許振棟 方傳極 姚濟(jì)棽

（1、福建省地震局平潭地震臺(tái)，福建 平潭350400 2、福建省地震局南平地震臺(tái)，福建 南平353000）

水口水庫總庫容2.6×109m3，面積約99.6[km]2壩高101m，壩前水深65m ，巖性為火山巖和花崗巖，斷裂主要分布在水庫地震集中區(qū)及其附近，有北東向?yàn)晨跀嗔?，南北向的下雙坑斷裂，北西向閩江斷裂等，水庫于1993 年3 月31 日蓄水后誘發(fā)了頻繁的地震活動(dòng)，至2020 年9 月15 日共發(fā)生了ML≥0 級(jí)以上地震6021 次，其中ML≥4.0 地震4 次。1996 年4 月21 日震級(jí)為ML4.1 的地震是首次超過4 級(jí)的地震，2008 年3 月6 日震級(jí)為ML4.8 的地震是目前發(fā)生的最大地震，如圖1 所示。

圖1 閩江水口水庫及鄰近地區(qū)地震地質(zhì)圖

1 水口水庫地震活動(dòng)情況

據(jù)福建臺(tái)網(wǎng)測定，水口水庫自1993 年3 月31 日蓄水以來至今共發(fā)生0.0-0.9 級(jí)地震4221 次，1.0-1.9 級(jí)地震1546 次,2.0-2.9 級(jí)地震211 次，3.0-3.9 級(jí)地震39 次，4.0-4.9 級(jí)地震4次，最大地震為2008 年3 月6 日的ML4.8 級(jí)地震,如表1 所示。

表1 震級(jí)-頻度關(guān)系（1993.3-2018.09）

地震活動(dòng)大致可分為四個(gè)時(shí)段（圖2）：

圖2 水口庫區(qū)ML≥0 級(jí)地震M-T 圖

第1 時(shí)段為1993 年5 月至1996 年10 月；在該時(shí)段內(nèi)共發(fā)生754 次地震，地震的頻度和強(qiáng)度時(shí)起時(shí)落，以1993 年10 月12 日、1994 年1 月12 日、2 月23 日、3 月2 日和1995 年3 月12日、1996 年4 月21 日等所發(fā)生的地震為主要地震，均以群發(fā)型方式相對(duì)集中釋放應(yīng)變能，每次活動(dòng)都伴有3 級(jí)以上地震發(fā)生。

第2 時(shí)段：經(jīng)過兩年半的平靜期后，1999 年3 月至2000 年9 月為第2 時(shí)段的地震活躍期，發(fā)震形式與第1 時(shí)段相同，均以群發(fā)型方式相對(duì)集中釋放應(yīng)變能，在該時(shí)段內(nèi)共發(fā)生440 次地震，其中3 級(jí)以上地震僅1 次，為1999 年11 月2 日發(fā)生的ML3.2 級(jí)地震。

第3 時(shí)段：2003 年3 月至2005 年12 月為水口庫區(qū)地震的正?；顒?dòng)時(shí)段，在該時(shí)段共發(fā)生64 次地震，最大震級(jí)為ML2.7級(jí)，地震活動(dòng)強(qiáng)度和頻度明顯低于第一和第二時(shí)段。利用b、U、K、ρ、h 等指標(biāo)進(jìn)行綜合判斷，第1、2、3 時(shí)段的地震活動(dòng)均為前兆震群。

第4 時(shí)段：從2007 年9 月至2020 年9 月15 日，在該時(shí)段共發(fā)生4733 次地震，其中3 級(jí)以上地震24 次，最大為ML4.8級(jí)，次大的為2 次ML4.1 級(jí)，這一時(shí)段的地震的發(fā)震方式與第一時(shí)段地震的發(fā)震方式有些相似，由于庫區(qū)地震不同于天然地震，它是因其局部應(yīng)力調(diào)整而誘發(fā)地震，而水口庫區(qū)又位于小震活動(dòng)相對(duì)頻繁的政和——海豐地震帶中段，該段上具有發(fā)生中小震群的地質(zhì)背景，因此庫區(qū)第4時(shí)段的地震活動(dòng)既可能是水庫地震的發(fā)展，也可能是向構(gòu)造地震的轉(zhuǎn)變。

2007 年～2009 年水口庫區(qū)ML4.0級(jí)以上地震活躍，地震能量得到了較大釋放，之后水口庫區(qū)地震強(qiáng)度水平和活動(dòng)頻次逐漸下降（圖3、圖4）。2010 年以來多次出現(xiàn)地震能量釋放低值異常，目前雖有所會(huì)升，但低值異常有利于能量積累釋放（圖5）。2020 年7 月21 日，水口庫區(qū)發(fā)生ML2.5 級(jí)地震，距離2017 年12 月4 日ML2.0 級(jí)地震已經(jīng)平靜快3 年（圖6）。

圖3 水口庫區(qū)ML≥0.0 地震M-T 圖

圖4 水口庫區(qū)ML≥0.0 地震年頻次

圖5 水口庫區(qū)地震能量圖

在2017 年度內(nèi)該地區(qū)僅發(fā)生2.0 級(jí)地震1 次，出現(xiàn)該地區(qū)地震的異常平靜，可以認(rèn)為是該地區(qū)為未來發(fā)生較強(qiáng)地震而進(jìn)行應(yīng)力調(diào)整；從2007-2020 年度震級(jí)頻度曲線顯示該區(qū)域ML4.0 級(jí)缺震（圖7）。

圖7 水口庫區(qū)震級(jí)頻度曲線圖

2 水口水庫地震序列性質(zhì)

本文引用研究構(gòu)造地震震群性質(zhì)的方法，采用多項(xiàng)指標(biāo)探索性地對(duì)水庫地震序列性質(zhì)進(jìn)行綜合判斷。根據(jù)能量釋放均勻度U 值公式

U=T0.9∑/E/T

式中T0.9∑/E/T為一個(gè)震群序列中釋放90%的應(yīng)變能所需要的最短時(shí)間，T 為全序列所持續(xù)的時(shí)間,單位為d。

根據(jù)地震空間Wei bull 分布參數(shù)ρ值f（τ）=uτρ-1exp(-uτρ/ρ)

式中τ 為震群系列的地震時(shí)間間隔。根據(jù)地震歸一化信息熵值公式

用最大似然法估算b 值

式中Mmin 為起算震級(jí)，M 為平均震級(jí)，△M 為震級(jí)的統(tǒng)計(jì)步長，通常為0.1，Mmin=M1-0.05。

根據(jù)上述4 個(gè)公式應(yīng)用攻關(guān)軟件對(duì)水口水庫地震序列進(jìn)行分時(shí)段（4 個(gè)活躍期）和全序列（見圖2）計(jì)算，得出結(jié)果如表2。

表2 水口水庫地震序列參數(shù)計(jì)算表

表中b-古登堡-里克特公式中的b 值；u-震群能量釋放均勻度；ρ-地震空間Weibull 分布參數(shù)；K-震群歸一化熵值；△M-最大與次大震級(jí)差值；E主/E總-最大地震（假定主震）能量與地震序列總釋放能量之比。水口水庫地震在二次地震活躍時(shí)段和正常活動(dòng)時(shí)段以及全序列△M、E主/E總兩個(gè)指標(biāo)判斷都表現(xiàn)為典型的震群序列性質(zhì)。

根據(jù)表2 中b-u-ρ-k 組合參數(shù)判斷，目前水庫地震序列不論是分時(shí)段還是全序列（至2006 年10 月）都具有前兆性質(zhì)，即到目前為止水口水庫地震屬前兆震群序列性質(zhì)（但2002 年3 月至今這時(shí)段b 值上升較大，ρ 值下降較多）。

3 跨斷層段水準(zhǔn)場地?cái)?shù)據(jù)分析

通過對(duì)水口庫區(qū)周邊的跨斷層段水準(zhǔn)場地?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)水庫在發(fā)生4.0 級(jí)及以上地震時(shí)，場地?cái)?shù)據(jù)變化幅度相對(duì)其它時(shí)段有較明顯的高值現(xiàn)象，如2008 年3 月6 日古田4.8 級(jí)地震前在斜溪4-2、西塘5-2 和西瓜洲3-4 等場地出現(xiàn)高幅值現(xiàn)象，目前在斜溪4-2 和西塘5-2 兩個(gè)場地又出現(xiàn)該項(xiàng)，認(rèn)為后期應(yīng)關(guān)注場地?cái)?shù)及水口周邊其它觀測前兆觀測資料的分析（圖9）。

圖8 水口庫區(qū)跨斷層場地分布圖

圖9 水口庫區(qū)跨斷層場地分布圖

4 最大誘發(fā)地震時(shí)間的預(yù)測

水庫從開始蓄水到初發(fā)震的時(shí)間與蓄水的速率有一定的關(guān)系[7]，最大的誘發(fā)地震一般在滿庫水位之后發(fā)生。楊清源等（1996）給出了Mmax＞3.0 級(jí)地震的水庫蓄水、初發(fā)地震和發(fā)生最大地震的時(shí)間[8]。蓄水即發(fā)震的水庫可能主要是巖溶引起地震，震源淺，所以蓄水即發(fā)震。蓄水后較長時(shí)間發(fā)震的水庫地震震源深度較深，象斯林那卡水庫地震震源深度為10km，這種地震可能是巖溶與斷層構(gòu)造等作用引起的。震中位于變質(zhì)巖的水庫從蓄水到發(fā)震時(shí)間較長，一般為6-7 年。而震中在火成巖的水庫從蓄水到發(fā)震的時(shí)間介于可溶巖與變質(zhì)巖之間。

關(guān)于從初發(fā)震到誘發(fā)最大地震的時(shí)間，有4 個(gè)6.0 級(jí)以上的水庫震例：克里馬斯塔水庫為0.5 年、新豐江水庫為3 年、柯依那和卡里巴水庫均為4 年。克里馬斯塔水庫間隔時(shí)間短，一方面是因?yàn)樗挥诘卣鸹顒?dòng)區(qū)，另一方面震中所在地區(qū)的介質(zhì)是灰?guī)r。在灰?guī)r地區(qū)的水庫，從初發(fā)震到誘發(fā)最大地震的時(shí)間只有廣西大化水庫和貴州烏江渡水庫分別是11 年和12 年，震級(jí)分別是4.5 級(jí)和3.5 級(jí)，均屬正常的弱地震活動(dòng)背景范圍之內(nèi)。其余在灰?guī)r地區(qū)發(fā)震的水庫均不超過3 年。在花崗巖地區(qū)發(fā)震的水庫最長為6 年,如阿斯旺水庫。玄武巖地區(qū)最長是4 年,如柯依那水庫。片麻巖地區(qū)的水庫最長為6 年，象克拉克山水庫?？ㄓ若斔畮煨钏?7 年發(fā)生最大地震，普卡基水庫蓄水后21 年誘發(fā)最大地震，而從初發(fā)震到發(fā)生最大地震的時(shí)間均不超過6 年。因此，從初發(fā)震到最大誘發(fā)地震的時(shí)間在可溶巖地區(qū)一般最長時(shí)間為2-3 年。其它巖性地區(qū)的水庫從初發(fā)震到發(fā)生最大地震時(shí)間最長是5-7 年。以上是以震中所在地區(qū)巖性不同的水庫為例，研究了從水庫蓄水到初發(fā)地震和誘發(fā)最大地震的時(shí)間，實(shí)際上這些時(shí)間間隔是庫區(qū)內(nèi)各種地質(zhì)構(gòu)造、斷層、應(yīng)力條件等綜合作用的結(jié)果，以巖性區(qū)分只是使問題更為直觀簡明。根據(jù)上述分析可以得出：水口水庫1993 年3 月開始蓄水，初發(fā)地震為1993 年5 月23 日，而庫區(qū)的介質(zhì)為火成巖與黑云母花崗巖，從初發(fā)地震到誘發(fā)最大地震的時(shí)間不會(huì)超過17 年。因此2008 年3 月6 日發(fā)生的ML4.8 地震即為最大的誘發(fā)地震。

5 結(jié)論

根據(jù)以上分析可以得出：水口水庫所能誘發(fā)的地震最大震級(jí)在5 級(jí)以下，從初發(fā)震到最大地震的發(fā)生不超過17 年,也就是在2010 年5 月之前主震就應(yīng)該發(fā)生，從已發(fā)生的地震序列顯而易見，2008 年3 月6 日發(fā)生的ML4.1 級(jí)地震就是主震，主震已經(jīng)過去了。

根據(jù)水口水庫地震序列性質(zhì)為前兆震群序列和地震活動(dòng)特征可以得出：

水口水庫地震活動(dòng)將持續(xù)較長時(shí)間，地震活動(dòng)水平仍會(huì)有起伏，但未來誘發(fā)大于4 級(jí)地震的可能性不大，從2002 年以來所發(fā)生的3 級(jí)以下地震活動(dòng)屬于水庫誘發(fā)地震的正?；顒?dòng)。