水庫誘發(fā)地震與孔隙壓力擴(kuò)散系數(shù)研究——以紫坪鋪水庫為例

劉遠(yuǎn)征

（中國地震局地質(zhì)研究所，北京100029）

水庫誘發(fā)地震與孔隙壓力擴(kuò)散系數(shù)研究——以紫坪鋪水庫為例

劉遠(yuǎn)征

（中國地震局地質(zhì)研究所，北京100029）

中圖分類號(hào)：P315.72＋8；

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A；

doi：10.3969/j.issn.0235－4975.2015.08.010

自從1945年第一次提出Mead湖水庫誘發(fā)地震的事實(shí)以來，全球報(bào)道蓄水引起地震的水庫超過150座。水庫誘發(fā)地震問題一直受到廣泛的關(guān)注。中國有100m以上的高壩114座，其中32座蓄水后地震活動(dòng)顯著增強(qiáng)。為了解決電力供應(yīng)問題，中國的水庫由少震的東部擴(kuò)展到地震活動(dòng)強(qiáng)烈的西部地區(qū)。2008年汶川地震的發(fā)生，使得紫坪鋪水庫在汶川地震中的作用問題受到關(guān)注。由此，對(duì)強(qiáng)震活躍地區(qū)水庫的作用和機(jī)理的研究被提上日程，研究具有現(xiàn)實(shí)意義。

荷載與孔隙壓力是目前公認(rèn)的兩個(gè)水庫誘發(fā)地震的可能機(jī)理。其中，荷載對(duì)誘發(fā)地震的作用已有很多研究，但普遍認(rèn)為，孔隙壓力的作用可能更重要。由于直接觀測(cè)孔隙壓力擴(kuò)散過程很困難，有關(guān)孔隙壓力作用的討論許久未能深入。深入探討孔隙壓力的作用，探索測(cè)算孔隙壓力擴(kuò)散系數(shù)的方法，尋找其時(shí)空演化過程是深入認(rèn)識(shí)孔隙壓力在水庫誘發(fā)地震中作用的關(guān)鍵科學(xué)問題。

本文從分析國內(nèi)外水庫地震的特點(diǎn)和影響因素開始，進(jìn)而研究了在考慮不同因素條件下荷載引起的庫侖應(yīng)力變化。最后聚焦到孔隙壓力作用和孔隙壓力擴(kuò)散系數(shù)的研究上。

本項(xiàng)研究在以下方面取得進(jìn)展：

（1）在不同條件下研究水庫荷載造成庫侖應(yīng)力變化的分布，分析了區(qū)域應(yīng)力、斷層產(chǎn)狀、水庫相對(duì)斷層的位置等對(duì)庫侖應(yīng)力的影響。強(qiáng)調(diào)了水庫位于斷層上盤或是下盤，對(duì)逆斷層的作用不同，前者抑制，后者促進(jìn)斷層活動(dòng)。進(jìn)而，結(jié)合紫坪鋪水庫，考慮了孔隙壓力和地形影響等約束條件，得到的庫侖應(yīng)力比較符合汶川地震的實(shí)際情況。

（2）以紫坪鋪水庫為例，討論了分析擴(kuò)散系數(shù)分布對(duì)水庫地震研究的重要性。通過不同的模型計(jì)算，說明孔隙壓力擴(kuò)散系數(shù)與所在地的介質(zhì)、結(jié)構(gòu)、相對(duì)斷層的方向有關(guān)，列舉了不同深度，沿走向、傾向等對(duì)擴(kuò)散系數(shù)的影響。說明了孔隙壓力擴(kuò)散系數(shù)存在不均勻性、各向異性以及隨變形過程而變化的特點(diǎn)。

（3）論證了水頭增量變化率是影響地震發(fā)生和停止的最重要因素。比較了深溪溝和水磨震群誘發(fā)地震發(fā)生、增強(qiáng)和停止的過程與水頭增量（壓力）和水頭增量變化率（導(dǎo)數(shù)）的變化關(guān)系后，得到了不論水頭增量是否處于高值，影響地震發(fā)生和停止的最重要因素是水頭增量變化率這樣的初步結(jié)論。水頭增量變化率上升時(shí)，地震活動(dòng)開始，變化率達(dá)到峰值附近，地震活動(dòng)隨之增強(qiáng)，變化率下降，則地震活動(dòng)減弱或停止。

（4）擴(kuò)展系數(shù)蘊(yùn)含了地震成因類型信息。Shapiro注水觸發(fā)地震實(shí)驗(yàn)表明，地震的空間分布有瞬時(shí)擴(kuò)展階段、拋物線型擴(kuò)展階段和收縮階段。利用注水地震時(shí)空展布過程求孔隙壓力擴(kuò)散系數(shù)方法，分析了三峽和小浪底庫區(qū)的地震活動(dòng)，進(jìn)而探討了中強(qiáng)地震和強(qiáng)震余震的擴(kuò)