电磁波法探测技术 地质雷达.ppt

1、1,电磁波法探测技术地质雷达,地质雷达法、探地雷达法 GPR（Ground-Penetrating-Radar）， Geo-radar, Geo Probing radar 是研究超高频短脉冲电磁波在地下介质中传播规律的一门学科。正弦电磁波的传播特征是探地雷达的理论基础。 是一种对下的或结构物内部不可见的目标体或分界面进行定位或判别的电磁波探测技术,工程与环境物探专题-地质雷达,2,探地雷达具有以下技术特性，使其在许多领域尤其是工程地质领域的得到广泛应用。 1.它是一种非破坏性探测技术，可以安全地用于城市和正在建设中的工程现场，工作场地条件宽松，适应性强； 2.抗电磁干扰能力强，可在城市内各种

2、噪声环境下工作，环境干扰影响小； 3.具有工程上较满意的探测深度和分辨率，现场直接提供实时剖面记录图，图像清晰直观； 4.便携微机控制数据采集、记录、存储和处理； 5.由于使用了高频率，电磁波能量在地下的衰减较强烈，若在高导厚覆盖条件下，探测范围将受到限制。,3,探地雷达虽然与探空雷达一样利用高频电磁波束的反射来探侧目标体，但是探地雷达探测的是在地下有耗介质中的目的体，因此形成了其独特的发射波形与天线设计特点。,雷达探测技术用于地下，是在高频微电子技术的以及计算机数据处理方法迅速发展的近代，才得以极大提高，应用领域也迅速开拓。与探空或通迅雷达技术类似，探地雷达也是利用高频电磁脉冲波的反射探测目

3、的体及地质现象的，它是从地面向地下发射电磁波来实现探测目的，故亦称之为探地雷达或地质雷达（Grannd Penetrating Radar, GPR）。,据已发表的资料探地雷达使用的发射波形有调幅脉冲波、调频脉冲波、连续波等；使用的天线有对称振子天线、非对称振子天线、螺旋天线、喇叭天线等。脉冲时域探地雷达输出功率大，能实时监测测量结果，设备可做成便携式等优点，在商用地面探地雷达中，已得到广泛应用。,4,探地雷达的实际应用范围很广，如： 石灰岩地区采石场的探测; 冰川和冰山的厚度等探测; 工程地质探测; 煤矿井探测，泥炭调查; 放身性废弃物处理调查; 水文地质调查; 地基和道路下空洞及裂缝等建筑

4、质量探测; 地下埋设物，古墓遗迹等探查; 隧道、堤岸、水坝等探测。,探地雷达探测所使用的中心工作频率在105000MHZ范围时窗在020000ns，电磁场以波动形式传播，为辐射场法。根据不同的地质条件，地面系列的雷达探测深度约在3050m，分辨率可达数厘米，深度符合率小于5cm。,5,一、基本原理,高频电磁波以宽频带短脉冲形式，通过发射天线被定向送入地下，经存在电性差异的地下地层或目标体反射后返回地面，由接收天线所接收。高频电磁波在介质中传播时，其传播路径、电磁场强度与波形将随通过介质的电性特征与几何形态而变化。因此，通过对时域波形的采集、处理和分析，可确定地下分界面或地质体的空间位置及结构。

5、,工程与环境物探专题-地质雷达,6,探地雷达工作原理示意图,7,超高频电磁波（10MHz5000MHz） 由于地下介质往往具有不同的物理特性，如介质的介电性、导电性及导磁性差异，因而对电磁波具有不同的波阻抗，进入地下的电磁波在穿过地下各地层或管线等目标体时，由于界面两侧的波阻抗不同，电磁波在介质的界面上会发生反射和折射，反射回地面的电磁波脉冲其传播路径、电磁波场强度与波形将随所通过介质的电性质及几何形态而变化，因此，从接收到的雷达反射回波走时、幅度及波形资料，可以推断地下介质或管线的埋深与类型。,8,为相位系数，为导电率（1/），为介电系数，为磁导率,9,10,11,3. 电磁波的反射系数,电

6、磁波在传播过程中，遇到不同的阻抗界面时将产生反射波和透射波，其反射与透射遵循反射与透射定律。反射波能量大小取决于反射系数R，反射系数的数学表达式：,12,常见介质的相对介电常数、导电率、传播速度与吸收系数,13,利用雷达对空间目标的探测已发展成为一项成熟的技术，并被广泛应用在各种军事及民用领域中。随着人类对自然界认识的逐步深化，人们对地下世界的探知要求变得越来越迫切与深入。早在1904年德国人就采用了电磁波探测地下的金属物体，到1956年，J.c.Cook 又提出了应用无载频脉冲雷达探测地下目标。随着科学技术理论与应用实践，瞬态无载频脉冲雷达技术得到了较快的发展，并在70年代中进入了实际应用阶

7、段。 我国从80年代中期开始进行探地雷达技术的研究和试验，最初用于军事地雷的探测。经过十几年的研制攻关，在雷达硬件设备、信号处理、目标成像等方面取得重大进展和突破，特别是成功地实现了对地下目标的三维层析成像，大大提高了分辨率和清晰度，使探地雷达在信号处理和成像技术方面进入了世界领先行列,二、雷达技术的研究及探测仪器的发展,工程与环境物探专题-地质雷达,14,加拿大Sensor (2)时窗选择。时窗选择主要取决于最大探测深度h max(单位m)与地层电磁波速度v(单位m/ns)。时窗w(ns)可由下式估算: w=1.3(2 h max/v) ;,34,(3)采样率选择。采样率是采样点间的时间间隔

8、。采样率由尼奎斯特(Nyquist)采样定律控制，即采样率至少应达到记录的反射波中最高频率的2倍。大多数探地雷达系统，频带与中心频率之比为1：1，即发射脉冲能量覆盖的频率范围为0.51.5倍中心频率。这就是说反射波的最高频率约为中心频率的1.5倍，按Nyquist定律，采样速率至少要达到天线中心频率的3倍。为使记录波形更完整，Annan建议采样率为天线中心频率的6倍。当天线中心频率为f(MHz)。则采样率： t=1000/6f,35,(4)测点点距选择。在离散测量时，测点点距选择取决于天线中心频率与地下介质的介电特性。为确保地下介质的响应在空间上不重叠，亦应遵循尼奎斯特定律，采样间隔n x(m

9、)应为围岩中子波波长的14，即:,在连续测量时，天线最大移动速度取决于扫描速率，天线宽度以及目的体尺寸。SIR系统认为查清目的体应至少保证有20次扫描通过目的体，于是最大移动速度V max应满足: V max(扫描速率20)(天线宽度+目的体尺寸);,36,(5)天线间距选择。使用分离式天线时，适当选取发射与接收天线之间的距离，可使来自目的体的回波信号增强，偶极天线在临界角方向的增益最强，因此天线间距S的选择应使最深目的体相对接收与发射天线的张角为临界角的2倍，即,实际测量中，天线距的选择常常小于该数值。原因之一是天线间距加大，增加了测量工作的不便；原因之二是随着天线间距增加，垂向分辨率降低，

10、特别是当天线距S接近目的体深度的一半时，该影响将大大加强。,37,5. 野外信号采集方式 5.1 剖面法（反射观测方式）,土木工程学院工程物探,38,5.2 透射法,柱 墙 楼板,发射天线,接收天线,39,5.3 宽角法（共深点法，CDP） 用于求取表层土的电磁波传播速度,空气波,地表直达波,40,四、 探地雷达图像的数字处理技术,常规的数字处理方法： 预处理：点平均、道平均等 数字滤波，低通、高通及带通、中值波波等 增益调节：AGC、SEG、Const 偏移处理：以射线理论为基础的偏移归位方法 波动方程偏移 多次叠加技术 特殊的数据处理方法： 复信号分析：瞬时相位、瞬时振幅、瞬时频率 其它一

11、些非线性技术的应用，如分形技术 发展方向：成像处理、图像的三维可视化、智能解释功能,工程与环境物探专题-地质雷达,41,五、探地雷达图像的解释方法,工程与环境物探专题-地质雷达,42,43,1 时间剖面的对比原则 拾取反射层，依据勘察孔进行对比，建立各种地层的反射波组特征；只要地下介质存在电性差异，就可在雷达剖面上找到相应的反射波。 识别和追踪同一界面的反射波形 依据： 同相性、振幅显著性变化、波形特征,44,2 干扰波的雷达图像特征 如何识别干扰波与目标体的图像特征非常关键 干扰信号在实际探测工作不可避免 1) 地面干扰 地面架空电线（双曲线） 测线附近的金属物（强振幅、密集的反射波组） 地

12、面上的砾石（多次反射，局部强振幅回波） 测绳和皮尺（典型的“X”型干扰） 2) 地下异常的多次波 在地质体与地表面来回反射，严重影响目标体的挨反射波信息， 波形杂乱，不规则。,45,3 常见特殊地质体的雷达图像特征 1) 潜水面 水平的强振幅反射波 潜水面上下介质因为含水量的差别，介电常数产生较大的 差异，反射系数较大。 潜水面下的反射波组衰减较大,46,2) 不同土层的波场特征 杂填土：反射波杂乱无序， 粘土层：同相轴连续，波组平行 粉质粘土，振幅中等 淤泥质粘土，衰减大，振幅小 砂层的波场特征与粘土层相似， 中等及粗砂层，反射波同相轴不连续，存在有规律的绕射波,47,3) 基岩破碎带的波场

13、特征 同相轴错断，但破碎带两侧的波组关系相对稳定 破碎面上的振幅强,48,4) 暗浜及古河道的波场特征 特殊的地质现象。成分复杂，电性差异大 二者雷达图像特征相似，区别在于范围的大小 反射波振幅大，波形粗黑，同相轴不连续，波形杂乱，边界明显，,49,4 常见地下目的物的雷达图像特征 1) 地下管线 反射同相轴呈向上凸起的弧形，顶部反射振幅最强，弧形 两端反射振幅最弱，不同的材质的管线的反射波特征不同： 金属管：介电常数大，导电率极强，衰减极大，金属管顶反 射出现极性反转，无管底的反射信息 非金属管，管顶无极性反转，有可能出现管底信息 管内是否充水，其波形特征亦不同，若充水，则亦出现波形 的极性

14、反转 管线的半径越大，反射弧的曲率半径就越大,50,陶瓷,PVC,金属,电缆,污水管,51,2) 防空洞、地下室及污水箱涵 极强的反射振幅 反射波的极性反转,52,3) 桩体 桩体与周围地层在垂直界面的电性差异明显，桩体两侧反射 波同相轴存在明显错断。,72式塑料防步兵地雷（左） 雷达图像（右） 说明：制造地雷的材料和触发方式趋于多样化，仅靠金属探测器远远不够。探地雷达不仅可以发现金属地雷，对非金属类目标探测也可大展身手。,图谱1：地雷探测,六、探地雷达的应用,工程与环境物探专题-地质雷达,说明：电磁波在地下的传播过程中遇到空洞等异常，其强度和相位将有明显变化，典型显示为双曲线（LT-1雷达测

15、于广州）。,图谱2：地下土洞穴的检测图象,图谱3：土洞群的波形堆积图象,图谱4：地下空洞探地雷达检测图象,说明：电磁波在地下的传播过程中遇到岩溶等异常，其强度和相位将有明显变化，典型显示为双曲线（LTD-3雷达测于山东临沂）。,图谱5：地下岩溶洞的检测图象,说明：电磁波在地下的传播过程中遇到管线，由于管线本身和其中的空气介质与周围土壤的介电特性差异较大，其强度和相位将有明显变化，典型显示为双曲线（LT-3雷达测于广州）。,图谱6：地下管线的检测图象,图谱7：三峡库区的金属管线检测图像,说明：电磁波在地下的传播过程中遇到管线等异常，其强度和相位将有明显变化，典型显示为双曲线（2003年测于长江三

16、峡）。,图谱8：廊道下钢筋检测,说明：电磁波在地下的传播过程中遇到钢筋等异常，其强度和相位将有明显变化，典型显示为双曲线（2003年测于长江三峡）。,图谱9：廊道下钢筋及过人通道检测,说明：电磁波在地下的传播过程中遇到不同介质层，其强度和相位将有明显变化，典型显示为双曲线（2003年测于长江三峡）。,图谱10：长江三峡库区里的混凝土污水管道（500M）,说明：对应埋深30cm,直径为50cm的混凝土管道处出现明显异常,图谱11：长江三峡库区里的混凝土污水管道（300M）,说明：埋深30cm,直径为50cm的混凝土管道呈现典型双曲线反映,图谱12：萧山观潮城五孔小桥探测图象,说明：天线拖过桥面时

17、，来自桥孔和水面的反射信号较强，在剖面中显示为典型的双曲线（ 2003年用500M天线测于萧山）。,图谱13：北疆铁路SKS段路基检测剖面,说明：冬冻夏溶的交替变化导致铁路路基发生不均匀沉降，严重影响行车安全。GPR可给出道渣厚度分布，进而确定路基沉降情况，为路基治理提供第一手资料。,图谱14：地下构造探测图像,说明：500M天线探测得到的灰度图，将地下不同特征的埋藏物和地质构造显露无遗。,说明：水的介电常数为81，与湖床的性质差异较大，电磁波的强度和相位将有明显变化，沿界面产生明显异常（1999年GCL211型地质雷达在大庆的冬试）,图谱15：冰下湖床的检测图象,说明：水的介电常数为81，与

18、河底的性质差异较大，电磁波的强度和相位将有明显变化，沿界面产生明显异常（在河南沁河）。,图谱16：水下河床断面的检测图象,图谱17：水库大坝下堆石探测图象,说明：大坝边的抛石起到保护大堤安全的作用，GPR可以随时监测抛石的分布，为随时补充石方提供提供第一手资料。,图谱18：水电站尾水的检测图像,说明：随时监测水电站大坝的渗漏问题，可确保大坝的安全。GPR可以检测到渗水通道的分布，为及时发现险情提供有效的手段。,天线为地面耦合式一体化天线。天线由汽车拖动，匀速前进，车速510公里/小时，每隔一定距离打一标记，用于水平定位。,路面下脱空检测现场,图谱19：海口丘海大道浅层脱空检测,说明：海口丘海大

19、道部分路面出现塌陷，为全面治理所有存在隐患的路段，可用GPR发现路面下存在的空洞，以便一块治理。,图谱19的验证：海口丘海大道脱空检测-开挖验证,图谱20：海口丘海大道深层脱空检测,说明：海口丘海大道部分路面出现塌陷，为全面治理所有存在隐患的路段，可用GPR发现路面下存在的空洞，以便一块治理。,图谱21：同三高速面基层厚度检测剖面,说明：传统的公路层厚测量方法是通过钻芯芯样的实验室测量完成的，此法费时、费力、没有代表性。而GPR可快速、连续的对公路面基层厚度进行检测，进而给出层厚综合评价报表。,地表面,沥青层下界面,图谱22：青岛市银川路某段探测图像,地表面,水泥煤粉稳定碎石层-二混土界面,桥

20、梁,沥青混凝土-水泥煤粉稳定碎石层界面,图谱23：济青高速某段的结构探测图像,图谱24：江西TG高速ZH隧道钢筋分布探测,说明：利用GPR可以探测隧道衬砌里面的钢筋分布，为评价隧道衬砌质量提供依据。,图谱25：江西TG高速ZH隧道脱空检测,说明：利用GPR可以探测隧道二衬里面存在的空隙，为评价隧道衬砌质量提供依据。,80,七、 探地雷达的成像处理,反射成像,工程与环境物探专题-地质雷达,81,散射成像,水库诱发地震工程地质研究,提 要,概 述 水库诱发地震的基本特征 水库地震地质背景条件 水库诱发地震的水诱发机制 工程地质研究,类型,水库地震 向地下深部注液或抽液引起的地震 采矿诱发地震 地下

21、爆炸诱发地震 岩溶气暴型地震,第一节 概 述,诱发地震由于工程活动，对特定地质环境施加某种影响，而导致一个无震地区发生地震或原发震区地震活动增强或减弱的地震现象。,1、采矿诱发地震 由于地下开采活动形成较大采空区，或因强烈排水疏干等，采空区上覆岩体大范围下沉破裂或冒落冲击底板，引起岩体破坏振动而发震。 辽宁省北票煤田台吉井区,1921年开发，1970年,当台吉竖井采掘到距地面500-900m深时,井区开始出现微震活动.1977年4月28日MS=3.8级. 特征：震级小，周期大，衰减快，烈度高，余震衰减快，影响范围小，震源常位于开采端面附近。,2、岩溶气暴型地震 大型溶洞，一旦快速充水而使洞内空

22、气压缩，对岩体产生强大冲击力，使岩体 变形破裂或塌落引起地震。 特征：震源浅，震级小，影响范围小，无群震，全世界有69例。,3、地下爆破引发地震 世界上已有几起因地下核实验诱发地震。例如美国进行过系统观测，结果如表。,4、注液诱发地震 美国：丹佛盆地，深井3762m， 废液处理。62.3.向井底注液，47天后，井 附近发生3-4级地震，其小震不断，66.2.停 止注液，地震至70年才渐渐停息，其记录， 1584次，震源4.45.5km,震中呈椭圆形围绕 井口分布，右旋走滑。 我国：任丘油田，86.7.，845井注水， 86.9.6日发震，112次，12月停止注水，地震 渐停息，87年底 恢复

23、注水，又开始发震。 胜利油田、江汉油田、武汉洪山均有此例。,5、水库诱发地震 伴随水库蓄水过程，导致地壳应力状态 改变而出现库区及近区地震增强或减弱的现象。 最早出现于1931年希腊的马拉松水库， 4.7级地震，对雅典城产生破坏。,水库诱发地震活动重要实例,水库诱发地震活动发现于本世纪30年代。最早发现于希腊的马拉松水库伴随该水库蓄水、1931年库区就产生了频繁的地震活动。此后，发现有相当一部分水库蓄水过程中伴随有水库诱发地震现象。 60年代以来出现了一些新的情况： 一方面是几个大水库相继产生了6级以上的强烈地震，造成大坝、附近建筑物的破坏和人员的死伤； 另一方面是发现了深井注水(美国)可以诱

24、发地震，为水库诱发地震的形成机制提供了有价值的资料。于是这方面的研究重新活跃起来。,世界几例震级6.0以上水库地震,第二节 水库诱发地震的基本特征,典型实例 例1.新丰江水库 例2.科因纳水库,例1. 新丰江水库 坝高105m，库容115m3， 河谷型水库。 地质背景： 花岗岩，两条活断层： 河流断裂（长600km，坝下1-5km处通过）； 人字石断裂（坝上游6km)东面河源为界为断陷盆地。 弱震区。,诱发地震概况： 59.10.20蓄水，一个月后水位 上升20m，广州地震台收到地震 60.7.18，水位上升到90m，不到 1个月发生34.3级地震9次，小 震很多61.3，水位略降，地震 明显

25、减少61.7水位猛涨为113m， 地震随之十分频繁。此后，100m水 位持续二年余，地震频发，62.3.19， 4时18分发生6.1级地震，其后余震 不断，其中4级20次之多，60-87 年总共发震337461次，4级 49次 震中：大坝附近，峡谷区，北北西和北东东断裂控制。 震源深：4.5-5km，主要后延到7km。 震源体：走向滑动型，迁就NNW张扭断裂，1为N730w，（与粤东应力场基本一致）。 震中烈度：8度,例2. 科因纳水库 之所以具有典型意义，就在于它是迄今为止最强的水库诱发地震(6.5级，地震序列中大于5.0级的达15次)，而又是产生在构造迹象最不明显、岩层产状基本水平、近20

26、0 a附近没有明显地震活动，印度地盾，德干高原之上。 库、坝区均位于厚达1500m、产状水平、自古至始新世喷发的玄武岩层之上，由致密块状玄武岩与凝灰岩及气孔状玄武岩互层，凝灰岩中夹有红色粘土，渗透性不良。,从以上典型实例描述可知，水库诱发地震不同类型虽各有其特性，但概括起来它们却有很多共性。这主要是这类地震的产生空间和活动随时间的变化与水库所在空间和水库水位或荷载随时间的变化密切相关 表示介质品质的地震序列有其固有特点和震源机制解得出的应力场与同一地区产生天然地震的应力场基本相同。,一、空间分布特征 1. 震中位置 震中主要集中在断层破碎带附近、大坝附近几km，峡谷基岩裸露区(新丰江，丹江)

27、。密集于水库最大水深处及其附近(卡里巴、科因纳)，往往密集成条带状或团块状，其延伸方向大体与库区主要断裂线平行或与 X 型共轭剪切断裂平行。 常分布于库区岩溶发育部位或断裂构造与岩溶裂隙带的复合部位。 有的震中初期距水库较远而随后逐渐向水库集中(丹江口、苏联的努列克)。,丹江口水库附近震中分布图（19691975年） 1、2、3、4蓄水前天然地震，圆圈大小表示震级； 5蓄水后诱发地震； 6水库边界,2. 震 源 震源较浅，震源体较小，与构造地震差别十分大。大多47 km，一般10 km以内，最深20km左右，最浅者 500m。 初震震源浅，随后不断加深。 震源深度与库容正相关。 表现为震中区烈

28、度高，面波强烈,有的零点几级便有感，3级以上造成轻度破坏。由于震源极浅，水库诱发地震往往伴有地声。 震源体小，影响范围小。 我国天然地震震级与震中烈度之间，有如下的关系式: M0.58I0 +1.5,3. 等震线形状 主要与库区构造、岩性条件有关 构造型水库地震：椭圆形，长轴方向与所在地段的主要构造线或发震断层走向一致或平行 发生于新老地层接合部位的水库地震：等震线的长轴方向与新地层的接合线方向一致 岩溶区发生的水库地震：等震线多为不规则的多边形或近似圆形，且与当地发育的岩溶形态一致或基本一致. 等震线衰减迅速,影响范围小。,我国某些水库诱发地震震中烈度比较表,二、地震活动与库水的关系,1、绝

29、大多数水库的地震活动与库水位或 库容正相关 随着库水位增高，库区的地震活动逐 步增强，随水位降低而减弱，且经过高水 位之后即发生主震。一般震前相关性好， 主震后相关性差一些。,2、少数水库区的地震活动性随着库水位的 增加而明显地降低，呈负相关 原因： 逆断层应力状态不利于发展。 蠕化变形释放能量，使地震减弱。 3、 滞后性一般 滞后几个月，最长几年，主 震在高水位后一段时间。与震源深浅、岩体透 水性等有关。,1970.1是根据三峡站记录地Ma 1.2的地震。较小地震因库区无台未能测得，此值不可靠据另一种资料最早为1968.3.则间距为4月。,三、地震活动的序列特点,地震序列指时间相对集中，同处

30、于一震源体内的一系列地震的强度和频度随时间变化过程，以及强度与频度的相关性。,实验现象： 岩石受力破裂，弹性振动，振动频度与材料的不均匀性，强度有关，材料越不均匀，强度越低，越易产生高频振动；绝对均匀材料，只产生一次性破裂，不产生微裂。 低应力比较高应力状态下，岩石更以微破裂占优势，即小震动频度高。 水库水的作用下，地质体特点： 水渗入岩体使其不均匀性增加。 水压力下，使岩体产生微破裂，加大不均匀性。 水对地质体软化作用，降低强度，增加粘滑性。 库水渗入深度有限，常在较浅处、低应力下产生岩体破裂。,1. 地震频度与震级的关系, N a b M N震级M的地震数 a与观测周期、观测区大小、 地震

31、活动水平有关的常数 b受震源深度、震源均一性、震源应力条件的控制，b值越大意味着小震次数越多，说明震源介质不均匀，应力越低。变化于0.51.5。是判断构造地震与水库地震重要依据。,水库地震： b前1.2-1.5; b余1.0-1.2 构造地震：b前0.3-0.6; b余0.8-1.2 b水b构； 水库地震 ：b前略大于b余； 构造地震：b前 b余,2.主震M0与最大余震M1的震级关系 水库地震：M0M11 M1M01 一般0.85-0.98 构造地震：M0M11.2 (浅源大震) M0M1 与地震区应力状态和介质的不均一性有关,3、震型 多为前震余震型，余震变减较构造地震慢。 前震极丰富为特点

32、,如：新丰江水库诱发地震，从蓄水到主震发生的39个月内，共记录到从0.4的前震81719次。,水库诱发地震余震活动以低速度衰减 例如我国新丰江水库诱发地震，1960年10月18日新丰江水库设立第一个地层台开始至1987年12月31日止，已记录到从0.6级地震337461次，活动时间持续至今，整个活动期已30余年，科因纳水库地震活动迄今仍未停止。,第三节 水库地震地质背景条件 一、水库区的初始应力状态 包括：地应力场类型（正断、逆断、走滑）；主应力方向；应力值大小。 易发震：正断型走滑型逆断型. 正断型最多，位于断陷盆地边缘的水库最易发震。 目前无一例逆断型，即使有也是负相关。,板块俯冲、碰撞带

33、届于潜在逆冲型的应力状态，产生诱发地震的可能性很小。例如环太平洋地震带除美国西海岸一带及新西兰的一大部分外均属于板块俯冲带，在这带内水库诱发地层的震例极少。 转换断层及大的平移断层，诸如美国加州圣安德烈期断层、新西兰阿尔卑斯断层、土耳其安纳托利亚断层等的附近地带，由于属潜在走向滑动型应力状态，有产生诱发地震的可能性。 潜在正断型应力场产生水库诱发地震的可能性最大但在大陆上属于此种应力状态者限于断裂谷型地堑带或其它大断陷盆地，典型震例为卡里巴。,二、应变能积累程度和速率 M4.0的水库地震，均位于现代构造活动活跃区，地应力高达103104bar; 与 差值正是诱发地震滞后的原因之一。 地震发生于

34、应变速率很高地区，但太高地区不一定发震，往往为中等偏高地区。水库地震很少见于现代强震区，而往往在该区的附近地区，因为水诱发作用相对高应变速率微不足道。 当地壳实际应变速率 岩体临界应变速率时才产生破裂。 在应变积累速度很低的稳定地块内部，如俄罗斯地台、西伯利亚地台、加拿大地盾、非洲地盾等地，产生诱发地震的可能性很低，在这些地方有很多高坝、大库，均无明显的水库诱发地震。,三、构造条件 断裂、裂隙发育情况，它们作为震源体和导水介质。 注意活动断裂、深大断裂、地热活动断裂。断裂与现代地应力关系。 明显的新构造活动迹象是天然地震也是水库诱发地震的必要条件。 地热流高是已有水库地震震例一般都具有的条件。

35、它表明新构造活动影响到地壳深部或达到地幔。反映地热流高的现象是近期火山活动和温泉。,四、岩性条件 有人将岩性的易发震性划分如表：,坚硬、多裂隙、易发震。大多为碳酸性岩区及火成岩。,五、水文地质,岩体透水性、天然地下水位、岩溶发育、第四系厚度、地下封闭环境。 岩体透水性十分重要，据40多个水库和深井注水资料，测得岩体渗透率 岩体透水率随深度而减小，米勒1981年提出： （ 衰减系数，0.1-0.2；Z深度； 地表岩体透水率） Bredhocht等1968年提出，只要岩体渗透率在毫微达尔西量级，就可保持有孔隙水压力（可测）。 谢原定等人认为，地表浅层 5 km内，围压和温度对渗透率影响在一个数量级

36、之内。 原始地下水位低以及蓄水后具有利于库水向深部渗入的通道，是有利于空隙水压力效应的良好水文地质条件。,第四节 水库诱发地震的水诱发机制,一、水岩作用机理,1. 水的物理化学效应,降低岩体及结构面强度至 ，,润滑作用 软化作用 泥化作用,促进岩体断裂的生长,楔裂作用：高压水使封闭裂隙局部应力集中，使裂纹扩展、生长、串通，引起局部应变能释放、产生微震。 应力腐蚀作用：岩石有的矿物（如石英），在临界温度以下，只要温度降低很小时，强度可大大降低，而水的作用可使其温度降低，从而使岩体破坏时间缩短，裂纹发展加速。 高渗流剃度效应,2. 水的荷载效应,垂直变形、挠曲变形 附加应力,水荷载,（1）压力，例

37、：对卡里巴水库计算，水深127m（相当库盆压力13bar），计算得 5 km处，垂直压力增量6.68bar、剪应力增量2.12bar、而该处岩体应力 可达1000bar，相比之下，增量微小，约以 衰减。 （2）沉陷，例：新丰江水库，水位105m，计算库盆中心下沉10-11cm（实测10cm），10km处，下沉值为0，水平位移向库心收缩，边缘最大。6km处为转换带，向下位移正好与上面相反。,库盆受荷，深处的附加应力符合布涅斯克问题解。,认 识： 对于大库盆，大水深，荷载作用才有一定意义； 对浅源地震及临界应力状态有一定作用； 大库盆两侧垂直裂隙，限制应力向外围扩散（如断陷盆地）作 用更大。,3.

38、 水的孔隙水压力效应,正断层,蓄水后：水荷载效应,长期蓄水后： 孔隙水压力效应,二、不同天然构造应力场条件下水库地震的诱发机制,走滑型,蓄水后：水荷载效应,长期蓄水后： 孔隙水压力效应,逆断层,蓄水后：水荷载效应,长期蓄水后： 孔隙水压力效应,第五节 工 程 地 质 研 究 大型水库（坝高100m，库容20亿m3),建库前应将水诱发地震作为专题研究，作出预测。水库建成后应作进一步监测研究。 建库前，分二阶段进行。,第一阶段： 了解区域构造背景，区域应力场，现代构造活动性（包括地震、活断层、地震应变速率、地热等） 了解库区基本地质条件（岩性、构造、地震、水文地质等） 结合水库水位、库容等大概确定有无发震的基本条件。 重要方法：与已发震水库的条件进行类比（包括已发震类分析和同条件下无震类比）,第二阶段： 认为有必要进一步研究诱震问题时，作详细的勘察工作。 地应力调查钻孔测量，配合其它方法。 库区岩体透水性压水 实验，理论推算。 监测工作活断层、位移、测震。 预测工作地质模型，数学模型，预测