重慶三江口水庫誘發(fā)地震分析研究①

吳建超， 張麗芬， 汪旭濤， 蔡永建

(1.中國地震局地震研究所(地震大地測量重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)，湖北 武漢 430071； 2.武漢地震工程研究院，湖北 武漢 430071)

重慶三江口水庫誘發(fā)地震分析研究①

吳建超1，2， 張麗芬1， 汪旭濤1，2， 蔡永建2

(1.中國地震局地震研究所(地震大地測量重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)，湖北 武漢 430071； 2.武漢地震工程研究院，湖北 武漢 430071)

通過野外地震地質(zhì)調(diào)查并參考前人研究成果，分析三江口水庫區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造背景、地震活動性及水文地質(zhì)條件等資料，對該水庫誘發(fā)地震的可能性進(jìn)行分析。構(gòu)造類比法分析表明：蓄水后發(fā)生構(gòu)造型水庫誘發(fā)地震的可能性較小，但有可能發(fā)生巖溶塌陷型水庫誘發(fā)地震。概率預(yù)測法分析表明：庫首段(新灘子—獅貍彎)發(fā)震概率較小，僅為0.02；庫中段(獅貍彎—牛鼻子)巖溶不太發(fā)育，誘震可能性較小，不發(fā)震的概率為0.96；庫尾段(牛鼻子—峽馬口)有可能誘發(fā)微震，發(fā)震(M<3.0)概率為0.10。

三江口水庫； 構(gòu)造類比法； 概率預(yù)測法； 水庫誘發(fā)地震； 發(fā)震概率

0 引言

三江口水庫壩址位于重慶市彭水縣普子河中下游段的新灘子附近，水庫正常蓄水位306 m，庫容0.68×108m3。大壩為混凝土重力壩，壩高71.5 m，壩頂長218.4 m，裝機(jī)容量18.9 MW，屬III型中等峽谷型水庫。

水庫蓄水導(dǎo)致庫區(qū)地震活動增多，這已被國內(nèi)外大量研究所證實(shí)[1-4]。水庫誘發(fā)地震會對工程設(shè)施和居民生產(chǎn)生活產(chǎn)生不同程度的破壞和影響。三江口水庫于2008年開始設(shè)計(jì)論證，水庫蓄水后能否誘發(fā)地震、地震對庫區(qū)環(huán)境的影響等與水庫所處的地震構(gòu)造環(huán)境有密切關(guān)系。本文在分析三江口水庫區(qū)地質(zhì)構(gòu)造背景、地震活動性及水文地質(zhì)條件等資料的基礎(chǔ)上，對庫區(qū)誘發(fā)地震的可能性進(jìn)行分析計(jì)算，為進(jìn)一步開展水庫誘發(fā)地震的監(jiān)測研究和防震減災(zāi)工作奠定基礎(chǔ)。

1 庫區(qū)地質(zhì)背景

1.1 地質(zhì)構(gòu)造

三江口水庫在大地構(gòu)造上位于揚(yáng)子準(zhǔn)地臺上揚(yáng)子臺褶帶黔江拱褶斷束內(nèi)，其北西側(cè)以巫山—金佛山基底斷裂為界，與四川臺坳川東褶皺束相接[5]。區(qū)域構(gòu)造以寬緩背斜、向斜或箱狀復(fù)式背斜及伴生斷裂為特征。水庫壩址位于普子復(fù)向斜東南翼，庫區(qū)及外圍NE-NNE向褶皺和斷裂呈有規(guī)律的分布，構(gòu)成了庫區(qū)內(nèi)的基本構(gòu)造格局。

庫區(qū)出露的斷裂主要為東南緣的郁山斷裂，其次為西緣的馬武斷裂(圖1、表1)。其中，郁山斷裂發(fā)育在郁山背斜西北翼下奧陶統(tǒng)南津關(guān)組中，地貌上多呈現(xiàn)洼地、斷層崖、埡口。斷層帶由斷層角礫巖、碎裂巖組成，膠結(jié)較緊密，斷層面不平整，略粗糙，未見有擦痕。斷裂活動具有垂直分量，為正斷層。斷裂南北兩段的測年數(shù)據(jù)(TL法和ESR法)集中在30～50×104a，表明該斷裂最新活動時代為中更新世中期，晚更新世以來沒有活動的跡象。馬武斷裂為前第四紀(jì)斷裂。

表1 三江口水庫區(qū)主要斷裂概況

1.2 地層巖性

水庫區(qū)出露的地層比較簡單，主要為奧陶系、二疊系和三疊系地層。第四系零星發(fā)育在沖溝溝口、支流與干流匯合處、高陡岸坡腳和河流階地上。奧陶系主要分布于普子復(fù)向斜西北翼和郁江背斜的核部。巖性以灰黑色薄至中層灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r、瘤狀灰?guī)r為主，局部含燧石結(jié)核，并夾有少量褐色厚層結(jié)晶灰?guī)r及灰綠、黃綠色頁巖。二疊系地層分布于普子復(fù)向斜的兩翼，巖性以深灰色生物灰?guī)r和泥灰?guī)r為主，頂部為含燧石條帶灰?guī)r等。三疊系地層構(gòu)成了普子復(fù)向斜的核部，巖性主要為泥質(zhì)灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r和灰?guī)r等。

1.3 地形地貌

三江口水庫區(qū)以中低山和小型山間盆地地貌為主，山脈連綿，溝谷發(fā)育。庫區(qū)兩岸邊坡高陡，地勢北東高，南西低，呈階梯狀降低。普子河蜿蜒曲折，“V”型和“U”型谷相間分布。由于受地勢的影響，河流由北東向南西依勢而流，地貌類型多受巖性的控制。在碎屑巖分布區(qū)以侵蝕、剝蝕地貌為主，多呈脊?fàn)畹椭猩降孛?，溪溝縱橫交錯，相對高差500～1 000 m，平均自然坡度在40°～60°。而在碳酸鹽巖分布地區(qū)，地形切割較強(qiáng)烈，多以溶蝕地貌為主，如在二疊系和三疊系等灰?guī)r分布地區(qū)，地貌形態(tài)多以峰林谷地、峰林洼地和峰叢槽谷為主，在垂直方向上可見有明顯的臺階或夷平面。

2 庫區(qū)地震活動背景

三江口水庫區(qū)歷史和現(xiàn)今地震活動水平較低，近幾十年來庫區(qū)20 km范圍內(nèi)有26次小震活動(圖1)。其中，M1.0～1.9地震21次，M2.0～2.9地震4次，M3.0以上地震僅有1次，發(fā)生于1979年12月31日，距三江口壩址約2 km。這些小震、微震活動大部分分布于郁山斷裂的上盤，呈現(xiàn)出NE-SW向的條帶狀展布特征，與本地區(qū)主要地質(zhì)構(gòu)造方向基本一致。

3 水庫誘發(fā)地震危險性分析

3.1 水文地質(zhì)條件分析

水庫誘發(fā)地震是復(fù)雜的科學(xué)問題，目前還處在探索過程中。根據(jù)前人的研究成果[6]，水庫誘發(fā)地震的類型可分為構(gòu)造型、巖溶塌陷型和應(yīng)力局部調(diào)整型三類，各類水庫誘發(fā)地震又各具不同的發(fā)震條件。構(gòu)造型水庫誘發(fā)地震多與斷裂和庫水的聯(lián)合作用相關(guān)；巖溶型水庫誘發(fā)地震多發(fā)生在大面積碳酸鹽巖出露、現(xiàn)代巖溶作用強(qiáng)烈、具備向深部滲流條件的地區(qū)；應(yīng)力局部調(diào)整型水庫誘發(fā)地震的發(fā)震條件為河谷岸坡相對高差大、巖體微裂隙較發(fā)育、有利于庫水滲透的水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)面。從已知地震經(jīng)驗(yàn)類比總結(jié)出來的發(fā)震條件是分析判斷水庫是否會誘發(fā)地震的基礎(chǔ)[7-8]。

庫區(qū)巖性條件對庫水向地下滲透起著重要作用。在我國已發(fā)生的27例水庫地震中，發(fā)生在碳酸鹽巖地層中的有18例，占66%；發(fā)生在花崗巖類巖石中的有5例，約占18%[9]。巖性條件是產(chǎn)生水庫誘發(fā)地震的直接誘因，同時也是討論水庫誘發(fā)地震的重要依據(jù)。

三江口水庫區(qū)地下水類型以裂隙溶洞水為主，孔隙潛水和基巖裂隙水次之。由于溶洞、暗河、泉水、巖溶管道系統(tǒng)發(fā)育，裂隙溶洞水常形成地下水匯集和排泄通道，多以層狀出現(xiàn)。由于水庫區(qū)的中段和庫尾段巖石性質(zhì)和巖石類型略有不同，故巖溶發(fā)育程度不一。如圖2所示，牛鼻子-峽馬口一帶地層為三疊系灰?guī)r，透水性較強(qiáng)，溶洞、暗河和泉水等均較發(fā)育，是地表水與地下水動力聯(lián)系的重要通道，也是庫水向深部滲透的良好條件，有利于產(chǎn)生誘發(fā)地震。而在牛鼻子-獅貍彎庫段，主要為二疊系地層，巖溶發(fā)育略弱，多以峰叢、槽谷、溶溝等為主，地表水與地下水聯(lián)系不如前者，因此產(chǎn)生誘發(fā)地震的機(jī)率較小。

圖2 三江口水庫區(qū)碳酸鹽巖透水層與碎屑巖隔水層分布圖Fig.2 Distribution of the carbonate permeable layer and clastic rock impermeable layer in Sanjiangkou reservoir area

綜上所述，三江口庫區(qū)不存在活動斷裂，幾乎不存在發(fā)生構(gòu)造型水庫地震的可能。但蓄水后誘發(fā)巖溶塌陷型水庫地震的可能性較大，主要集中在二疊系和三疊系碳酸鹽巖大面積分布、巖溶管道發(fā)育的庫段。

3.2 構(gòu)造類比分析

該方法根據(jù)對已發(fā)震水庫資料的分析，總結(jié)歸納出誘發(fā)地震的主要條件。這些條件在擬建水庫中越齊備越典型，該水庫誘發(fā)地震的可能性就越大。

在與水庫規(guī)模、地質(zhì)條件等相近的四川銅街子、云南魯布革、湖北前進(jìn)、湖南黃石等已發(fā)震水庫進(jìn)行對比后，認(rèn)為三江口水庫蓄水后發(fā)生構(gòu)造型水庫誘發(fā)地震的可能性較小。其理由是：庫區(qū)沒有較大的活動斷裂通過，僅在庫區(qū)東南緣和西北緣分布有兩條非活動斷裂，即郁山斷裂和馬武斷裂。庫區(qū)位于普子復(fù)向斜內(nèi)，沒有展布大型的地球物理異常帶。本文認(rèn)為水庫蓄水后有可能發(fā)生巖溶塌陷型水庫地震。其理由是：庫區(qū)內(nèi)多為中厚層灰?guī)r出露，巖溶較發(fā)育，庫區(qū)內(nèi)的褶皺軸與水庫區(qū)展布基本相似，容易形成地下水管流系統(tǒng)。蓄水后庫水的荷載作用和滲透作用容易引起溶洞內(nèi)巖體塌陷和裂隙擴(kuò)展，進(jìn)而誘發(fā)巖溶塌陷型水庫地震。

3.3 概率預(yù)測分析

該方法是Packer和Beacher提出來的，是在概率意義上對一個新建水庫的誘發(fā)地震危險性進(jìn)行預(yù)測，從現(xiàn)有水庫與誘發(fā)地震有密切關(guān)系的因素進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析[11-12]。

水庫誘發(fā)地震受多種因素的影響，一般把水庫誘發(fā)地震過程看成一個多因子函數(shù)，將影響因子看作隨機(jī)因子，真實(shí)全面地獲得水庫誘發(fā)地震的組合環(huán)境資料，通過概率統(tǒng)計(jì)等數(shù)學(xué)模型來計(jì)算和處理，就可以得到條件和結(jié)果之間的函數(shù)關(guān)系[13-14]。

水庫誘發(fā)地震的影響因素很多，不同的研究者所選取的誘震因子集也往往不同?？紤]到三江口庫區(qū)的具體條件，依據(jù)蘇錦星等[14]提出的誘震因子，選用庫水深度(D)、庫區(qū)巖性條件(G)、區(qū)域應(yīng)力狀態(tài)(S)、斷層活動性(F)、巖溶發(fā)育程度(K)、斷層透水深度(H)、與庫水溝通關(guān)系(C)和地震活動背景(E)等八個誘震因子進(jìn)行震級概率預(yù)測計(jì)算 (表2)。八因子方案將預(yù)測水庫地震震級分為“強(qiáng)、中強(qiáng)、弱、微、無震”5種狀態(tài)。具體為：M4代表強(qiáng)震(M≥6.0)，M3代表中強(qiáng)震(6.0>M≥4.5)，M2代表弱震(4.5>M≥3.0)，M1代表微震(M<3.0)，M0代表無震(不發(fā)震)。

表2 水庫誘發(fā)地震影響因素及其狀態(tài)[13]

根據(jù)貝葉斯條件概率理論，預(yù)測水庫誘發(fā)地震的統(tǒng)計(jì)模型可表達(dá)為：

(1)

式中：P(Mi/D，G，S，F(xiàn)，K，C，H，E)為不同震級地震類別的先驗(yàn)概率。根據(jù)國內(nèi)外251座大型水庫資料統(tǒng)計(jì)的發(fā)震概率，發(fā)生強(qiáng)震、中強(qiáng)震、弱震、微震和不發(fā)震的先驗(yàn)概率分別為：P(M4)=0.02；P(M3)=0.04；P(M2)=0.05；P(M1)=0.07；P(M0)=0.82。P(D，G，S，F(xiàn)，K，C，H，E/Mi)為各影響因素組合條件下不同震級的條件概率，即P(D，G，S，F(xiàn)，K，C，H，E/Mi)=P(D/Mi)·P(G/Mi)·P(S/Mi)·P(F/Mi)·P(K/Mi)·P(H/Mi)·P(C/Mi)·P(E/Mi)。表3為八項(xiàng)誘震因子在不同震級下的條件概率統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

表3 誘震因子不同狀態(tài)發(fā)震先驗(yàn)概率統(tǒng)計(jì)表[13]

根據(jù)三江口庫區(qū)各庫段誘發(fā)地震的地質(zhì)構(gòu)造條件和誘發(fā)地震環(huán)境，本文將庫區(qū)自下游至上游劃分為三段：庫首段(新灘子-獅貍彎)、庫中段(獅貍彎—牛鼻子)和庫尾段(牛鼻子—峽馬口)。利用MATLAB軟件編程，計(jì)算得出三個庫段分屬五個發(fā)震震級的概率，取其中概率值最大或較大者對應(yīng)的地震震級分級區(qū)間，即為預(yù)測的可能發(fā)震強(qiáng)度，見表4。

由計(jì)算結(jié)果可知，庫首段(新灘子-獅貍彎)為水庫誘發(fā)地震發(fā)震概率較小的庫段，發(fā)震概率僅為0.02，說明庫壩區(qū)較穩(wěn)定。庫中段(獅貍彎-牛鼻子)雖然地表出露二疊系灰?guī)r，但巖溶不太發(fā)育，不發(fā)震的概率為0.96，為誘震可能性較小的地段。庫尾段(牛鼻子-峽馬口)雖不發(fā)震的概率約0.83，但誘震M1(M<3.0)的發(fā)震概率為0.10，說明庫尾段有可能誘發(fā)微震。

4 討論與結(jié)論

本文采用構(gòu)造類比和概率預(yù)測兩種方法對三江口水庫誘發(fā)地震問題進(jìn)行分析研究，得出的預(yù)測結(jié)果基本一致。

庫首段(新灘子-獅貍彎)的河谷地貌形態(tài)以中低山、丘陵的曲流寬谷與狹谷相間排布為特征，岸坡大多較緩，組成河谷的地層為隔水層，滲透條件不暢，且無較大斷裂通過，缺乏地震活動。確定性評價認(rèn)為不易發(fā)生水庫誘發(fā)地震，計(jì)算不發(fā)震的概率為0.98。

庫中段(獅貍彎-牛鼻子)的基本條件與庫首區(qū)相同，但庫區(qū)巖性為弱透水層，局部地段巖溶發(fā)育，有利于庫水滲透。確定性評價認(rèn)為發(fā)生水庫誘發(fā)地震的可能性較小，計(jì)算不發(fā)震的概率為0.96。

庫尾段(牛鼻子—峽馬口)最顯著的特征是：河谷呈狹窄的V型，局部為V型障谷、隘谷，岸坡陡峻，幾近直立，三疊系灰?guī)r中巖溶發(fā)育，溶洞、暗河地下水量較大，易于滲透。確定性評價認(rèn)為。該段發(fā)生巖溶塌陷型水庫地震的可能性較大。概率計(jì)算得到的誘發(fā)M1(M<3.0)的發(fā)震概率為0.10。綜合評價庫尾段(牛鼻子—峽馬口)水庫誘發(fā)地震的可能性較大，最大震級小于3.0級。

表4 誘震因子狀態(tài)及統(tǒng)計(jì)模型預(yù)測結(jié)果

水庫地震誘發(fā)地震危險性評估方法有很多，如類比法、成因模式法、概率預(yù)測法、模糊數(shù)學(xué)法、灰色系統(tǒng)模型法、灰色聚類方法等，它們是預(yù)測水庫誘發(fā)地震危險性的主要方法[15-16]。今后應(yīng)進(jìn)一步采用多種誘震預(yù)測評價方法計(jì)算成果和各種誘震因素分析，判斷三江口水庫在未來關(guān)鍵時段內(nèi)的最大誘震震級。

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Reservoir-induced Earthquakes for the Sanjiangkou Reservoir in Chongqing

WU Jian-chao1，2， ZHANG Li-fen1， WANG Xu-tao1，2， CAI Yong-jian2

(1.KeyLaboratoryofEarthquakeGeodesy，InstituteofSeismology，CEA，Wuhan，Hubei430071，China；2.InstituteofEarthquakeEngineeringofWuhan，Wuhan，Hubei430071，China)

Based on field investigations and previous research results，this study analyzes the tectonic background，seismic activity，and hydrogeology condition of the Sanjiangkou reservoir area.The Yushan fault is the main fault located in the southeast margin of the Sanjiangkou reservoir area.The other major fault is termed the Mawu fault，which is exposed in the west margin of the Sanjiangkou reservoir area.The active age of the Yushan fault is mid-Pleistocene and the Mawu fault is pre-Quaternary.The level of historic and current seismicity is low in the reservoir area.Employing structural analogy and probabilistic statistic methods，the probability of the induced earthquake in the Sanjiangkou reservoir area is discussed.These results are used to compare the Sanjiangkou reservoir with other reservoirs that have experienced earthquakes.The structural analogy method analysis showed that the possibility of tectonic-type reservoir-induced earthquakes is small following impoundment.However，there is the possibility of a karst subsidence-type reservoir-induced earthquake.This event could occur because of the existence of a large amount of thick layers of limestone in the reservoir area that could foster karst development.The loading and infiltration effects of water may easily cause rock collapse and crack propagation in the karst cave.This would induce a karst subsidence-type reservoir-induced earthquake.Considering the conditions of the Sanjiangkou reservoir area eight induced earthquake factors were selected to conduct the probabilistic prediction of the earthquake magnitude.These factors were reservoir water depth，lithology，regional state of stress，fault activity，degree of karst development，fault permeable depth，communication with the reservoir water，and seismic activity background.Based on the geological conditions and induced earthquake environment of the Sanjiangkou reservoir area，the reservoir area was divided into three segments: the head (Xintanzi-Shiliwan)，middle (Shiliwan-Niubizi)，and end (Niubizi-Xiamakou) regions.Using the MATLAB software programming，the probability of five earthquake magnitude was calculated for the three segments.The larger earthquake magnitude grading range was selected that corresponded to the relative probability value.The grading range was considered as the possible earthquake magnitude.The probabilistic statistic method analysis showed that the reservoir’s head region (Xintanzi-Shiliwan) had a small possibility of an induced earthquake with a possibility of earthquake occurrence of 0.02.The reservoir’s middle region (Shiliwan-Niubizi)，where the karst development is unlikely，had a possibility of induced earthquake of 0.96.The end region (Niubizi-Xiamakou) may induce microseismic activity with the possibility of inducedML(M< 3.0) of 0.10.

the Sanjiangkou reservoir； structural analogy method； probabilistic statistic method； reservoir-induced earthquake； possibility of earthquake occurrence

2014-06-19

中國長江三峽集團(tuán)公司科研專項(xiàng)基金(SXSN/3354)

吳建超(1985-)，男，工程師，碩士，主要從事地震工程和水庫誘發(fā)地震研究.E-mail: jianchaowu85@gmail.com

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1000-0844(2015)02-0512-06

10.3969/j.issn.1000-0844.2015.02.0512