奉节钻孔应变前兆异常机理分析——区域应力场应力传递的结果

龚丽文, 陈丽娟, 郭卫英, 陈 涛, 唐小勇

(1.重庆市地震局, 重庆 401147; 2. 中国科学院大学 计算地球动力学重点实验室, 北京 100049)

0 引言

钻孔应变作为最直接的地壳形变观测手段,能记录到丰富的浅层地壳应力应变信息,可以用于地震预测及相关的研究[1],并富含因局部因素变动造成的干扰信息[2]。因此,结合地壳形变模式和异常形态的经验曲线[3-4],有助于我们对数据趋势异常更深一步理解。而关于前兆异常机理的分析相对复杂,目前的常用方法主要是结合地震对应规则和对同震应力触发断层活动进行深入的研究[5-6]。但是,钻孔应变震前异常多数情况下分布在远离震源区域,这可能是由于震源区的力学性质表现为震前高应力积累,小变形的特征[7]。目前仍然很难根据远距离形变异常圈定地震危险区,对前兆异常机理认识仍需进一步研究。

奉节台钻孔应变趋势异常较明显,震例对应较好,是典型的远震前兆异常。因此,有必要结合仪器观测结果和构造背景建立相应的物理模型,来解释现有的趋势异常,为周边地区短临地震预报提供一定的指示意义。

1 台站及前兆异常简介

1.1 台站地理、地质构造情况及基础资料

奉节台位于重庆市东北部的奉节县红土乡,地处扬子地台的二级构造单元——四川台坳东南侧的川东褶皱束内,夹持在NE向展布的华蓥山断裂和七曜山—金佛山断裂之间[图1(左)],其东北侧为巫溪断裂,东南侧为奉节断裂,高角度裂隙发育。该区域褶皱构造非常发育,“帚状”、“梳状”以及狭长背斜、宽缓向斜等相间而生,组成隔挡式褶皱构造形式[8],地貌以中低山地地貌为主。

图1 奉节台构造地质图(左)及岩性剖面图(右)Fig.1 The structure geological map and lithology profile of Fengjie station

观测段地层为侏罗系中统沙溪庙组,岩性以泥岩为主,夹砂岩,不等厚互层。泥质结构,层状构造。成分主要为含砂黏土矿物,局部夹灰绿色粉质团块,夹同色薄层砂岩;砂岩为中-细粒结构,厚层状构造,成分以长石石英矿物为主,钙泥质胶结[图1(右)]。由于两种岩性的岩石力学性质差异性较大,吸水性和透水性不同,造成其在同种应力作用下的构造变形不同。该台钻孔应变仪为RZB-2型压容四分量式钻孔应变仪,布设在距井孔89.5 m深处,第一通道元件方位N75°W,异常测项为第二通道,方位角为N30°W。

1.2 地震前兆异常简介

重庆奉节钻孔应变N30°W分量自2012年4月开始出现快速压性变化,打破了之前缓慢压性的变化趋势,2013年4月20日芦山7.0级地震(Δ≈590 km)后趋势转为张性变化,变化幅度达5.6×10-5,随后的康定6.3级地震、兴都库什7.8级地震、垫江4.4级地震及九寨沟7.0级地震,均有相应的变化特征[图2(a)],其中垫江4.4级和兴都库什7.8级地震由于震级较小或距离较远,可信度较低外,其余的三次中强地震均发生在龙门山断裂带上。经数据跟踪分析和异常调查得知,仪器工作正常,标定结果符合要求,无明显环境干扰。

通过潮汐因子计算和气象因素对比分析发现:该台固体潮记录不稳定,固体潮幅度较小,甚至在部分时间段无明显记录,这可能是由于仪器的变化幅度(10-7/天)大于固体潮观测精度(10-9),从而使得潮汐记录信号减弱。但在雨季或降雨量较强的时间段,潮汐因子变化幅度较大[图2(b)],这有可能与该区域的构造地质条件和周围的岩性(砂岩夹泥岩)有关,泥岩含有大量黏土矿物,具有吸水性,岩石吸水膨胀,从而增强了钻孔仪器与围岩耦合,固体潮记录因此变得更明显。这两种因素均具有较好的年变周期规律,对长期趋势影响不大。

图2 奉节台钻孔应变N30°W分量异常变化曲线Fig.2 The abnormal curve of borehole strain N30°W component in Fengjie station

2 数据分析与对比

2.1 数据资料分析

钻孔应变仪观测数据主要是描述地表附近一点水平应变变化,先进行实地相对标定,然后用理论固体潮进行绝对标定[9]。标定后的面应变自检结果显示(图3),观测数据整体趋势基本符合自检规律,部分异常时间段由于降雨影响,岩石介质吸水膨胀,仪器与围岩的耦合发生变化。面应变资料显示长期为压性趋势,在西部地区(特别是南北地震带)发生中强地震后,其趋势变化发生明显转折。

应力-应变换算和主应变矢量方向等分析区域介质参数、应力状态和断层活动等[9-10]。本文首先通过实地标定,并利用标定结果对该台的整点值数据进行换算,得出最大主应力和最大剪应力的结果(图3),结果显示邻近地区发生中强地震后,其应力发生明显转折变化,特别是最大剪应力,在垫江地震和九寨沟地震前快速增长,震后趋势转折,即地震能量的释放改变了区域应力场的变化。

图3 仪器自检及应力解算结果Fig.3 Result of instrument self-inspection and stress calculation

2.2 视应力分析

地震视应力是利用地震波信息提取出与区域平均应力成正比的物理量,定义为地震波辐射能量与地震矩的比值乘以剪切模量[11]。本文利用2010—2017年重庆台网数字地震记录资料,对渝东北地区的视应力值进行了计算,结果显示:渝东北的视应力分布明显呈北西方向展布,奉节台钻孔应变位于视应力异常处;渝东北ML2.0～2.9地震视应力序列应变速率较大的时段与钻孔应变压性时间段较吻合,说明钻孔应变观测曲线能记录到真实的区域应力场变化。

2.3 区域应力场分析

前人结合重庆辖区第四纪活动构造展布的空间位置、力学性质、运动方向及区域地震的震源机制反演获得应力场,认为该区域的新构造运动是在NNE向倾斜的古地势环境下发展演化而来的,现阶段地壳处于活化、持续掀斜抬升运动中[12]。而第四纪断层力学性质上表现为NE向断层以逆滑(左行)运动为主,近SN或NNE向断层表现为强烈压性逆冲断层,反演出的正应力轴向整体为NWW方向[13]。中国大陆中强地震的震源机制解反映该区域为的P轴方位集中在280°～290°和340°～350°[14],与断层运动所表现出的正应力轴向基本吻合。结合重庆辖区2008—2012年GPS资料显示(图5),该区域的应变以压应变为主,方向近似NW向,主压应力方向与大范围构造应力场基本一致,但受断裂及其他构造地貌的影响,各处应力的方位角有一定的偏转特征[15]。此外,受背部渭河盆地SE向的挤压[16],奉节地区受到的挤压应力以NNW方向为主,而川滇块体边界主断裂的滑动速率和速度场也在2013—2015年均有不同程度的增强[17]。

3 有限元建模分析

为了更直观的分析地壳介质的应力变形特征,目前最常用的定量分析方法为数值模拟,如,利用数值模拟方法建立地壳上地幔的三维动力学模型来模拟岩层变形过程[18];利用有限元数值模拟方法反演钻孔剪应变观测与构造有关的介质各向异性[19];利用构造应力场观测结果,以岩石圈流变特性为约束,采用摩擦接触单元来模拟川滇地块东边界中南端构造应力分布特征与强震活动的关系[20]。

3.1 台址环境有限元建模分析

形变仪器的观测结果(长期趋势)受台址环境的影响较大,特别是不同的构造要素的形态特征,可能改变原应力场的大小或方向,甚至张压性质[21]。奉节台位于川东褶皱束中,区域内发育大量褶皱,褶皱的走向呈向西“喇叭口”展开,该台仪器观测层位在杨柳湾向斜核部,被两侧的铁峰山背斜和硐村背斜夹持,岩性主要为侏罗统和三叠统的泥岩、页岩和砂岩互层,岩性较软,容易发生塑性变形而形成褶皱[图6(a)],从而影响应力的传递及应力场的分布,因此有必要结合区域地质图、高程图及剖面图建立并分析等效有限元模型。

图4 渝东北视应力分布及曲线对比图Fig.4 Apparent stress distribution and curve comparison in northeast Chongqing

图5 重庆辖区应力环境及奉节GNSS基线时序图Fig.5 Stress environment in Chongqing area and GNSS baseline sequence diagram of Fengjie station

图6 台址构造环境有限元建模分析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软件,结合实际地质资料,参考岩石力学参数表[22],设定模型的材料属性(表1);选用Workblench中的自动网格划分工具,网格尺寸为1.5个单位,划分有限元网格;采用直接绑定接触固定岩层单元,避免岩层之间出现滑脱。本文主要分析台址环境受力变化特征,因此载荷主要选择力载荷工具的压力载荷,方向为S30°E向,大小为10 MPa。为防止模型移动,模型的一端采用固定约束工具,限制该侧发生移动和转动[图6(b)]。

表1 模型介质岩石力学参数汇总表

等效应力分布结果显示[图6(c)]:在S30°E向应力的挤压下,区域等效应力的分布特征受岩性介质和构造要素影响较大,岩性硬度越大,越不容易发生塑性变形,应力未释放而容易集中;当岩层具有明显弯曲褶皱作用时,等效应力在向斜轴部岩层弯曲角度较大的地方较集中,应力会沿着硬度较大的介质传递。总体变形结果显示[图6(d)]:离施力部位越近,其变形越大;浅部的变形要略大于深部,有向褶皱轴部收敛的趋势,表明该台仪器对周围应变变化较敏感,这也使得观测曲线长期处于压性趋势,并在对应地震前出现快速压性异常得到合理解释。

3.2 区域应力场有限元建模分析

奉节台位于四川盆地东缘,区域内中强地震分布较少,但该台的钻孔应变趋势变化与四川盆地西缘(南北地震带)的中强地震对应较好。因此,通过台站向西作一个剖面图[图7(a)],并结合三维高程图及大区域的板块构造特征建立有限元几何模型[图7(b)],有限元单元尺寸为1 km,材料属性结合模型各块体中弹性模量、泊松比的选取都是根据前人利用地震波接收函数、P波、S波进行反演计算确定的[18],并将扬子地台四川台坳部分的材料参数做强化处理,使其硬度明显高于周围块体,施加应力载荷为100 MPa,基于此来分析该异常的前兆机理。分析结果显示:施加应力载荷后,由于四川盆地几何形态的影响,等效应力逐渐收敛于台站附近的“喇叭口”,即西缘的挤压应力通过坚硬的地台传递到东缘,受东缘边界的影响。应力集中分布在东缘凸起部分;在等效应力的持续作用下,等效应变主要分布在四川台坳以东的华南褶皱系和秦岭褶皱系中,该区岩性介质较软,受力容易变形,这与该区域的褶皱及断层等构造地貌的展布方向一致。

图7 区域应力场有限元建模分析Fig.7 Finite element modeling and analysis of regional stress field

4 前兆异常机理分析

定点形变前兆观测是对邻近区域应力应变场的实时记录,是对地表综合变形的记录,它不仅包含区域应力场变化造成的构造变形,还可能包含潮汐应力、降雨载荷、山体变形及人为干扰等其他变形信息。本文经过相对标定及应力解算,并结合区域GPS资料和视应力资料可知,其长期趋势变化主要是区域应力场变化造成的构造变形,异常记录较可靠。通过有限元数值模拟分析可知,应力具有传递性,它可以通过坚硬的地块传递到台站附近,并在特殊构造块体形态的影响下,在台址附近集中,从而放大了区域的构造变形。

观测区域位于扬子地台东缘,川东褶皱束、川东南褶皱束和大巴山褶皱束三个二级构造块体的交界部位附近,当龙门山断裂受到青藏高原向东的挤压时,扬子地台基底较硬,具有很好的应力传递作用,而奉节台位于地台边缘,岩性以泥页岩为主,硬度较小,更容易受力变形,对周围应力的变化较敏感,等效应力和等效应变均较大,能较好地反映块体周缘的应力信息。因此,该台对应的中远震形变前兆异常,是远处应力通过坚硬扬子台地基底传递,并在特殊构造部位放大造成的。

5 讨论

(1) 奉节钻孔应变趋势异常具有一定的可靠性,其震例对应较好,与区域应力场和视应力吻合度较高,能真实反映区域应力场的变化,对区域地震形势具有一定的指示意义。

(2) 通过有限元建模分析解释了趋势异常与发震的位置关系,即应力可以通过较硬的块体传递,并在局部因特殊构造边界形态表现出局部放大效应,形变数据异常是对整个应力场波动变化的记录。而发震位置主要取决应力集中区域的地壳介质,通常发生在容易破裂的构造边界,与异常的分布不一定有直接关系。

(3) 随着前兆台网的加密,不同台站的台址环境不同,需要一个统一的地壳介质模型将不同台站的仪器耦合于同一个系统中,才能更真实反映区域应力场的变化特征。