水库蓄放水对库底岩石介质弹性波速影响的数值模拟.pdf

《水库蓄放水对库底岩石介质弹性波速影响的数值模拟.pdf》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

1、第36卷第1期地震地质Vo1．36．NO．12014年3月SEISM0L0GYANDGE0L0GYMar．，2014doi：10．3969／j．issn．0253—4967．2014．01．004水库蓄放水对库底岩石介质弹性波速影响的数值模拟周斌孙峰薛世峰蒋海昆史水平1)广西壮族自治区地震局，南宁5300222)中国石油大学(华东)，青岛2665803)中国地震台网中心，北京100045摘要为了解水库水体加、卸载及渗透过程中，库底岩石介质有效应力变化对弹性波速的影响，以及弹性波速变化与孔隙压力、有效应力变化之间的定量关系，以四川省紫坪铺水库为例，在前期已建立库区地

2、质构造与水文地质结构模型，并推导出岩石介质变形与流体渗流耦合数学模型的基础上，进一步建立了有效应力对岩石弹性波速影响的数学模型，利用有限元方法定量计算了库底岩石介质的孔隙压力、附加有效应力和弹性波速的变化。结果表明：在水库水体加、卸载及渗透过程中，地下岩石介质弹性波速增量值的变化并不明显，最大变幅仅为-+0．013km／s，变化范围主要集中在库底5km以上的局部区域；弹性波速增量值与附加有效应力变化同步，与水库水位变化形态相似；不同观测点弹性波速变化量的大小与埋藏位置、深度及附加有效应力的变化幅度有关，同一观测点，弹性纵波波速变化幅度大于弹性横波波速。文中数值模拟

3、的结果与一些学者通过环境噪声方法获得的紫坪铺水库附近区域相对波速变化的反演结果在变化形态上大体一致，但变化幅度略有差异。关键词水库有效应力弹性波速数值模拟中图分类号：P315．723文献标识码：A文章编号：0253-4967(2014)01—0039—13O引言弹性波速是组成地下介质的岩石性质、岩体结构及其赋存热应力环境的综合反映。尽管影响岩石介质弹性波速的因素较多，如岩性、孔隙几何形态、孑L隙度、胶结和压实情况、原地应力、温度、孔隙流体压力和饱和度等，但有效应力是最重要的影响因素之一(葛洪魁等，2001)，在一定地质条件下，各种尺度介质的弹性波速都与有效应力存在

4、着依存关系(尹尚先等，2003)。在水库蓄、放水过程中，由于地表水体的加、卸载作用及孔隙压力的扩散作用，在一定程度上改变了水体下方岩石介质赋存的应力环境，可能会导致岩石介质弹性波速发生响应性的变化。大量观测事实(冯德益等，1993；常宝琦，1997；陈俊华等，2007；卢显等，2013)已证实了这种波速异常变化的存在，陈蒙等(2013)的研究还发现，云南省宾川县大银甸水库周围地区地下波速变化与水库水位变化之间存在着较好的一致性。那么，在水库地表水体加、卸载及渗透过程中，库底岩石介质有效应力的改变到底对弹性波速的影响程度有多大?影响范围有多广?弹性波速变化与孔隙压力

5、、有效应力变化之间到底存在何种定量关系?对于这[收稿日期]2013-10-24收稿，2014-01—13改回。[基金项目]地震科技星火计划(XH12035)和桂科攻(1377002，12426001，09930013)项目共同资助。地震地质些问题，目前国内外尚少见相关的报道。本文以四川省紫坪铺水库为例，在前期建立该水库及邻近地区地质构造与水文地质结构模型，并推导出岩石介质变形与流体渗流耦合数学模型的基础上(周斌，2010；周斌等，2010)，进一步建立了有效应力对岩石弹性波速影响的数学模型，利用有限元方法定量计算了库底岩石介质的孔隙压力、附加有效应力和弹性波速的变

6、化，讨论了弹性波速随孔隙压力、附加有效应力变化的规律。此研究是一项尝试性的工作，对进一步探讨水库诱发地震成因机制及水库地震可能的前兆具有一定的借鉴意义。1有效应力对弹性波速影响的数学模型1．1岩石弹性波速随有效应力的变化规律在均匀、各向同性的理想弹性体中，往往存在着2种弹性波，其波速分别为』~／(K+4G／3)／p(1)IVs=式(1)中：，分别代表岩石弹性纵、横波速度，K，G分别为岩石体积模量和剪切模量，P为岩石密度。岩石受到载荷作用时围压上升，岩石内部孑L隙、裂隙的变形使岩石体积模量和剪切模量均增大，波速随之上升；孔隙流体压力的作用与围压相反，抵抗岩石孔隙、裂

7、隙的变形。根据岩石孔弹性理论(Biot，1956)，在外部荷载和孔隙流体压力共同作用下岩石介质的宏观力学响应由有效应力来控制(压为正)，即t=Or—P(2)式(2)中：Or分别为全应力张量和有效应力张量，P为孔隙流体压力，6为Kroneker符号，为有效应力系数，或称为Biot系数，其大小取决于岩石的孔隙、裂隙发育程度。在岩石介质弹性波速度影响因素的研究中，其所处的应力状态一直作为主要的影响因素而受到关注，当前室内试验研究的主要认识包括：随着有效应力的增大，、均增大，低应力下弹性波速随有效围压增大迅速，增速随有效围压的增大而减小，在高应力下趋于一常数值；孑L隙几何

8、形态对岩石