陳 曉,李萬逵

(新疆水利水電勘測設計研究院,新疆烏魯木齊830091)

1 工程概況

擬建阿爾塔什水利樞紐工程位于新疆莎車縣城南西約130 km的葉爾羌河中游河段上。樞紐建筑物有:攔河壩、排沙泄洪洞、發(fā)電引水洞、導流洞、電站廠房及開關(guān)站等。最大壩高 162.8 m,總庫容22.4×108m3。屬大(1)型Ⅰ等工程。該工程目前正在進行可研階段的工程地質(zhì)勘測工作,需要初步研究并預測水庫誘發(fā)地震的可能性、發(fā)震位置及強度[2]。

2 庫壩區(qū)誘震環(huán)境分區(qū)

水庫回水長度45 km左右。庫區(qū)分布的地層主要為元古界和古生界的地層,分布較穩(wěn)定,巖性有石英巖、礫巖、片巖、板巖、花崗巖及片麻巖組成。巖層產(chǎn)狀 310°～ 355°SW ∠40°～ 70°,與河谷走向夾角 30°～55°。在壩址和壩址上游5 km附近,分布有灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r等,總體巖溶不發(fā)育。

庫壩區(qū)通過的規(guī)模較大的斷層有烏孜魯克斷裂(F45)、克什拉塔木斷裂(F46)、米亞斷裂(F39)、卡拉塔克斷裂(F38)、希依安阿格孜斷裂(F32)、阿爾塔什斷裂(F28)等。工程區(qū)基本地震烈度Ⅷ度,設防烈度Ⅸ度。

阿爾塔什水利樞紐為高壩(162.8 m)大庫(庫容22.40×108m3),水庫區(qū)存在超深水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)面;深水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)面;淺水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)面和表層水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)面。因而存在水庫誘發(fā)地震的可能性。

根據(jù)庫壩區(qū)的巖性、斷裂構(gòu)造、地震活動、構(gòu)造應力、水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)面及與庫水連通情況,巖溶發(fā)育情況、預測可能誘發(fā)地震的庫段等條件,把庫區(qū)分成三個庫段進行水庫誘發(fā)地震評價。即壩址至壩上游達斯塔爾背斜核部為第一庫段;達斯塔爾背斜核部至庫斯拉甫盆地上游邊緣為第二庫段,庫斯拉甫盆地以上為第三庫段(見圖1)。

圖1 水庫區(qū)構(gòu)造簡圖

3 阿爾塔什水利樞紐水庫誘發(fā)地震預測

我國水庫誘發(fā)地震研究[3]的成果較為豐富,對水庫誘發(fā)地震的潛在危險性初步預測[4]和評價方面,主要的方法可分為定性或半定量的類比法和應用各種模型進行量化預測的方法兩大類。前者是指地震地質(zhì)類比分析法,后者用得較多的是水庫綜合參數(shù)判別法、概率統(tǒng)計檢驗法以及灰色聚類分析等方法。

3.1 定性法預測

3.1.1 第一庫段

庫段長度約5 km,屬中山峽谷區(qū),正常蓄水位1 840 m時,河谷寬600 m～900 m。出露的巖性為粉砂巖、砂巖、泥質(zhì)粉砂巖、灰?guī)r、白云巖等,灰?guī)r巖溶不發(fā)育。巖體透水性微弱。庫岸不存在大規(guī)模的滑坡體,庫岸穩(wěn)定情況較好。出露的規(guī)模較大的斷裂為希依安阿格孜斷裂(F32),其余斷層規(guī)模較小。希依安阿格孜斷裂(F32)Q3以來未發(fā)現(xiàn)有活動跡象,亦未記錄到該斷層有地震活動。阿爾塔什斷裂(F28)雖然為區(qū)域性活動斷裂,但其位于壩址下游2 km,與庫水不存在水力聯(lián)系。近場區(qū)歷史上未記錄到M≥4.7級地震,說明地震活動水平較低。

1970年以來,近場區(qū)共記錄M≥3.0級地震37次,其中3.0～3.9級地震35次,4.0～4.9級地震2次,最大地震為1978年6月 11日及1989年1月16日兩次4.0級地震,近場區(qū)小震活動較活躍,地震呈面狀分布在場地周圍。在壩址5 km范圍內(nèi)各記錄到2次3級地震。綜合分析,該庫段不具備誘發(fā)中等強度以上構(gòu)造水庫地震和巖溶氣爆型地震的條件,但存在誘發(fā)弱～微震的可能性。

3.1.2 第二庫段

為庫斯拉甫盆地,長度約3 km,巖性為侏羅系砂巖、礫巖、頁巖和煤層等。該盆地的形成與米亞斷裂(F39)和卡拉塔克斷裂(F38)有關(guān),為一斷陷盆地。

米亞斷裂(F39):位于壩址區(qū)以西約12 km,是塔里木地臺與西昆侖褶皺帶的分界斷裂,在庫斯拉甫斷陷盆地的西部斜跨葉爾羌河,斷裂帶在區(qū)域內(nèi)延伸長300 km左右,斷層帶寬100 m左右,影響帶寬200m 左右,斷層產(chǎn)狀:340°SW∠70°,斷距1 500 m以上。根據(jù)實地調(diào)查,并未發(fā)現(xiàn)有錯斷低階地的跡象,在斷裂南北兩端有小震分布,因此從斷裂的規(guī)模及活動特點上看,該斷裂應為晚更新世早期的活動斷裂。是該庫段水庫誘發(fā)地震的控制斷裂。

卡拉塔克斷裂(F38):為鐵克里克斷隆內(nèi)次級構(gòu)造單元的分界斷裂,總體走向北北西向,傾向多為南西 ,傾角 60°～ 70°,區(qū)內(nèi)延伸長 26 km 左右,斷裂對地層分布有一定控制作用,破碎帶寬70 m～80m,為逆斷層。庫斯拉甫鄉(xiāng)東,可見泥盆系灰色礫巖逆沖于侏羅系地層之上。該斷裂全新世以來未見活動跡象。

米亞斷裂(F39)作為區(qū)域性活動斷裂,延伸長,寬度大,切穿巖石圈,是塔里木地臺與西昆侖褶皺帶的分界斷裂,屬超深水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)面,具備誘發(fā)中～強水庫地震的條件。綜合分析,近場區(qū)地震活動水平相對較低,以小震為主,最大震級為4.0級。米亞斷裂雖有歷史地震記錄,但發(fā)震震級為小震。因此,水庫蓄水后,該斷裂存在誘發(fā)水庫地震的可能性大,震級在5.0級左右。

3.1.3 第三庫段

該段庫區(qū)為高山峽谷區(qū),山體高程2 500 m～3 500 m,河谷下切急劇,岸坡陡峻。河谷底寬約200 m,正常蓄水位1 840 m時河谷寬約600 m～900 m。庫區(qū)出露的巖性主要為元古界變質(zhì)巖和后期侵入的花崗巖。

該段庫區(qū)出露的斷層較多,但規(guī)模均較小,未發(fā)現(xiàn)斷層晚更新世以來有活動跡象。庫區(qū)的地震活動以小震為主。綜合分析,該庫段不具備誘發(fā)弱震以上水庫地震的條件,但誘發(fā)弱～微震的可能性是存在的。

3.2 概率統(tǒng)計檢驗法

3.2.1 水庫誘發(fā)地震影響因素的選取

水庫誘發(fā)地震具有多種成因機制和眾多的影響因素,對水庫誘震因素的選擇與量化是建立統(tǒng)計預測模型的關(guān)鍵和重要內(nèi)容。

影響水庫誘發(fā)地震的因素主要歸納為八個因素,分別是:庫深(D)、構(gòu)造應力環(huán)境(S)、斷層活動性(F)、巖體類型(G)、地震活動背景(E)、水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)面發(fā)育規(guī)模和導水深度(FD)、水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)面與庫水溝通關(guān)系(FC)、巖溶發(fā)育程度(SK)。

3.2.2 水庫誘發(fā)地震因素的確定

誘震因子集確定之后,就要對模型中的各因子進行一定的量化。蘇錦星、汪壅熙等提出水庫誘發(fā)地震影響因素八因子及分類標準。結(jié)合阿爾塔什樞紐庫壩區(qū)的地質(zhì)條件,第一庫段庫區(qū)存在巖溶問題,考慮巖溶發(fā)育程度(SK)因素,第二、第三庫段不考慮巖溶發(fā)育程度(SK)因素。每種因子分為三種狀態(tài),斷層活動性(F)因子分為兩種狀態(tài)(見表1)。

根據(jù)選取的樣本集的統(tǒng)計,發(fā)生強震、中強震、弱震、微震和不發(fā)震五個狀態(tài)的概率分別為:

狀態(tài)1:強烈水庫地震(M≥6.0級) P(M1)=0.02;

狀態(tài)2:中等強度水庫地震(4.5≤M＜6.0級)P(M2)=0.04;

狀態(tài)3:弱震(3.0≤M ＜4.5級) P(M3)=0.05;

狀態(tài)4:微震(M＜3.0級) P(M4)=0.07;

狀態(tài)5:不發(fā)生水庫地震 P(M0)=0.82。

表1 水庫誘發(fā)地震影響因素及分類標準

3.2.3 概率統(tǒng)計檢驗法預測

水庫誘發(fā)地震預測的統(tǒng)計檢驗模型可表達為:

式中:P(Mi|A)為所需預測的水庫誘發(fā)地震的概率;Mi為震級類別(i=0,1,2,3,4),即預測目標(地震震級上限所屬狀態(tài));A代表各誘震因子及其相應的狀態(tài);P(Mi)為各不同震級地震類別的先驗概率;P(A|Mi)為不同誘震因子組合條件下不同震級的條件概率;P(A)為水庫誘發(fā)地震的全概率,由下式計算:

根據(jù)阿爾塔什水利樞紐庫壩區(qū)的壩高、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、地震背景、水文地質(zhì)條件等因素,確定各誘震因子的狀態(tài)。

(1)第一庫段

①庫深(D):庫水深度大于150 m,即D1。

②構(gòu)造應力(S):斷裂性質(zhì)為逆斷層,說明壩址處于逆斷層環(huán)境,即S1。

③斷層活動性(F):希依安格孜斷裂(F32)為非活動斷裂,即F2。

④巖石類型(G):庫壩區(qū)巖體為砂巖、砂礫巖等,屬層狀巖體,即 G2。

⑤地震活動背景(E):近場區(qū)地震活動微弱,歷史上未發(fā)生強震,近場區(qū)以小震為主。主要受外圍地震影響,對庫壩區(qū)最大影響烈度為 Ⅶ度,未來地震活動性參數(shù)以中等水平估計,即E2。

⑥水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)面發(fā)育情況(FD):希依安格孜斷裂(F32)延伸長度16 km,導水深度按小于2 km,即 FD2。

⑦水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)面與庫水接觸關(guān)系(FC):希依安格孜斷裂(F32在水庫內(nèi)通過,在下與庫水直接接觸 ,即FC1。

⑧巖溶發(fā)育程度(SK):灰?guī)r雖有巖溶,但不發(fā)育,未形成滲透通道,發(fā)育程度弱,即SK2。

因此,阿爾塔什水利樞紐第一庫段水庫誘發(fā)地震預測的誘震因子狀態(tài)組合情況為:D1、S1、F2、G2、E2、FD2、FC1、SK2。不考慮巖溶情況 ,水庫誘發(fā)地震預測的誘震因子狀態(tài)組合情況為:D1、S1、F2、G2、E2 、FD2 、FC1 。

(2)第二庫段

①庫深(D):庫水深度92 m ～150 m,即D2。

②構(gòu)造應力(S):斷裂性質(zhì)為逆斷層,說明處于逆斷層環(huán)境,即 S1。

③斷層活動性(F):米亞斷裂(F39)為區(qū)域性活動斷裂,但在工程區(qū)范圍內(nèi)未發(fā)現(xiàn)該斷裂影響到全新世地層,因此分兩種情況進行考慮,即 F1和F2。

④巖石類型(G):庫區(qū)巖體為砂巖、砂礫巖等,屬層狀巖體,即 G2。

⑤地震活動背景(E):近場區(qū)地震活動微弱,歷史上未發(fā)生強震,近場區(qū)以小震為主。主要受外圍地震影響,對庫壩區(qū)最大影響烈度為 Ⅶ度,未來地震活動性參數(shù)以中等水平估計,即E2。

⑥水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)面發(fā)育情況(FD):米亞斷裂(F39)延伸長度300 km,屬巖石圈斷裂,導水深度按大于 2 km,即 FD1。

⑦水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)面與庫水接觸關(guān)系(FC):米亞斷裂(F39)在水庫內(nèi)通過,與庫水直接接觸,即FC1。

⑧巖溶發(fā)育程度(SK):不存在巖溶問題,取消此誘震因子。

因此,阿爾塔什水利樞紐第二庫段水庫誘發(fā)地震預測的誘震因子狀態(tài)組合情況為:D2、S1、F1、G2、E2、FD1、FC1;D2、S1、F2、G2、E2、FD1、FC1。

(3)第三庫段

①庫深(D):庫水深度小于92 m,即D3。

②構(gòu)造應力(S):斷裂性質(zhì)為逆斷層,說明處于逆斷層環(huán)境,即S1。

③斷層活動性(F):克什塔可塔木斷裂(F46)為非活動斷裂,即 F2。

④巖石類型(G):庫區(qū)巖性主要為元古界變質(zhì)巖和后期侵入的花崗巖。屬塊層狀巖體,即G2。

⑤地震活動背景(E):近場區(qū)地震活動微弱,歷史上未發(fā)生強震,近場區(qū)以小震為主。主要受外圍地震影響,對庫壩區(qū)最大影響烈度為 Ⅶ度,未來地震活動性參數(shù)以中等水平估計,即E2。

⑥水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)面發(fā)育情況(FD):克什塔可塔木斷裂(F46)延伸長度12 km,導水深度按小于2 km,即 FD2。

⑦水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)面與庫水接觸關(guān)系(FC):克什塔可塔木斷裂(F46)在水庫內(nèi)通過,與庫水直接接觸,即 FC1。

⑧巖溶發(fā)育程度(SK):不存在巖溶問題,取消此誘震因子。

因此,阿爾塔什水利樞紐第一庫段水庫誘發(fā)地震預測的誘震因子狀態(tài)組合情況為:D3、S1、F2、G2、E2、FD2、FC1。

3.2.4 計算結(jié)果

根據(jù)統(tǒng)計檢驗模型的數(shù)學表達,代入上面統(tǒng)計獲得的不同誘震狀態(tài)的條件概率和先驗概率,對卡拉貝利水利樞紐庫壩區(qū)水庫誘發(fā)地震因子組合進行統(tǒng)計檢驗。計算各單元所屬預測目標對應的五個狀態(tài)的概率,取其中概率預測值最大的那個預測狀態(tài),作為該單元被預測的可能最大發(fā)震強度。統(tǒng)計檢驗計算結(jié)果列于表2。

從統(tǒng)計檢驗分析計算結(jié)果(見表2),對阿爾塔什水利樞紐三個庫段的預測結(jié)果進行分析。第一庫段發(fā)生 M0和M4的概率遠大于M1、M2、M3的概率,即不發(fā)生水庫誘發(fā)地震或微震的概率最大。第二庫段發(fā)生 M4、M0的概率基本相同,遠大于M1、M2、M3的概率,即不發(fā)生水庫誘發(fā)地震或微震的概率最大。第三庫段發(fā)生 M0的概率遠大于發(fā)生 M1、M2、M3、M4的概率,即不發(fā)生水庫誘發(fā)地震概率最大。因此,可以據(jù)此判定阿爾塔什水利樞紐庫壩區(qū)極可能不會誘發(fā)水庫地震或誘發(fā)微震。

表2 統(tǒng)計檢驗計算成果

3.3 灰色聚類法[5]預測

3.3.1 方法簡介

小浪底水庫誘發(fā)地震預測中應用了灰色聚類[6],該方法是目前水庫誘發(fā)地震預測的方法之一。水庫誘發(fā)地震可以看作是一個灰色系統(tǒng),其中部分信息為已知,而部分信息未知,可用灰色聚類分析方法來預測水庫誘發(fā)地震的可能性。將要預測的水庫(聚類對象)按不同聚類指標(即誘震因子)分別歸入不同的聚類類別(按水庫誘發(fā)地震震級分類)。模型表達式為:

式中:i為聚類對象,即要預測的水庫(或同一水庫不同聚類指標的組合);j為聚類指標,即誘震因子;K 為聚類類別,即預測目標,K ∈ (M1、M2、M3、M4、M0);Xij是 Ⅰ類聚類對象對j個聚類指標所擁有的白化函數(shù);YKj(Xij)為Xij屬于第K類地震的權(quán)重,即功效函數(shù);σiK為第i個預測單元關(guān)于K種類別的灰色聚類系數(shù);ηKi為標準聚類權(quán)。

預測結(jié)果 σi:σi=max(σi1,σi2,σi3,σi4,σi5),取聚類系數(shù)最大的那一類,即為所判斷的預測單元及各組合方案所屬的類型。

3.3.2 預測結(jié)果

對研究區(qū)按分區(qū)組合進行灰色聚類分析,各誘震因子組合方案的功效函數(shù)從表2中得來,λKj值統(tǒng)計列入表3,標準權(quán)ηKi列入表4?；疑垲惙治鲇嬎愕慕Y(jié)果見表5。對每1個預測單元,取5個聚類類別中聚類系數(shù)最大者,即認為是該單元預測的可能發(fā)震強度。

從表5灰色聚類分析結(jié)果來看,第一庫段和第三庫段發(fā)生M4的概率最大,其次為M0,第二庫段發(fā)生水庫誘發(fā)地震的震級大小決定米亞斷裂的活動與否,其相應的可能發(fā)震概率分別為M1和M4。

綜合分析,庫壩區(qū)發(fā)生水庫誘發(fā)地震的可能性是存在的,第一和第三庫段以微震為主,第二庫段具有發(fā)生中 ～強水庫地震的可能。

表3 塊狀層狀巖體庫段λKj值統(tǒng)計

表4 塊狀層狀巖體庫段標準權(quán)ηKi

表5 灰色聚類分析計算結(jié)果

4 水庫誘發(fā)地震綜合評價[7]

4.1 水庫誘發(fā)地震預測結(jié)果分析

通過前面的地震地質(zhì)類比分析,概率統(tǒng)計檢驗法和灰色聚類分析等方法的預測,可以看出,三種不同方法預測的結(jié)果具有一定的差別,需要進行綜合評價。

地震地質(zhì)類比分析方法預測水庫的第一庫段、第三庫段具有誘發(fā)弱～微震的可能,概率統(tǒng)計檢驗法預測水庫不發(fā)生水庫誘發(fā)地震的概率最大,而灰色聚類分析方法預測水庫誘發(fā)微震的概率最大。地震地質(zhì)類比分析方法預測第二庫段發(fā)生中～強水庫地震,統(tǒng)計檢驗預測水庫發(fā)生微震的概率最大,灰色聚類分析方法預測發(fā)生水庫誘發(fā)地震強震的概率最大?，F(xiàn)對三種結(jié)果進行綜合分析。

對于第一、第三庫段,三種方法預測結(jié)果差別不大,基本是不發(fā)震或發(fā)生弱震,按發(fā)生弱震考慮是合適的。

第二庫段按著地震地質(zhì)類比分析,米亞特斷裂屬區(qū)域性活動斷裂,該斷裂在水庫區(qū)出露,按著超深水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)面孕震等級考慮,是具有誘發(fā)強烈地震可能的?？紤]該斷裂歷史上雖發(fā)生過地震,但震級為小震,說明該斷裂的孕震水平較低。工程區(qū)附近地震活動水平微弱,以小震為主,最大為4.0級。因此,考慮一定的安全裕度,最大可能的發(fā)震等級不會超過4.5級。統(tǒng)計檢驗法預測發(fā)生微震的概率最大,和目前該斷裂的發(fā)震情況是吻合的?；疑垲惙治龇椒A測發(fā)生強震的概率最大,是基于該斷裂的活動性判斷的。如果該斷裂在工程區(qū)內(nèi)活動性不強,則預測結(jié)果為發(fā)生微震的概率最大。綜合以上分析,判斷該斷裂存在誘發(fā)水庫地震的可能,最大震級不會超過4.5級。

4.2 最大可能震級和發(fā)震地點

根據(jù)以上分析,水庫蓄水后,初步判斷第一庫段和第三庫段發(fā)生微震的地點可能和斷層有關(guān),具有一定的隨機性。第二庫段發(fā)生水庫地震的地點為米亞斷裂帶附近。

4.3 衰減規(guī)律

近年來,地震部門對新疆地區(qū)地震衰減關(guān)系取得了較多的研究成果,建立了地震烈度衰減關(guān)系,提出了中國西部烈度衰減公式如下:

根據(jù)上述公式計算,在水庫可能誘發(fā)4.5級地震時,對壩址區(qū)的影響烈度不會超過6度。低于本區(qū)的地震基本烈度8度。

5 結(jié) 論

阿爾塔什水利樞紐為高壩大庫,水庫區(qū)存在超深水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)面;深水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)面;淺水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)面和表層水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)面。因而存在水庫誘發(fā)地震的可能性。

根據(jù)水庫區(qū)的地層巖性和地質(zhì)構(gòu)造情況,將庫區(qū)劃分三個庫段。第一庫段和第三庫段巖性和構(gòu)造情況基本類似,發(fā)生水庫誘發(fā)地震的可能等級為微震,對工程沒有影響。第二庫段受米亞斷裂是阿爾塔什水利樞紐水庫誘發(fā)地震的控制因素。通過采用地震地質(zhì)類比分析、概率同級檢驗法和灰色聚類分析,水庫存在誘發(fā)地震的可能,最大震級不會超過4.5級,可能的發(fā)震地點在斷裂附近,對壩址區(qū)的影響烈度小于6度,低于壩址區(qū)的基本烈度,對水工建筑物不會產(chǎn)生不利影響。

[1] 中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局,中國國家標準化管理委員會.GB21075-2007.水庫誘發(fā)地震危險性評價[S].北京:中國標準出版社,2007:1.

[2] 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設部,中華人民共和國水利部.GB50487-2008.水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范[S].北京:中國計劃出版社,2009:18.

[3] 杜運連,王洪濤,袁麗文.我國水庫誘發(fā)地震研究[J].地震,2008,28(4):39-51.

[4] 中華人民共和國建設部,中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局.GB50287-2006.水力發(fā)電工程地質(zhì)勘察規(guī)范[S].北京:中國計劃出版社,2008:17.

[5] 于遠祥,楊勇,葉萬軍.灰色聚類分析在地質(zhì)災害綜合區(qū)劃中的應用[J].煤田地質(zhì)與勘探,2009,(3):11.

[6] 賀為民,李智毅,劉敏,等.應用灰色聚類法預測小浪底水庫誘發(fā)地震最大震級[J].華北地震科學,2000,(1):26-30.

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