CN113009574B - 一种评估活动断层地震危险性的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于地震监测技术领域，提供了一种评估活动断层地震危险性的方法，浅部的应力积累开始点包括高应力和低应力两种状态，深部应力对浅部应力有两种不同的影响强度，获得浅部应力在不同影响强度下应力状态产生的不同变化，再根据该不同变化推测活动断层对应的地震危险性。本发明主要通过考虑深部应力对浅部应力影响强度的基础上，建立浅部应力对深部应力的响应模式，从而分析应力调整对地震危险性的影响，可以有效降低低应力地区地震危险性被低估的风险。

Description

一种评估活动断层地震危险性的方法
技术领域
本发明涉及地震监测技术领域，尤其涉及一种评估活动断层地震危险性的方法。
背景技术
影响地震发生和区域地壳稳定性的主要因素之一是地应力状态。现阶段多利用地应力特征参数来分析特定区域内地应力分布规律，并结合拜尔利准则和最大剪应力与平均主应力之比(μm)来判断活动断裂的危险性。
随着测量资料的积累，更多的证据表明浅部地应力的方向与震源机制、板块运动以及地壳的应变方向具有很好的一致性。从KTB主导孔和先导孔得出的应力数据表明：从地表到9km深度处，应力大小随深度线性增加，控制摩擦滑动的拜尔利定律在9.1km以上是有效的。通过不同的应力测量方法、应力指示、地质观察，确保测量结果的可靠；并借助不同的方法验证浅部地应力与深部地应力是耦合的，利用浅部应力数据结合拜尔利准则就可以分析断层的稳定性，对开展从应力角度研究断层的稳定性具有积极的推动作用。但只能评估深部应力对浅部应力影响显著地区的地震危险性，而没有考虑深部应力对浅部应力影响强度的影响，这会低估低应力地区的地震危险性。
目前，地震监测台站通常布置在地应力大小反映灵敏(即地应力高值区)的地区，这些地区深部闭锁对浅部应力影响显著，强震发生前可以观测到高地应力或者um值异常而超出影响显著的区域很难测量到应力异常。尽管直接测量深部的应力状态可以解决上述问题，却极其困难。不过，已有研究提出地震活动性参数b值与震源深度的差应力呈负相关，并且这已经在实验室和震源深度分布对比分析中进行过验证，b值可以充当地壳中的应力计。那么根据地应力测量和b值分布特征讨论浅部应力对深部应力的响应是可行的。
发明内容
因此，为了降低评估低应力地区地震危险性时被低估的风险，本发明提供了一种评估活动断层地震危险性的方法，主要通过考虑深部应力对浅部应力产生的不同影响，分析叠加不同影响后的应力状态对应的地震危险性。
具体的，主要通过以下技术方案来实现：
一种评估活动断层地震危险性的方法，包括以下步骤：
浅部的应力积累开始点包括高应力和低应力两种状态，深部应力对浅部应力有两种不同的影响强度，获得浅部应力在不同影响强度下应力状态产生的不同变化；
根据该不同变化推测活动断层对应的地震危险性。
优选地，所述不同影响强度包括强耦合和弱耦合。
优选地，地震发生前应力积累的过程包括：应力积累开始点、应力积累中间阶段以及地震发生的临界点。
优选地，根据该不同变化推测活动断层对应的地震危险性，具体包括：测定应力积累中间阶段的任一时刻的应力状态，结合所述应力积累开始点的浅部应力状态，推测活动断层对应的地震危险性。
优选地，若应力积累开始点的浅部应力状态为高应力状态，且测定得到应力积累中间阶段的任一时刻的应力状态为高地应力状态，判断应力积累开始点的浅部应力状态是否存在应力变化，若是，则确定活动断层具有高地震危险性。
优选地，若应力积累开始点的浅部应力状态为低应力状态，且测定得到应力积累中间阶段的任一时刻的应力状态为高地应力状态，则确定活动断层具有高地震危险性。
优选地，若应力积累开始点的浅部应力状态不确定，且测定得到应力积累中间阶段的任一时刻的应力状态为低地应力状态，则需要借助更多方法进一步评估地震危险性，不应判定活动断层具有低地震危险性。
本发明相较于现有技术具有以下有益效果：
1、考虑了地震孕育时区域应力调整对地震危险性的影响。例如，在深部高应力区域如果浅部为高应力，那么活动断层具有较高的地震危险性；
2、如果深部和浅部是弱耦合，浅部为低应力，而深部应力状态未知，可能会判定活动断层是安全的，此时其地震危险性较低，但浅部低应力可能反映了强震前较强的应力调整，不应忽视其地震危险性；因此对弱耦合地区地震危险性的判别更全面；
3、可有效降低低应力地区地震危险性被低估的风险。
附图说明
1、图1(A)示出了本发明中活动断层深部应力闭锁区对浅部应力的不同影响，图1(B)示出了本发明中活动断层闭锁区浅部应力对深部不同应力状态的响应关系；
2、图2(A)示出了本发明中地震发生的临界点会左右变动时的活动断层闭锁区应力积累过程，图2(B)示出了本发明中活动断层闭锁区应力积累过程；
3、图3示出了本发明中低b值区浅部应力对深部应力的响应模式；
4、图4示出了本发明中高b值区浅部应力对深部应力的响应模式。
具体实施方式
为了使本领域技术人员更清楚的理解本发明的核心思想，下面将结合附图对其进行详细的说明。
本发明实施例提供了一种评估活动断层地震危险性的方法，包括以下步骤：
步骤1，首先获得浅部应力特征和深部应力特征。
步骤2，叠加深部应力对浅部应力的不同影响强度，分析叠加影响后应力积累开始时的浅部应力状态的不同变化。
浅部应力状态存在高和低两种状态，即，浅部高应力状态和浅部低应力状态。深部应力对浅部应力的影响如图1所示。浅部的低应力，在深部高、低应力区均由强拉张或者弱耦合作用形成；浅部的高应力，在深部低应力区受深部应力影响较小，而在深部高应力区则为强挤压或弱耦合形成。即使在同一钻孔中，深部应力对浅部的影响强度也存在不同，这预示着需要钻进到高应力部位才能在钻孔中监测深部的应力变化。其中，强耦合为深部应力对浅部应力影响强度明显改变浅部应力的量值，包括强挤压和强拉张作用，弱耦合为深部应力对浅部应力量值影响较小。
如图1所示，在深度脆性地壳中存在凹凸体，凹凸体存在的部位称之为闭锁区，在这些区域存在着应力集中。应力集中的影响随距中心距离的增加而减弱。设实测应力为Sh＝Sb+Sy，其中Sb为断层开始闭锁时的应力状态，或者说是不受断层深部闭锁应力影响或影响很小的部分；Sy为深部闭锁应力对浅部应力产生影响的部分，Sy越大，深部应力对浅部应力影响越大。因此，近地表的Sy值小于深部的值，应力将随深度的增加而增大，这种变化反映了脆性层的岩石圈流变学特性。
步骤3，根据上述不同变化推测活动断层对应的地震危险性。
活动断层浅部的应力积累从开始闭锁至地震发生是一个长期过程，将地震发生前应力积累的过程分为3个阶段，如图2(B)所示，包括应力积累开始点L1、应力积累中间阶段(L1-L4)以及地震发生的临界点L4。如果考虑孔隙压力、断层泥或者完整岩石破裂的影响，那么临界值会在L4左右变动，如图2(A)所示的L4a和L4b。
注水诱发地震和构造地质学观测的研究印证了断层摩擦强度与Byeerle定律相一致。地应力重复测量，即根据测量两个不同时间段的地应力量值(例如L2和L3)，给出应力差评估地震危险性。根据活动断层上盘的高地应力评估地震危险性的方法，则认为活动断层上盘在L1时刻通常处于低应力状态，那么在L2-L4任一阶段测量到高地应力即具有高地震危险性。
若能测量获得应力积累开始或地震发生时的应力状态，则只需测定应力积累中间阶段的任一时刻的应力状态即可进行地震危险性评估，但由于受地质时间尺度和地应力测量资料的限制，确定应力积累开始和地震发生时的应力状态极为困难。
但，Byeerle定律给出了断层稳定性分析中岩石发生破坏时的临界点(um＝0.6)，以此为地震发生时应力临界点，根据任一时刻的地应力测量结果(L1-L4任一时刻)即可评估地震发生的危险性。
具体的，断层稳定性分析的具体实施方式可为：岩石中预存一个软弱面，其法线与最大主应力方向成β角，发生破裂和摩擦滑动的两个临界角为β1和β2的计算公式为：
Figure GDA0003280448870000061
Figure GDA0003280448870000062
其中μw是材料的内摩擦系数；σm为平均主应力，
Figure GDA0003280448870000063
τm为最大剪应力，
Figure GDA0003280448870000064
那么摩擦滑动的范围为：
Figure GDA0003280448870000065
上式给出了μw和μm的对应关系，当两角之差为零时，可以得到：
Figure GDA0003280448870000066
不同的应力圆均有外切线和通过最大剪应力面的摩擦滑动线，假设斜率分别为μw和μm。根据Byerlee定律，在低压和高压下断层摩擦系数的上下限分别为0.85和0.60，取μ＝0.6时发生摩擦滑动，此时μw＝0.6时，μm＝0.51。
在岩土工程中常用侧压力系数来了解测点的地应力状态。为描述地应力随深度变化特征，本发明把平均水平主应力与垂直应力之比(Sv)，最大水平主应力(SH)与垂直主应力之比，Sv与最小水平主应力之比(Sh)，SH与Sh之比，分别用字母Ka，KH，K1和Kh表示，并把上述统称为侧压力系数(K)，表达式如下：
Figure GDA0003280448870000071
安德森断层理论把断层分为正断层、逆断层和走滑断层。则对于3种不同形式的断层，相对应的μm值如下：
正断层：
Figure GDA0003280448870000072
走滑断层：
Figure GDA0003280448870000073
逆断层：
Figure GDA0003280448870000074
本发明用K1，Kh和KH的值来分别描述正断层、走滑断层和逆断层的稳定性。根据式(1)，(2)和(3)可知，在3种类型的断层中，除走滑断层外，正断层和逆断层的μm值大小都与垂直应力相关。正断层区域，在相同深度上，最小水平主应力越小，μm值越大，越接近Byerlee准则摩擦滑动的下限；在逆断层区域，在相同深度上，最大水平主应力越大，μm值越大，越接近Byerlee准则摩擦滑动的下限；而在走滑断层区域，则是在相同深度上，最大水平主应力与最小水平主应力的比值越大，μm越大，越接近Byerlee准则摩擦滑动的下限。
在一个优选地实施例中，设定应力积累开始时的应力状态，分析在深部应力对浅部应力的不同影响强度下，浅部应力状态产生的变化，从而推测对应的地震危险性。通过测定应力积累中间阶段的任一时刻的应力状态，结合所述应力积累开始点的浅部应力状态，推测活动断层对应的地震危险性。
在一个优选地实施例中，若应力积累开始点的浅部应力状态为高应力状态，且测定得到应力积累中间阶段的任一时刻的应力状态为高地应力状态，判断应力积累开始点的浅部应力状态是否存在应力变化，若是，则确定活动断层具有高地震危险性。
在一个优选地实施例中，若应力积累开始点的浅部应力状态为低应力状态，且测定得到应力积累中间阶段的任一时刻的应力状态为高地应力状态，则确定活动断层具有高地震危险性。
在一个优选地实施例中，若应力积累开始点的浅部应力状态不确定，且测定得到应力积累中间阶段的任一时刻的应力状态为低地应力状态，则需要借助更多方法进一步评估地震危险性，不应判定活动断层具有低地震危险性。
在深部高应力闭锁区，浅部高应力的形成包括三种可能性：
(1)低应力在强耦合(挤压)作用下，变为高应力；
(2)高应力在强耦合(挤压)作用下，应力值继续增加；
(3)高应力在弱耦合作用下依然为高应力。
在深部高应力闭锁区，浅部低应力的形成包括两种可能性：
(1)低应力受深部高应力影响较弱，应力状态不发生改变，无法判定断层的稳定性；
(2)高应力或者低应力在强耦合(拉张)作用下应力变小，此时周边的断层是危险的，表明区域应力场存在较强的应力调整。
如图3所示，若应力积累开始点的浅部应力状态为高应力状态，且测定得到应力积累中间阶段的任一时刻的应力状态为高地应力状态，判断应力积累开始点的浅部应力状态是否存在应力变化，若应力积累开始点的浅部应力状态发生较小的应力变化，则根据响应模式即可评估活动断层具有高地震危险性。若应力积累中间阶段的任一时刻的应力状态为低地应力状态，但不确定应力积累开始点的浅部应力状态，地震危险性不确定。
如图4所示，在高b值区，如果Sb未知，浅部的高应力表明深、浅部是弱耦合，在弱耦合作用下，深部应力的影响不会改变浅部的应力状态，此时高应力地区的断层是危险的，而低应力地区则是安全的；在强挤压作用下，深部应力的影响会使浅部应力由高、低应力状态变为高应力状态，而在强拉张作用下高、低应力状态转变为低应力，此时这些地区的断层是危险的。
以上对本发明实施例进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (3)

1.一种评估活动断层地震危险性的方法，其特征在于，包括：
浅部的应力积累开始点包括高应力和低应力两种状态，深部应力对浅部应力有两种不同的影响强度，获得浅部应力在不同影响强度下应力状态产生的不同变化；
根据该不同变化推测活动断层对应的地震危险性；
所述不同影响强度包括强耦合和弱耦合；
地震发生前应力积累的过程包括：应力积累开始点、应力积累中间阶段以及地震发生的临界点；
根据该不同变化推测活动断层对应的地震危险性，具体包括：测定应力积累中间阶段的任一时刻的应力状态，结合所述应力积累开始点的浅部应力状态，推测活动断层对应的地震危险性；
设定应力积累开始时的应力状态，分析在深部应力对浅部应力的不同影响强度下，浅部应力状态产生的变化；
若应力积累开始点的浅部应力状态为高应力状态，且测定得到应力积累中间阶段的任一时刻的应力状态为高地应力状态，由于在深部高应力闭锁区，浅部高应力的形成包括三种可能性：a、低应力在强耦合作用下，变为高应力；b、高应力在强耦合作用下，应力值继续增加；c、高应力在弱耦合作用下依然为高应力；再判断应力积累开始点的浅部应力状态是否存在应力变化，若是，则确定活动断层具有高地震危险性。
2.如权利要求1所述的一种评估活动断层地震危险性的方法，其特征在于，若应力积累开始点的浅部应力状态为低应力状态，且测定得到应力积累中间阶段的任一时刻的应力状态为高地应力状态，则确定活动断层具有高地震危险性。
3.如权利要求1所述的一种评估活动断层地震危险性的方法，其特征在于，若应力积累开始点的浅部应力状态不确定，且测定得到应力积累中间阶段的任一时刻的应力状态为低地应力状态，由于在深部高应力闭锁区，浅部低应力的形成包括两种可能性：a、低应力受深部高应力影响较弱，应力状态不发生改变，无法判定断层的稳定性；b、高应力或者低应力在强耦合作用下应力变小，此时周边的断层是危险的，表明区域应力场存在较强的应力调整；则需要借助更多方法进一步评估地震危险性，不应判定活动断层具有低地震危险性。
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