刁桂苓王曰風馮向東王曉山馮志仁張洪智程萬正李 悅王利兵

1）河北省地震局，石家莊 050021

2）中國地震局工程力學研究所，哈爾濱 150080

溪洛渡庫首區(qū)蓄水后震源機制分析

刁桂苓1）王曰風1）馮向東1）王曉山1）馮志仁2）張洪智2）程萬正2）李 悅2）王利兵1）

1）河北省地震局，石家莊 050021

2）中國地震局工程力學研究所，哈爾濱 150080

目前世界第三大水庫溪洛渡的庫首區(qū)遍布碳酸鹽巖、灰?guī)r，存在溶洞，蓄水后水位升高140m左右，隨之發(fā)生6 000多次地震，但絕大多數(shù)是1級以下微震，最大震級僅僅ML3；集中在庫岸兩側(cè)10km、深度5km、從大壩向上游沿庫盆40km長度的范圍內(nèi)。微小地震對于水庫、大壩的安全沒有產(chǎn)生影響。使用較為密集的水庫數(shù)字地震臺網(wǎng)資料反演得到蓄水前后700多次地震的震源機制，并進一步反演了全區(qū)和分區(qū)的應(yīng)力場，發(fā)現(xiàn)：震源機制空間取向復(fù)雜、破裂類型多樣，應(yīng)力狀態(tài)不均勻、不穩(wěn)定。與他人使用大量天然地震資料反演的區(qū)域應(yīng)力場不一致，表明水庫誘發(fā)地震沒有受到區(qū)域應(yīng)力場的嚴格控制。分析認為庫水涌入溶洞、滲透到裂隙、節(jié)理，原來存在的小斷層面或者間斷面的孔隙壓力增加，摩擦強度、巖石破裂強度降低以及庫水載荷加大造成彈性變形等共同作用是地震的成因。并且首先主要釋放的是已經(jīng)積累的區(qū)域應(yīng)力、局部應(yīng)力，然后才表現(xiàn)出以庫水載荷產(chǎn)生的附加應(yīng)力為主。庫首區(qū)沒有較大的活動斷層，2014年庫水位將再度升高數(shù)十m，伴隨裂隙的貫通，應(yīng)力場的調(diào)整，回流的庫水淹沒庫盆上游，還會發(fā)生中小地震乃至中等強度地震。溪洛渡水庫大壩抗震設(shè)防水準較高，不會造成安全問題。建議在誘發(fā)地震繼續(xù)活動期間，盡早實施詳細的水文地質(zhì)、地球物理探測，提供精細的科學資料，為確定誘發(fā)地震的成因、尋找控制誘發(fā)地震的技術(shù)條件，以減輕突發(fā)事件的影響，為其他類似水庫發(fā)揮示范作用。

溪洛渡水庫 誘發(fā)地震 震源機制 應(yīng)力場

0 引言

溪洛渡水電站位于四川省雷波縣和云南省永善縣境內(nèi)金沙江干流上，是一座以發(fā)電為主，兼有防洪、攔沙和改善下游航運條件等巨大綜合效益的工程。溪洛渡電站裝機容量位居世界第三。溪洛渡水電站具有高拱壩、高地震烈度區(qū)、高邊坡、高水頭、大流量、大尺度的地下電站洞室群等特點（http：∥www.ctg.com.cn／jsjsdkf／xld／sxzlg01／06sxzlg01.htm l）。

溪洛渡水庫位于由西面SN向的峨邊-金陽斷裂、東南面NW向的華瑩山-蓮峰斷裂和東北面NW向的馬邊-鹽津隱伏斷裂圍限的雷波-永善三角形塊體構(gòu)造。屬于區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造不穩(wěn)定地區(qū)，地質(zhì)條件復(fù)雜、構(gòu)造活動性強；區(qū)域范圍內(nèi)全新世和晚更新世活動斷裂發(fā)育，分布范圍廣、規(guī)模巨大、方向變化大且活動水平較高。曾經(jīng)發(fā)生的1216年馬湖7級地震震中離壩址約23km，1936年雷波西寧級地震距壩址約28km，附近最大的地震為1974年大關(guān)北7.1級地震，震中距壩址約40km。根據(jù)國家電力公司成都勘測設(shè)計研院（2013）①國家電力公司成都勘測設(shè)計研院，2003，金沙江溪洛渡水電站工程區(qū)建設(shè)用地地質(zhì)災(zāi)害危險性評估報告。、國家地震局地質(zhì)研究所和四川省地震局（1990）②國家地震局地質(zhì)研究所和四川省地震局，1990，金沙江溪洛渡水電站工程地震綜合研究報告。、中國水利水電科學研究院工程抗震研究中心和國家電力公司成都勘測設(shè)計研究院（2001）③中國水利水電科學研究院工程抗震研究中心和國家電力公司成都勘測設(shè)計研究院，2001，金沙江溪洛渡水電站可行性研究報告專題報告十一，水庫誘發(fā)地震危險性預(yù)測研究報告。、中國水電顧問集團中南勘測設(shè)計研究院等的資料（2008）④中國水電顧問集團中南勘測設(shè)計研究院，2008，溪洛渡工程防震抗震研究復(fù)核報告提綱。，劃分出4個水庫地震危險區(qū)，震級上限不高，即便發(fā)生地震，也不會影響大壩的安全。

2012年11月16日溪洛渡水電站大壩擋水，導(dǎo)流洞過水，庫區(qū)水位升高28m。自2013年5月4日開始蓄水，到7月29日早8時，水位由440m提升到554.6m，抬升100m左右，此后維持在此水平上下。

在溪洛渡水庫以及下游的向家壩水庫區(qū)布設(shè)了小孔徑的數(shù)字地震臺網(wǎng)（圖5），有35臺儀器連續(xù)記錄，能夠很好控制庫區(qū)和周圍地區(qū)的地震（樊啟祥等，2010），已經(jīng)記錄到高質(zhì)量的數(shù)字地震波形。由于都是近震源記錄，只有直達的P，S波，震相簡單，易于辨識，這為水庫誘發(fā)地震研究提供了寶貴的基礎(chǔ)資料。溪洛渡水庫地震臺網(wǎng)2008年9月開始記錄，至2012年6月庫尾區(qū)記錄1級以上地震共計95次，平均每月發(fā)生2.06次。蓄水后僅2003年5—10月的6個月記錄ML≥1.0地震953次，活動水平大大超出以往，同期還記錄1級以下地震5 300次。在強震背景區(qū)發(fā)生大量小地震已經(jīng)引起反響，況且溪洛渡是中國第二大水庫，大壩高、蓄水量大，需要高度重視地震安全問題。

以往，國內(nèi)外建設(shè)的大型水庫都分布在地震風險小的區(qū)域，坐落在高烈度區(qū)劃區(qū)的溪洛渡水庫，沒有誘發(fā)地震研究的經(jīng)驗可資借鑒（程萬正，2013）。西部地區(qū)是中國水能資源最豐富的地區(qū)，主要集中在岷江、大渡河、雅礱江、金沙江、瀾滄江、怒江等流域，這些地區(qū)為強烈地震和地質(zhì)災(zāi)害高發(fā)區(qū)。目前在建和擬建一系列200m至300m級的世界級高壩，工程規(guī)模巨大且少有先例、壩址地震烈度高且缺乏工程震害實例，面臨一系列世界級技術(shù)難題。大壩的抗震防災(zāi)研究已經(jīng)成為當前水電領(lǐng)域前沿性的重要研究課題（陳厚群等，2009）。因此更有必要結(jié)合溪洛渡水庫的誘發(fā)地震開展深入的研究，分析這些地震與水庫蓄水的關(guān)系，探討成因。2014年8月水庫水位將進一步提升蓄至580m和600m正常水位，爭取搶在突發(fā)事件之前開展必要的觀測、研究，進一步評估發(fā)展趨勢，提出必要的工程措施和建議，為其他類似水庫提供能夠借鑒的經(jīng)驗。

1 水庫地震活動

圖1是溪洛渡庫首區(qū)地震震級隨時間分布和月頻度統(tǒng)計。自2007年9月1日—2013年10月31日，溪洛渡庫首區(qū)記錄到ML≥3地震3次，最大地震ML=3.5，ML≥2地震37次，ML≥1地震1 075次，ML＜1地震5 553次，都屬于微小地震。其中2013年5月1日—10月31日，ML3以上地震1次，ML2以上地震34次，ML1以上地震918次，ML＜1地震5 300次。絕大多數(shù)微小地震發(fā)生在這半年時間內(nèi)。

圖1 溪洛渡庫首區(qū)地震震級隨時間分布（a）和地震月頻度（b）Fig.1 The distribution of M-t（a）and monthly frequency of earthquakes（b）in the reservoir head region of Xiluodu Reservoir.

溪洛渡水庫2008年1月開始測量水位，圖2為日水位曲線。到2012年汛期以前存在穩(wěn)定的季節(jié)變化，主要受夏季降水影響，高、低水位差別在20m以內(nèi)。從2012年6月起變幅增大，尤其是2012年11月16日溪洛渡水電站大壩擋水，導(dǎo)流洞過水，庫區(qū)水位升高28m。2013年5月4日開始蓄水，到7月29日，水位由440m提升至554.6m，抬升110m左右。對比圖1，庫首區(qū)的地震活動水平也是從2012年下半年開始升高，尤其是2013年5月開始微小地震大量發(fā)生，顯然和水庫水位迅速抬升，進入高水位狀態(tài)有關(guān)。

趙翠萍等（2011）①國家科技支撐計劃項目“水庫地震發(fā)生條件探測技術(shù)研究”（2008BAC38B02）。研究認為：存在水庫地震監(jiān)測臺網(wǎng)的水庫進行地震精確定位結(jié)果顯示，蓄水后的地震活動均表現(xiàn)出明顯的叢集活動特征，且大都發(fā)生在在距離庫岸區(qū)10km范圍內(nèi)，深度也大多數(shù)＜10km。即水庫地震空間分布呈現(xiàn)出“雙十”特征，即2個10km的尺度。公認度較高的100多個水庫，蓄水后的最大地震震源位置也符合“雙十”特征，這具有一定普適性。蔣海昆等（2011）②國家科技支撐計劃項目“水庫地震預(yù)測方法研究”（2008BAC38B03）。統(tǒng)計，截至于20世紀90年代，世界上報道的具有較大影響的水庫誘發(fā)地震約有120例，分布在29國家。國內(nèi)明確報道的水庫地震震例已達43例，其中有4次水庫誘發(fā)地震超過6.0級，它們是中國新豐江（1962年3月19日，M 6.1）、贊比亞-津巴布韋邊界Kari-ba（1963年9月23日，M6.1）、希臘Kremasta（1962年2月5日，M6.2）和印度Koyna（1967年12月10日，M 6.3），＜5.0級的中小地震約占水庫誘發(fā)地震的90%。

圖2 溪洛渡水庫日水位Fig.2 The daily water level of Xiluodu Reservoir.

溪洛渡庫首區(qū)2007年9月至2012年3月，發(fā)生的天然地震震級-頻度關(guān)系中的b值為0.744（相關(guān)系數(shù)r=-0.981 9）；而2012年4月至2013年10月，發(fā)生地震的b值為1.344 8（相關(guān)系數(shù)r=-0.989 5）。而且地震密集分布集中在庫岸兩側(cè)10km范圍之內(nèi)；采用三維速度模型重新修訂震源位置，地震的震源深度有98%發(fā)生在0～5km；雖然地震數(shù)目多，但是最大震級僅為ML3.0，可見都屬于小震和微震。根據(jù)（楊國憲，汪雍熙，2003）提出的水庫誘發(fā)地震的判別依據(jù)，庫水影響區(qū)ML≥1.0的地震超過月平均發(fā)生頻次的6倍即可判別為誘發(fā)地震；天然地震值b低，誘發(fā)地震b值高；以及趙翠萍等（2011）①同646頁①。歸納的水庫誘發(fā)地震分布在庫岸10km、深度10km范圍的“雙十”特征；蔣海昆等（2011）②同646頁②。歸納的誘發(fā)地震大多數(shù)震級小的特征來辨識，溪洛渡庫首大量的微小地震屬于誘發(fā)地震。

2 震源機制和應(yīng)力場

地下深處的應(yīng)力狀態(tài)難以直接獲得，通常可由震源機制解來確定。本文采用層狀介質(zhì)點源位錯模型，利用水庫地震臺網(wǎng)的觀測資料，取垂直向記錄直達P、S波的最大振幅，以觀測資料與理論地震圖擬合反演震源機制的方法（梁尚鴻等，1984），得到庫首區(qū)蓄水之前37個、蓄水后674個中小地震的震源機制。

選用Gephart等（1984）的應(yīng)力場參數(shù)網(wǎng)格搜索的震源機制應(yīng)力反演（簡稱FMSI）程序確定應(yīng)力場的主應(yīng)力軸方位。震源機制應(yīng)力反演程序有3個基本假定（Gephart et al.，1984；Gephart，1990）：1）斷層面上的滑動方向和計算的剪切應(yīng)力方向一致；2）研究區(qū)域內(nèi)應(yīng)力場方向是一致的；3）地震是剪切位錯并且可以發(fā)生在先前已經(jīng)存在的斷層上。震源機制應(yīng)力反演程序使用的是網(wǎng)格搜索法，即在應(yīng)力場參數(shù)的模型空間中找到應(yīng)力模型與實際地震數(shù)據(jù)間平均殘差最小的最佳應(yīng)力模型。

在震源機制應(yīng)力反演程序中，每個地震與應(yīng)力模型間殘差定義為使應(yīng)力模型和觀測到的滑動角方向相一致的關(guān)于任意方位旋轉(zhuǎn)軸的最小旋轉(zhuǎn)角。該方法可以獲得最佳應(yīng)力模型3個主應(yīng)力軸σ1，σ2和σ3（σ1≥σ2≥σ3）的方位角和傾角，同時還可以得到相對應(yīng)力大小值R，R值的定義為R=（σ2-σ1）／（σ3-σ1）（0≤R≤1），R值有助于我們區(qū)分應(yīng)力場的類型。

溪洛渡庫首及附近地區(qū)蓄水之前37次地震的震源機制投影于圖3a①刁桂苓等，2012，向家壩水庫蓄水前地震本底分析報告。。蓄水后674個震源機制解投影于圖3b。圖3a右上角是這些震源機制反演的局部應(yīng)力場3個應(yīng)力軸的投影。最大壓應(yīng)力主軸（紅色方塊）方位141°、傾伏俯角3°；中等壓應(yīng)力主軸（藍色圓點）方位231°、傾伏角12°；最小壓應(yīng)力主軸（綠色三角形）方位37°、傾伏角78°。最大和中等壓應(yīng)力主軸水平，最小壓應(yīng)力主軸垂直。在局部應(yīng)力場作用下，地震應(yīng)當以逆沖斷層為主，而隨機發(fā)生的小地震有一部分可能是走向滑動，或者為正斷層。

圖3 溪洛渡庫首附近震源機制和區(qū)域應(yīng)力場（a蓄水前；b蓄水后）Fig.3 The distribution of focalmechanisms and stress field around the reservoir head region of Xiluodu reservoir before（a）and after（b）impoundment.

溪洛渡庫首區(qū)蓄水后反演得到了674個震源機制（圖3b），各個分區(qū)都有數(shù)目相當?shù)恼鹪礄C制。采用三角形分類方法（Frohlich，1992）將它們劃分為4類，1類為走向滑動，有252個解，占全部解的37.4%，是4種類型中比例最高的，在圖3b中用黑色繪出；2類為逆沖斷層，有148個解，占全部解的22.0%，在圖3b中用紅色繪出；3類為正斷層，有173個解，占全部解的25.7%，比例與逆沖斷層相當，在圖3b中用藍色繪出；4類為復(fù)合斷層，即走向滑動兼有傾向滑動分量（或正、或逆），有101個解，占全部解的15%，在4種類型中比例最小，在圖3b中用灰色繪出。復(fù)合類型具有走向滑動分量，連同走向滑動類型包含的震源機制比例共同分析，與蓄水前的應(yīng)力場有利于逆沖錯動比較，顯然發(fā)生了改變。

圖4 溪洛渡庫首區(qū)674個震源機制各個參數(shù)歸一化角域分布Fig.4 Normalized frequency distribution per 10°for parameters of 674 focalmechanisms in the reservoir head area of Xiluodu Reservoir.

圖4為674個震源機制各個參數(shù)每10度歸一化頻數(shù)分布。圖4中的strike為節(jié)面走向，都是小地震無法判斷2個節(jié)面中哪個是斷層面，因此將2個節(jié)面合并分析，總體來看，取向非常亂，難以確定優(yōu)勢方向。rake是滑動角分布，以0°和180°附近最多，表明以走向滑動為主；± 90°也有，傾向滑動沒有形成優(yōu)勢，逆沖斷層和正斷層是獨立存在的；夾在二者之間的斜滑對應(yīng)符合類型。dip為2個節(jié)面的傾角，高傾角最多，節(jié)面直立占優(yōu)，傾斜居次，水平極少。走向滑動可對應(yīng)直立節(jié)面，純粹傾向滑動對應(yīng)傾斜節(jié)面，只有個別復(fù)合類型的震源機制的一個節(jié)面有可能是水平的。這與上文4種震源機制類型的比例一致。Paz，Taz，Baz分別表示3個應(yīng)力軸方位分布，其中T軸很難判別優(yōu)勢；P軸存在NWW向優(yōu)勢，此段落水庫沿NE方向延伸，那么可以理解為NW向的拉張在起作用，或許和蓄水對庫岸的側(cè)向推擠有關(guān)；b軸存在NE向優(yōu)勢，可以判斷破裂延伸方向，考慮震源機制大量集中在2區(qū)和3區(qū)，恰好他們的長軸方向也是NE，推測多數(shù)地震的破裂以及它們的連通方向與江水流向一致。圖4下方90°角域的p，t，b分別表示3個應(yīng)力軸的傾角，P，T軸傾角水平最多，傾斜其次，直立甚少，表明還是以走向滑動為主，單純的傾向滑動甚少；B軸傾角在各個角域都有，除了80°～90°最少之外，0°～50°存在優(yōu)勢，60°～80°其次，同樣說明震源機制分布的復(fù)雜性。

使用溪洛渡庫首區(qū)蓄水后全部674個震源機制解反演應(yīng)力場3個應(yīng)力軸的投影結(jié)果如

圖5 溪洛渡庫首蓄水前和蓄水后各個分區(qū)以及2區(qū)5個時間段的應(yīng)力場投影Fig.5 The distribution ofmaximum（inward arrows）and minimum（outward arrows）compressive stress axis in different sub-regions and 5 periods in sub-region 2 in the reservoir head region of Xiluodu Reservoir.The line is longest when stress axis is horizontal，and the line is shortest when stress axis is perpendicular.

圖5左上，最大壓應(yīng)力主軸（紅色方塊）方位279°、傾伏俯角6°；中等壓應(yīng)力主軸（藍色圓點）方位19°、傾伏角58°；最小壓應(yīng)力主軸（綠色三角形）方位185°、傾伏角31°。最大壓應(yīng)力主軸水平，最小壓應(yīng)力主軸和中等壓應(yīng)力主軸傾斜。應(yīng)力比R=0.5，擬合殘差角16.2°。反演的應(yīng)力場（圖5）有利于發(fā)生走向滑動和逆沖類型地震。庫水載荷又有利于正斷層地震發(fā)生，所以導(dǎo)致破裂類型的多樣性。

圖5是溪洛渡庫首蓄水前和蓄水后各個分區(qū)以及2區(qū)5個時間段的應(yīng)力軸投影。小黑點是截至2013年10月底溪洛渡庫首區(qū)地震震中分布，從大壩到上田壩密集區(qū)NE-SW方向約40km，寬度不足10km。按照聚集程度和金沙江的流向大體劃分為6個區(qū)，在圖中由黑色橢圓圈出，其中的數(shù)字標示各個分區(qū)的編號。1區(qū)包括大壩及下游4km范圍，橢圓長軸方向NW；2區(qū)是豆沙溪到油坊溝金沙江江段，橢圓長軸方向NE，長11.5km，該區(qū)地震最多，而且向SE凸出，向NW凹進；3區(qū)是油坊溝到西蘇角河之間中下游金沙江段，橢圓長軸方向NE，長10.5km；4區(qū)是油坊溝到西蘇角河之間上游金沙江江段，橢圓長軸方向NW，長7.5km，橫切金沙江；5區(qū)夾持在3區(qū)和4區(qū)之間，稍稍離開金沙江，橢圓長軸方向NW，長9km；6區(qū)跨越緊鄰4區(qū)上游的江段，處于西蘇角河與溜筒河之間金沙江江段的中部，橢圓長軸方向NWW，長6km。前3個密集區(qū)長軸與江水流向一致，后3個區(qū)長軸與金沙江流向正交。

取各個分區(qū)范圍內(nèi)的震源機制反演應(yīng)力場，標示于各個分區(qū)；數(shù)據(jù)及應(yīng)力場參數(shù)示于表1，由于2區(qū)震源機制過多，又按照時間先后劃分出5個階段分別反演應(yīng)力場，應(yīng)力場標示于圖5上方。表1給出應(yīng)力場的參數(shù)。圖5右下角是蓄水前震源機制反演應(yīng)力場的應(yīng)力場投影。

表1 震源機制劃分區(qū)域和時間段反演的應(yīng)力場應(yīng)力軸參數(shù)Table 1 The stress axis parameters of stress field based on different sub-regions and periods of focalmechanisms

青藏高原向東移運動，推擠華南塊體，在接觸部位發(fā)生逆沖類型地震，如2008年汶川地震、2013年蘆山地震。即便是距離溪洛渡水庫最近的2012年云南彝良雙震也是逆沖兼具走向滑動。金沙江下游水庫位于青藏高原與華南塊體接觸部位附近，同樣存在擠壓應(yīng)力，溪洛渡水庫蓄水前的37個中小地震震源機制所反演的應(yīng)力場就是以水平擠壓為主。許忠淮等（1987）利用大量小地震的P波初動求得西南地區(qū)各個小區(qū)的應(yīng)力場，壓應(yīng)力軸方位NWW—SEE和張應(yīng)力軸方位NNE—SSW，二者均近水平。闞榮舉等（1977）由大量震源機制討論中國西南地區(qū)現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力場與板內(nèi)斷塊相對運動，給出庫區(qū)附近的震源機制解的一個節(jié)面走向為NW—SE，另一個節(jié)面走向為NE—SW，二節(jié)面均接近直立。主壓應(yīng)力P軸方位近EW向，主張應(yīng)力T軸方位近SN，二軸基本呈水平，中等應(yīng)力軸B近于直立。劉正榮等（1977）作出1974年5月11日云南永善大關(guān)7.1級地震震源機制與此相同。區(qū)域應(yīng)力場的張、壓應(yīng)力軸都近于水平，有利于走向滑動斷層錯動。

圖5右下角給出溪洛渡庫首蓄水前的震源機制反演的局部應(yīng)力場投影，最大壓應(yīng)力主軸方位SE—NW，最小壓應(yīng)力主軸接近直立，表明溪洛渡庫首蓄水前處于SE—NW水平擠壓狀態(tài)，局部應(yīng)力場與區(qū)域應(yīng)力場的NW向擠壓相同，但是區(qū)域應(yīng)力場的SE向拉張沒有體現(xiàn)。大壩及附近下游（1區(qū)）的應(yīng)力場，以近EW向水平擠壓為主，雖然大壩下游沒有受到高水位的影響，但是大壩上游的水位最高，大壩兩側(cè)巨大的水位差，使得大壩及相鄰巖體受到強烈擠壓，這種作用也傳遞到大壩相鄰的下游。位于庫首的2區(qū)，受到強烈的EW向水平張應(yīng)力作用，壓應(yīng)力近于垂直。2區(qū)地震最多，水位增加最多，重力作用產(chǎn)生的附加拉張應(yīng)力最強。由于震源機制多達325個，我們又劃分出5個階段，圖5中的2.1階段是先于蓄水的導(dǎo)流洞引水，庫首水位增加28m的條件下的效應(yīng)，以走向滑動為主。其余的2.2、2.3、2.4處于水位迅速增加階段，2.5是蓄水增加的末期，3個階段都是拉張強于擠壓，也就是說正斷層占優(yōu)勢。伴隨庫水位升高，水體向庫岸外圍滲透，2區(qū)處于不穩(wěn)定的狀態(tài)，如2.4為水位增加的尾段，擠壓稍強于拉張。2.5階段的拉張方向也和前幾個階段不一致，更接近于區(qū)域應(yīng)力場的應(yīng)力狀態(tài)，可能是蓄水的影響已經(jīng)過了頂峰，已經(jīng)開始逐漸恢復(fù)以往的狀態(tài)。

因為3區(qū)以NNW向的壓應(yīng)力為主、EW向張應(yīng)力為次，4區(qū)NNW向的壓應(yīng)力和NEE向的張應(yīng)力大致相等。與區(qū)域應(yīng)力場的作用方式最接近，所以走向滑動和逆沖地震最多。5區(qū)主體已經(jīng)離開庫岸，和大壩下游的1區(qū)情況類似，以擠壓的逆沖地震為主。6區(qū)NWW向的張應(yīng)力強于NE向的壓應(yīng)力，和誘發(fā)地震主體的2區(qū)類似，以正斷層地震最多。

考慮大尺度的構(gòu)造運動，也容易引發(fā)逆沖錯動。溪洛渡庫首區(qū)蓄水后，庫水淹沒地方分布碳酸鹽巖、灰?guī)r，水體容易滲入巖體，增大了小斷裂面的孔隙壓力，降低其摩擦強度，斷裂容易錯動。首先釋放的是區(qū)域應(yīng)力場原來承受的應(yīng)力，即以走向滑動和逆沖錯動響應(yīng)。只有當水位大大增高，重力作用產(chǎn)生的附加應(yīng)力場開始體現(xiàn)，才集中出現(xiàn)正斷層地震，發(fā)生巖溶塌陷型地震。緊鄰大壩的2區(qū)地震最多，現(xiàn)象也最為典型。鄰近的3區(qū)各種類型震源機制出現(xiàn)的次序、類型的比例也是如此，只不過庫水位比2區(qū)低，逆沖錯動和正斷層在后期存在類型交替出現(xiàn)的過程。無論是溪洛渡水庫蓄水前后，各個分區(qū)的應(yīng)力場都不同于區(qū)域應(yīng)力場，所發(fā)生的大量微小地震多數(shù)和蓄水有關(guān)，屬于誘發(fā)地震。其中2區(qū)劃分時間段結(jié)果顯示，始終處于不穩(wěn)定的變化形態(tài)。

表1給出應(yīng)力場各個參數(shù)及其時間、空間范圍。起始時間是區(qū)域震源機制最早的地震發(fā)生時間，水庫蓄水影響最早的當然是庫首2區(qū)；其次是相鄰的3區(qū)；4區(qū)和5區(qū)相同，5區(qū)稍稍離開庫盆；然后是末尾的6區(qū)；大壩下游最后。2～6區(qū)地震發(fā)生時間的順序和蓄水淹沒庫岸的位置一致，也和水的滲透有關(guān)。大壩下游則是另外的成因，可能和大量出水發(fā)電有關(guān)，因為出水量最大時達到萬噸／s，出水的沖擊和變化必然影響大壩相鄰處。

擬合殘差角m isfit很小時表示研究區(qū)域具有均勻的應(yīng)力場。反之，則表示研究區(qū)域應(yīng)力場的不均勻性（萬永革，2010）。表1中misfit欄多數(shù)在9°～17°之間，反映研究區(qū)域應(yīng)力場存在一定程度的不均勻性。尤其是2區(qū)和2區(qū)3時段misfit＞20°，其應(yīng)力場結(jié)果不可信，反映應(yīng)力場處于紊亂的狀態(tài)。

3 討論和結(jié)論

由震源機制分析應(yīng)力場成為水庫地震研究的重要組成部分，借助所總結(jié)的經(jīng)驗，進一步開展了大量數(shù)值模擬，以求區(qū)分諸多影響因素的輕重，遺憾的是尚未取得一致的規(guī)律性認識。真正取得蓄水前后大量震源機制的實例并不多見。對于水庫地震的成因存在2種不同的認識：一方面，著眼于水體載荷增加和孔隙壓力對水庫地震誘發(fā)的貢獻，強調(diào)了水庫重力與孔隙壓力的作用（Carder，1945；Beck，1976；Simpson et al．，1988；高士鈞等，1990；Talwani，1997，2000；Gupta，2002；Nascimento et al．，2005；Hainzl et al．，2006）；另一方面，以水庫的地質(zhì)背景為基礎(chǔ)，研究誘發(fā)水庫地震的構(gòu)造條件、巖性條件及應(yīng)力背景，強調(diào)了區(qū)域地質(zhì)背景各因素對誘發(fā)水庫地震的作用（胡毓良等，1979；丁原章等，1983；夏其發(fā)等，1988；Talwani，1997；車用太等，2009）。

根據(jù)前人的研究，水庫地震具有2個基本特征：1）巖溶對誘發(fā)水庫地震有重要作用（胡毓良等，1979）；2）從水庫誘發(fā)地震的發(fā)生時間來看，存在快速響應(yīng)型和滯后響應(yīng)型地震（Simpson et al．，1988），快速響應(yīng)型地震是地殼在水壓力作用下產(chǎn)生彈性形變而誘發(fā)的，而滯后響應(yīng)型地震是在水的滲透過程中，孔隙壓力增加，有效應(yīng)力降低而誘發(fā)的。水庫區(qū)是否會出現(xiàn)誘發(fā)地震與可能產(chǎn)生什么樣的地震類型，必須結(jié)合具體地區(qū)的應(yīng)力條件和地質(zhì)條件來分析（馬瑾，1987）。

以往的研究給出的溪洛渡水庫誘發(fā)地震危險區(qū)中有2個位于庫首附近。其中的一個危險區(qū)相當于圖5的2區(qū)范圍。出露地層為志留系泥頁巖、二疊系下統(tǒng)陽新灰?guī)r和上統(tǒng)的峨眉山玄武巖，巖層平緩。陽新灰?guī)r質(zhì)純，單層厚度大，是庫區(qū)巖溶較發(fā)育的層位，該段豆沙溪溝兩岸、油房溝及孔家?guī)r一帶600m蓄水位以下均有巖溶洞穴發(fā)育。但該高程以下處于地表強烈抬升期，河谷下切強烈，巖溶僅發(fā)育在近岸坡淺表數(shù)百m范圍內(nèi)。較大的有豆沙溪溝的八仙洞、芭蕉洞、何家洞和油房溝上游的木場洞等。另一個是吳家田壩-黃華危險區(qū)，庫段長42km，圖5的4區(qū)和6區(qū)位于其中，5區(qū)稍稍偏離。庫段蓄水位以下主要為寒武系、奧陶系碳酸鹽巖。河谷從吳家田壩-抓抓巖為橫向谷，抓抓巖以上為縱向谷。庫內(nèi)構(gòu)造比較發(fā)育，有上田壩斷層、硝灘斷層和馬頸子斷層，屬峨邊-金陽斷裂的分支，沿斷層有溫泉出露，說明斷層具有向深層導(dǎo)水的能力。SN向斷層多處與水庫交切，沿馬頸子斷層和硝灘斷層有溫泉出露，說明具備地下水深循環(huán)水文地質(zhì)條件，且斷裂帶現(xiàn)今有微弱的活動。在2個危險區(qū)之間存在空段，恰好是3區(qū)的位置?？磥砬叭俗龀龅念A(yù)測基本正確，只是保守地在2個危險區(qū)之間留出安全的空段，現(xiàn)在也有大量微小的誘發(fā)地震。

溪洛渡水庫自2007年9月數(shù)字地震臺網(wǎng)開始運行，到蓄水前已經(jīng)積累5年的寶貴資料，況且臺網(wǎng)密度較高，記錄最小的震級ML達到-0.6級。在溪洛渡水庫庫首區(qū)能夠震源定位者達到6 000多個地震，我們反演了700多次小地震的震源機制。通過大樣本數(shù)據(jù)分析得到如下認識：

（1）溪洛渡庫首蓄水后，發(fā)生大量微小地震集中在庫岸兩側(cè)10km、深度5km、沿庫盆40km長度的范圍內(nèi)。地震覆蓋區(qū)域存在易溶的碳酸鹽巖、灰?guī)r，巖溶洞穴發(fā)育，有溫泉出露，具備地下水深循環(huán)水文地質(zhì)條件。但是當?shù)貨]有大型的活動斷層。

（2）由于誘發(fā)地震微小，所基于的預(yù)存裂隙、節(jié)理方向多樣，破裂面空間取向、錯動方式表現(xiàn)出強烈的隨機性。反演得到的674個震源機制空間取向散亂，沒有受區(qū)域應(yīng)力場嚴格控制。劃分不同分區(qū)反演的應(yīng)力場差異大，地震多的2分區(qū)隨時間變化強烈。2區(qū)總體和2區(qū)3時段甚至沒有得到可信的結(jié)果，表明區(qū)域處于不穩(wěn)定的應(yīng)力狀態(tài)。暫態(tài)的區(qū)域應(yīng)力擾動，既與當時區(qū)域應(yīng)力狀態(tài)有關(guān)，又與當?shù)卮嬖诘臉?gòu)造裂隙的取向、裂隙的摩擦強度和巖石的破裂強度等有關(guān)（程萬正，2006）。

（3）應(yīng)力狀態(tài)不穩(wěn)定必然要調(diào)整；裂隙會相互溝通，裂隙尖端擴展可以產(chǎn)生分叉，導(dǎo)致破裂方向復(fù)雜多樣；庫水涌入溶洞、滲透到裂隙和層理，大大提高了孔隙壓力，降低了摩擦強度和破裂強度，微小破裂更容易發(fā)生，破裂類型也是復(fù)雜多樣。將震源機制劃分的4種類型，走向滑動占40%，傾向滑動占45%（正斷層和逆斷層相當），復(fù)合類型占15%。雖然水庫蓄水使得水位增量超過130m，水體重力作用產(chǎn)生的附加應(yīng)力場，并沒有決定以正斷層地震為主。而是以釋放區(qū)域應(yīng)力（有利于水平剪切的走向滑動）、釋放局部應(yīng)力（擠壓作用下的逆沖錯動）占很大比例。表明在首次蓄水之后，庫水滲透提高孔隙壓力，降低摩擦強度和破裂強度，所產(chǎn)生的作用強于重力作用。并且首先釋放以往已經(jīng)積累的應(yīng)力如區(qū)域應(yīng)力、局部應(yīng)力，然后才釋放水壓力形成的附加應(yīng)力（重力作用下的正斷層、巖溶塌陷）。當然，巖體的剩余應(yīng)力釋放比較充分之后，重力作用將增強，正斷層地震會占優(yōu)勢，如新豐江水庫的情況（中國科學院地質(zhì)研究所破裂與震源力學組等，1974）。

（4）從溪洛渡庫首蓄水后立即發(fā)生誘發(fā)地震判斷，該地震屬于快速響應(yīng)型。誘發(fā)地震發(fā)生的位置和大壩距離相關(guān)，從大壩向上游逐漸擴展。只要庫水回流到達淹沒的地方就誘發(fā)地震，也可以歸并為快速響應(yīng)類型?？焖夙憫?yīng)型和滯后響應(yīng)型地震（Simpson et al．，1988）是否存在不同的成因，或者說快速響應(yīng)類型地震僅僅是地殼在水壓力作用下產(chǎn)生彈性形變而誘發(fā)的？從破裂面空間取向的多樣性和破裂類型的多樣性來看，答案是否定的。雖然庫首蓄水后水位升高130m左右，但是水體重力作用并不是惟一的誘震因素。

（5）盡管誘發(fā)地震數(shù)目眾多，但是最大地震僅僅為ML3.0。隨著時間延續(xù)，微裂隙會相互貫通、擴展；不同部位的應(yīng)力相應(yīng)調(diào)整。況且2014年庫區(qū)水位還將進一步升高，江水會回流淹沒水庫的上游，那里曾經(jīng)發(fā)生過強震，屬于高烈度區(qū)劃區(qū)，不能排除發(fā)生中等強度地震的可能性。下游的向家壩水庫在庫首很少地震發(fā)生，當水位上升淹沒到接近庫尾段時發(fā)生了大量誘發(fā)地震，應(yīng)當引以為鑒。考慮溪洛渡水庫大壩抗震設(shè)防水準較高，誘發(fā)地震不會對水庫的安全產(chǎn)生影響。

（6）在溪洛渡水庫區(qū)已開展過大量的前期工作，建議在誘發(fā)地震活動期間，如果同時進行詳細的水文地質(zhì)、地球物理探測，必將提供精細的科學資料，確定誘發(fā)地震的成因、尋找控制誘發(fā)地震的技術(shù)條件，對進一步減輕突發(fā)事件的影響發(fā)揮重要作用。

致謝 中國長江三峽集團公司工程建設(shè)管理局提供了前期研究報告；金沙江下游梯級水電站水庫地震監(jiān)測系統(tǒng)成都中心提供了地震目錄、數(shù)字地震波形文件，河北省地震局張家口中心臺人員（朱振興、張秀萍、王瑞鋒、寧海雯、李鋒、張曉剛、鄭毅）反演1 100個震源機制；中國長江三峽集團公司工程建設(shè)管理局官方網(wǎng)站公布水位和出、入水量；審稿人提出建設(shè)性的審稿意見；在此一并表示感謝。

中國從1962年廣東新豐江水庫發(fā)生的6.2級地震之后開始研究水庫地震。1972年初馬瑾先生帶隊，在現(xiàn)場布設(shè)了9個單分向流動地震儀。利用固定臺和流動臺的P波初動資料，得到了207個微震（ML0.5～3.3）震源機制解，劃分出5種錯動類型，正斷層錯動型約占62%。執(zhí)筆發(fā)表了《新豐江水庫微震震源力學的初步研究》論文（中國科學院地質(zhì)研究所破裂與震源力學組等，1974）。馬先生開創(chuàng)性地應(yīng)用水庫微震震源機制，研究水庫地震的成因。今天我們學習先生的研究思路和方法，分析目前世界第三大水庫溪洛渡的誘發(fā)地震，撰寫此文慶賀馬先生80壽誕。

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ANALYSIS OF CHARACTERISTICS OF FOCAL M ECHANISM IN RESERVOIR HEAD REGION OF XILUODU RESERVOIR AFTER IM POUNDM ENT

DIAO Gui-ling1）WANG Yue-feng1）FENG Xiang-dong1）WANG Xiao-shan1）FENG Zhi-ren2）ZHANG Hong-zhi2）CHENGWan-zheng2）LIYue2）WANG Li-bing1）

1）Earthquake Administration of Hebei Province，Shijiazhuang 050021，China
2）Institute of Engineering Mechanics，China Earthquake Administration，Harbin 150080，China

There are carbonate rock，limestone and caves in the reservoir head area of Xiluodu Reservoir，which is the third largest reservoir in the world.A fter the impoundment，the water level has risen to about 140 meters，and consequently，more than 6 000 m icro-earthquakes occurred on the reservoir head region，with magnitude of the vastmajority being less than 1 and the maximum magnitude ML3. Thesemicro-earthquakes concentrated within an area of 10km in width from the reservoir banks，5km in depth，and 40km in length along the reservoir basin.These earthquakes did not affect the safety of the reservoir and dam.We inverted 700 focal mechanisms by using the waveforms recorded by the reservoir's digital seismic network before and after the impoundment，and further inverted the stress field of the whole reservoir head region and the sub-regions.The results show a complex orientation of focal mechanism，different rupture types，and uneven and unstable stress state，which is not in consistency with other regional stress fields obtained by a lot of natural earthquakes，indicating the reservoir induced seismicity is not strictly controlled by the regional stress field.According to the analysis，the reservoir water flows into caves，penetrating into cracks and joints，leading to increase of pore pressure，reducing the friction and fracture strength of rocks，and generating elastic deformation caused by the increased load of reservoir water.The joint actions of these may be the cause of the earthquakes.The accumulated regional stress and local stress were released first，then，the additional stress produced by the reservoir water loading was dominating.There are nomajor active faults in the reservoir head area.Reservoir water level will rise again by tens of meters in 2014.With the penetration of cracks，the adjustment of stress field，and the backflow ofwaterwhich will inundate the upstream region of the reservoir basin，the possibility of occurrence ofmoderate earthquakes cannot be ruled out.The seism ic fortification criteria are high for the dam of Xiluodu Reservoir，so these earthquakes will not cause safety problems.We suggest carrying out detailed hydro-geological，geophysical explorations during the continuous active period of the reservoir-induced seismicity to obtain accurate scientific data for determining the causes of induced seismicity and searching for the technical approaches for controlling the induced seismicity.These measurements will mitigate the impact of emergencies and p lay an exemp lary role for the other sim ilar reservoirs.

Xiluodu reservoir，induced earthquake，focalmechanism，stress field

P135.2

A

0253-4967（2014）03-0644-14

刁桂苓，男，1951年生，1975年在河北師范大學畢業(yè)，研究員，現(xiàn)主要研究方向為地震活動、震源機制和應(yīng)力場、震源斷層及水庫地震研究，電話：13933069679，E-mail：diaogl2013＠163.com。

10.3969／j.issn.0253-4967.2014.03.008

2013-12-25收稿，2014-07-15改回。

國家自然科學基金（41172180）資助。