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紫坪铺水库也许真的诱发了汶川大地震

发表于 10/12/2012 原创文章| 转发给朋友 | 浏览次数:262 |

世界关注:被聚焦的紫坪铺水库
 
2008年5月12日震惊世界的汶川8级大地震发生以后,因为汶川地震的许多“反常”现象,以及紫坪铺水库与汶川地震的特殊时空关联,不少专家学者都怀疑紫坪铺水库的蓄水活动诱发了汶川大地震。
 
由于汶川地震造成了极其严重的生命和财产损失,而且人类活动对自然环境的影响是目前很重要的全球话题,因此,汶川地震三年多来,紫坪铺水库是否诱发了汶川地震的问题,成为了世界媒体瞩目的一个热点,美国《科学》杂志三次刊登有关报道,美联社、英国广播公司、法新社、纽约时报、华盛顿邮报、华尔街日报、基督教科学箴言报、卫报、朝日新闻、明镜周刊等许多重要媒体,都曾发表过相关的报道与访谈。
 
另一方面,这一问题激起了许多专家的研究兴趣与热情,成为科学界关注的一个焦点和前沿研究课题。据不完全统计,目前公开发表于中外专业学术期刊上的相关论文不下五六十篇,由于能够获得丰富的观测数据以及所拥有的专业背景,绝大部分研究成果都是由中国的地震专家在《地球物理学报》、《地震地质》、《地震》、《四川地震》、《西北地震学报》、《华南地震》等中文学术期刊上发表的,另外也有一些以此问题作为研究课题的硕士、博士论文公布。
 
迄今为止的一系列研究成果,已越来越清楚地显示出紫坪铺水库与汶川大地震之间令人吃惊的密切联系。
 
汶川8级地震的初始破裂深度只有6~9公里
 
对紫坪铺水库诱发汶川地震持否定意见的水电工程专家陈厚群等(2008、2009、2010)认为,水库诱发地震的震源深度一般为1~5公里,最多不超过10公里,并把它作为紫坪铺水库不可能诱发汶川地震的重要理由之一。但据张倬元(1981)、刘传正(1995)、杨晓源(2009)等提供的数据,世界上一些公认的水库诱发地震,不乏震源深度大于10公里的案例:希腊科列马斯塔6.3级地震,震源深度20 公里;赞比亚卡里巴6.1级地震,震源深度20 公里;印度科伊纳6.5级地震,震源深度12 公里;埃及阿斯旺5.6级地震,震源深度18 公里。即使按中国地震台网中心(CENG)和美国地质调查局(USGS)分别公布的14 公里和19 公里的汶川地震震源深度,它们也在上述水库地震震源深度的范围之内。因此,仅以震源深度超过10 公里,来否定紫坪铺水库诱发了汶川地震,显然缺乏科学依据;另一方面,据中国地震局地质研究所的马文涛等(2011)的最新研究成果,汶川地震的初始破裂深度只有6~9公里,这也为紫坪铺水库诱发汶川地震提供了重要的佐证。
 
中国地震台网中心和美国地质调查局公布的汶川地震震源深度等参数的确定,主要使用的是距震中较远的区域台网的数据,缺乏近距离台站资料的验证,而紫坪铺库区专用台网恰好为地震的精确定位提供了距震中最近、精度更高的数据。马文涛等(2011)利用紫坪铺库区台网的数据,并使用近年来在地震学界普遍受到重视的双差定位法(Felix W aldhauser et al. 2000),重新确定出汶川8级地震的初始破裂深度仅在6~9公里左右。
 
中国地震局地震预测研究所的卢显等(2010),对紫坪铺库区台网2004年8月16日至2008年5月10日记录到的1569次地震,利用双差定位法进行了重新精确定位。在震源深度方面,定位前近60%的地震震源深度分布在5公里以内,15公里以下几乎没有地震发生;重新定位后,约70%的地震震源深度分布在5~15公里这个优势深度范围内,其中频次最多的是在5~10公里深度,15~30公里也有少量地震发生,并且深度分布有一定的连续性,平均深度为7.8公里。
 
 
地震是地下岩石破裂的一种反映,地震频次最集中的5~10公里深度以及7.8公里的小震平均深度,反映了汶川地震前的岩石破裂也主要集中在这个优势深度范围,而根据岩石破裂实验,后期大的破裂往往出现在前期小破裂最集中的部位,因此这也旁证了汶川地震6~9公里的初始震源深度是顺理成章的。
 
中国地震台网中心的周龙泉(2010)通过对库区地震台网地震数据的处理,发现北川—映秀断裂带下方存在一个地震波P波速度较高的区域,其深度范围在0~8公里,他认为这可能反映流体沿断层面渗透的最大深度为8公里左右。这一最大渗透深度,也与马文涛等得出的汶川地震的震源深度不谋而合。
 
值得注意的是,汶川地震前的小震、汶川地震的余震组成的地震序列中,不乏超过10公里深度的。由于水库蓄水引起的较早较浅的孔隙压力扩散导致的岩石破裂(产生地震),会反过来增加孔隙压力的扩散,并使水的渗透和岩石的破裂向深部发展,构成一个不断循环扩展的动力学反馈机制,因此也不能简单地把 10公里作为水渗透以及孔隙压扩散的下限深度。
 
汶川地震的震源恰好在通过紫坪铺水库的水磨—庙子坪断裂带上
 
汶川地震发震的北川—映秀断裂带在紫坪铺水库附近分为两支,一支在地表通过映秀,可称为狭义的映秀断裂带;一支通过水磨—庙子坪,可称为水磨— 庙子坪断裂带(胡先明等称之为周家坪—龙溪断裂和漩口北—岩后—古仙洞断裂;卢显称之为映秀断层;马文涛等称之为中滩铺断层。由于中滩铺是映秀的别称,而这条断裂位于映秀以南,在地表并没有通过映秀,因此不宜将其称为映秀断层或中滩铺断层,与免和上述狭义的映秀断裂带相混)。水磨—庙子坪断裂带恰好在地表穿过紫坪铺水库的主要蓄水区,它向东北方向在深溪沟附近与映秀断裂带交汇。
 
汶川地震的震中位于上述狭义的映秀断裂带在地表的迹线附近,因此,这给人一种错觉,似乎汶川地震是因这条断裂破裂而始。陈厚群等也把“紫坪铺水库蓄水并没有淹没到北川—映秀断裂(即上述狭义的映秀断裂带),因此它对该断裂的水文地质条件没有产生影响”,作为紫坪铺水库不可能诱发汶川地震的一条重要理由。
 
但地震学的常识告诉我们,震中是震源在地表的垂直投影,而震源才是汶川地震发生初始破裂的地方。北川—映秀断裂带的断层面都是向西北方向倾斜的,如果由震中按震源深度引一条直线向下到达震源,就会明白震源并不在位于震中附近并通过映秀的映秀断裂带上,而恰恰是在通过水库主要蓄水区的水磨—庙子坪断裂带上,四川省地震局的杨晓源在2009年已指出了这一点。另外,在震后的野外调查中,中国地震局地质研究所的徐锡伟等(2008、2010)、马文涛等(2011)沿水磨—庙子坪断裂带发现了汶川地震时形成的同震地表破裂带。这个破裂带在地表错断了都汶高速公路的路面、庙子坪大桥以及龙池隧道。这也提供了水磨—庙子坪断裂作为汶川地震起始发震断裂的必要证据。
 
 
从另一方面来看,包括北川—映秀断裂带在内的整个龙门山断裂带,是一个向下交汇于一个平缓断层面的断裂系,也就是说很多在地表和浅部倾斜较陡的裂隙面,向地下深处都汇聚到一个平缓的裂隙面上,水库的水通过地表任何一处裂隙面向下渗透,都会通过这个相互贯通的断裂系,对这个断裂系所包含其它裂隙面或断层发生影响。换句话说,水库即使在地表没有淹没到某一条断裂,这条断裂也可能受到这个断裂系的其它断裂因为水的渗透和压力扩散带来的影响。
 
如此快速地大幅度地蓄水和放水十分罕见和危险
 
官方公布的紫坪铺水库正式下闸蓄水的时间是在2005年9月,但实际上的蓄水开始于2004年。紫坪铺水库蓄水前,大坝处的天然河流水位高度一般在海拔752米~755米。2004年9月27日,紫坪铺水库两个导流洞中的一个被关闭,水库的水位开始由752米上升到775米(陈厚群,2010),升幅达到23米,和后来2005年、2006年的蓄水相比,这还属于初期的低幅加载,但这已超过了三峡水库由135米至156米,以及由 156米至175米这两个蓄水阶段的升幅。
 
综合雷兴林(2008)、陈厚群(2010)、周斌(2010)、张永久(2010)、马文涛(2011)等发表的数据,可以把紫坪铺水库自 2004年9月开始蓄水至2008年5月发生汶川地震时的水位变化大致分为以下几个阶段(由于不同作者发表的数据略有差异,水位可以有0.5米至2米的误差)。
 
第1阶段(低幅加载Ⅰ与低幅卸载Ⅰ):2004年09月至2005年08月,752米上升至775米,升幅23米;775米下降至760米,降幅15米;
第2阶段(高幅加载Ⅰ):2005年09月至2005年12月,760米上升至840米,升幅80米;
第3阶段(低幅卸载Ⅱ):2006年01月至2006年04月,840米下降至820米,降幅20米
第4阶段(高幅加载Ⅱ):2006年05月至2006年12月,820米上升至875米,升幅55米;
第5阶段(高幅卸载Ⅰ):2007年01月至2007年08月,875米下降至817米,降幅58米;
第6阶段(高幅加载Ⅲ):2007年09月至2007年12月,817米上升至873米,升幅56米;
第7阶段(高幅卸载Ⅱ):2008年01月至2008年05月,873米下降至821米,降幅52米。
 
从2004年9月开始蓄水至2006年10月达到875米的最高水位,水位的升幅高达123米,而这仅仅用了两年零一个月的时间,其中,仅 2005年9月至12月的高幅加载期,水位就上升了约80米,这在国内外的高坝大库中都是罕见的。如此快速地大幅度地提高水位,以及高幅加载与高幅卸载的反复交替,就象不断给地震断层进行强力按摩,会促使断裂加速复活。据雷兴林等(2008)的计算,当水位在875米至817米之间变化时,其卸载量或加载量高达约7.4亿立方米(即约7.4亿吨),而汶川地震正好发生在紫坪铺水库经历了三次高幅加载和两次高幅卸载之后。
4
 
“库仑应力”计算得出的结论
 
专家们把作用于断层上面,使断层产生活动的力,统称为库仑应力。水库会在原来天然库仑应力的背景下,附加给断层一个库仑应力,它可能使断层更趋于破裂,也可能更趋于稳定。人们用bar(巴)和MPa(兆帕)来描述库仑应力的大小,一个bar也相当于一个标准大气压,约等于0.1MPa。有研究表明,在一定条件下库仑应力的增量变化只要达到0.1bar(即0.01MPa)的量级,便足以对地震活动产生明显影响(King et al. ,1994)。
研究紫坪铺水库与汶川地震关系的一个重要手段,就是利用数学模型,计算紫坪铺水库蓄水所产生的载荷、孔隙水压力对地震断层的影响,以及这种影响是否明显到足以诱发地震。
 
根据中国地震局地质研究所的雷兴林等(2008)的计算,紫坪铺水库蓄水到高水位一年之后的2006年,在断层3~4公里的深度,库仑应力的变化已达到1bar以上(即十倍于足以明显影响地震活动的变化量级),而在2007年12月至2008年5月12日的水位下降期间,地下10公里附近库仑应力的变化已达到0.5bar以上(即数倍于足以明显影响地震活动的库仑应力变化量级),在4~5公里的深度,库仑应力的增量变化已经到几个bar(即数十倍于足以明显影响地震活动的库仑应力变化量级),雷兴林等因此认为紫坪铺水库的蓄水活动对库区地震断层的库仑应力产生了明显影响。
 
美国科罗拉多大学的葛社民等(2009)的计算结果是,紫坪铺水库的蓄水,在相当于汶川地震震源的深度位置,使断层的库仑应力产生了 -0.01~0.05MPa的变化。他们认为,这种程度的应力变化已足以在接近应力临界状态的断层上触发地震,因为在龙门山断裂带,每年的应力变化速率小于0.005MPa,因此紫坪铺水库可能使汶川地震提前了几十年或者几百年。
 
印度国家地球物理研究会的加哈劳特等(Gahalaut K,et al. 2010)、中国科学院的张贝等(2010)都认为葛社民等使用的二维解析方法会使水库载荷的效应被夸大,因此他们使用了三维解析方法。加哈劳特等通过计算认为,紫坪铺水库的运行没有在汶川地震的震源处(深度19公里)以及周围地区引起库仑应力的增加,而是使应力减小了大约1KPa(0.001MPa),使较浅部位的弱震略有增加,但对汶川地震没有发生什么影响。
 
张贝等的计算结果显示,在仅考虑水库载荷、不考虑水的孔隙压的情况下,水库加载(蓄水)使得震源附近的逆断层更稳定,但卸载(放水)的时候更危险。张贝等还计算了汶川地震前5个月水库放水在断层上产生的影响,水位从高程875米下降到817米时,断层上震源一侧库仑应力有明显增加。深度5公里以上的区域库仑应力增加量在0.01MPa以上,近地表1公里附近达到0.08MPa。随着深度的增加,库仑应力增量迅速减小,在美国地质调查局和中国地震台网中心给出的深度为19公里和14公里的震源处,库仑应力增量分别为0.003MPa和0.005MPa。张贝等认为,小于0.01MPa量级的库仑应力变化,能否触发地震,还缺乏足够的统计数据来加以分析。
 
上述计算主要考虑的是水库蓄水和放水带来的载荷变化产生的库仑应力变化,没有考虑或没有充分考虑水渗透产生的孔隙压带来的库仑应力变化,而对地震断层来说,孔隙压被认为是比库水载荷更重要的影响因素。张贝等指出,水库蓄水后,水向地下从浅到深的逐渐渗透(特别沿渗透率高的破碎带)会造成孔隙压力的逐渐增加,水库的放水或蓄水,不会改变深部孔隙压力增加的总趋势,这可能使深部的逆掩断层(一个较平缓的断层,浅部众多断层向下汇聚于此)由稳定变为不稳定。
 
水库蓄水以后,紫坪铺库区的地震活动显著增强
 
库仑应力计算只是理论上的推导,水库蓄水对地震究竟有没有影响,还需要通过地震监测台网观测到的数据,对水库蓄水活动和地震是否相关进行实证分析。
 
由于紫坪铺水库属于诱发地震机率很高的高坝大库,按照国务院的《地震监测管理条例》(2004),在蓄水前的2004年8月建成了专用的库区地震监测台网,它包括七个台站。这个专用台网最小可以监测到-0.9级的地震,它的主要优势在于能够较精确地观测到库区的微震和弱震,从而弥补了区域上的地震台网在这方面的不足,给水库诱发地震的研究提供了丰富的材料。
 
尽管紫坪铺水库蓄水后到汶川地震之前,库区的发生的地震都没有超过4级,仅从震级来看与历史相比并没有大的变化。但许多专家研究后都发现,水库蓄水后库区的地震活动的确显著增强,而且地震活动都与水库的水位变化有很好的相关性。陈厚群等曾认为,“水库蓄水后并没有大量微震的出现”、“紫坪铺水库没有发生水库地震”,但许多研究表明,水库蓄水后不仅出现了大量微震,而且这些微震很多都是水库诱发地震。
 
雷兴林等(2008)的各种地震统计参数的变化点与水库水位的变化点具有良好的对应关系,反映出紫坪铺水库的蓄水和放水(即加压和卸载)对该区地震活动产生了明显影响。其中日地震频度(每日地震发生的次数)在几个大的水位变化阶段都出现了跃升;b值是反映震级与地震频度关系的重要参数,地震活动强度愈大,则b值愈小。在2005年12月紫坪铺水库水位到达840米以后,库区地震活动最明显的特征是b值的总体下降趋势,表明地震活动趋强;
 
在地震能量释放方面,据马文涛等(2011)的计算,蓄水前地震应变能比较接近线性释放,月频次<25次,每年蠕变能释放量在 1.2×108J1/2 左右。蓄水后地震蠕变能释放量明显变化,从2006年1月至10月持续增长,在2007年5月至7月和2008年2月又有2次阶梯状跃升,导致在2年半多的时间内由地震引起的蠕变能多释放了2.4×108J1/2,释放增加了200%。每次蠕变能释放的加速与库水位变化密切相关,并在主震前形成了一个逐渐加速释放的过程。
 
在地震的空间分布上,雷兴林(2008)、胡先明(2009)、张致伟(2009)、卢显(2010)、程万正(2010)、周斌(2010)、李海鸥(2010)、马文涛(2011)等,都指出紫坪铺水库蓄水以后,在水库附近出现了三个小震密集区及其地震群,它们分别是:水库西南区的水磨震群;水库东北区的深溪沟震群;水库东南区的都江堰震群。其中水磨震群、深溪沟震群位于水磨—庙子坪断裂带上,且处在水库的东北和西南两端;都江堰震群位于灌县—江油断裂带附近。
 
卢显(2010)、程万正(2010)、周斌(2010)、李海鸥(2010)等,都按蓄水前后以及蓄水后的不同阶段,对三个小震密集区的地震活动变化进行了分析。
 
水库西南区在蓄水前地震很少,在蓄水后地震明显增强,而且在2004年至2008年的每一次蓄水、放水阶段都表现出持续的活跃,不同的研究者都认为,水库西南区的水磨震群显然属于水库诱发的地震活动;
水库东北区在蓄水前有小震分布,但比较分散,蓄水后小震向东北方向迁移,而且更加集中,地震频次的高峰主要出现在2004年至2006年的库水加卸载期,被认为明显受到水库蓄水活动影响。2007年至2008年5月汶川地震前,东北区的地震活动反而有所减弱。
 
水库东南区在蓄水前几乎没有地震分布,蓄水后的2004年至2007年,地震活动也十分微弱,伴随库水加卸载略有起伏,但在临近汶川地震的 2008年2月,在库水卸载阶段,却突然出现了地震活动的跃升,创下了月频次高达150余次的库区地震活动纪录,其中仅在2008年2月14日21时35 分至2月15日0时54分,就有2.9级、3.7级、2.5级、3.3级、2.5级等五次震级较高的有感地震。
 
研究者认为,三个小震密集区的不同情况,反映出受蓄水活动影响,既有快速反应也有滞后反应的诱发地震。这三个小震密集区中,水库西南区的水磨震群最引人注目,不仅因为水库蓄水后这里的小震活动持续时间最长、强度最大,还因为汶川8级地震的震中也出现在这里。另外耐人寻味的是,在水库西南区和东北区之间的主要蓄水区,蓄水前后地震都很少,几乎呈现地震空白区。这似乎显示了水库蓄水后对直接位于库底的逆冲断层的稳定作用,而且小震密集区沿断裂带出现在水库主要蓄水区的两端,似乎也说明了沿水磨—庙子坪断裂带走向,蓄水后出现了极不均衡的应力变化,这和前述的库仑应力计算结果有相似之处,而且孔隙水压力的扩散也可能主要沿断裂带的走向进行。
 
水库诱发的小震群是不是汶川地震的前震
 
由于紫坪铺水库西南区的水磨震群是诸多研究者公认的水库诱发地震,而汶川8级地震的震中又恰恰位于水磨震群中,因此,汶川地震与水磨震群的关系,成为了紫坪铺水库是否诱发了汶川地震的关键纽带
 
首先,汶川8级地震与水磨震群有密不可分的空间关系,不仅震中位于水磨震群中,而且按6~9公里的震源深度,汶川地震的震源也恰好位于水磨震群的优势震源深度范围内。即使按中国地震台网中心和美国地质调查局的14公里和19公里的震源深度来看,汶川地震地震的震源深度也位于水磨震群震源深度范围的下部。
 
震源机制是根据地震波反演计算出来的地震断裂面的几何形态、运动方式,以及地震活动呈现出来的应力方位。汶川地震与水磨震群的震源机制是否相同,也是判断它们之间是否相关的重要标志。胡先明等(2009)的计算结果表明,水磨震群与汶川地震的震源机制一致,表现为同一空间形态、运动方式和应力方位的逆冲断层型的特征。
 
马文涛等(2011)还发现,在2008年4月5 日04:01:16.54的水磨震群中有1个ML1. 3地震,这个地震在各台站的初动到时差与汶川8级地震惊人地相同,换句话说,这个地震的震源位置和汶川地震的震源位置几乎完全相同,该小震震源深度在 7.8公里左右,也与重新定位后的汶川地震6~9公里的震源深度一致,这意味着,在汶川地震的初始破裂位置上,当时已经开始出现破裂,因此,水磨震群的这些小震理应属于汶川地震的前震。
 
紫坪铺库区地震活动其它特征的研究提供的证据
 
小震地震矩、震级与震源谱拐角频率的关系研究
 
人们在对地震波谱特征的研究中,发现拐角频率与地震大小通常呈负相关关系,即地震震级越大,地震矩越大,拐角频率越小。四川省地震局的张永久等(2009),通过对紫坪铺库区2004年8月16日至2008年5月11日发生的287次1.6级以上地震的分析,却发现拐角频率的大小与地震大小之间没有明确的相关关系 。根据姚立殉等(2004)、钱晓东等(2005)的相关研究结果,以及地震波拐角频率变化与紫坪铺水库水位变化的相关性,张永久等认为,该现象的出现与水库蓄放水导致的压力变化和库区岩体裂隙充水程度的变化有关。
 
地震波速比的研究
 
地震波分为纵波(P波)和横波(S波)两种基本类型。纵波速度Vp与横波速度Vs之比即为波速比,用λ=Vp /Vs表示。许多研究结果表明,在震级大于3.5级的地震发生前都可观测到波速和波速比下降—持续异常—回升—发震的异常现象。
 
卢显(2010)研究了紫坪铺库区2004年8月16日至2008年5月10日1569个小震的波速比。发现整个区域在2006年11月左右波速比值开始下降,一直保持低值状态至2007年3月底开始回升,当年5月份恢复到平均值水平,2008年2月份(都江堰小震群发生时)整个区域的波速比值急速上升,符合大震前波速比下降—持续异常—回升—发震的规律。
 
卢显还对紫坪铺库区的波速比作了分区研究,发现受蓄水影响最为明显的水库西南区(水磨震群),从2005年9月30日水库蓄水开始,Vp和Vs 变化曲线皆与水库水位变化保持几乎相同的变化趋势,但从2007年起,Vp和Vs一直保持低值状态,几乎不受水库水位变化的影响,直到2008年2月波速开始回升,5月初回升至平均值,直至发生汶川大地震,同样符合大地震前波速比的变化规律。
 
由上述,紫坪铺库区小震群的波速比变化和库水位变化相关,证明了这些小震群具有水库诱发的性质;而这些小震群波速比的变化符合大震前波速比的异常特征,也可佐证这些小震群是汶川地震的前震。
 
孔隙压力扩散的研究
 
水库蓄水产生的流体孔隙压力扩散,是水库诱发地震的重要原因。近年来学术界(Shapiro,1999、 2000;Audiganel,2000;Talwani,2000)提出可以通过地震的空间与时间特征,来研究流体孔隙压力扩散的作用,分析孔隙压力扩散的时间、扩散距离、孔隙压扩散系数等。
 
中国地震局地壳应力研究所的许丽卿等(2009)研究了汶川地震的余震序列特征,他们假设汶川地震是由于紫坪埔水库蓄水而诱发产生的大地震,则根据流体孔隙压扩散机制,后续余震序列应该表现出孔隙压扩散特征。初步研究表明,余震序列没有表现出水库诱发地震常见的单一孔隙压力源触发地震的特征,但是地震产生300公里的破裂带,余震集中区发生在应力相对较低地区、强余震持续时间长等特征又比较符合流体孔隙压力扩散触发的一些规律,因此后续余震可能存在多个孔隙压力源扩散的问题。通过对相似破裂区余震活动的分析,许丽卿等发现一些区域的余震活动是符合孔隙压力扩散特征的,说明在余震活动过程中,深部流体的孔隙压力扩散起了不可忽视的作用,他们认为这是否与主震后紫坪埔水库下渗原因有关,还需要进一步研究。
 
由于许丽卿等目前研究的是汶川地震的余震序列,所以,通过对汶川地震之前的大量小震来进一步研究流体孔隙压力的扩散,将会对讨论紫坪铺水库与汶川地震的关系提供更重要的证据。
 
地震剪切波分裂的研究
 
地壳的组成与结构很不均一,因此地震波在介质各异的地壳中传播时,由于传播速度的不同,剪切波会分裂成快、慢两个剪切波列,这两列剪切波的偏振方向近于垂直。其中快剪切波的偏振方向与当地最大主压应力方向一致;慢剪切波的时间延迟反映了地壳介质的各向异性程度,并且对裂隙的水压变化具有很好的反映。
 
四川省地震局的张永久等(2010),利用紫坪铺库区台网记录的2004年8月至2008年5月11日460次1.0级以上的地震数据,对地震剪切波的分裂进行了研究。结果表明,紫坪铺库区的快剪切波的偏振方向在2006年10月之前比较分散,在近南北、东西、北东和北西方向都有明显分布。自 2006年11月开始,快剪切波偏振方向出现了新的变化趋势,近南北向的逐渐消失,近东西向的自2007年下半年开始也逐渐减少,北东和北西两个方向逐渐突出,而这两个方向恰好分别是龙门山断裂的走向方向和区域主压应力的方向。因此,快剪切波偏振方向向北东和北西方向集中这一变化,可能与汶川大地震前区域应力的增加和龙门山断裂带微破裂增加有关。
 
张永久等还指出,慢剪切波延迟时间较大的灵隐寺台和八角台正好位于离紫坪铺水库最近的库坝区和库尾区,而慢剪切波延迟时间最小的油榨坪台距离四川紫坪铺水库水域最远。这是因为灵隐寺台和八角台正好处于水库蓄放水引起的应力变化较大的区域两端,而油榨坪台所在位置的应力基本不受水位变化影响。从整个库区和八角台慢剪切波时间延迟的变化过程分析,慢剪切波时间延迟与四川紫坪铺水库水位的升降变化显示出相关性。每当水位大幅度上升到最大值后,慢剪切波延迟时间随之增加,水位下降后慢剪切波延迟时间随之缩短。这个关系也基本符合Gao和Crampin实验研究的剪切波分裂时间延迟变化与压力的关系。另外,整个库区和八角台的慢剪切波延迟时间数据比较离散,而高孔隙流体压力的剧烈变化会导致时间延迟数据的发散。
 
地震剪切波分裂的研究,也表明紫坪铺库区蓄水后至汶川地震前的小震活动,与水库水位以及流体孔隙压力的变化密切相关。
 
视应力与视应力标度率的研究
 
视应力是一个动力学参数,它用来表征地震矩辐射能量的强弱,反映了地震能量辐射效率的高低。视应力与地震矩的关系称为视应力标度率,它能区别不同的震源物理过程。与水库蓄水关系密切的地震在震源物理上可能有别于天然的构造地震,这种差别可能反映在视应力标度率上。
 
中国地震台网中心的杨志高等(2010),利用紫坪铺水库地震台网2004年8月至2008年2月记录到的地震波形数据,计算了170个 ML≥1.0级地震的地震矩、拐角频率和视应力,并且将研究范围分为核心库区和外围库区,分析了拐角频率和地震矩的关系以及视应力标度率。
 
结果表明,紫坪铺水库的震源参数与其他大陆地区有明显不同:拐角频率远低于其他大陆地区,由于拐角频率是震源谱低频和高频衰减的分界点,当地震矩相同,拐角频率大意味着高频成分能量较大,拐角频率小意味着高频成分能量较小。而紫坪铺库区地震的拐角频率比通常结果小,表明在相同地震矩下库区地震波的高频衰减程度大;视应力比其他地区小3个数量级,也表明库区地震波的高频成分衰减强烈,使集中在高频部分的地震辐射能量被低估。杨志高等指出,地震波的高频衰减主要是因为水库蓄水后,增加的载荷影响了岩石的受力状态,另外
随着水向地下深处的渗透,增加了地下岩石的孔隙压力和饱和度,影响了岩石的弹性等物理性质。
 
从蓄水前后拐角频率、地震矩和视应力标度率的变化来看,核心库区的拐角频率和地震矩的关系发生较明显的变化,对于相同地震矩的地震,蓄水一段时间后拐角频率变大,地震震源谱的高频成分相对丰富,这意味着蓄水后,地震震源物理过程的改变直接导致了核心库区视应力标度率的改变;而在外围库区,蓄水对地震矩和拐角频率的影响不明显,视应力与地震矩没有明显的相关性,蓄水前后视应力标度率变化不大。这种现象可能的解释是:紫坪铺水库的蓄水活动成为了视应力、视应力标度率等的主要影响因素,并且随着时间推移这种影响越来越显著,对于范围远大于核心库区的外围库区来说,蓄水的影响对于视应力和地震矩的关系没有被明显体现。
 
Richardson等(2002)在研究南非矿井深处微震事件震源参数时,发现这些事件可以分为天然地震和与人类活动有关地震两类。与人类活动相关地震有如下特点:发震时间紧密,空间有丛集性,震源谱上有相对丰富的高频信息。Richardson等指出,与人类活动有关的地震在震源物理上主要是整块岩石的破裂。对于整块岩石的破裂,设想它们有两个主要的特点:①地震矩相对较小,因为小尺度岩石破裂相对容易;②高频成分相对丰富,因为整块岩石破裂后阻力迅速减小,发震过程相对迅速,使得高频成分相对丰富。
 
杨志高等因此认为,在紫坪铺库区,水位的快速上升和水向深部渗流,在一定条件下可能非常显著地改变了岩石的物理性质的作用,使得整块的岩石更容易破裂,这和蓄水之前的震源物理过程有较大差别。蓄水前地震主要发生在已有断层上,或者说这时候的地震主要表现为克服断层摩擦力;蓄水之后,原来存在的薄弱岩层在载荷和流体的弱化作用下开始破裂,地震的主要成因是整块岩石的破裂。整块岩石的断裂使断面阻力迅速减小,产生更多地震能量辐射,表现为地震辐射效率的提高,同样大小地震矩的地震,蓄水后视应力相对增加,视应力也随地震矩的增加而增加。
 
杨志高等的研究进一步证明,汶川地震前紫坪铺库区的小震群具有水库诱发地震的特征,同时还指出了可能存在一种新的震源物理模式,即水库诱发地震可能是在岩石中产生新的破裂,而不是在既有断裂面上减小摩擦力触发地震。
 
汶川地震在大区域没有明显前兆是否正好反映了水库诱发地震的特征
 
人们在发现汶川地震之前库区的小震活动出现明显异常的同时,对汶川地震没有出现大区域的明显前兆也感到困惑。中国地震局地震预测研究所的张国民等(2009)指出,在龙门山推覆断裂带的构造变形仅为每年1~2mm左右的低速率情况下,孕震过程中震源区的应力呈现为缓慢增长的特性。因此在2001 年昆仑山口西8.1级大震后,在中长期地震趋势判定上一直把东昆仑的东段作为强震的重点危险区,而没有估计在龙门山断裂带上会发生强震或巨震。
 
中国科学院地质与地球物理研究所的滕吉文等(2009)也指出,根据龙门山断裂系及其相邻地域的地质构造展布、GPS速度场测量、遥感影像解释、干涉雷达变形测量(InSAR)等资料的分析表明:龙门山断裂系在汶川地震前的近期构造活动和变形测量中均未发现有明显的变化量。
 
四川省地震局的张致伟等(2009)、程万正等(2010)都指出,紫坪铺水库蓄水以后,库区出现了小震密集增加的现象,它们与水库蓄水、放水有关,但从更长时间的地震序列来看,水库蓄水以后至汶川地震前的地震活动频次和强度仍未超过其正常变化范围或幅度,在2003年初也曾出现高频次的小震活动。 程万正等认为,这既可能属于区域长期地震活动的一种起伏,也可能是因为水库区小震活动异常的“链式续增”,引起断裂带上巨大能量的提前突然释放。既然是提前突然释放,因此汶川地震前孕震过程的阶段性特征以及中短期前兆性地震活动不明显,典型前兆异常稀少,也是一种可能的存在机制。
 
Bell和Nur(1978)在研究水库诱发地震时曾指出,库水浸入可能使断层的破裂强度降低40%-60%。杨晓源(2009)认为,如果汶川地震是紫坪铺水库诱发,那么在自然状态下,龙门山断裂带距正常破裂强度极限尚有40%-60%的差距,自然会有很多短期与临震的前兆现象不足,这可能正好说明汶川8.0级地震是因为水库提前诱发所致。在这种情况下,令人意想不到的汶川地震发震时间、震源位置、稀缺的临震前兆异常等,就会成为顺理成章的事情。
 
汶川地震前其它的一些异常事件是否与水库蓄水有关
 
虽然汶川地震前没有出现巨大地震前通常会出现的许多前兆异常,但在现有的地震前兆观测台站的观测项目中,仍然有异常出现。
 
据四川省地震局的报告(2008),在四川地区191个地震前兆观测台站中,汶川地震前出现中期和短期临震异常的台站有22个,出现异常台站数的比例为11.5 %;在四川地区地震前兆观测的348个观测项中,汶川地震出现中期和短期临震异常的观测项有26项,出现异常的观测项数的比例为7.5%。
 
虽然目前还不能断定,这些异常是水库的蓄水活动引起的应力变化所致,但值得注意的是,26项异常中,有22项异常是在紫坪铺水库蓄水达到高水位之后开始出现的,即是在2005年至2007年开始出现的。这既有可能是受天然应力变化的影响,但这种时间上的“巧合”,也有可能显示了水库的蓄水活动带来的断裂活动变化。
上述出现异常的观测项包括:地壳形变—跨断层短水准形变测量;地壳形变—定点形变测量(地倾斜、洞体应变、重力应变、钻孔应变等);地下流体观测(地下水位、水氡、水温、汞等);地电地磁观测(视电阻率、自然电位差、极距地电场、地磁波谷分裂等)。
 
四川省地震局报告的一些出现在龙门山断裂带及附近的重要异常有:
 
位于蒲江县境内,跨蒲江-新津断层的形变测量,自2006年下半年以来,观测曲线波动下降,汶川8.0级地震时曲线下降0.5毫米,断层压性活动明显增强;
 
康定县姑咱定点形变测量台的石英摆倾斜仪,自2007年12月26日出现东西方向的加速变化异常,持续到2008年4月14日结束;
 
小金县地下水位观测站,2006年1至2月的水位明显低于1997年以来同期水位,2007年6月出现超限异常。2007年11月9~15日,水位持续上升,累计上升达417mm,达到2006年以来的最高值,11月16日水位转折下降,异常明显;
 
蒲江县川-11超深井水位,2006年12月至2007年7月,水位出现大幅度下降,达到1997年以来的最低值,相对2006年7月水位下降了663mm,中期异常显著;
 
康定县姑咱海子水氡观测,2007年10月19日后趋势下降,至10月27日,8天时间累计降幅超过10%,达到短期异常标准;
 
理县水氡观测:2007年11月9日后趋势下降,至11月18日累计下降已超过18%。之后持续在低值波动,2008年1月后,氡值缓慢回升,4月中旬左右基本恢复到下降前的水平;
 
成都地电阻率观测台,视电阻率的北东测向自2006下半年开始趋势下降,2007年4月~10月年变形态消失并持续趋势下降,2007年11月后至2008年4月,年变恢复正常,但视电阻率继续维持在低值状态; 
 
郫县地电阻率观测台,距龙门山前山断裂仅20余公里,地电阻率从2005年7月开始年变化幅度减小,自2006年8月北东道的地电阻率趋势性下降,年变形态消失,2008年1月29日转折,下降时间超过1年半。在整个异常时间段内一直呈持续性下降趋势。汶川地震前的2008年4月26日~5月6 日出现短期的大幅上升,而从5月6日开始至震前又反向出现了大幅的下降变化,呈现出相对明显的临震异常。
 
中国地震局第一监测中心的郭良迁等(2009),根据跨龙门山断裂带的七盘沟、耿达、灌县、双河、蒲江等五个台站的短水准形变观测资料,计算断层垂直运动速率,提取形变异常信息,发现汶川地震前,月变率大于3倍和4倍速率均值的异常数量在2006年出现峰值,月变率大于2倍和2.5倍速率均值的异常数量在2006年和2007年都出现峰值。
 
中国科学院测量与地球物理研究所的祝意青等(2009),分析了汶川地震前成都地区重力场的演化特征,发现2004年至2005年重力变化反向,主要表现为由自西向东趋势性增加发展为自西向东趋势性减小,以及映秀附近局部重力异常区的出现;2005年至2006年主要表现为北川附近局部重力异常的出现,反映了大震前的区域构造活动剧烈和局部应力集中。
 
水库能够诱发震级高达8级的巨大地震吗
 
历史上被确认的水库诱发地震的最大震级为6~7级,虽然从普通逻辑上,这并不能推论水库不能诱发8级地震,但水库能否诱发汶川地震这样的高达8级而且破裂带长约二三百公里远远超出库区范围的巨大地震,仍然让人们充满疑问。
 
专家们公认,汶川地震是由时间上有先后、地域不同却又紧密相连的若干次破裂事件组成。据中国地震局地球物理研究所陈运泰的报告(2008),汶川地震破裂的时间过程可分为4个阶段,整个破裂沿龙门山断裂带由西南向东北扩展,破裂持续时间长达90秒,破裂过程很不规则:0~16秒为第一阶段,能量释放占11%;16~40秒为第二阶段,能量释放占56%;40~58秒为第三阶段,能量释放占28%;58~90秒为第四阶段,能量释放占5%。 
中国地震局地震预测研究所的陈章立等(2009),将汶川地震的余震活动分为西南和东北两个区段,测定结果表明,两个区段的断裂错动、震源机制解、应力降以及最大主应力的方向等明显有别。根据这些特征和地震应力触发的研究,陈章立等推测东北段地震的发生可能是由西南段主破裂的发生所触发。
 
根据汶川地震破裂过程与方式,四川省地震局的杨晓源(2009)、广东海洋大学的廖永岩(2009)都认为,紫坪铺水库诱发的仅仅是汶川地震破裂第一阶段的起动地震,汶川地震的后续破裂是在起动地震的带动下发生的,由于龙门山断裂带的能量积累接近强度极限,所以后续破裂更强烈、释放的能量也更大。廖永岩认为,紫坪铺水库诱发的是汶川地震初始破裂点不超过7级的地震。杨晓源还认为,龙门山断裂带上由紫坪铺水库诱发的一个中强地震引发了邻近地段的相继破裂,这一破裂进程印证了“一次大地震是由较小地震触发带动的,较小地震又是更小地震触发带动的”这一推论。
 
四川省地震局的易桂喜等(2006、2011),通过研究汶川地震前龙门山—岷山断裂带的地震活动参数,发现在紫坪铺水库蓄水前,龙门山断裂带高应力区分布在绵竹—茂县一线的东北侧,即龙门山断裂带的北段属于未来最可能发生强震的地段,而包括紫坪铺库区在内的汶川段,处于中偏低的应力状态,尚不具备发生强震的背景。
紫坪铺水库蓄水后,小震群的活动与b值的降低显示了紫坪铺库区附近应力水平的显著升高,8.0级巨大地震没有启动于原本应力水平较高的龙门山断裂带北段,而是发生在紫坪铺水库附近,有可能是受到水库蓄水的影响;而汶川地震的破裂过程,之所以表现出由初始破裂点向北东方向扩展的单侧破裂现象,并且破裂延伸达200公里以上,似乎又与原先龙门山断裂带北段比较接近破裂临界状态有关。
 
一幅正在完成的拼图及其巨大的挑战
 
专家们对于紫坪铺水库与汶川地震关系的研究还在继续,但不断公布的成果就好象一幅正在完成的拼图,使紫坪
铺水库与汶川地震之间的关系变得越来越清晰。
 
马文涛等(2011)描绘了这样一幅图像:紫坪铺水库蓄水之后,在一定的水压和水渗透作用下,先后发生了水磨震群和深溪沟震群,地震震源深度大都在3~8km之间,在两年半的时间内多释放了200%的能量,并且在汶川地震前呈现出加速释放的现象,引发水磨—庙子坪断裂局部右旋的小错动,明显加速了局部应力场改变的步伐,进一步引起断裂两侧的都江堰等地的应力集中。在2008年2月都江堰震群发生后,相当于将顶在龙门山中央断裂带南段水磨—庙子坪断裂下的“塞子”去掉,引发了水磨—庙子坪断裂的整体逆冲错动,带动破裂沿龙门山中央断裂带逐步扩展,在区域构造应力场的作用下,汶川8级地震的破裂由西南向东北逐渐由以逆冲断层为主转变成以走向滑动断层为主。
 
紫坪铺水库与汶川地震,这一前所未有的案例,也给水库诱发地震的研究领域,提出了许多具有巨大挑战的科学命题。
 
水利工程专家王维洛曾经指出(2008),科学家面临的一个全新情况是,紫坪铺水库建造在具有强烈地震活动背景的断裂带上,在这种情况下,水库诱发的构造性地震是否还属于传统经验的水库诱发地震的范畴?
 
人们通常认为水库诱发地震是地震断裂带的应力积累已接近临界点,水库蓄水活动仅仅起到触发作用,但紫坪铺水库处于应力积累水平比较低的地区,而且并未出现巨大地震应有的前兆,因此水库蓄水活动有可能对断层破裂的发展具有主动的推进作用,水库蓄水活动是否使休眠的断层重新复活或是在岩石中产生了新的破裂,而不是在应力积累达到临界状态的断裂上触发地震?上文已提到Richardson等(2002)、杨志高等(2010)曾提出的一种新的震源物理模式,即水库诱发地震有可能是在岩石中产生新的破裂,而不是在既有断裂面上因减小摩擦力而触发地震。这对于紫坪铺水库这一典型案例的研究,具有重要的启示意义。马文涛等也指出,在已往的大多数水库诱发地震案例中,往往存在着不小的前震或越来越多的微震。而汶川8级地震的前震最大只有3.6级,即使对一次8 级天然地震来说前震震级都偏低,因此这有可能是一种断层的重新活动,所以其前震数量比较少,这可以从有关的岩石力学实验中得到验证(马瑾,1987)。
 
水库蓄水会使断层的临界状态加速到来或提前到什么程度?水库诱发的断层破裂是否具有不断加速的链式反应?
马文涛等分析研究了1977年1月至2010年6月川滇及邻近地区大于MS4.5的124次中强地震,发现汶川地震的发生,并没有改变地震前原来的构造应力场,而汶川地震破裂过程中由逆冲断层型为主转变成走向滑动型为主时,因为断层面倾角为60°,与构造应力场的最大应力的夹角56°,其摩擦系数等于0.75,所以非常不利于产生滑动。因此,马文涛等断定区域构造应力场不是汶川8级地震的初始发震力。由于水磨震群与汶川8级地震初始破裂的逆冲断层特征一致,而且龙门山中央断裂带南段的两条分支断裂—映秀断裂、水磨—庙子坪断裂形成向西北凸出的形状,因此马文涛等认为,这种凸凹体形成的局部应力场才是汶川8级地震的初始发震力。
 
马文涛等的这种看法,也对汶川地震是由大区域天然构造应力场的作用而引发的传统认识,提出了挑战。巨大地震的初始发震力是否有可能来源于人类活动影响的局部应力场,而不是传统认为的区域构造应力场? 
 
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