袁國(guó)慶，高建祥，李　靜

(中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,四川 成都　610072)

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基于貝葉斯方法的雙江口水電站水庫(kù)誘發(fā)地震危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)評(píng)估

袁國(guó)慶，高建祥，李靜

(中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,四川 成都610072)

目前國(guó)內(nèi)對(duì)水庫(kù)誘發(fā)地震的預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)一般都采用貝葉斯方法進(jìn)行，本文通過(guò)對(duì)雙江口水電站的水庫(kù)基本條件、區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造、工程地質(zhì)條件及地震活動(dòng)特點(diǎn)的分析，計(jì)算出三個(gè)庫(kù)段多因素誘發(fā)不同震級(jí)地震的概率。綜合分析評(píng)價(jià)認(rèn)為,雙江口水庫(kù)蓄水后發(fā)生小于5級(jí)地震的可能性大，發(fā)生大于5級(jí)地震的可能性小，其中主要發(fā)震區(qū)域?yàn)榛◢弾r庫(kù)段。

貝葉斯方法;水庫(kù)誘發(fā)地震;雙江口水電站

1　工程概況

雙江口水電站壩址位于綽斯甲河與腳木足河交匯處下游段。其中水庫(kù)綽斯甲河回水至觀音橋附近，腳木足河回水至干木鳥(niǎo)附近。水庫(kù)正常蓄水位2 500 m，堆石壩最大壩高314 m，對(duì)應(yīng)庫(kù)容約28.97億m3，具有年調(diào)節(jié)能力，電站裝機(jī)容量2 000 MW。

雙江口水庫(kù)屬高壩大庫(kù)，從水庫(kù)壩高、庫(kù)容來(lái)考慮，雙江口水庫(kù)存在一定的發(fā)震概率。水庫(kù)庫(kù)盆巖性主要為花崗巖，花崗巖在冷卻過(guò)程中易產(chǎn)生節(jié)理、裂隙等張性結(jié)構(gòu)面，在地殼抬升及河流下切過(guò)程中易產(chǎn)生卸荷裂隙等，水庫(kù)蓄水后易引起庫(kù)水的滲透而誘發(fā)地震。水庫(kù)區(qū)內(nèi)的主要構(gòu)造形跡以NW、NE向的褶皺和壓性斷裂為主，庫(kù)區(qū)范圍沒(méi)有大規(guī)模的活動(dòng)斷裂通過(guò)，庫(kù)區(qū)主要斷裂有松崗斷裂、觀音橋斷裂、業(yè)隆溝斷裂等及規(guī)模較小的小斷層，斷裂為中更新世活動(dòng)斷裂，晚更新世以來(lái)不活動(dòng)。庫(kù)區(qū)節(jié)理裂隙發(fā)育，蓄水后庫(kù)水可沿節(jié)理、裂隙滲透而誘發(fā)地震，但斷層、節(jié)理裂隙發(fā)育規(guī)模有限，發(fā)生破壞性地震的可能性很小，以微震形式為主。雙江口水庫(kù)區(qū)地震活動(dòng)頻度比較高，但活動(dòng)的強(qiáng)度較弱，震中烈度為Ⅵ～Ⅶ度。庫(kù)區(qū)應(yīng)力場(chǎng)的最大主應(yīng)力方向?yàn)镹W～NWW方向。

2　水庫(kù)誘發(fā)地震背景

目前水庫(kù)誘發(fā)地震的危險(xiǎn)性評(píng)估和預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)問(wèn)題仍然是世界上的科學(xué)難題，其主要原因是目前我們對(duì)水庫(kù)誘發(fā)地震產(chǎn)生的機(jī)理與活動(dòng)規(guī)律仍有許多問(wèn)題沒(méi)有足夠的認(rèn)識(shí)和了解。國(guó)內(nèi)外對(duì)水庫(kù)潛在的誘發(fā)地震危險(xiǎn)性評(píng)估主要采用的是根據(jù)地質(zhì)環(huán)境、水文環(huán)境、地震活動(dòng)、斷層構(gòu)造、巖性、壩高、水位、庫(kù)容、水庫(kù)特征參數(shù)等對(duì)已發(fā)生水庫(kù)誘發(fā)地震的水庫(kù)震例進(jìn)行類(lèi)比分析，同時(shí)根據(jù)概率統(tǒng)計(jì)學(xué)的貝葉斯方法建立數(shù)學(xué)模型，綜合評(píng)估給出水庫(kù)誘發(fā)地震潛在危險(xiǎn)的預(yù)測(cè)結(jié)果[1]。本文也采用此方法對(duì)雙江口水庫(kù)的誘發(fā)地震危險(xiǎn)性進(jìn)行預(yù)測(cè)評(píng)估。

3　貝葉斯方法及預(yù)測(cè)統(tǒng)計(jì)

貝葉斯方法基本思想是:假定對(duì)所研究的對(duì)象在抽樣前己有一定的認(rèn)識(shí)，常用先驗(yàn)分布來(lái)描述這種認(rèn)識(shí)，然后基于抽取的樣本再對(duì)先驗(yàn)認(rèn)識(shí)作修正，得到后驗(yàn)分布，而各種統(tǒng)計(jì)推斷都基于后驗(yàn)分布進(jìn)行。主要特點(diǎn)是使用先驗(yàn)分布，而在得到樣本觀測(cè)值X=(x1，x2，…，xn)后，由X與先驗(yàn)分布提供的信息，經(jīng)過(guò)計(jì)算和處理，組成較完整的后驗(yàn)信息。

該方法在水庫(kù)誘發(fā)地震中的應(yīng)用首先由美國(guó)地質(zhì)調(diào)查所Baecher(1982)等最先提出，采用了庫(kù)容、庫(kù)深、構(gòu)造應(yīng)力環(huán)境、斷層活動(dòng)性及地質(zhì)條件(主要是巖性)5個(gè)影響因子。中國(guó)地震局胡毓良等在國(guó)家八五重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目專(zhuān)題研究中，針對(duì)三峽水庫(kù)誘發(fā)地震危險(xiǎn)性的預(yù)測(cè)，提出了改進(jìn)的誘震因子集，其構(gòu)成有庫(kù)深、庫(kù)容、區(qū)域應(yīng)力狀態(tài)、斷層活動(dòng)性、巖性條件和地震活動(dòng)背景6個(gè)因子，按誘震的震級(jí)劃分成4類(lèi)。I類(lèi)是3.0>M1、II類(lèi)為5.0>M2≥3.0、III類(lèi)為M3≥5.0級(jí)。雙江口水庫(kù)采用胡毓良等研究成果的基礎(chǔ)上進(jìn)行預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)。

同一誘震因素不同狀態(tài)出現(xiàn)的概率計(jì)算公式為：

(1)

式中A——為不同震級(jí)水庫(kù)震例數(shù);

M——為RIS事件震級(jí);

i——為發(fā)生i類(lèi)地震;

j——為誘震因素中j類(lèi)因子。

綜合考慮六種誘震因素的發(fā)震概率則公式為：

(2)

式中的h、v、s、f、r、b分別表示RIS事件庫(kù)深、庫(kù)容、區(qū)域應(yīng)力狀態(tài)、斷裂活動(dòng)性、誘震區(qū)巖性和地震活動(dòng)背景六種因素，每種因素的狀態(tài)范圍列在表1中。P(Mi)=Ni/N，Ni為發(fā)生i類(lèi)地震次數(shù)，N為發(fā)生地震的總數(shù)。研究證明h、v、s、f、r和b等六種因素狀態(tài)是相互獨(dú)立的。

則有：

P(h，v，s，f，r，b/Mi)=

P(h/Mi)P(v/Mi)P(s/Mi)P(f/Mi)P(r/Mi)P(b/Mi)

(3)

從1931年希臘馬拉松水庫(kù)首次發(fā)現(xiàn)水庫(kù)地震以來(lái)，迄今為止，全世界發(fā)生的水庫(kù)地震約有120例。我國(guó)專(zhuān)家胡毓良、楊清源等在上世紀(jì)90年代對(duì)這些水庫(kù)地震進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，在109個(gè)震例中將各因素進(jìn)行分類(lèi)(見(jiàn)表1)，在巖性欄中為提高精確度,把誘發(fā)地震較多的碳酸鹽巖和花崗巖單獨(dú)列出。將這些震例數(shù)按公式(1)計(jì)算其分布概率(見(jiàn)表1)[2]。

表1　各因素狀態(tài)下不同震級(jí)水庫(kù)震例數(shù)及分布概率

注：本表根據(jù)中國(guó)地震局地質(zhì)研究所楊清源等的資料。

4　雙江口水庫(kù)誘發(fā)地震預(yù)測(cè)

雙江口水庫(kù)區(qū)由腳木足河和綽斯甲河構(gòu)成(見(jiàn)圖1)，從壩址算起，腳木足河庫(kù)尾到干木鳥(niǎo)，全長(zhǎng)約62 km。綽斯甲河庫(kù)尾到觀音橋附近，全長(zhǎng)約35 km,庫(kù)容28.97億m3，為v2。壩前庫(kù)深250 m(正常蓄水位與可爾因河床海拔之差，2 500～2 250 m)，根據(jù)庫(kù)深與庫(kù)長(zhǎng)的比，計(jì)算得到東西兩支河流河床縱坡降分別是4.5‰和8‰。

圖1　水庫(kù)誘發(fā)地震預(yù)測(cè)示意

將雙江口水庫(kù)根據(jù)庫(kù)深分成三個(gè)庫(kù)段，即庫(kù)首段，水庫(kù)中段和庫(kù)尾段，各庫(kù)段的誘震因素狀態(tài)和計(jì)算結(jié)果分述如下：

庫(kù)首段：腳木足河按河床縱坡降4.5‰計(jì)算，從壩址往上27 km，約到神山(直波)附近；綽斯甲河床縱坡降按8‰計(jì)算，從壩址-年克庫(kù)段約16 km；庫(kù)深降到了140 m。這兩段庫(kù)深均為140～260 m，庫(kù)深為h1。巖性均為燕山期花崗巖即r2。腳木足河無(wú)斷層。綽斯甲河有NE向業(yè)隆溝斷層，正斷層，應(yīng)力狀態(tài)取拉張s2，晚更新世以來(lái)不活動(dòng)，斷層活動(dòng)性屬f2。

水庫(kù)中段：腳木足河從神山—大西木爾巴附近，綽斯甲河從年克-504林場(chǎng)轉(zhuǎn)運(yùn)站附近，庫(kù)水深度降到90～140 m的范圍，水深為h2。綽斯甲河巖性仍為燕山期花崗巖r2，而神山—大西木爾巴為三迭系變質(zhì)砂巖，千枚巖，取變質(zhì)巖r4，NW向的松崗斷層，向北延伸至腳木足河沙市附近穿過(guò)未來(lái)庫(kù)區(qū)，該斷層長(zhǎng)約70 km，左旋逆走滑斷層，屬早-中更新世斷層。斷層活動(dòng)性取f2。應(yīng)力狀態(tài)取區(qū)域擠壓應(yīng)力狀態(tài)s1。

庫(kù)尾段：腳木足河從大西木爾巴到干木鳥(niǎo)，綽斯甲河從504林場(chǎng)轉(zhuǎn)運(yùn)站-觀音橋附近，庫(kù)水深度小于90 m，水深為h3。NW向的松崗斷層，向北延伸至腳木足河扎爾都庫(kù)段,該斷層長(zhǎng)約70 km，左旋逆走滑斷層，屬早-中更新世斷層。綽斯甲河NE向的觀音橋斷層在斯多德和觀音橋附近穿過(guò)未來(lái)水庫(kù)區(qū)。兩條斷層主要發(fā)育在三迭系的變質(zhì)砂巖、板巖中，巖性為變質(zhì)巖r4。兩斷層晚更新世以來(lái)均不活動(dòng)，斷層活動(dòng)性為f2。這兩庫(kù)段中的斷層是逆斷層或壓扭性斷層，區(qū)域應(yīng)力狀態(tài)取擠壓s1。

水庫(kù)區(qū)位于北西向鮮水河斷裂帶與北東向龍門(mén)山斷裂帶所夾持的川青斷塊區(qū)東南部，以緊密線狀弧形褶皺構(gòu)造為主，斷裂構(gòu)造不發(fā)育。挽近時(shí)期以來(lái)，新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)主要表現(xiàn)為以斷塊本身的間歇性整體抬升，處于構(gòu)造相對(duì)穩(wěn)定區(qū)。工程區(qū)受外圍強(qiáng)震帶的波及影響較小，壩址區(qū)遭受歷史地震的最大影響烈度僅為Ⅵ度；其地震危險(xiǎn)性主要來(lái)自近場(chǎng)的松崗潛在震源區(qū)(震級(jí)上限6.5級(jí))、兩河口(撫邊河)潛在震源區(qū)(震級(jí)上限7.0級(jí))強(qiáng)震的影響。庫(kù)區(qū)地震背景取b2，考慮到水庫(kù)周?chē)牡卣鸹顒?dòng)情況b1的狀態(tài)也進(jìn)行了計(jì)算。

把這三個(gè)庫(kù)段的各誘震因素狀態(tài)的單因子按先驗(yàn)分布概率賦值，分別代入(1)、(2)式，即可計(jì)算出三個(gè)庫(kù)段多因素誘發(fā)不同震級(jí)地震的概率(見(jiàn)表2)。各庫(kù)段結(jié)果分述如下：

庫(kù)首段發(fā)生1類(lèi)地震的概率為0.02～0.08，發(fā)生2類(lèi)地震的概率為0.71～0.74，發(fā)生3類(lèi)地震的概率為0.18～0.26；水庫(kù)中段綽斯甲河段發(fā)生1類(lèi)地震的概率為0.19～0.45，發(fā)生2類(lèi)地震的概率為0.38～0.51，發(fā)生3類(lèi)地震的概率為0.16～0.31；水庫(kù)中段腳木足河段發(fā)生1類(lèi)地震的概率為0.19～

表2　六種因素組合發(fā)震概率

0.45，發(fā)生2類(lèi)地震的概率為0.46～0.63，發(fā)生3類(lèi)地震的概率為0.09～0.18；庫(kù)尾段發(fā)生1類(lèi)地震的概率為0.25～0.52，發(fā)生2類(lèi)地震的概率為0.46～0.70，發(fā)生3類(lèi)地震的概率為0.02～0.06。

5　結(jié)論與認(rèn)識(shí)

綜合分析評(píng)價(jià)認(rèn)為，雙江口水庫(kù)蓄水后發(fā)生小于5級(jí)地震的可能性大，發(fā)生大于5級(jí)地震的可能性小，其中主要發(fā)震區(qū)域?yàn)榛◢弾r庫(kù)段(見(jiàn)圖1)。貝葉斯方法對(duì)誘發(fā)地震強(qiáng)度的預(yù)測(cè)與因素組合的選擇及樣本的數(shù)量有關(guān)，水庫(kù)地震震例只有一百多個(gè)，限制了信息量的數(shù)量，并且在地震活動(dòng)區(qū)地震成因復(fù)雜,尤其是發(fā)生中小地震的水庫(kù)區(qū)難以區(qū)別是水庫(kù)誘發(fā)地震還是背景地震，因此該方法的預(yù)測(cè)精確度十分有限，可作為一種宏觀判斷的依據(jù)。

[1]秦嘉政,劉麗芳,等.水庫(kù)誘發(fā)地震活動(dòng)特征及其預(yù)測(cè)方法研究[J].地震研究,2009(02):105-113.

[2]楊清源,陳曉莉,等.水庫(kù)誘發(fā)地震的最大震級(jí)及其發(fā)震時(shí)間的預(yù)測(cè)研究[J].地震學(xué)報(bào),2001(05):523-529.

2015-03-10

袁國(guó)慶(1979-)，男，湖北黃岡人，高級(jí)工程師，從事水電站工程地質(zhì)勘測(cè)工作。

P315.7

B

1003-9805(2016)03-0073-03