等值線向地殼深部彎曲匯聚,顯示了蓄水后斷裂帶內(nèi)部等效應(yīng)力場(chǎng)較為明顯的變化。結(jié)合該等效應(yīng)力低值區(qū)附近的地質(zhì)構(gòu)造、地層巖性及深部地球物理場(chǎng),我們認(rèn)為該低值區(qū)與高橋斷裂、??跀嗔?、官渡口斷裂、馬鹿池?cái)嗔训膰拮饔糜嘘P(guān),同時(shí)還可能與該區(qū)域的庫水滲透有密切關(guān)系。

    圖2 175 m水位下巴東庫段5 km深處等效應(yīng)力場(chǎng)圖(單位:Pa)Fig.2 Equivalent stress graph under 5 km depth in head area with 175 m water level(unit:Pa)

    圖3 175 m水位下三峽庫首區(qū)上地殼等效應(yīng)力剖面圖(單位:Pa)Fig.3 Equivalent stress profile of the upper crust in Three Gorges head area with the 175 m water level(unit:Pa)

    研究表明,對(duì)于蓄水環(huán)境下近庫岸的正斷層而言,斷層的主應(yīng)力降低,表明斷層面的抗剪強(qiáng)度降低,等同于斷層受到了促滑的加載作用;反之,主應(yīng)力增大即表明抗剪強(qiáng)度增強(qiáng),等同于斷層受到促滑的卸載作用。值得說明的是,蓄水的加卸載效應(yīng)在庫區(qū)是交替出現(xiàn)的,而這種加卸載作用的交替出現(xiàn)最易在斷層面上產(chǎn)生促滑誘震。

    為分析等效應(yīng)力場(chǎng)計(jì)算結(jié)果的可靠性,選擇重力實(shí)測(cè)資料[1]作為驗(yàn)證,如圖4所示。蓄水達(dá)175 m水位后,重力場(chǎng)在巴東-牛口以及香溪-茅坪之間存在正異常區(qū),異常幅度達(dá)(20~30)×10-8m/s2,該重力異常區(qū)展布方向與水庫走向一致。將等效應(yīng)力計(jì)算結(jié)果與重力實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比發(fā)現(xiàn),本文計(jì)算得到的等效應(yīng)力場(chǎng)結(jié)果與重力實(shí)測(cè)得到的異常區(qū)基本對(duì)應(yīng),且均分布于長江兩岸約10 km范圍內(nèi)。另外,5 km深度處的剖面位于三維模型的中部,受底面邊界條件影響較小,模擬結(jié)果具有較高的可信度。

    2.3 等效應(yīng)力場(chǎng)變化與巴東5.1級(jí)地震

    圖4 三峽庫首區(qū)流動(dòng)重力場(chǎng)異常[1]Fig.4 Gravity contour in the head area

    將計(jì)算得到的175 m水位與蓄水前的等效應(yīng)力值相減,并采用局部多項(xiàng)式插值,得到175 m水位下相對(duì)蓄水前的等效應(yīng)力差值(圖5)。

    巴東Ms5.1地震的震中位于NE向高橋斷裂南東側(cè)約5 km處,該斷裂為秭歸侏羅系向斜的西北緣邊界構(gòu)造,長約50 km,傾向南東,傾角50°~65°,印支期以來左旋走滑約4 km。構(gòu)造巖測(cè)年表明,該斷裂第四紀(jì)早、中更新世曾有弱活動(dòng)。此外,震中東側(cè)約8 km處1979年秭歸龍會(huì)觀5.1級(jí)地震的發(fā)震構(gòu)造一般認(rèn)為是NNE向的??跀嗔选?/p>

    圖5 175 m水位相對(duì)蓄水前的等效應(yīng)力差值與巴東Ms5.1地震(紅色圓點(diǎn)代表巴東地震震中)Fig.5 Contour of equivalent stress difference between 175 m water level and before impounding(Red circle:the epicenter of Badong Ms5.1 earthquake)

    如圖5所示,175 m水位相對(duì)于蓄水前的等效應(yīng)力差值在巴東、??诤蜌w州附近出現(xiàn)3個(gè)極大值區(qū),其中以巴東至官渡口極值區(qū)的范圍和量級(jí)最大。該極值區(qū)大致呈NE-SW向延伸,與高橋斷裂的走向基本一致。在長江南北兩岸各有一個(gè)峰值區(qū)單獨(dú)封閉,極值區(qū)的等效應(yīng)力差值由其中心處的約400 MPa向兩側(cè)逐漸減小。由圖5可見,蓄水達(dá)175 m水位后,巴東Ms5.1地震就發(fā)生在巴東極大值區(qū)與??跇O大值區(qū)的梯度帶上,該過渡地帶等效應(yīng)力變化顯著,表明地震的孕育、發(fā)生與蓄水有關(guān)。

    3 背景分析與成因探討

    根據(jù)震區(qū)地震構(gòu)造背景、近震臺(tái)站震源機(jī)制解確定的正斷傾滑機(jī)制、蓄水工況下的構(gòu)造模擬結(jié)果,毋庸置疑,巴東Ms5.1地震屬構(gòu)造型水庫誘發(fā)地震。但主震有卓越頻率偏低、豎向記錄含脈沖等塌陷地震特征,這就很難用庫水滲漏使斷層面摩擦力下降誘發(fā)構(gòu)造型水庫地震來解釋。

    3.1 構(gòu)造地質(zhì)及水文地質(zhì)背景

    巴東Ms5.1地震與1997年秭歸龍會(huì)觀5.1級(jí)地震相距僅8 km,屬同一地震構(gòu)造單元,具有發(fā)生中強(qiáng)地震的構(gòu)造背景。

    地震發(fā)生于侏羅系秭歸向斜的西北緣,地層巖性主要為三疊系下統(tǒng)灰?guī)r,中統(tǒng)微晶灰?guī)r、泥巖,上統(tǒng)砂巖、泥巖-頁巖夾煤層,以及侏羅系下統(tǒng)泥巖、砂巖、頁巖夾煤線和中統(tǒng)的泥巖、砂巖等,具備沿構(gòu)造面發(fā)育較大規(guī)模條帶狀巖溶的條件。一個(gè)可供類比的證據(jù)是,與巴東Ms5.1地震震區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造條件極其相似的湖北長陽清江巴王洞。巴王洞位于清江巴山峽之上、巴王沱之下,洞中可見沿構(gòu)造(節(jié)理)面侵蝕的現(xiàn)象,高寬處數(shù)米至數(shù)十米,石筍上下連接形成一道道屏簾與支撐,溶洞沿構(gòu)造面呈條帶狀展布,直線延伸部分達(dá)300余m。巴東地區(qū)大部出露碳酸鹽巖地層,且構(gòu)造裂隙發(fā)育,在震區(qū)東瀼口鎮(zhèn)下方發(fā)育如巴王洞這樣大規(guī)模的地下巖溶區(qū)是完全可能的。

    此外,巴東Ms5.1地震的震中區(qū)附近發(fā)育一條自北向南的板橋河,距離巴東Ms5.1地震的微觀震中僅1 km。板橋河流域面積約120 km2,大致在NE向高橋斷裂的南東側(cè)。晚白堊紀(jì)以來,震區(qū)地殼間歇性抬升,板橋河持續(xù)下切侵蝕巴東組軟弱巖石,從而塑造了板橋河的峽谷地貌。巴東Ms5.1地震震區(qū)的地下水類型為碳酸巖裂隙溶洞水,暗河流量及泉流量較大、水位變化大,有利于巖溶發(fā)育。

    由巖溶發(fā)育的一般規(guī)律可知,巖溶沿地下水流經(jīng)途徑發(fā)育,而斷層往往是地下水最好的運(yùn)移通道;褶皺形成的構(gòu)造面及沿構(gòu)造面生成含易溶物質(zhì)(如膏鹽)的破碎帶,也是巖溶水流經(jīng)、條帶狀巖溶區(qū)形成的理想場(chǎng)所。巴東主要受近EW的秭歸向斜控制和???、官渡口、馬鹿池等斷裂圍限,多見膏鹽出露且有較長的采礦歷史。所以,在巴東Ms5.1地震震區(qū),斷層、構(gòu)造面與巖溶存在共生、伴生關(guān)系是可能的。

    3.2 成因探討

    構(gòu)造模擬分析表明,175 m水位下三峽庫首區(qū)地殼表層構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)出現(xiàn)了復(fù)雜的調(diào)整,主要表現(xiàn)為等效應(yīng)力沿近庫岸斷裂帶降低,表明斷層面的抗剪強(qiáng)度降低,等同于斷層受到了促滑的加載作用;巴東Ms5.1地震發(fā)生在蓄水后等效應(yīng)力巴東高值區(qū)與??诟咧祬^(qū)的梯度帶上,說明地震與蓄水有關(guān),一定程度上解釋了地震的構(gòu)造機(jī)制;但地震的塌陷機(jī)制得到震害調(diào)查與測(cè)震學(xué)分析的支持,也與震區(qū)構(gòu)造地質(zhì)、水文地質(zhì)背景不矛盾。這樣,現(xiàn)有的水庫誘發(fā)地震類型很難解釋這一地震序列。

    綜合以上分析研究,基于巴東Ms5.1地震的兩個(gè)特殊性,一是既有發(fā)生中強(qiáng)構(gòu)造地震的背景又有發(fā)生較大塌陷地震的條件,二是地震既有構(gòu)造機(jī)制又有塌陷機(jī)制且難分主次,提出一種新的水庫地震類型——構(gòu)造塌陷型水庫地震;其以構(gòu)造機(jī)制為先導(dǎo),以斷層及構(gòu)造面與巖溶共生伴生為基礎(chǔ),構(gòu)造機(jī)制與塌陷機(jī)制互為因果、交替疊加而成震。

    這一機(jī)制可以對(duì)巴東Ms5.1地震序列作出推測(cè)、解釋:

    1)地震以構(gòu)造機(jī)制為先導(dǎo),發(fā)震斷層或構(gòu)造面與一定規(guī)模的條帶狀巖溶存在共生、伴生關(guān)系。

    2)先存的區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)疊加蓄水引起的局部構(gòu)造應(yīng)力調(diào)整,可能使斷層產(chǎn)生小的位錯(cuò)而破壞巖溶支撐體系,或在沿構(gòu)造面發(fā)育的巖溶區(qū)形成應(yīng)力集中而造成塌陷,繼而觸發(fā)構(gòu)造失穩(wěn)傾滑,兩種機(jī)制互饋、交替、疊加、共同作用而成震。

    3)條帶狀巖溶對(duì)斷層或構(gòu)造面傾滑的影響,初期可能表現(xiàn)為促滑、引導(dǎo),后期則可能表現(xiàn)為約束、障礙;地震波表現(xiàn)出的低頻、松散、包絡(luò)線不規(guī)整等塌陷機(jī)制現(xiàn)象與此有關(guān)。

    4)主震后,在震源體應(yīng)力調(diào)整平衡中產(chǎn)生了一系列的共軛破裂,便相繼發(fā)生了16日Ms2.3和19日Ms2.5兩次余震。這就是震源機(jī)制解彼此各異的合理解釋。

    4 結(jié)語

    巴東Ms5.1地震與1979年秭歸龍會(huì)觀5.1級(jí)地震在許多方面存在差異,是由成震機(jī)理差異引起的。龍會(huì)觀5.1級(jí)地震是一次典型的構(gòu)造地震,而巴東Ms5.1地震是構(gòu)造機(jī)制、塌陷機(jī)制、水庫誘發(fā)機(jī)制的結(jié)合,在震害分布、測(cè)震學(xué)及地震序列方面表現(xiàn)出與構(gòu)造地震不一致的特征?;谠摯蔚卣饳C(jī)理,我們提出一種新的水庫地震類型——構(gòu)造塌陷型水庫地震類型。

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    11 吳建超,等.三峽水庫蓄水后等效應(yīng)力場(chǎng)的數(shù)值模擬和胡家坪 Ms4.1地震的孕震機(jī)理[J].地震研究,2012,35(1):42 -47.(Wu Jianchao,et al.Numerical simulation of equivalent stress field after the impoundment of the Three Gorges reservoir and the seismogenic mechanism of Hujiaping Ms4.1 earthquake[J].Journal of Seismological Research,2012,35(1):42 -47)

    致謝 僅以此文獻(xiàn)給恩師馬瑾先生八十華誕!

    BADONG Ms5.1 EARTHQUAKE:A NEW TYPE OF RESERVOIR EARTHQUAKE

    Chen Shujun1),Yao Yunsheng1,2),Wu Jianchao1,3),Chen Junhua1)and Cai Yongjian1,3)
    1)Key Laboratory of Earthquake Geodesy,Institute of Seismology,CEA,Wuhan 430071
    2)Wuhan Base of Institute of Crustal Dynamics,CEA Wuhan 430071
    3)Institute of Earthquake Engineering of Wuhan,Wuhan430071

    Simulating result of tectonic stress field in the upper crust under different water storage conditions for Badong Ms5.1 earthquake occurred in 2013 shows that this earthquake occurred in the gradient zone between the Badong and Niukou equivalent stress D-value zone which means that the Earthquake is related to the impoundment.The epicenter region possesses the tectonic background of moderately strong earthquake and the condition of massive stripped karst developed along a structure plane.The seismography data show tectonic and collapsed characteristic of the Earthquake.Comprehensive analysis suggests that Badong Ms5.1 Earthquake might give priority to tectonic mechanism.Regional tectonic stress was superimposed by the local tectonic stress state’s adjustment due to the impoundment.It might form stress concentration and collapse in the karst region developing along the structural plane.The collapse then lead to structure instable and slipping.The two kinds of mechanism feedback、alternate、superimpose and then the earthquake occurred.Therefore,the Earthquake is a new type of reservoir earthquake type—tectonic subsidence type.

    Three Gorges reservoir area;Badong Ms5.1 earthquake;tectonic subsidencce type;earthquake;karst

    P315.1;P315.72+8

    A

    1671-5942(2014)03-0001-05

    2014-03-28

    中國長江三峽集團(tuán)公司科研專項(xiàng)(SXSN/3354)。

    陳蜀俊,男,1965年生,研究員,博士,主要研究方向?yàn)榉勒饻p災(zāi)工程及防護(hù)工程。E-mail:Chen3122@126.com。

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