大渡河瀑布溝水電站水庫地震活動特征分析

黃 會 寶， 莊 園 旭， 江 德 軍， 宋 澄

(1.國能大渡河流域水電開發有限公司，四川 成都 610041；2.四川省地震局，四川 成都 610000；3.四川大學水利水電學院，四川 成都 610065)

0 引 言

水庫誘發地震是由于水庫蓄水或水位變化而引發的一種獨特的地震類型，主要有水庫蓄水而引起的地震和在水庫鄰近地區的地震。水庫誘發地震問題始于1940 年，特別是1962 年中國新豐江水庫6.1 級、1963 年贊比亞-津巴布韋卡里巴(Kariba)水庫6.25級、1966年希臘克里瑪斯塔(Kremasta)水庫6.3級和1967年印度柯依納(Koyna)水庫6.5級地震，引起了人們足夠的重視[1]。水庫誘發地震研究至今已有80年，不少地震研究學者對水庫誘發地震研究結果也有不同見解，對地震是否與水庫蓄水有關的數據統計也有差異，但對部分水庫蓄水后會誘發地震活動的事實達成了共識[2]。在分析水庫誘發地震機理時，學者認為庫水對環境的載荷作用、孔隙壓力擴散作用以及水的潤滑作用是庫區附近發生地震的主要因素，揭示了地震與水庫蓄水的內在聯系，提出在實際水庫誘發地震監測和判識中應分析水庫地震活動特征。

1 工程及地質背景

1.1 瀑布溝水電工程

大渡河瀑布溝水電站位于四川省漢源和甘洛兩縣交界處，為大渡河下游控制性水電工程。電站以發電為主，兼有防洪、攔沙等綜合利用的一等大(I)型工程，工程主要由礫石土心墻堆石壩，引水發電建筑物、溢洪道、泄洪洞，放空洞和尼日河引水建筑物組成。大壩最大壩高186 m，壩頂長540.5 m，壩頂寬度14 m，水庫回水長度72 km，正常蓄水位850.00 m，死水位790.00 m，消落深度60 m，總庫容53.37億m3，為不完全年調節水庫，電站裝機容量3 600 MW，大壩設防烈度8度。

1.2 庫區地質構造

水庫地處青藏高原與四川盆地的過渡地帶，位于揚子地臺西部古老的康滇地軸北段東側，與現代強烈活動的川滇菱形地塊毗鄰。水庫周圍分布了多條大型活動斷裂帶，包括水庫以北的龍門山斷裂帶(2008年5月12發生了汶川8.0級地震)，水庫西北的鮮水河斷裂帶(包括1955年康定7.5級和1973年爐霍7.6級在內的多次7級以上地震)以及水庫以南的安寧河-則木河斷裂和大涼山斷裂，古地震考察顯示安寧河-則木河斷裂承載了多次7級地震的平均位錯量[3]，大涼山斷裂帶的古地震震級也在7級以上[4]。從近場看庫區附近主要發育NW、NE向斷裂構造，主要在第四系沉積區上，金坪斷裂穿過水庫蓄水區域，附近區域分布有美羅斷裂、順河斷裂、鑼鍋坪斷裂、紅花斷裂、黑馬鄉斷裂、烏斯河斷裂等多條小規模斷裂，自有記錄以來未發生過中等以上地震。

1.3 水庫地震監測設施

水庫地震遙測臺網分布在北緯29.0°～29.6°N，東經102.3°～103.1°E區域內，共設置13個子臺和1個臺網中心。目前采用短周期速度地震計和高分辨率的數據采集器，通過CDMA路由器傳輸至臺網中心。本臺網監測震級下限為ML0.5，臺站分布及臺網監測能力、重點監視區見圖1。

(a)臺站分布和監測能力 (b)地震重點監視區示意圖圖1 瀑布溝水庫地震臺網監測能力及重點監測區示意圖

2 地震活動特征

分析水庫蓄水區域約10 km范圍內地震情況，資料來源于水庫地震遙測臺網地震信息和地震活動事件，其中蓄水前是2008～2009年水庫蓄水期間；蓄水后是指2009～2017年底的地震信息。

2.1 蓄水前的地震活動特征

水庫蓄水前共記錄到地震事件1077次，主要發生在庫區中段漢源縣城附近，地震事件統計見表1。庫區中段漢源縣城附近在蓄水前已經存在密集小震活動，主要集中在0.0

表1 2008～2009年水庫蓄水前地震事件統計表

圖2 瀑布溝水庫中段漢源縣附近地震發生時段特征

2.2 蓄水后的地震活動特征

2.2.1 地震活動強度特征

水庫2009年11月1日下閘蓄水以來，共記錄到地震事件3 290次，平均日發生地震1.1次，最高日發生地震13次，年均發生地震事件數量較蓄水前有明顯減少，蓄水后地震事件統計見表2。

表2 2009～2017年瀑布溝水庫蓄水后地震事件統計表

地震活動主要集中在ML≤2.9級范圍，占全部地震總數的96.44%，ML≥3.5級地震分別在2011年初、2012年中和2015年共發生3次，4.0≤ML≤4.9級地震僅發生1次，最大地震為2015年4月15日水庫庫尾以西的石棉ML4.0地震。根據地震強度分析，水庫地震多屬微震，震級小，少數中等地震，地震強度呈現隨機變化特征，沒有明顯的周期性規律。

2.2.2 地震活動空間特征

水庫蓄水后地震活動頻次不高，主要分布以庫尾的鮮水河斷裂帶、安寧河斷裂帶、大涼山斷裂帶交匯部位以及庫區中段漢源縣城附近，對庫區地震分布密度做空間分布統計(見圖3)，兩個地震密度相對較高的叢集區域滿足完整性震級條件的地震每km2約3～10次，其中地震密度相對較高的石棉縣附近，沿安寧河斷裂帶呈NNW-SSE向展布，整體與斷裂帶走向一致；在漢源縣城附近地震分布集中且基本在縣城區域，疑似人工生產活動的可能性較高，地震分布見圖3。

圖3 瀑布溝水庫庫區地震活動及地震密度分布圖(五角星為ML≥4.0地震；三角形為遙測地震臺站)

對水庫地震SW-NE和NW-SE兩個垂直剖面(見圖4)進行深度分析，地震深度基本小于30 km范圍內。其中SW-NE向剖面將兩個叢集區地震分離開來，明顯看出深度差異，水庫庫尾附近叢集地震活動深度在0～30 km范圍內，相對于其他區域明顯較深；庫中段漢源縣城叢集地震深度在小于15 km范圍內，水庫以東零散地震活動大部分地震深度在5～25 km范圍內。

圖4 瀑布溝水庫庫區內地震深度垂直剖面投影

2.2.3 地震活動的時間特征

根據水庫地震活動分布特征，對于庫尾鮮水河斷裂帶、安寧河斷裂帶、大涼山斷裂帶交匯部位的地震活動處于臺網監測邊緣，該區域理論監測水平覆蓋能力為1.0級。為更客觀地研究地震活動規律，利用前期學者研究的ZMAP程序[5]中“擬合優度檢驗法(Goodness of Fit Test，簡寫為GFT法)”，按最大似然法原理求解b值(震級-頻度關系)，通過理論地震個數和實際地震個數進行擬合，認為擬合優度值越大地震目錄完整性越高，并據此分析地震目錄的最小完整震級Mc，盡可能地使用最多的地震記錄進行分析。

擬合優度檢驗法(GFT 法)是在地震的震級-頻度在較大范圍內滿足古登堡-里克特(G-R)震級頻率關系分析方法(lgN=a-bM)的基礎上提出的[6]，通過對實際震級-頻度分布曲線與理論震級-頻度分布曲線的比較，發現當震級不完整時，小震擬合效果存在著較大的差異。而GFT法正是通過對這些差異的分析，來判別地震目錄的完整性。首先假設地震目錄自Mi是完整的，采用G-R公式擬合出該震級Mi所對應的ai和bi值，將理論值與實際值進行對比得出各個震級所對應的擬合優度值R：

式中Bi是指震級大于等于Mi的實際觀測地震個數；Si是理論推測的地震個數，Si=10ai-biM

北京城什剎海前海南頭，煤灰土新墊就一片場坪，白日照著，有一圈沒事可做的閑人，皆為一件小小熱鬧粘合在那里。

通過計算，實際產出監測目錄的最小完整性震級Mc為0.9級，b值為0.872(圖5)。以最小完整性震級Mc為0.9級作為震級統計下限，可以看到地震累計發生頻度呈現均勻變化(圖6)，沒有明顯的加速上升或減速變緩的趨勢，表明水庫蓄水后對地震數量沒有明顯的影響，地震與庫水位變化沒有直接相關的關系。

圖5 瀑布溝水庫地震目錄擬合關系曲線

圖6 瀑布溝水庫地震累計發生頻度及時間關系

2.2.4 地震震源機理特征

水庫誘發地震主要有正傾錯動和走滑錯動兩種類型，近年來學者對高烈度地區水庫誘發地震的研究顯示逆沖型地震也占據了一定比例，因此，水庫地震錯動類型主要取決于庫區附近已有斷裂或裂隙的構造特征。

瀑布溝水庫附近地震活動頻次呈均勻變化，水庫水位周期性升降變化與地震活動頻次無明顯相關性，地震活動集中區域主要為石棉縣城附近，該區域中小地震以走滑地震為主，正傾和逆沖型地震稀少，與該區域主要斷裂構造特征一致。利用該區域中小地震反演的應力張量顯示主壓應力為進水平的NWW-SEE向，與大區域應力場一致。因此，綜合分析認為，水庫蓄水后主要為區域應力場擾動造成的中小型構造地震，并非水庫蓄水引起的誘發地震。

2.3 地震活動總體情況

水庫蓄水且水位快速上升至死水位期間，地震頻次較后續時段偏高(見圖7)，出現地震能量釋放階段，但震級均小于ML1.5，地震均為微小地震，后續地震頻次有所減少，各震級分布較為均勻，無突出高震集中分布，總體上水庫周邊地震活動水平很低。

圖7 瀑布溝水庫地震發生頻度與庫水位關系

3 結 語

雖然水庫蓄水后沒有明顯的誘發地震現象，但附近存在大型構造斷裂帶存在發生中強地震威脅的可能，仍需加強地震監測工作，密切關注地震活動狀態，及時整理分析地震監測成果，同時加大地震監測預測技術研究，為水庫地震監控和工程安全穩定運行提供技術保障。