紫坪铺水库区域地壳S波Q值层析成像研究

摘要

在地壳介质中传播的地震波振幅的衰减,与构造断裂带的破碎程度、活动强度,以及岩浆、水、石油等流体活动密切相关。实验研究表明,岩石中流体的存在将会影响岩石介质的地震参数特性。陈颙等(2009)研究发现,地震波衰减主要取决于岩石的微观性质—诸如岩石内部裂纹的密度、分布、构造以及孔隙流体的相互作用等的确定。王大兴等(2006)认为对于横波,岩石孔隙流体的黏滞运动引起的能量耗散是造成能量衰减的主要因素。刘建华等(2004)对地震波衰减的物理机制研究认为造成地壳介质中地震波衰减的主要原因是地壳内存在大量裂隙,裂纹中饱含水或部分含水,地震波传播时引起裂隙中的流体运动,从而造成地震波的衰减。在特定的地质环境下,例如水库蓄水,水体增加库区范围地壳的荷载,库水沿着岩石破碎带、节理和裂隙向深部渗透,增加了地下岩石的孔隙水压力,改变了原先地壳介质的物质组成结构及物理性质,还可能降低断层面的摩擦系数和岩石的抗剪强度,使得天然构造地震已积蓄的能量提前释放。由于岩石中的裂纹、流体含量等均与地震波的衰减密切相关,因此,通过研究反映地震波衰减的Q值及其动态变化,我们可进一步了解和解释地球内部介质的结构、特性及其变化等,也可进一步探索特定的地质环境下(水库蓄水区域)库水的渗透作用及其对浅层地壳介质的影响,有助于认识水库蓄水区域的构造活动性及深部动力学特征等。本研究利用2004年8月16日至2008年5月11日的双差精定位后的地震S波形资料,首先采用衰减层析成像方法对紫坪铺水库区域浅层地壳(1～15km)Qs进行静态和动态的衰减层析成像,反演得到该区静态、蓄水前、后和按年滑动的Qs成像特征。其次,将紫坪铺水库区域细分为四个不同大小的区域,分别计算了各个分区按月滑动的平均Qs值,还分别统计了按月滑动的不同震级的地震频次,并将平均Qs值和地震频次分别与蓄水时间和滑动水位进行了相关性分析,从而讨论S波衰减和地震活动性分别与水位的关系。最后,结合实验研究成果、岩体岩性、断裂构造及水文地质调查结果,探讨紫坪铺水库区域的渗透条件及其对地震波衰减的影响,同时对研究区内地震活动类型及发震成因的介质物性变化进行了讨论。
　　研究结果表明:(1)紫坪铺水库区域地壳S波衰减横向不均匀变化显著,库区周边近似存在低Qs值(高衰减)环形区域,主要包括水库东北、东南、西南、西北及库区中段五个低Qs区域。其中,水库东北、库区中段、西南低Qs区域具备较为有利的库水渗透条件,Qs值变化与库水渗透关系最为密切。本研究初步认为库水可能沿着通济场断裂中段和两端的岩石破碎带、节理、裂隙发育地区向地下渗透,使岩石孔隙中充满流体,内摩擦增大,从而地震波大大衰减,Qs值大幅下降。
　　(2)从按月滑动的平均Qs值与水位的关系表明,紫坪铺水库地区的Qs值随着蓄水水位的升高而减小,且范围最小的库区中段区域的平均Qs值随着水位的升高下降较为剧烈。可能是随着蓄水时间的增加,水库蓄水水位的逐渐升高,当库水逐渐沿着岩石破碎带、节理、裂隙发育地区向地下渗透,使岩石孔隙中充满流体,内摩擦增大,从而使地震波大大衰减,导致Qs值大幅下降。而库区中段区域被通济场次级断裂穿过,且位于库区中部,是库水渗透较为有利的场所,因此,库区中段区域的地震波衰减对库水的渗透作用反映较快也较为明显。
　　从按月滑动的不同震级的地震频次与水位的关系表明,紫坪铺水库蓄水增强了该区的地震活动性。水库蓄水3个月后,ML0.0～3.0的小震活动逐渐增强。当水库蓄水14个月、水位达到840m左右时,ML0.0～1.0小震活动最为活跃,蓄水15个月后逐渐减弱;ML1.0～3.0的小震活动随着蓄水而逐渐增强。可能是由于蓄水后随着库水的渗透作用,增加了岩石空隙水压力,当岩石裂纹饱含水或部分含水后,水对裂纹边界起潮湿和润滑作用,降低了发震断层的抗剪强度,使滑动容易产生,从而诱发地震。
　　(3)根据前人研究成果及本文对地震活动随着蓄水的迁移特征研究,认为在水库西南区诱发了水库小震群,在东北区和东南区诱发了部分水库小震群。东北、东南、西南三个小震群基本位于高Qs值(低衰减)和低Qs值(高衰减)的过渡区域,可能由于低Qs区地震波衰减大,不易积累能量,而高、低Qs值的过渡区域,介质介于“软”、“硬”之间,有可能积累应变能,孕育地震。

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第一章 引言

第二章 紫坪铺水库区域地质概况及数据条件

第三章 衰减层析成像方法

第四章 紫坪铺水库区域地壳Qs成像结果及分析

第五章 紫坪铺水库区域渗透性及其对地壳介质的影响分析

第六章 结论与展望

第七章 关键问题及解决办法

参考文献

致谢

个人简历、在学期间参与项目及发表的学术论文