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三峡水库举世瞩目。人们十分关注蓄水将引起构造应力场如何变化,对地震危险性有何影响。水库在135米水位蓄水后,观测到微震群活动、形变场、重力场一系列的变化,这些变化意味着什么。未来175米水位蓄水又会带来什么影响。这些都是三峡地震预测与工程地震研究迫切需要回答的问题。
本文在分析前人工作、研究观测资料的基础上,利用最新的DEM图和蓄水同期观测数据,首次建立考虑地形、库水下渗要素的三维数值模型;进行了135m水位蓄水前后构造应力场数值模拟,并经实测资料检验;开展数值模型,预测175m水位蓄水后的状况,探讨蓄水综合效应引起的库首区上地壳表层构造应力场可能变化;探索构造应力场变化对孕震环境、潜在震源的影响,获得较可靠划分水库诱发地震潜势区及其边界的依据,构建了蓄水因素与地震危险性的关系,并就水库诱发地震因素是否应参与地震危险性分析以及如何参与,进行了初步研究。
主要在以下几个方面取得了进展:
1.区域地震地质与地震活动性背景(蓄水前)分析。通过分析前人资料,获得三峡库首区地震构造背景的认识。区内的主体构造是黄陵背斜,地表发育的北北西和北东向断裂系统,是主要的发震构造,断裂以正断活动为主;现今构造应力场最大主应力方位在NNE至NEE之间变化,呈现一定的分区性和复杂性,但仍以NE向为主;该区属低频中强震区,震源多集中在上地壳内;区内的基础地质环境较复杂,存在发生水库诱发地震的内在因素或必要条件。
2.蓄水前后实测资料的综合分析。综合分析表明各种异常(变化)主要集中在秭归、巴东两个区域,形变、重力变化剧烈的区域就是微震群活动的集中区,推测该区正是构造应力场调整强烈的区域。发现重力观测得到的蓄水前后变化量值大的区域与渗透率高的岩石分布区一致。认为该区的应力集中既与蓄水有关,也与当地的地层岩性及断裂背景有关。蓄水效应可能成为影响库首区孕震环境的驱动力源或外在因素。
3.模拟计算的条件选择及其根据。利用1:250000DEM地图和新近的地球物理场证据,通过对前人模型的修正、加密、完善,建立考虑地形单元、断裂单元、水体荷载分布、不同水位库水下渗范围内的物性参数调整等要素的库首区构造应力场三维模拟模型和计算条件;经多个加载方案比选,确定优选加载方案。较之前人的研究,多考虑了地形和渗透因素,更符合三峡库首区的真实情况。
4.135m水位构造应力场模拟研究及175m水位状况的预测。135m水位的模拟,获得位移场、最大主应力变化等结果;与同期观测资料作了对比,得到多方面验证,如微震活动的增强区与模拟结果中巴东、秭归库段的剪应力等值线及最大主应力降的密集区相符,如GPS实测垂直沉降与模拟Z向位移差值的量值和极值区分布接近。在此基础上,对175m水位蓄水的状况进行了预测。135m水位的模拟是175m水位预测的基础,对135m水位蓄水进行可经检验的深入研究后,对175m水位的预测才具有科学意义。
5.蓄水前后构造应力场模拟结果分析、研究。对不同水位蓄水时上地壳表层构造应力场的变化,进行平面、剖面、局部细节的对比分析,表明135m水位蓄水后发生的一系列微震群活动和形变、重力观测的结果,在时间上与构造应力场动态变化时序吻合、在空间上与应力状态调整剧烈的区域相关;发现135m水位蓄水后的构造应力场变化,在175m水位下的发展似乎会表现出一种“继承性”,认为这种“继承性”将有利于孕震趋势的连续发展。研究表明,从蓄水前后构造应力场分析的角度,能够在一定程度上解释蓄水以来库首区微震群活动与地壳形变等现象的内在机理,其结果可以反映蓄水引起的孕震环境变化,能够作为水库诱发地震满势区的判据并提高其边界划分的确定性。
6.蓄水背景下的地震危险性的初步研究。根据模拟预测结果,135m水位时在巴东、秭归出现了最大主应力降、应变能密度增高等现象,且在175m水位时将进一步发展,说明蓄水将引起有利于正断层活动和应变能积累的构造应力场变化;推测未来在上述本已存在发震趋势的断裂部位可能诱发构造型水库地震。分析库首区潜在震源划分现状与其中的问题,论述了水库诱发地震应参与对地震危险性分析作出贡献的理由;首次提出“水库诱发地震潜在源”和“叠加潜在震源”思想,将模拟结果与前人研究相结合,划分出6个“水库诱发地震叠加潜在震源”,并就其参与地震危险性计算的方法进行了探讨。所做的工作和取得的认识,使将来库首区的地震危险性分析,有可能包含水库诱发地震的影响,从而更符合三峡库首区蓄水后的客观实际。