三峽工程水庫誘發地震研究概況

夏全梧

摘要：長江三峽工程是當今世界上最大的水利樞紐工程，其庫區地震研究一直受到有關各方的高度重視。在選壩勘測工作同時，即開展了工程區及外圍的地震地質研究工作。1958年建立三峽地震監測臺網并監測至今，1972年起開展綜合性地震研究，20世紀80年代開展水庫誘發地震專題研究，運用多種先進理論和方法對三峽水庫誘發地震潛在危險性進行了預測。預測結果表明，三峽水庫可能誘發的最大地震震級不超過5.5級，低于該地區本底地震水平。施工期進一步開展了地震、地形變、地下流體、主要斷層活動性等方面的強化觀測工作。三峽水庫蓄水運行后地震活動的實際狀況證明，水庫誘發地震級別保持在前期預測的水平范圍之內。

關鍵詞：水庫誘發地震;地震監測;三峽工程

中圖法分類號：P315.28 文獻標志碼：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2020.01.006

文章編號：1006-0081（2020）01一0028一08

1 研究背景

水庫誘發地震（Reservoir-Induced Seismicity，RIS）是指由于水庫蓄水或水位變化而引發的地震[i-27。迄今為止，全世界發生水庫誘發地震150余例，其中震級大于6.0級的有4起，分別為中國新豐江水庫（1962年3月19日，M6.1）、位于贊比亞和津巴布韋邊界的卡里巴（Kariba）水庫（1963年9月23日，M6.1）、希臘克里馬斯塔（Kremasta）水庫（1965年2月5日，M6.2）和印度科伊納（Koyna）水庫（1967年12月10日，M6.3）。大于5.0級地震僅15例，大部分水庫誘發地震是小于5.0級的中等地震和中小地震及微震，約占90%。在所有報道的水庫誘發地震震例中，在地震地質條件、地震序列、震源機制、誘震機理等方面研究程度較高的，除了上述4個強震震例外，還有阿斯旺（Aswan）、馬尼克（Manic-3）、努列克（Nurek）、奧羅維爾（Oroville）、蒙地賽羅（Monticello）、胡佛（Hoove）、喬卡西（Jocasse）等。通過研究以上震例，可對現行水庫誘發地震危險性評價方法、水庫誘發地震特征的認識、誘震機制理論及水庫誘發地震預報方法和理論研究起推動作用[3-8]。

對水庫誘發地震的研究，是從回答修建水庫是否會誘發地震開始的，早期的文獻主要集中于建庫前后庫區地震活動性與水位相關性方面，后續的研究基本上分為4方面：①水庫誘發地震的地質學研究。主要研究庫區及周圍地質構造、斷層、地震帶以及水文地質、巖性、地應力場等，以期總結出易于誘發地震的庫區環境條件;②地震學研究。主要為地震序列分析、震源機制，是目前研究最為深入、結果最為可靠的研究方向;③水庫誘發地震的物理機制研究。包括概念模型、數學模型和數值模擬研究;④水庫誘發地震危險性評價和預測方法研究[，“口。

2 三峽工程水庫誘發地震研究歷史

三峽水庫誘發地震問題一直受到各界高度關注。在“積極準備、充分可靠、加強科研”的方針指導下，開展了工程區及外圍的區域構造穩定性與地震活動性研究工作[11-17]。

2.1 建立三峽工程地震監測臺網

在三峽工程選壩勘測工作的同時，對地震的研究也在同步進行。1958年9月，中國科學院地球物理研究所在三峽地區建立地震觀測臺網，這是我國首次為一項工程專門設立的觀測臺網。1959年9月，該臺網移交三峽工程設計總成單位長江水利委員會（以下簡稱“長江委”）。長江委成立了三峽區勘測大隊地震隊，繼續進行三峽地區弱震監測，為工程抗震設計和水庫誘發地震研究搜集了大量的基礎資料。三峽地震監測臺網建立后，觀測工作一直正常進行，每年均形成地震目錄、分析報告、震中分布圖等。圖1為長江三峽工程數字遙測臺網分布圖。

2.2 綜合性地震監測研究

20世紀70年代初以來，長江委地震研究部門除了繼續進行地震觀測外，還對庫壩區及外圍的一些主要斷裂構造，特別是對壩址周圍300km范圍內的一些較重要的地震事件，以及地貌第四紀地質問題進行了研究考察。逐步開展了庫壩區和鄰近地區一些主要斷裂的定點形變監測，對一些主要斷裂的最新活動年齡進行測定（如仙女山斷裂、九灣溪斷裂、高橋斷裂等）以及地形變監測研究。這些工作為三峽工程論證、可行性研究、初步設計提供了詳實的基礎資料，對區域構造穩定性和地震危險性提供了階段性的認識和結論。

2.3 水庫誘發地震專題研究

在三峽工程可行性研究報告和初設報告的審查過程中，區域構造穩定、水庫誘發地震問題是專家們關注和爭論較大的問題之一，因此國家組織了國家重點科技攻關項目，設立“長江三峽工程水庫誘發地震問題研究”專題，由多家科研院所、大專院校聯合攻關[18]。

為了監測壩址及庫首區的地震活動，1987年5月至1989年11月，在三斗坪至香溪沿江和仙女山斷裂上建立地震臺網進行強化觀測。觀測臺網由庫首區沿江臺網、仙女山斷裂帶監測臺網和鹽關小孔徑臺網3部分組成，經近2a的觀測表明：

（1）壩址附近結晶巖體內，沿江段未記錄到微震和極微震;

（2）1a半時間內，除周坪懷抱石煤礦附近出現地震外，未記錄到沿仙女山斷裂帶發生地震;

（3）1a內在香溪北5km的鹽關煤礦記錄到2.5～1.3級微震和極微震1090次;

（4）在龍馬溪至香溪一帶記錄到M_L0～2.5級地震120次，多數為小于1.0級地震。

調查分析認為：

（1）結合三峽臺網近30a測震資料和強化觀測資料，證明壩址附近確實未發現微震活動。

（2）周坪一帶出現地震，可能是懷抱石煤礦開采所致。仙女山斷裂帶可能不存在構造地震帶，強化觀測未記錄到斷裂帶內的地震。

（3）鹽關附近有大量微震和極微震，局限在礦山附近1km²范圍內，應為礦山開采誘發地震。

（4）龍馬溪-香溪一帶地震，亦與礦山開采、礦洞塌陷有關。

（5）過去記錄的雨季在碳酸鹽巖區發生的一些小震，可能與巖溶塌陷等有關。

為了解三峽工程庫壩區的現今區域應力場，1989年在壩址區附近茅坪鎮花崗巖體內，施鉆深800m的鉆孔，在該鉆孔中進行了16段原地應力測量，同時還進行了孔隙壓力、巖石滲透率、井徑、井溫等測量。數據顯示其量級均較小，為與其他震例進行對比提供了資料。

2.4 水庫誘發地震的深化研究

國家“八五”重點科技攻關項目中，再一次設立“長江三峽工程地殼穩定性與水庫誘發地震問題的深化研究”專題，對奉節以下至壩址區庫段地震潛在震源區進行了進一步厘定（見圖2），對可能產生水庫誘發地震的地段和強度進行了進一步研究預測（見圖3）。針對三峽工程地震地質研究中存在的一些疑點，采用概率論方法對水庫誘發地震的潛在危險進行預測和極近場地面運動研究，同時對深孔地應力測量進行了補充分析。

（1）通過穿越三斗坪壩址區長約330km的南北向人工地震剖面探測，并結合其他資料分析認為，沿長江一帶分布的NNE和NW向重、磁異常是基底至上地慢拗陷與隆起的反應，不存在規模較大的NNE、NW-NWW向斷裂。

（2）采用模糊聚類法和灰色聚類法，以全球71個資料較全的水庫誘發地震震例為樣本，得出結論：三峽庫區花崗巖體內誘發地震的上限震級不超過4.0級，廟河一香溪河碳酸鹽巖峽谷段和香溪一巴東碎屑巖庫段不超過5.0級（見圖3）。水庫誘發地震對工程的綜合影響烈度約為Ⅵ度[19-20]。

2.5 施工期地震強化觀測和水庫誘發地震專題研究

在對三峽工程遙控地震臺網進行改造完善的同時，進行了三峽水庫庫首區小孔徑強化地震觀測。建立和完善了地形變GPS監測網、精密重力測量監測網和地下流體監測網絡，并在水庫初期蓄水前后進行了多次觀測，取得了大量觀測資料;同時，在施工期進一步開展了地震本底和水庫地震預測研究工作，發布了《長江三峽三斗坪一奉節庫段水庫誘發地震報告》。夏金梧[21]綜合地震地質條件、蓄水初期地震活動表現以及人工神經網絡模型，預測秭歸盆地高橋斷裂附近誘發最大（極限）地震的震級為5.5級，較前人預測的5.0級增加了0.5級。

總體來說，我國對三峽水庫地震問題已進行了大量的研究工作，與目前世界的研究水平基本同步。在工程還未開建之前建立地震監測臺網用于長時間地震觀測，這在全球范圍較為罕見。

3 三峽水庫蓄水初期的地震活動

根據水庫誘發地震規律和長江干流及支流的分布情況，取奉節至三斗坪庫段兩岸約25km（φ30°40′～31°20′，λ109°30′～111°15′）的范圍來研究三峽庫區在水庫蓄水后的地震活動情況。

3.1 地震活動與水庫蓄水位的關系

三峽工程自2002年11月6日第二次截流后至2003年4月9日，壩前水位控制在69～70m范圍內。2003年4月10日開始，水位緩慢上升，至5月24日達到80m。5月25日水庫開始正式蓄水，至6月10日22：00蓄至135.00m，日均升幅3.24m。2003年6月11日至10月25日，水位在135m上下波動。2003年10月26日至11月5日，水位由135.5m上升至138.7m，之后水位在138～139m之間波動。在整個蓄水過程中，壩前水深增加約69m（見圖4）。

由圖4可見，在水庫蓄水前，庫首及鄰區地震活動微弱、強度不大、頻次較低，0.5級和1.5級以上地震活動年頻次分別僅為25次和5次。隨著水庫水位的上升，地震活動頻次也急劇上升，具體表現形式為：2003年5月25日至6月7日，庫水位由80m上升至124m，長江兩岸10km以內無地震活動;6月7日15：00在距長江庫岸約1km的巴東火焰石發生一次ML2.1級地震：6月8日20：00水位上升至128.8m，當日無震;至6月9日05：00，巴東長江北岸的東瀼口一帶突發密集性小震群，當天共記錄到能定位的微震巧次，同時巴東地震臺記錄到M_L0級左右的極微震高達562次。之后，在庫區水位上升到135m或在135m（初期4個月）和139m上下波動的過程中，庫區地震活動頻次也出現了起伏變化（見圖5）。由此可見，水庫蓄水后庫區出現的高頻次地震活動異常是由于水庫水位抬升造成的，屬于典型的水庫誘發地震現象。

3.2 地震活動頻度分析

表1為水庫蓄水前3a和蓄水后3a庫區地震活動頻次統計。圖5為月頻次N-T圖。從表1和圖5可見，三峽水庫蓄水后，庫區地震活動頻次有明顯提高，但3級以上地震的頻次與蓄水前相同。由此說明三峽水庫誘發的地震活動均為3級以下的微小地震。

3.3 地震活動空間分析

蓄水前3a地震主要分布在3個地區（見圖6）：①黃陵背斜與秭歸盆地接壤的香溪河兩岸（三間-香溪一帶），雖然該區只有4次地震，但強度最大（2001年12月13日秭歸賈家店MAO級）;②秭歸的肖家坪至野花坪一帶;③巫山的兩河至雙龍一帶。水庫蓄水后3a，地震活動除了保持在蓄水前的3個分布范圍外，還增加了仙女山一九灣溪斷裂展布區、長江沿岸的巴東寶塔河一巫山培石庫段和興山黃糧坪地區等3個新的地震活動區（見圖7）。其主要特點是：①黃陵背斜與秭歸盆地接壤的三閭-香溪一帶，地震活動頻次比蓄水前有顯著提高，并與新形成的仙女山-九灣溪地震密集區構成了一個明顯的北西向地震密集條帶。②在蓄水前，巴東寶塔河-巫山培石庫段地震活動較少，但在水庫蓄水位由80m上升至128.8m以后，該區地震活動頻發，該庫段在約6個月內形成了寶塔河一麂子巖、東瀼口雷家坪、信陵鎮火焰石、官渡口楠木園-培石等4個地震活動密集區（見圖8）。隨著地震活動的頻次不斷增加和各震區空間的逐步擴展，4個震區空間基本相連，形成了一個較大的地震活動密集庫段，構成了三峽水庫蓄水后地震活動的主體空間，其地震活動頻次約占整個研究區的50%。③巫山兩河-雙龍一帶，地震活動頻次除了較蓄水前有所增加外，比較突出的一個特點是地震活動在空間上較以前集中，形成了一個密集成團的小區域。

根據上述地震區地震活動與水庫蓄水過程的對應關系和各地區的地震活動特點分析，三峽水庫蓄水后，引起地震活動有明顯異常變化的地區是巴東寶塔河一巫山培石庫段（含高橋斷裂南西段）和香溪河的三閭-香溪庫段兩處。因此，可以判定這兩個地區的異常地震活動，屬于水庫誘發地震活動。其他幾個地震密集區還不能判定是水庫誘發地震活動的原因是：仙女山一九灣溪斷裂帶附近在水庫蓄水前就是三峽庫區天然微震活動相對較多的地區，雖然在水庫蓄水后出現過幾次小震群，并在斷裂帶附近形成震中密集現象，但其震中均在蓄水前（20世紀80～90年代）已發生過礦震的礦區范圍內，而且這些礦區不在庫水影響范圍內。因此，可以認為仙女山一九灣溪斷裂附近出現的幾次小震群可能屬于采礦洞塌陷地震，不能判定是水庫誘發的地震活動異常;巫山兩河一雙龍一帶和興山黃糧坪震區不在三峽工程水庫影響范圍以內，這兩個地區出現的地震活動應屬正常的天然地震。

3.4 地震活動強度分析

從圖4和表1可以看出，三峽水庫蓄水初期，地震活動絕大多數為M_L1.5級以下的微弱地震，自三峽水庫蓄水至2006年3月31日止，在庫首及鄰區，共記錄到能確定震中位置的地震事件有2223次，其中1.5級以下的地震有1954次，占總數的87.8%;3級以上地震僅3次;最大震級為2005年9月22日巴東東瀼口鎮北M_L3.3級。蓄水初期4個地震集中地區見圖8。

另外，三峽水庫蓄水前天然地震本底的多年平均釋放能量1.075×10⁶J;蓄水后3a共釋放應變能9.0999×10⁶J，年均釋放3.033×10⁶J，蓄水以來至今，年均釋放能量為2.048×10⁶J。由此可見，三峽水庫蓄水后，雖然在蓄水初期庫區誘發了大量的地震活動，但絕大多數為M_L1.5級以下的微震。自2009年以來，雖然庫區發生過幾次規模較大的地震，最大為5.1級，但總體來看，三峽水庫蓄水前后，地震活動的強度和年平均釋放應變能量均處于同一水平。

4 三峽水庫蓄水以來震級較大地震活動

自三峽水庫蓄水以來，發生大于M4.0級以上地震共7次，其中最大5.1級，其特點見表2。

5 結論

（1）三峽工程歷經了前期深入的區域地質構造背景和地震地質條件研究和長達50a的地震監測，積累了豐富的地震活動資料和信息，蓄水后地震活動實際狀況證明，三峽水庫誘發地震震級保持在前期預測的水平范圍之內。

（2）三峽大壩處于黃陵背斜地質構造穩定、地震活動極其微弱的古老結晶巖地塊內，大壩及主要水工建筑物抗震設防能力高，即使發生任何超出預測范圍的水庫誘發地震，也不會對大壩及主要水工建筑物的安全造成危害。

（3）經過幾十年的不斷研究，對三峽水庫誘發地震活動特點和規律有如下基本認識：①在空間分布上，三峽水庫誘發地震主要集中在庫盆和距離庫岸邊3～5km范圍內，少有超過10km。②主震發震時間和水庫蓄水過程密切相關。③水庫蓄水所引起的巖體內外條件的改變，隨著時間的推移逐步調整趨于平靜，因而水庫誘發地震的頻度隨時間的延長呈明顯的下降趨勢;地震活動的強度和年平均釋放應變能量在水庫蓄水前后基本處于同一水平。④在水庫蓄水初期，三峽水庫誘發地震震級絕大部分是微震和弱震，監測和實地調查表明，其主要由淺表應力調整、巖溶及礦坑塌陷所引起。大于3.0的地震極少且明顯滯后。大于3.0級的地震一般發生于斷裂帶附近，多由水庫蓄水引發斷裂構造活動引起。⑤震源深度極淺，絕大部分震源深度在3～5km，直至近地表。⑥三峽水庫地震與天然地震相比，具有較高的地震動頻率、地面峰值加速度和震中烈度，但極震區范圍很小，烈度衰減快。

（4）對三峽水庫誘發地震的持續監測和研究表明，其水庫誘發地震的類型主要有構造型、喀斯特（巖溶）型、礦坑塌陷型及淺表微破裂型（淺表卸荷型）。

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（編輯：李曉壕）

收稿日期：2019-10-30

基金項目：國家重點研發計劃項目“堰塞湖多源信息快速感知與探測技術研究”（2018YFC1508602）

作者簡介：夏金梧，男，教授級高級工程師，博士，主要從事工程地質、地震地質、遙感技術應用等方面的研究工作。E-mail：235028294@qq.com