吳建超，張麗芬，蔡永建，繆衛(wèi)東，雷東寧，余 松，喬岳強(qiáng)

(1.中國(guó)地震局地震研究所 (地震大地測(cè)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)

重慶羊頭鋪水庫(kù)誘發(fā)地震分析研究*

吳建超1，2，張麗芬1，蔡永建1，2，繆衛(wèi)東1，2，雷東寧1，2，余 松1，2，喬岳強(qiáng)1，2

(1.中國(guó)地震局地震研究所 (地震大地測(cè)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(guò)實(shí)地調(diào)查并結(jié)合前人研究成果，綜合分析了羊頭鋪水庫(kù)區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造背景、地震活動(dòng)性及水文地質(zhì)條件等。在此基礎(chǔ)上，應(yīng)用構(gòu)造類比法和概率預(yù)測(cè)法對(duì)羊頭鋪水庫(kù)誘發(fā)地震的可能性進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，庫(kù)區(qū)南段有發(fā)生水庫(kù)誘發(fā)地震的可能性，發(fā)生MS1.0～3.0地震的概率約為0.19，誘發(fā)最大地震強(qiáng)度為MS3.0左右。而庫(kù)區(qū)北段有發(fā)生MS1.0地震的可能性，發(fā)震概率僅為0.03。

羊頭鋪水庫(kù);構(gòu)造類比法;概率預(yù)測(cè)法;水庫(kù)誘發(fā)地震

0 引言

羊頭鋪水電站位于重慶市彭水縣保家鎮(zhèn)羊頭鋪鄉(xiāng)郁江上游1.6 km處，為河床式水電站。設(shè)計(jì)重力壩高44 m，壩長(zhǎng)235 m，正常蓄水位247 m，水庫(kù)總庫(kù)容1.44×108m3，屬Ⅲ等中型水庫(kù)。該水庫(kù)的興建對(duì)郁江下游防洪、減淤及水資源開(kāi)發(fā)利用等具有重要戰(zhàn)略意義①國(guó)家電力公司西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院.2000.重慶市澎水縣羊頭鋪水利樞紐工程初步設(shè)計(jì)報(bào)告.。

水庫(kù)蓄水誘發(fā)地震活動(dòng)的研究一直被地學(xué)界所重視，人們對(duì)水庫(kù)誘發(fā)地震的研究已有超過(guò)60年的歷史。目前，國(guó)內(nèi)外已有140余座水庫(kù)誘發(fā)了地震，其中我國(guó)就有24例水庫(kù)誘發(fā)地震事件 (王建平，2010;Gupta，2002)。水庫(kù)誘發(fā)地震對(duì)水庫(kù)工程設(shè)施能產(chǎn)生不同程度的破壞，并能引發(fā)嚴(yán)重的次生災(zāi)害 (吳建超，2009)。羊頭鋪水庫(kù)于2008年開(kāi)始設(shè)計(jì)建設(shè)，水庫(kù)蓄水后是否會(huì)誘發(fā)地震，誘震的震中、強(qiáng)度及其對(duì)庫(kù)周環(huán)境的影響等與電站水庫(kù)所處的環(huán)境密切相關(guān)。因此，分析研究羊頭鋪水庫(kù)的誘發(fā)地震問(wèn)題是十分必要的。本文在分析羊頭鋪水庫(kù)區(qū)地質(zhì)構(gòu)造背景、地震活動(dòng)性及水文地質(zhì)條件等資料的基礎(chǔ)上，對(duì)庫(kù)區(qū)誘發(fā)地震的可能性進(jìn)行了分析計(jì)算，為進(jìn)一步開(kāi)展水庫(kù)誘發(fā)地震的監(jiān)測(cè)研究和防震減災(zāi)工作奠定基礎(chǔ)。

1 區(qū)域地震構(gòu)造背景

1.1 區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造

羊頭鋪庫(kù)區(qū)位于揚(yáng)子準(zhǔn)地臺(tái)上揚(yáng)子臺(tái)褶帶黔江拱褶斷束，其北西側(cè)以巫山—金佛山基底斷裂為界，與四川臺(tái)坳川東褶皺束相接。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②武漢地震工程研究院.2008.重慶市彭水縣羊頭鋪水電站，三江口水利樞紐工程水庫(kù)誘發(fā)地震危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)報(bào)告.。水庫(kù)區(qū)大部分處在郁江背斜西翼，并涉及到普子復(fù)向斜東翼部分。

羊頭鋪庫(kù)區(qū)及外圍出露的斷裂主要為郁山斷裂帶，其次為大堰塘斷裂及其它規(guī)模較小的斷層。主要斷裂概況如圖1、表1所示，這些斷裂均屬早、中更新世斷裂，晚更新世以來(lái)沒(méi)有活動(dòng)的跡象。

表1 羊頭鋪水庫(kù)近場(chǎng)區(qū)內(nèi)主要斷裂概況Tab.1 Main faults in the near-field region of Yangtoupu reservoir

圖1 羊頭鋪水庫(kù)區(qū)地震構(gòu)造圖Fig.1 Seismotectonic map of the Yangtoupu reservoir region

1.2 地形地貌

羊頭鋪水庫(kù)占據(jù)著南西流向的郁江下游普家壩至羊頭鋪河段，長(zhǎng)約15.5 km，郁江河谷及其兩側(cè)的地形地貌有一定差異 (圖2)。整個(gè)庫(kù)區(qū)段發(fā)育較典型的山區(qū)曲流河河谷地貌，由北向南大致可分為兩段。北段由張家壩至庫(kù)尾，呈曲流寬谷地貌，谷寬500～2 000 m，地面高程280～480 m，主泓道蜿蜒曲折，并出現(xiàn)多處邊灘和沙洲江心灘。河谷中普遍發(fā)育3～4級(jí)階地。南段由張家壩至羊頭鋪，主泓道發(fā)育在長(zhǎng)而窄的峽谷中，谷寬一般為30～80 m，地面高程為230～600 m，微地貌呈不對(duì)稱的“V”型峽谷。谷地下部?jī)蓚?cè)為相對(duì)高度80～120 m的近垂直陡峭的谷坡，底部完全被河床所據(jù)，極少有河床堆積物，局部呈嶂谷、隘谷形態(tài)。谷地上部?jī)蓚?cè)為坡角30°～45°的緩坡。其中南段為羊頭鋪水庫(kù)深度和蓄水量最大的地段。

圖2 羊頭鋪水庫(kù)近場(chǎng)區(qū)衛(wèi)星地貌影像圖 (■:壩址)Fig.2 Satellite landform image of the near-field region of Yangtoupu reservoir(■:Dam)

2 庫(kù)區(qū)地震活動(dòng)背景

在羊頭鋪水庫(kù)區(qū)10 km范圍內(nèi)，歷史和現(xiàn)今地震活動(dòng)水平較低，除1855年彭水4級(jí)地震外，近40年來(lái)僅有9次小震活動(dòng)，且多集中在庫(kù)區(qū)北部和西部5～8 km的范圍內(nèi)，最大震級(jí)為發(fā)生在文家壩附近的ML3.8地震，小震活動(dòng)與郁山斷裂帶缺乏相關(guān)性。

庫(kù)區(qū)外圍150 km范圍內(nèi)較大中強(qiáng)地震有1856年咸豐6級(jí)地震、1854年南川5級(jí)地震、1931年利川5級(jí)地震等，對(duì)庫(kù)區(qū)的影響烈度均不超過(guò)V度。

圖3 羊頭鋪水庫(kù)區(qū)碳酸鹽巖透水層與碎屑巖隔水層分布圖Fig.3 Distribution map of the carbonate permeable layer and clastic rock impermeable layer in Yangtoupu reservoir region

3 水庫(kù)誘發(fā)地震危險(xiǎn)性分析

3.1 誘發(fā)地震的地震地質(zhì)條件

水庫(kù)誘發(fā)地震是復(fù)雜的科學(xué)問(wèn)題，目前還處在探索階段。根據(jù)陳蜀俊等 (2005)的研究成果，水庫(kù)誘發(fā)地震的類型可分為構(gòu)造型、巖溶型和應(yīng)力局部調(diào)整型3類，但這3類水庫(kù)誘發(fā)地震又各具不同的發(fā)震條件。因此，從已發(fā)地震經(jīng)驗(yàn)類比總結(jié)出來(lái)的發(fā)震條件是分析判斷水庫(kù)是否會(huì)誘發(fā)地震的基礎(chǔ)。

庫(kù)區(qū)巖性條件對(duì)庫(kù)水向地下滲透起著重要作用。在我國(guó)已發(fā)生的27例水庫(kù)地震中，發(fā)生在碳酸鹽巖地層中的地震有18例，占66%，發(fā)生在花崗巖類巖石中的地震有5例，約占18%(楊清源，1996;葉支權(quán)等，2010)。因此，巖性條件是產(chǎn)生水庫(kù)誘發(fā)地震的直接要素，同時(shí)也是討論水庫(kù)誘發(fā)地震的重要依據(jù)。

縱觀羊頭鋪水庫(kù)的地震地質(zhì)條件:

(1)庫(kù)區(qū)南段長(zhǎng)約4.5～5.0 km，主要由傾向北西的中寒武統(tǒng)和下奧陶統(tǒng)次生灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r、泥質(zhì)白云巖和生物碎屑灰?guī)r組成。這類地層絕大部分具有可溶性，沿層面和裂隙巖溶地貌發(fā)育。雖然在水庫(kù)左岸的保家樓3大巖溶系統(tǒng)中，發(fā)育有一系列溶洞、溶泉、落水洞、豎井和暗河等，但它們的出露高程大都高于正常庫(kù)水位247 m，因此對(duì)庫(kù)區(qū)的滲漏作用不大。而零星出露在河庫(kù)或河庫(kù)邊坡的巖溶、落水洞，雖然流量不大，且隨季節(jié)變化，但可能導(dǎo)致有利于庫(kù)水滲漏的條件。

庫(kù)區(qū)北段主要由中、下志留統(tǒng)頁(yè)巖、粉砂巖組成，構(gòu)成區(qū)域性隔水層。部分為中、下奧陶統(tǒng)和中寒武統(tǒng)灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r、生物碎屑灰?guī)r夾頁(yè)巖，形成可溶性碳酸鹽巖與非可溶性碎屑巖的復(fù)式組合，構(gòu)成局部較少地下水通道。由于透水的碳酸鹽巖上覆蓋著厚度約500 m的隔水層碎屑巖，并構(gòu)成河床淺部主要基巖，蓄水后，地下水向庫(kù)區(qū)滲漏的可能性較小。

(2)郁山斷裂帶幾乎縱貫庫(kù)區(qū)，從圖1上可以看出，該斷裂帶的走向呈不規(guī)則狀，有些段落穿過(guò)了庫(kù)區(qū)，而有些段落偏離了庫(kù)區(qū)，若以庫(kù)區(qū)為一個(gè)整體，該斷裂一共切割庫(kù)區(qū)5～6個(gè)斷裂段落。斷裂帶寬15～30 m，由一系列分支斷層組成，有多期活動(dòng)，最新活動(dòng)性質(zhì)為正斷。斷裂帶物質(zhì)測(cè)年大部分為中更新世中期，地貌上有不同程度的響應(yīng)，沿?cái)嗔褞o(wú)中強(qiáng)地震記載，但局部有小震活動(dòng)。

該斷裂帶的滲透系數(shù)為2.7×10－3～8.3×10－4cm·s－1，屬中等透水體。斷裂帶內(nèi)存在地下水位略高于水庫(kù)正常水位的地下分水嶺，庫(kù)水有可能通過(guò)斷裂帶向下滲漏，為誘發(fā)地震提供了水體的主要滲透條件。

(3)從較大范圍看，庫(kù)區(qū)現(xiàn)今受NW-SE向構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)控制。在此應(yīng)力場(chǎng)作用下，NE向的郁山斷裂帶有可能產(chǎn)生擠壓變形，亦或左旋活動(dòng)，易于斷裂帶的閉合，而不利于庫(kù)水的滲透作用。

從庫(kù)區(qū)外圍有限的數(shù)據(jù)可見(jiàn)，包括庫(kù)區(qū)在內(nèi)的廣大地段地應(yīng)力τ0值為50 Pa，垂直應(yīng)力σv隨深度增加而迅速減小，庫(kù)區(qū)處于相對(duì)較低的地應(yīng)力背景環(huán)境。依據(jù)羊頭鋪水庫(kù)蓄水后三維數(shù)值模擬計(jì)算的結(jié)果，羊頭鋪庫(kù)首區(qū)庫(kù)水荷載約為0.07 MPa，量值微小，但在郁山斷裂帶的較深部位，出現(xiàn)相對(duì)應(yīng)力集中區(qū)。

綜上所述，羊頭鋪水庫(kù)庫(kù)區(qū)不存在活動(dòng)斷裂，不存在發(fā)生構(gòu)造型水庫(kù)地震的可能。但水庫(kù)蓄水后誘發(fā)巖溶型水庫(kù)地震的可能性較大，主要集中在碳酸鹽巖大面積分布、巖溶管道發(fā)育的庫(kù)段。由于庫(kù)區(qū)岸坡、溝谷地形相對(duì)高差較大，以及庫(kù)區(qū)碳酸鹽巖分布特點(diǎn)，巖層中3～4組結(jié)構(gòu)面易因庫(kù)水滲透作用抗剪強(qiáng)度降低，故有發(fā)生應(yīng)力局部調(diào)整型水庫(kù)地震的可能性。

3.2 構(gòu)造類比分析

該方法根據(jù)對(duì)已發(fā)震水庫(kù)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(kù)中越齊備越典型，該水庫(kù)誘發(fā)地震的可能性就越大 (張秋文等，2005)。

通過(guò)與水庫(kù)規(guī)模、地震地質(zhì)條件等相近的四川銅街子、云南魯布革、湖北前進(jìn)、湖南黃石以及南沖等已發(fā)震水庫(kù)進(jìn)行對(duì)比后發(fā)現(xiàn)，羊頭鋪水庫(kù)庫(kù)區(qū)地層以灰?guī)r和白云巖為主，屬于誘震的有利條件。但含水層地下水循環(huán)主要局限在淺部，未達(dá)到地殼深處，因此水對(duì)地殼中應(yīng)力應(yīng)變的影響僅限于淺部。庫(kù)壩區(qū)發(fā)育有郁山斷裂以及其它多條規(guī)模較小的壓扭性和張扭性次級(jí)斷層，但均不屬于活動(dòng)斷層，斷裂的滲透能力較弱，不大可能積累較大的應(yīng)力應(yīng)變。這兩方面的因素大大制約了該水庫(kù)的誘震能力。因此判定該水庫(kù)發(fā)生構(gòu)造型水庫(kù)誘發(fā)地震的可能性較小。但在水庫(kù)南段有發(fā)生巖溶型水庫(kù)誘發(fā)地震的可能。

3.3 概率預(yù)測(cè)分析

該方法是美國(guó)Packer(1979)和Beacher(1979)提出來(lái)的，其立意是在概率意義上對(duì)一個(gè)新建水庫(kù)的誘發(fā)地震危險(xiǎn)性進(jìn)行預(yù)測(cè)。從現(xiàn)有較大水庫(kù)的可能與誘發(fā)地震有密切關(guān)系的因素進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

水庫(kù)誘發(fā)地震受多種因素的影響，一般把水庫(kù)誘發(fā)地震過(guò)程看成一個(gè)多因素函數(shù)，將影響因素看作隨機(jī)因素，比較真實(shí)全面地獲得水庫(kù)誘震總體組合環(huán)境和誘發(fā)地震活動(dòng)特點(diǎn)的資料，再通過(guò)概率統(tǒng)計(jì)等數(shù)學(xué)模型來(lái)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 (張琦偉等，2005;張林洪等，2004)。

結(jié)合秦嘉政等 (2009)、王秋良等 (2009)的研究，針對(duì)羊頭鋪水庫(kù)的主要影響因素，選用庫(kù)水深度 (D)、庫(kù)區(qū)巖性條件 (G)、區(qū)域應(yīng)力狀態(tài)(S)、斷層活動(dòng)性 (F)、巖溶發(fā)育程度 (K)、與庫(kù)水溝通關(guān)系 (C)和地震活動(dòng)背景 (E)7個(gè)誘震因子進(jìn)行震級(jí)概率預(yù)測(cè)計(jì)算 (表2)。

表2 水庫(kù)誘發(fā)地震影響因素及其狀態(tài)Tab.2 Influence factors and the state of the reservoir-induced earthquake

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

在統(tǒng)計(jì)樣本中，認(rèn)為各誘震因子是相互獨(dú)立的。(1)式中:P(Mi)為不同震級(jí)地震類別的先驗(yàn)概率。根據(jù)國(guó)內(nèi)外46座發(fā)震的大型水庫(kù)，205座未發(fā)震的大型水庫(kù)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，H，C，E/Mi) 為各影響因素組合條件下不同震級(jí)的條件概率 (表3)。

利用MATLAB軟件，計(jì)算得出庫(kù)區(qū)南段和北段分屬5個(gè)發(fā)震震級(jí)的概率，取其中概率值最大者，即認(rèn)為預(yù)測(cè)的可能發(fā)震強(qiáng)度 (表4)。

表3 誘震因子不同狀態(tài)發(fā)震先驗(yàn)概率統(tǒng)計(jì)表Tab.3 Statistical table of earthquake prior probability for the induced-earthquake factors under different states

表4 誘震因子狀態(tài)及統(tǒng)計(jì)模型預(yù)測(cè)結(jié)果Tab.4 The state of the induced earthquake factors and prediction results of the statistical models

由計(jì)算結(jié)果可知，水庫(kù)南段巖性主要以灰?guī)r、泥質(zhì)白云巖等碳酸鹽巖類為主，巖體喀斯特化程度較高，且?guī)r溶管道發(fā)育，發(fā)生1～3級(jí)地震的概率約為0.19。而庫(kù)區(qū)北段不發(fā)震的比例較高，約為0.97，有發(fā)生M1.0地震的可能性，發(fā)震概率為0.03。

4 結(jié)論

羊頭鋪水庫(kù)區(qū)周邊為貧困山區(qū)，農(nóng)民居住房屋質(zhì)量較差，水庫(kù)誘發(fā)地震會(huì)對(duì)居民的生命財(cái)產(chǎn)存在潛在的破壞影響。

因此，綜合羊頭鋪庫(kù)區(qū)地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、地形地貌及巖溶水文地質(zhì)等條件，采用構(gòu)造類比和概率預(yù)測(cè)2種分析方法，分析認(rèn)為庫(kù)區(qū)南段包括郁山斷裂帶分布區(qū)，有發(fā)生水庫(kù)誘發(fā)地震的可能性。而庫(kù)區(qū)北段誘發(fā)地震的可能性較小。

采用概率計(jì)算得到庫(kù)區(qū)南段發(fā)生1～3級(jí)地震的概率約為0.19，誘發(fā)地震最大震級(jí)為M3.0左右。庫(kù)區(qū)北段有發(fā)生M1.0地震的可能性，發(fā)震概率僅為0.03。故庫(kù)區(qū)南段可以排除發(fā)生水庫(kù)誘發(fā)地震的可能性。

衷心感謝劉鎖旺研究員和高士鈞對(duì)本研究的指導(dǎo)!

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Research on Earthquake Induced by Yangtoupu Reservoir in Chongqing

WU Jian-chao1，2，ZHANG Li-fen1，CAI Yong-jian1，2，MIAO Wei-dong1，2，LEI Dong-ning1，2，YU Song1，2，QIAO Yue-qiang1，2
(1.Key Laboratory of Earthquake Geodesy，Institute of Seismology，CEA，Wuhan 430071，Hubei，China)
(2.Wuhan Institute of Earthquake Engineering，Wuhan 430071，Hubei，China)

On the basis of field investigation and previous research，we comprehensively analyzed the tectonic background，seismic activity and hydrogeology condition of the Yangtoupu reservoir.Then we discussed the probability of the earthquake induced by Yangtoupu reservoir using structural-analogy method and probabilistic statistic method.The results show that there is possibility for the southern region of the Yangtoupu reservoir to induce earthquake and the probability of reservoir induced earthquake from M1.0 to M3.0 is about 0.19.The biggest magnitude of the induced earthquake is about M3.0.The northern region of it has little possibility to induce M1.0 earthquake and the probability is only 0.03.

Yangtoupu reservoir;structural-analogy method;probabilistic statistic method;reservoir induced earthquake

P315.7

A

1000－0666(2012)03－0335－06

2011－10－24.

中國(guó)地震局地震研究所基金 (IS201056088)資助.