奉節鉆孔應變前兆異常機理分析
——區域應力場應力傳遞的結果

龔麗文, 陳麗娟, 郭衛英, 陳 濤, 唐小勇

(1.重慶市地震局, 重慶 401147; 2. 中國科學院大學 計算地球動力學重點實驗室, 北京 100049)

0 引言

鉆孔應變作為最直接的地殼形變觀測手段,能記錄到豐富的淺層地殼應力應變信息,可以用于地震預測及相關的研究[1],并富含因局部因素變動造成的干擾信息[2]。因此,結合地殼形變模式和異常形態的經驗曲線[3-4],有助于我們對數據趨勢異常更深一步理解。而關于前兆異常機理的分析相對復雜,目前的常用方法主要是結合地震對應規則和對同震應力觸發斷層活動進行深入的研究[5-6]。但是,鉆孔應變震前異常多數情況下分布在遠離震源區域,這可能是由于震源區的力學性質表現為震前高應力積累,小變形的特征[7]。目前仍然很難根據遠距離形變異常圈定地震危險區,對前兆異常機理認識仍需進一步研究。

奉節臺鉆孔應變趨勢異常較明顯,震例對應較好,是典型的遠震前兆異常。因此,有必要結合儀器觀測結果和構造背景建立相應的物理模型,來解釋現有的趨勢異常,為周邊地區短臨地震預報提供一定的指示意義。

1 臺站及前兆異常簡介

1.1 臺站地理、地質構造情況及基礎資料

奉節臺位于重慶市東北部的奉節縣紅土鄉,地處揚子地臺的二級構造單元——四川臺坳東南側的川東褶皺束內,夾持在NE向展布的華鎣山斷裂和七曜山—金佛山斷裂之間[圖1(左)],其東北側為巫溪斷裂,東南側為奉節斷裂,高角度裂隙發育。該區域褶皺構造非常發育,“帚狀”、“梳狀”以及狹長背斜、寬緩向斜等相間而生,組成隔擋式褶皺構造形式[8],地貌以中低山地地貌為主。

圖1 奉節臺構造地質圖(左)及巖性剖面圖(右)Fig.1 The structure geological map and lithology profile of Fengjie station

觀測段地層為侏羅系中統沙溪廟組,巖性以泥巖為主,夾砂巖,不等厚互層。泥質結構,層狀構造。成分主要為含砂黏土礦物,局部夾灰綠色粉質團塊,夾同色薄層砂巖;砂巖為中-細粒結構,厚層狀構造,成分以長石石英礦物為主,鈣泥質膠結[圖1(右)]。由于兩種巖性的巖石力學性質差異性較大,吸水性和透水性不同,造成其在同種應力作用下的構造變形不同。該臺鉆孔應變儀為RZB-2型壓容四分量式鉆孔應變儀,布設在距井孔89.5 m深處,第一通道元件方位N75°W,異常測項為第二通道,方位角為N30°W。

1.2 地震前兆異常簡介

重慶奉節鉆孔應變N30°W分量自2012年4月開始出現快速壓性變化,打破了之前緩慢壓性的變化趨勢,2013年4月20日蘆山7.0級地震(Δ≈590 km)后趨勢轉為張性變化,變化幅度達5.6×10-5,隨后的康定6.3級地震、興都庫什7.8級地震、墊江4.4級地震及九寨溝7.0級地震,均有相應的變化特征[圖2(a)],其中墊江4.4級和興都庫什7.8級地震由于震級較小或距離較遠,可信度較低外,其余的三次中強地震均發生在龍門山斷裂帶上。經數據跟蹤分析和異常調查得知,儀器工作正常,標定結果符合要求,無明顯環境干擾。

通過潮汐因子計算和氣象因素對比分析發現:該臺固體潮記錄不穩定,固體潮幅度較小,甚至在部分時間段無明顯記錄,這可能是由于儀器的變化幅度(10-7/天)大于固體潮觀測精度(10-9),從而使得潮汐記錄信號減弱。但在雨季或降雨量較強的時間段,潮汐因子變化幅度較大[圖2(b)],這有可能與該區域的構造地質條件和周圍的巖性(砂巖夾泥巖)有關,泥巖含有大量黏土礦物,具有吸水性,巖石吸水膨脹,從而增強了鉆孔儀器與圍巖耦合,固體潮記錄因此變得更明顯。這兩種因素均具有較好的年變周期規律,對長期趨勢影響不大。

圖2 奉節臺鉆孔應變N30°W分量異常變化曲線Fig.2 The abnormal curve of borehole strain N30°W component in Fengjie station

2 數據分析與對比

2.1 數據資料分析

鉆孔應變儀觀測數據主要是描述地表附近一點水平應變變化,先進行實地相對標定,然后用理論固體潮進行絕對標定[9]。標定后的面應變自檢結果顯示(圖3),觀測數據整體趨勢基本符合自檢規律,部分異常時間段由于降雨影響,巖石介質吸水膨脹,儀器與圍巖的耦合發生變化。面應變資料顯示長期為壓性趨勢,在西部地區(特別是南北地震帶)發生中強地震后,其趨勢變化發生明顯轉折。

應力-應變換算和主應變矢量方向等分析區域介質參數、應力狀態和斷層活動等[9-10]。本文首先通過實地標定,并利用標定結果對該臺的整點值數據進行換算,得出最大主應力和最大剪應力的結果(圖3),結果顯示鄰近地區發生中強地震后,其應力發生明顯轉折變化,特別是最大剪應力,在墊江地震和九寨溝地震前快速增長,震后趨勢轉折,即地震能量的釋放改變了區域應力場的變化。

圖3 儀器自檢及應力解算結果Fig.3 Result of instrument self-inspection and stress calculation

2.2 視應力分析

地震視應力是利用地震波信息提取出與區域平均應力成正比的物理量,定義為地震波輻射能量與地震矩的比值乘以剪切模量[11]。本文利用2010—2017年重慶臺網數字地震記錄資料,對渝東北地區的視應力值進行了計算,結果顯示:渝東北的視應力分布明顯呈北西方向展布,奉節臺鉆孔應變位于視應力異常處;渝東北ML2.0～2.9地震視應力序列應變速率較大的時段與鉆孔應變壓性時間段較吻合,說明鉆孔應變觀測曲線能記錄到真實的區域應力場變化。

2.3 區域應力場分析

前人結合重慶轄區第四紀活動構造展布的空間位置、力學性質、運動方向及區域地震的震源機制反演獲得應力場,認為該區域的新構造運動是在NNE向傾斜的古地勢環境下發展演化而來的,現階段地殼處于活化、持續掀斜抬升運動中[12]。而第四紀斷層力學性質上表現為NE向斷層以逆滑(左行)運動為主,近SN或NNE向斷層表現為強烈壓性逆沖斷層,反演出的正應力軸向整體為NWW方向[13]。中國大陸中強地震的震源機制解反映該區域為的P軸方位集中在280°～290°和340°～350°[14],與斷層運動所表現出的正應力軸向基本吻合。結合重慶轄區2008—2012年GPS資料顯示(圖5),該區域的應變以壓應變為主,方向近似NW向,主壓應力方向與大范圍構造應力場基本一致,但受斷裂及其他構造地貌的影響,各處應力的方位角有一定的偏轉特征[15]。此外,受背部渭河盆地SE向的擠壓[16],奉節地區受到的擠壓應力以NNW方向為主,而川滇塊體邊界主斷裂的滑動速率和速度場也在2013—2015年均有不同程度的增強[17]。

3 有限元建模分析

為了更直觀的分析地殼介質的應力變形特征,目前最常用的定量分析方法為數值模擬,如,利用數值模擬方法建立地殼上地幔的三維動力學模型來模擬巖層變形過程[18];利用有限元數值模擬方法反演鉆孔剪應變觀測與構造有關的介質各向異性[19];利用構造應力場觀測結果,以巖石圈流變特性為約束,采用摩擦接觸單元來模擬川滇地塊東邊界中南端構造應力分布特征與強震活動的關系[20]。

3.1 臺址環境有限元建模分析

形變儀器的觀測結果(長期趨勢)受臺址環境的影響較大,特別是不同的構造要素的形態特征,可能改變原應力場的大小或方向,甚至張壓性質[21]。奉節臺位于川東褶皺束中,區域內發育大量褶皺,褶皺的走向呈向西“喇叭口”展開,該臺儀器觀測層位在楊柳灣向斜核部,被兩側的鐵峰山背斜和硐村背斜夾持,巖性主要為侏羅統和三疊統的泥巖、頁巖和砂巖互層,巖性較軟,容易發生塑性變形而形成褶皺[圖6(a)],從而影響應力的傳遞及應力場的分布,因此有必要結合區域地質圖、高程圖及剖面圖建立并分析等效有限元模型。

圖4 渝東北視應力分布及曲線對比圖Fig.4 Apparent stress distribution and curve comparison in northeast Chongqing

圖5 重慶轄區應力環境及奉節GNSS基線時序圖Fig.5 Stress environment in Chongqing area and GNSS baseline sequence diagram of Fengjie station

圖6 臺址構造環境有限元建模分析Fig.6 Finite element modeling and analysis of the tectonic environment of station site

本文采用有限元建模分析軟件,結合實際地質資料,參考巖石力學參數表[22],設定模型的材料屬性(表1);選用Workblench中的自動網格劃分工具,網格尺寸為1.5個單位,劃分有限元網格;采用直接綁定接觸固定巖層單元,避免巖層之間出現滑脫。本文主要分析臺址環境受力變化特征,因此載荷主要選擇力載荷工具的壓力載荷,方向為S30°E向,大小為10 MPa。為防止模型移動,模型的一端采用固定約束工具,限制該側發生移動和轉動[圖6(b)]。

表1 模型介質巖石力學參數匯總表

等效應力分布結果顯示[圖6(c)]:在S30°E向應力的擠壓下,區域等效應力的分布特征受巖性介質和構造要素影響較大,巖性硬度越大,越不容易發生塑性變形,應力未釋放而容易集中;當巖層具有明顯彎曲褶皺作用時,等效應力在向斜軸部巖層彎曲角度較大的地方較集中,應力會沿著硬度較大的介質傳遞。總體變形結果顯示[圖6(d)]:離施力部位越近,其變形越大;淺部的變形要略大于深部,有向褶皺軸部收斂的趨勢,表明該臺儀器對周圍應變變化較敏感,這也使得觀測曲線長期處于壓性趨勢,并在對應地震前出現快速壓性異常得到合理解釋。

3.2 區域應力場有限元建模分析

奉節臺位于四川盆地東緣,區域內中強地震分布較少,但該臺的鉆孔應變趨勢變化與四川盆地西緣(南北地震帶)的中強地震對應較好。因此,通過臺站向西作一個剖面圖[圖7(a)],并結合三維高程圖及大區域的板塊構造特征建立有限元幾何模型[圖7(b)],有限元單元尺寸為1 km,材料屬性結合模型各塊體中彈性模量、泊松比的選取都是根據前人利用地震波接收函數、P波、S波進行反演計算確定的[18],并將揚子地臺四川臺坳部分的材料參數做強化處理,使其硬度明顯高于周圍塊體,施加應力載荷為100 MPa,基于此來分析該異常的前兆機理。分析結果顯示:施加應力載荷后,由于四川盆地幾何形態的影響,等效應力逐漸收斂于臺站附近的“喇叭口”,即西緣的擠壓應力通過堅硬的地臺傳遞到東緣,受東緣邊界的影響。應力集中分布在東緣凸起部分;在等效應力的持續作用下,等效應變主要分布在四川臺坳以東的華南褶皺系和秦嶺褶皺系中,該區巖性介質較軟,受力容易變形,這與該區域的褶皺及斷層等構造地貌的展布方向一致。

圖7 區域應力場有限元建模分析Fig.7 Finite element modeling and analysis of regional stress field

4 前兆異常機理分析

定點形變前兆觀測是對鄰近區域應力應變場的實時記錄,是對地表綜合變形的記錄,它不僅包含區域應力場變化造成的構造變形,還可能包含潮汐應力、降雨載荷、山體變形及人為干擾等其他變形信息。本文經過相對標定及應力解算,并結合區域GPS資料和視應力資料可知,其長期趨勢變化主要是區域應力場變化造成的構造變形,異常記錄較可靠。通過有限元數值模擬分析可知,應力具有傳遞性,它可以通過堅硬的地塊傳遞到臺站附近,并在特殊構造塊體形態的影響下,在臺址附近集中,從而放大了區域的構造變形。

觀測區域位于揚子地臺東緣,川東褶皺束、川東南褶皺束和大巴山褶皺束三個二級構造塊體的交界部位附近,當龍門山斷裂受到青藏高原向東的擠壓時,揚子地臺基底較硬,具有很好的應力傳遞作用,而奉節臺位于地臺邊緣,巖性以泥頁巖為主,硬度較小,更容易受力變形,對周圍應力的變化較敏感,等效應力和等效應變均較大,能較好地反映塊體周緣的應力信息。因此,該臺對應的中遠震形變前兆異常,是遠處應力通過堅硬揚子臺地基底傳遞,并在特殊構造部位放大造成的。

5 討論

(1) 奉節鉆孔應變趨勢異常具有一定的可靠性,其震例對應較好,與區域應力場和視應力吻合度較高,能真實反映區域應力場的變化,對區域地震形勢具有一定的指示意義。

(2) 通過有限元建模分析解釋了趨勢異常與發震的位置關系,即應力可以通過較硬的塊體傳遞,并在局部因特殊構造邊界形態表現出局部放大效應,形變數據異常是對整個應力場波動變化的記錄。而發震位置主要取決應力集中區域的地殼介質,通常發生在容易破裂的構造邊界,與異常的分布不一定有直接關系。

(3) 隨著前兆臺網的加密,不同臺站的臺址環境不同,需要一個統一的地殼介質模型將不同臺站的儀器耦合于同一個系統中,才能更真實反映區域應力場的變化特征。