林松建，林錦華

(福建省地震局，福建 福州 350005）

0 引言

長泰縣枋洋水利樞紐工程是由上存多年調(diào)節(jié)水庫、溪口水閘、上存-溪口引水隧洞及溪口-許莊跨流域引水隧洞等建筑物組成，應(yīng)用溪口水閘擋水，經(jīng)溪口-許莊引水隧洞自流引水至石兜（坂頭）水庫，再由坂頭水庫輸往廈門市區(qū)。上存水庫壩址集雨面積214 km2，正常蓄水位201 m，相應(yīng)庫容11 388萬m3，庫水面積3.5 km2，最大壩高89.3 m。

我們在針對上存水庫開展地震安全性評價(jià)工作過程中，收集并分析了庫區(qū)地質(zhì)背景、構(gòu)造應(yīng)力場、地震活動(dòng)，對上存水庫與周邊水庫的類比及對上存水庫最大誘發(fā)地震及地震發(fā)生的概率進(jìn)行預(yù)測，最終給出了上存水庫誘發(fā)地震可能性和危險(xiǎn)性的結(jié)論，對工程設(shè)防設(shè)計(jì)具有參考意義。

1 庫區(qū)地質(zhì)背景

1.1 地形地貌

工程區(qū)位于福建省東南部長泰縣境內(nèi)，區(qū)內(nèi)地貌受地質(zhì)構(gòu)造和巖性控制，屬于中低山剝蝕地貌，山頂多呈渾園狀或尖頂狀，山坡較陡，一般山峰在100～500 m之間，河谷深切，植被發(fā)育良好。

水庫屬于山區(qū)狹長河谷型水庫，河床底高程在134～180 m之間，兩岸山峰高程在300～650 m之間，山坡坡度一般為30°～50°。庫周植被發(fā)育。正常蓄水位201 m時(shí)，水庫長約8.3 km，水庫寬300～700 m。

1.2 地層巖性

國內(nèi)外大型水庫震例資料的統(tǒng)計(jì)分析表明，庫區(qū)巖性條件是水庫誘發(fā)地震最明顯的相關(guān)因素之一。碳酸鹽巖類是有利于誘發(fā)地震的巖性之一，其次是花崗巖類，亦有震例發(fā)生于玄武巖區(qū)，而松散巖、碎屑巖沒有發(fā)現(xiàn)水庫誘發(fā)地震的震例[1]。因此庫區(qū)巖性條件的分析是水庫誘發(fā)地震研究的重要方面之一。

由于每一水庫的巖性組合、出露情況都各具特點(diǎn)，即使同屬于一類巖石，其巖石力學(xué)性質(zhì)、水文地質(zhì)特性等多方面的性質(zhì)都有一定的差異，具體確定某一水庫在某類地層巖性區(qū)將是否發(fā)震也是非常困難的。以往的研究進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，巖溶的發(fā)育程度，是決定碳酸鹽巖區(qū)是否發(fā)震的關(guān)鍵因素之一，此外巖層的發(fā)育規(guī)模與庫水的接觸面積也都是重要的影響因素。

庫區(qū)內(nèi)出露的地層主要有：侏羅系上統(tǒng)南園組第二段（J3nb），流紋質(zhì)晶屑凝灰?guī)r、熔結(jié)凝灰?guī)r、凝灰熔巖，侏羅系次花崗斑巖（γπJ3）等，燕山晚期第二次侵入的二長花崗巖（ηγ53(1)b），以及第四系坡殘積和沖洪積堆積。

在水庫的未來淹沒地段主要地層有侏羅系上統(tǒng)南園組第二段凝灰?guī)r（J3nb）和侏羅系次花崗斑巖（γπJ3）（圖1）。其中南園組第二段凝灰?guī)r（J3nb）為火山碎屑巖，不容易發(fā)生水庫誘發(fā)地震，而次花崗斑巖 （γπJ3）為花崗巖類巖性，存在發(fā)生水庫誘發(fā)地震的可能。

圖1 庫區(qū)及附近地質(zhì)構(gòu)造圖Fig.1 Tectonic map in the ShangCun reservoir area and its adjacent area

1.3 庫區(qū)斷裂構(gòu)造

庫區(qū)附近經(jīng)過多次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，構(gòu)造形跡復(fù)雜，但多被中生代火山巖覆蓋。中生代，特別是晚侏羅世中晚期火山巖和燕山期侵入巖廣泛發(fā)育，基底巖石出露較少，主要表現(xiàn)為繼承性的斷裂活動(dòng)和小規(guī)模的巖漿侵入。自白堊世以來，本區(qū)構(gòu)造相對穩(wěn)定。庫區(qū)所處的新構(gòu)造分區(qū)為閩中斷塊掀斜隆升區(qū)內(nèi)，該區(qū)斷塊由西向東掀斜上升，反映在戴云山脈兩坡的不對稱性，西坡陡峻，東坡和緩，地勢呈階梯狀下降。場地所處的斷塊以掀斜作用為主，新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)為垂直的升降運(yùn)動(dòng)。

庫區(qū)內(nèi)共發(fā)現(xiàn)7條斷層，斷層以NW向?yàn)橹?，NE向只有一條F11（圖1），這些斷層破碎帶寬一般1～2 m，F(xiàn)4、F11斷層破碎寬度達(dá)5～20 m，破碎帶充填構(gòu)造角礫巖，帶中構(gòu)造透鏡體發(fā)育，并見有巖脈侵入，帶內(nèi)巖石破碎，詳見表1。

位于庫首附近的上存斷裂（F26）和南坑斷裂（F9）活動(dòng)年代相對較新，為第四紀(jì)早期斷裂，庫區(qū)其余斷裂活動(dòng)年代較老，均為前第四紀(jì)活動(dòng)斷裂。因此，庫首附近的上存斷裂 （F26）和南坑斷裂（F9），以及通過次花崗斑巖的高帶嶺斷裂（F2）和望對山斷裂（F3）存在發(fā)生水庫誘發(fā)地震的可能?？梢耘懦祗脦r斷裂（F11）和崎山寨斷裂（F25）發(fā)生誘發(fā)地震的可能。

表1 上存庫區(qū)斷層一覽表Table 1 Fault list of the ShangCun Reservoir area

1.4 水文地質(zhì)條件

根據(jù)福建省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院提供的工程地質(zhì)報(bào)告，庫區(qū)地下水類型主要為孔隙潛水和裂隙潛水兩種?？紫稘撍饕x存于第四系地層中、裂隙潛水主要賦存于斷裂帶中。地下水受大氣降水補(bǔ)給，向河流沖溝排泄。

水庫四周山脈連綿，山體雄厚。組成庫盆的巖性主要為侏羅系上統(tǒng)南園組凝灰?guī)r、凝灰熔巖，次花崗斑巖等堅(jiān)硬致密的塊狀巖石，巖石透水率小。未發(fā)現(xiàn)通向庫外的斷裂破碎帶，水庫無永久性滲漏問題。

根據(jù)鉆孔的水文資料，地下水位埋深：左岸10～30 m，右岸15～39 m。

巖體透水性隨裂隙發(fā)育程度和風(fēng)化狀態(tài)而異。斷層破碎帶及裂隙密集帶為弱-中等透水性，弱-微風(fēng)化巖體透水率大部分小于1 Lu，屬微透水性。根據(jù)上存壩區(qū)32個(gè)鉆孔的壓水試驗(yàn) （共315段）統(tǒng)計(jì)，其中微透水性 （q≤1 Lu）有165段，占52.4%；弱透水性 （1 Lu＜q≤10 Lu）有102段，占32.4%；中等透水層 （10 Lu＜q≤100 Lu）有48段，占15.2%。

相對隔水層 （q≤3 Lu）頂板埋深：左岸一般20～30 m，最深可達(dá)42.5 m；河床8～20 m；右岸一般10～35 m，最深可達(dá)56.55 m。

地表水類型為重碳酸鈣鈉鉀水和重碳酸氯化鈉鉀鈣水，地下水為重碳酸氯化鈉鉀水。

2 庫區(qū)現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力場

現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力場是驅(qū)動(dòng)地殼斷裂構(gòu)造活動(dòng)并孕育發(fā)生地震的基本原因，不同方向的斷裂活動(dòng)的性質(zhì)及其發(fā)生的震源力學(xué)特征，反映了區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場的特征。因此，根據(jù)地震的震源機(jī)制解分析反推地震發(fā)生地區(qū)的現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力場。

2.1 單個(gè)地震的震源機(jī)制解

本次工作收集了21個(gè)小震地震震源機(jī)制解結(jié)果列于表2[2]①黃向榮，劉玉森，龍清風(fēng)，等.福建省地震現(xiàn)場調(diào)查報(bào)告匯編.福建地震，2000.。表2中的結(jié)果繪于圖2中。由于震級小，單個(gè)結(jié)果并不等同于構(gòu)造應(yīng)力場的最大、中等、主張應(yīng)力軸方向，但地震應(yīng)是在區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場作用下發(fā)生的，大量的單個(gè)地震震源機(jī)制解結(jié)果，可以描繪出現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力場的輪廓，這些地震的斷層錯(cuò)動(dòng)方式在反映應(yīng)力場作用方面就具有一定的代表性。

表2 單個(gè)地震的震源機(jī)制解參數(shù)Table 2 Parameters of the focal mechanism solution of a single earthquake

表2中所列數(shù)據(jù)及圖2顯示，區(qū)內(nèi)21個(gè)震源機(jī)制解應(yīng)力主軸P、T軸方向較離散，但也存在優(yōu)勢方向，水平最大主應(yīng)力方位優(yōu)勢方位為NW－SE方向。P軸與水平夾角較離散，而T軸與水平夾角一般小于30°。斷層運(yùn)動(dòng)性質(zhì)主要以走滑和正斷層活動(dòng)為主，走滑型地震為10次，正斷層型地震7次，還有3次正走滑運(yùn)動(dòng)性質(zhì)和1次地震斷層運(yùn)動(dòng)性質(zhì)無法確定。因此本區(qū)斷層活動(dòng)主要以走滑和正斷層活動(dòng)為主。

2.2 小震綜合節(jié)面解分析

由多個(gè)地震求得的綜合節(jié)面解，可以判斷地震所發(fā)生有構(gòu)造應(yīng)力場特征。作者在不同項(xiàng)目所作的3組小震綜合節(jié)面解結(jié)果列于表3[2]。從表中可見本區(qū)平均P軸和T軸均為水平方向，P軸方位為NW-SE向，T軸方位為NE-SW向。P軸可能取向的空間方位投影圖見圖3。

表3 小震綜合節(jié)面解Table 3 Parameter of composite mechanism solutions

圖2 地震構(gòu)造應(yīng)力場水平向主壓應(yīng)力軸方位分布圖Fig.2 Distribution of the maximum principal stress axis of the tectonic stress field

從圖3P軸可能取向看，P軸方向取向大致為N306°W至N325°W，P軸仰角較小，為近水平方向，仰角也存在近垂直的可能，說明本區(qū)應(yīng)力場主要以擠壓走滑運(yùn)動(dòng)為主，也存在正斷層運(yùn)動(dòng)性質(zhì)地震。

圖3 3個(gè)中小地震綜合震源機(jī)制解P軸可能取向（順序同表3）Fig.3 TP-axis possible direction of the 3 group composite mechanism solutions(Sequence number is the same as in Table 3)

2.3 地震構(gòu)造應(yīng)力場綜述

通過對小震綜合節(jié)面解和單個(gè)地震震源機(jī)制解的研究，認(rèn)為擬建工程所處地區(qū)的現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力場與區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場特征基本一致?，F(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力場P軸為北西－南東方向，P傾角主要以近水平方向?yàn)橹鳎泊嬖趦A角較大的可能。T軸為北東-南西方向，T軸傾角一般較小。因此，工程所處地區(qū)構(gòu)造應(yīng)力場主要以剪切運(yùn)動(dòng)性質(zhì)地震為主，也存在正斷層運(yùn)動(dòng)性質(zhì)的地震，在這樣應(yīng)力場中，北東向斷裂易于發(fā)生走滑型地震，北西向斷裂易于發(fā)生正斷層型地震。

3 庫區(qū)附近地震活動(dòng)

擬建水庫庫區(qū)10 km范圍內(nèi)，自1970年至2011年12月，區(qū)內(nèi)共記錄到1.0級以上地震有18個(gè)，最大地震為2.6級 （ML），其中震級M 1.0～1.9級有11次，2.0～2.9級7次 （表4、 圖 4）。

表4 庫區(qū)10km范圍內(nèi)小震目錄 （M≥2.0）Table 4 Earthquake catalog (M≥2.0）in 10km radius of the ShangCun Reservoir area

圖4 庫區(qū)10 km范圍內(nèi)地震震中分布圖Fig 4 Epicenter distribution of earthquakes within 10km of the ShangCun Reservoir area

從庫區(qū)10 km范圍內(nèi)地震震中分布看 （圖4），庫區(qū)5 km范圍內(nèi)地震很少，只有4次1級地震，考慮到地震臺網(wǎng)監(jiān)測能力，小震震中定位不一定準(zhǔn)確，震中位置僅供參考。

4 水庫誘發(fā)地震條件的類比

目前福建省已建成的大型水庫19座，其中位于東部沿海 （政和-海豐斷裂帶以東）有：水口水庫、街面水庫、古田水庫、洪口水庫、東圳水庫、芹山水庫、東張水庫、峰頭水庫、山仔水庫、南一水庫、惠女水庫、水東水庫、金鐘水庫。位于西部內(nèi)陸有：棉花灘水庫、沙溪口水庫、安砂水庫、白沙水庫、池潭水庫、萬安水庫、東溪水庫。

福建省東部沿海與西部內(nèi)陸在地層巖性上具有明顯的差異，即東部沿海以火山巖為主，后期花崗巖侵入，而西部內(nèi)陸主要以沉積地層為主，后期同樣有花崗巖侵入，因此東部沿海水庫庫區(qū)巖性特征基本相似，在已建成的大型水庫中只有水口水庫有較明顯的水庫誘發(fā)地震[3、4]，且水口水庫是大型水庫 （庫容26億m3），而與上存水庫相當(dāng)規(guī)模的水庫均未發(fā)生水庫誘發(fā)地震。

水庫誘發(fā)地震與水庫規(guī)模、巖性、構(gòu)造、滲透條件、應(yīng)力狀態(tài)和區(qū)域地震活動(dòng)背景等因素有關(guān)，就發(fā)震概率而言，隨壩高 （水深）和庫容增大而明顯增高，從我國水庫地震統(tǒng)計(jì)看，庫容1億m3至10億m3的大型水庫，其發(fā)震概率約為1%[5]、①中國地震局地質(zhì)研究所北京中震創(chuàng)業(yè)工程科技研究院.怒江鹿馬登水電站工程場地地震安全性評價(jià)和水庫誘發(fā)地震評價(jià)報(bào)告，2006.。

從應(yīng)力狀態(tài)看上存水庫與東部沿海其它水庫相似，庫區(qū)沒有區(qū)域性大斷裂帶通過，斷裂規(guī)模較小，斷裂活動(dòng)年代較早，較新的斷裂活動(dòng)年代為第四紀(jì)早期。從上述條件的類比，可看出上存水庫發(fā)生水庫誘發(fā)地震的可能性較小。

5 水庫誘發(fā)地震預(yù)測

5.1 水庫誘發(fā)地震的概率法預(yù)測

水庫誘發(fā)地震是多種因素綜合作用的結(jié)果。目前很難找出與哪些因素或哪種因素存在必然的聯(lián)系，而且有些因素存在不確定性，因此采用概率統(tǒng)計(jì)的貝葉斯方法進(jìn)行研究。研究知道庫深、庫容、應(yīng)力狀態(tài)、斷裂活動(dòng)性、巖性介質(zhì)、地震活動(dòng)背景等六種因素與水庫誘發(fā)地震密切相關(guān)。按誘發(fā)地震的震級劃分為4類。Ⅰ類是M＞5.0、Ⅱ類是5.0≥M＞4.0、Ⅲ類是4.0≥M＞3.0、Ⅳ類是3.0≥M。

單因素發(fā)震概率計(jì)算公式為：

（1）式中Mi表示RIS事件震級的類別，A表示某一因素狀態(tài)。若綜合考慮六種誘震因素的發(fā)震概率公式為：

（2）式中的M和D、V、S、F、R、B分別表示RIS事件震級和庫深、庫容、區(qū)域應(yīng)力狀態(tài)、斷裂活動(dòng)性、巖性和地震活動(dòng)背景六種因素。每種因素狀態(tài)范圍列于表5。研究表明六種因素狀態(tài)是相互獨(dú)立的。根據(jù)已發(fā)生誘發(fā)地震和未發(fā)生誘發(fā)地震的水庫條件，結(jié)合要預(yù)測水庫的具體條件可計(jì)算出不同震級的發(fā)震概率，按公式（1）求出所有單因素的發(fā)震概率。表6列出了268座深大水庫單因素狀態(tài)的發(fā)震概率，其中發(fā)震的有61座。把待評價(jià)的水庫條件用公式（2）計(jì)算出多因素條件下不同震級的發(fā)震概率[6、7]。

上存水庫的誘震因素狀態(tài)：庫深D3(89 m)、庫容V3(1.2億m3)、區(qū)域應(yīng)力狀態(tài)S2(拉張)、斷層活動(dòng)性F2(不活動(dòng))、巖性條件R2(火成巖)、地震活動(dòng)背景B2(弱震區(qū))，用公式（2）計(jì)算得到Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四類地震發(fā)震概率分別為：0.006、0.136、0.221、0.638。從計(jì)算結(jié)果可以看出上存水庫發(fā)生5.0級以上地震的概率非常低，發(fā)生4.0級左右地震的概率有一些可能，發(fā)生3.0級以下地震的概率非常高。

表5 水庫誘震因素狀態(tài)Table 5 Factors and states of reservoir induced earthquakes

表6 各單因素狀態(tài)的誘震概率Table 6 Probability induced earthquake by each singe factor

5.2 水庫誘發(fā)地震的構(gòu)造法預(yù)測

水庫誘發(fā)最大震級的地震與斷裂構(gòu)造的規(guī)模有密切關(guān)系。斷裂的長度與地震強(qiáng)度 (或地震震級M)的關(guān)系因地區(qū)不同而異，但總的表現(xiàn)為半對數(shù)線性規(guī)律。目前，斷裂長度與震級的統(tǒng)計(jì)關(guān)系式有數(shù)十種。由于上存水庫發(fā)育的斷裂構(gòu)造中北西向斷裂多呈張性，具有較好的滲水性，具備誘發(fā)地震可能。因此，我們和曾心傳等從國內(nèi)外21例水庫地震震級與發(fā)震斷層長度得到的統(tǒng)計(jì)關(guān)系式[8]（1）式，來估算上存水庫可能誘發(fā)的最大地震。

通過庫區(qū)活動(dòng)年代較新的北西向斷裂有南坑斷裂（F9）和上存斷裂（F26），水庫淹沒的長度分別為0.525 km和0.765 km，將其代入公式（1）計(jì)算得到MS＝0.8和MS＝1.4。

通過庫區(qū)次花崗斑巖的高帶嶺斷裂（F2）和望對山斷裂（F3），水庫淹沒的長度分別為1.310 km 和 1.650 km， 將其代入公式（1）計(jì)算得到 MS＝2.2和 MS＝2.5。

5.3 綜合影響參數(shù)E預(yù)測法

該方法認(rèn)為影響水庫誘發(fā)地震的因素至少包括庫深D、庫容V和水庫面積S[9]。即庫水越深，裂隙水壓力也就越高；同時(shí)庫水越深，庫容越大，庫下固體附加的應(yīng)力也就越大；水庫面積越大碰到的斷裂機(jī)會(huì)越多，對深部的影響也越大。用綜合影響系數(shù)E表征上述三個(gè)參數(shù)的統(tǒng)一作用，即定義：E＝DS/V，并給出了綜合影響參數(shù)E與最大震級的統(tǒng)計(jì)回歸線性方程： MS＝-4.725＋1.196E＋1.242LnD。

根據(jù)上存水庫可行性研究報(bào)告，上存水庫：庫深D＝89 m （取最高壩址），庫容V＝1.2億m3，水庫面積S＝3.5 km2。求得，E＝DS/V＝2.6。代入綜合影響參數(shù)E與最大震級關(guān)系式中求得， MS＝3.9。

5.4 誘發(fā)地震綜合分析

從概率預(yù)測和最大誘發(fā)地震估算看，上存水庫存在發(fā)生3.9級地以下誘發(fā)地震的可能。根據(jù)水庫地震烈度衰減規(guī)律[10]，極震區(qū)地震烈度可能會(huì)達(dá)到Ⅵ度。

6 結(jié)論

（1）擬建水庫所處地區(qū)的現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力場與區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場特征基本一致?，F(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力場P軸為北西－南東方向，P傾角主要以近水平方向?yàn)橹鳎籘軸為北東-南西方向，T軸傾角一般較小。因此，工程所處地區(qū)構(gòu)造應(yīng)力場主要以剪切運(yùn)動(dòng)性質(zhì)地震為主，也存在正斷層運(yùn)動(dòng)性質(zhì)的地震，在這樣應(yīng)力場中，北東向斷裂易于發(fā)生走滑型地震，北西向斷裂易于發(fā)生正斷層型地震。

（2）庫區(qū)沒有區(qū)域性大斷裂帶通過，斷裂規(guī)模較小，斷裂活動(dòng)年代較早，較新的斷裂活動(dòng)年代為第四紀(jì)早期。與周邊水庫類比，上存水庫發(fā)生較明顯的誘發(fā)地震可能性少。

（3）從概率預(yù)測和最大誘發(fā)地震估算看，上存水庫存在發(fā)生4級以下誘發(fā)地震的可能。極震區(qū)地震烈度可能會(huì)達(dá)到Ⅵ度，尚未達(dá)到當(dāng)?shù)氐卣鸹玖叶?。水庫建設(shè)可不用考慮水庫誘發(fā)地震的影響。

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