珊溪水库地震与构造地震时频谱特征对比研究

摘要

随着众多大型水利设施的建设和竣工，水库诱发地震已成为现今不可回避的现实和亟待研究的科学问题。国内外学者经过四十多年的研究探索，从水库地震的活动性特征、地震成因、地质构造背景、震源机制等方面做了大量的工作，发现水库地震有着不同于构造地震的特征，并取得了较大进展。然而，由于水库地震成因、库区环境的复杂性，如何科学鉴别库区发生的地震是水诱发、还是构造成因，目前仍是尚未解决的问题。因此，如何研究和探讨水库诱发地震和构造地震的差异特征，从而加强水库地震的趋势预测判断等工作，具有极其现实的意义。 数字地震学的飞速发展和GPS等现代大地测量新观测技术的广泛应用给水库地震的研究提供了前所未有的新信息，开拓了新的研究领域。随着我国数字化地震观测网络的建设和投入使用，模拟记录逐渐被携带大容量信息的数字记录所替代，使我们能利用丰富的数字化记录进行前人未能充分开展的地震波频谱的研究。探寻将水库地震的波谱时频特征作为区别水库诱发地震和构造地震的一种方法，为更有效地识别水库诱发地震提供科学依据；而现代大地测量可提供蓄水导致环境变化的定量信息，从而实现了微观和宏观的结合，可望为库区地震趋势判定和深入研究水库诱发地震打下更扎实更广阔的基础。 本文首先对国内外M≥4.5级水库地震震例的三种地震响应时间做了统计分析，并结合长江三峡水库GPS、重力测量所揭示的水库区沉降、地下流体渗透扩展、断层面弱化等，初步说明水库蓄水的确在一定范围内和一定程度上改变了自然环境和地震孕育条件。然后，在研讨时频分析理论及其在数字地震学中的应用基础上，针对水库地震特点，选取了以魏格纳分布(WVD)、平滑伪魏格纳分布(SPWVD)、谱图(SP)为基础的，处理非平稳信号的时间-频率域分析的理论和方法。进而，通过对大量的地震波数据的处理与分析，详细研究了温州珊溪水库诱发地震与浙江地区构造地震波谱的时频特征，并揭示出两者之间的区别。最后，综合上述各项结果探讨了水库诱发地震的物理机制；对水库诱发地震与构造地震波谱时频特征的差异原因做了初步的物理解释；提出了可以实际应用于识别水库诱发地震，进一步深入研究的初步设想。 本文所用资料取自浙江省区域数字地震台网的波形记录，利用当今较前沿的处理非平稳信号的时—频分析理论，对珊溪水库地震、构造地震的数字地震波进行分析处理后，分别得到两者地震波能量随时间-频率域的二维分布及其频谱特征等，并从中发现了两者的差异，得出如下结论： 1.时频分析方法应用于数字地震信号的分析取得了较好的效果，研究表明水库诱发地震和构造地震波在时频谱特征上确实存在差异。 2.水库诱发地震和构造地震的地震波时频谱特征差异可总结如下： ①水库诱发地震低频成分多，高频成分少，(P)、(S)波位移谱优势频率明显低于构造地震。这与前人研究水库地震拐角频率时得到的结果是一致的。 ②水库地震(P)波能量谱密度随频率展布较构造地震宽；频率成分较构造地震分散，能量谱密度随频率变化往往出现多个峰值。 ③水库地震(P)能量峰值随时间分布较稳定，一般出现在波列初至时刻；(S)出现在波列初至时间的2秒内，而构造地震(P)、(S)能量峰值随时间分布较为分散。 ④水库地震(P)波瞬时功率峰值能量在波列中出现的时间较构造地震早，波列的能量衰减比构造地震迅速。 ⑤水库地震(P)波瞬时频率随时间变化的幅度比构造地震小；后者瞬时频率在起始时间变化较大。水库地震瞬时频率以正频率为主；构造地震有时会出现正、负频率交替的变化。 3.对全球水库地震震例的统计分析以及GPS、重力测量等结果表明，蓄水会导致流体在岩体中的渗透扩展、断层弱化滑动等环境条件的改变。由于介质强度降低、非均匀性增大，会使岩石破裂错动的慢度变大和辐射出的地震波的高频成分减少。这可能是水库诱发地震和构造地震波谱差异的原因之一。这种现象似可作为水库地震不同于构造地震的一个特征。 研究表明，利用数字地震波研究地震波谱时频特征，并以此识别水库诱发地震是有可能的。尽管目前还是初步的研究，结论也还有待进一步验证，但这种新途径对识别水库诱发地震具有重要的科学意义和实用价值，同时也为深入研究水库诱发地震机理提供了宝贵的新信息。

目录

摘要

第一章前言

第二章水库诱发地震统计特征和蓄水导致的环境变化

第三章时频分析理论及其在数字地震波研究中的应用

第四章浙江珊溪水库诱发地震与天然构造地震时频谱特征分析

第五章水库诱发地震机理的初步探讨和时频分析结果的可能物理解释

第六章结论与讨论

参考文献

硕士期间的主要的科研工作和完成的论文

致谢