向家壩水庫蓄水期間的地震活動(dòng)分析

馮志仁 程萬正 刁桂苓 張洪智 李萬明

1)中國(guó)地震局工程力學(xué)研究所 哈爾濱市南崗區(qū)學(xué)府路29號(hào) 150080

2)四川省地震局，成都 610041

3)河北省地震局，石家莊 050021

4)中國(guó)地震局地球物理研究所，北京 100081

0 引言

20世紀(jì)70年代已有關(guān)于水庫地震的研究成果(Gupta，H.K，et al.1976)。之后隨數(shù)字地震觀測(cè)技術(shù)的發(fā)展，一些國(guó)家在大型水庫庫區(qū)及周圍設(shè)置流動(dòng)或固定觀測(cè)臺(tái)網(wǎng)進(jìn)行觀測(cè)研究。先后在美國(guó)蒙蒂塞洛(Monticello)、喬卡西(Jocassee)、凱奧威(Keowee)等，加拿大馬尼克第三(Manic 3)，前蘇聯(lián)奴列克(Nurek)，埃及阿斯旺(Aswan)等進(jìn)行的水庫地震觀測(cè)研究表明，水庫誘發(fā)地震發(fā)生在水庫及其周圍，且震源淺(Chen et al，2001;Simpson et al，1981、1990;Leblanc et al，1978)。

水庫地震的研究歷史不長(zhǎng)，主要側(cè)重于收集整理資料，借此研究水庫蓄水過程與誘發(fā)地震的關(guān)系。國(guó)內(nèi)針對(duì)水庫地震開展的監(jiān)測(cè)和研究工作始于1960年廣東新豐江水庫(丁原章，1989)，之后相繼發(fā)表了幾個(gè)大型水庫的監(jiān)測(cè)研究成果，主要體現(xiàn)在對(duì)水庫地震發(fā)生的地質(zhì)構(gòu)造和巖性的認(rèn)識(shí)以及水庫誘發(fā)地震與危險(xiǎn)性評(píng)估等方面(賀為民等，2001;李坪等，2005;陳翰林等，2009;張致偉等，2009;程萬正等，2010)。

本文首先簡(jiǎn)要介紹了金沙江下游向家壩水庫工程、地質(zhì)構(gòu)造與歷史強(qiáng)震活動(dòng)概況，再根據(jù)2008年9月至2013年10月金沙江下游水庫地震臺(tái)網(wǎng)監(jiān)測(cè)資料，研究蓄水期間的地震活動(dòng)和震源機(jī)制，試圖分析水庫水位變化與水庫影響區(qū)地震活動(dòng)的關(guān)系，為高烈度區(qū)域水庫誘發(fā)地震的研究提供翔實(shí)資料和實(shí)例，并為今后的對(duì)比分析提供依據(jù)。

1 水庫工程、地質(zhì)構(gòu)造與強(qiáng)震

1.1 向家壩水電站工程概況

向家壩水電站是金沙江流域西電東送最東端的一級(jí)巨型水電站，庫區(qū)地跨川滇兩省，左岸位于四川省宜賓縣境內(nèi)，右岸為云南省水富縣。水電站以發(fā)電為主，兼有航運(yùn)、防洪、灌溉等綜合功能。壩頂高程384m，最大壩高162m，裝機(jī)容量640萬千瓦，年平均發(fā)電量為307.5億千瓦時(shí)。水庫為河道型水庫，岸線長(zhǎng)度156.6km。水庫正常蓄水位380m，總庫容51.63×108m3。

1.2 歷史強(qiáng)震活動(dòng)及其對(duì)庫區(qū)場(chǎng)地的影響

圖1是庫區(qū)及附近地區(qū)有記載以來的MS≥5.0地震震中分布圖。破壞性歷史地震活動(dòng)的空間分布是不均勻的，主要集中在馬邊-鹽津地震帶，位于庫區(qū)C段。有記載最早的是公元1216年的“馬湖夷界7.0級(jí)地震”，震中距離工程場(chǎng)地65km。馬邊地區(qū)主要有北西向的利店斷層、瑪瑙斷層和近東西向的靛蘭壩斷層，1935～1936年、1971年的2個(gè)震群均發(fā)生在這兩組斷裂帶的交匯部位及附近。大關(guān)一帶地震構(gòu)造復(fù)雜，有東西、北東向斷裂，還有近南北向的翼子壩斷裂，7.1級(jí)的大關(guān)地震就發(fā)生在這3組不同方向的斷裂的交匯部位。大關(guān)7.1級(jí)地震震中距壩址70km。另1610年四川高縣慶符級(jí)地震距壩址19km。其他區(qū)域的中強(qiáng)地震呈零星分布。

根據(jù)史料記載，馬邊-鹽津地震帶上的歷史強(qiáng)震造成嚴(yán)重地質(zhì)災(zāi)害。1216年四川雷波馬湖地震:“東、西兩川地大震，馬湖夷界山崩八十里，江水不通?！?917年云南大關(guān)吉利鋪6級(jí)地震:“沿大關(guān)河谷，上自云臺(tái)山下至豆沙關(guān)兩岸山崩滑坡嚴(yán)重;回龍溪一地山崩阻河，江水逆流約5km?！?936年四川馬邊級(jí)地震:“瑪瑙、復(fù)興場(chǎng)、屏山夏溪一帶，石碉樓全倒，石橋倒塌。廟宇、民房?jī)A倒甚多，土石墻普遍坍塌，木架房倒塌50%，山巖嚴(yán)重崩垮。”1936年雷波西寧級(jí)地震:“瑪瑙，山崩河水?dāng)嗔?，馬邊城跺倒了很多，平地開裂隨即又合攏?！?974年大關(guān)7.1級(jí)地震:“?？?馬頸子大滑坡(長(zhǎng)300m，寬200m)逆沖到河對(duì)岸，高出河床30m，堵河成湖;手扒巖大滑坡使木桿河斷流成湖?！苯y(tǒng)計(jì)馬邊-鹽津地震帶7次歷史強(qiáng)震震中距壩址60～80km，對(duì)水庫區(qū)的場(chǎng)地影響烈度為Ⅴ～Ⅵ度。

1.3 涉及庫區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造

在庫區(qū)西段(即C段)主要展布馬邊-鹽津地震構(gòu)造帶，由近南北向或北西向系列活動(dòng)斷裂構(gòu)成，為強(qiáng)震發(fā)震構(gòu)造系。近南北向的馬邊-鹽津構(gòu)造帶，由北北西向的利店斷裂、東西向的淀蘭壩斷裂以及近南北向的瑪瑙、翼子壩、關(guān)村、中村斷裂構(gòu)成。展布于水庫影響區(qū)的是近南北向的瑪瑙、翼子壩、關(guān)村、中村斷裂，其中翼子壩斷裂穿過金沙江。

圖1 向家壩水庫及周圍地區(qū)有記錄以來5級(jí)以上地震震中分布

翼子壩斷裂南起長(zhǎng)坪以北，向北經(jīng)糖房、猰子壩，止于蓮花山南，呈正南北走向，長(zhǎng)31km。翼子壩斷裂南端切入長(zhǎng)坪穹窿核部，向北切過黃毛壩短軸背斜、馬湖向斜和芭蕉灘穹窿的東翼。據(jù)翼子壩村北露頭剖面顯示呈擠壓逆沖性質(zhì)，西盤向東仰沖。由于歷史記錄過少，不能確切判斷1216年7級(jí)地震震中位置。據(jù)史料，地震使金沙江堵江40km，分析認(rèn)為震中在翼子壩斷裂附近。1971年大關(guān)北7.1級(jí)地震時(shí)，在靠近斷層的回龍一帶，在Ⅶ度背景上出現(xiàn)Ⅷ度烈度異常區(qū)。

瑪瑙斷裂北起瑪瑙北道坪一帶，南經(jīng)老營(yíng)盤、土地凹，過雙河口后逐漸消失，斷于侏羅系，南端切入三迭系和二迭系中。老營(yíng)盤附近發(fā)育數(shù)十米寬的擠壓破碎帶。

關(guān)村斷層斷入三迭系及二迭系中，北段為侏羅系。在老廠坡處，見二疊系下統(tǒng)灰?guī)r逆沖于二疊系上統(tǒng)玄武巖之上，破碎帶寬約15m。

中村-銅廠溝斷裂發(fā)育于銅廠溝背斜北東翼，1974年大關(guān)北7.1級(jí)地震的2次M≥5的強(qiáng)余震即發(fā)生在該斷裂南段。

在庫區(qū)東段(即A、B段)展布灣灣灘斷層，斷于龍橋-五指山背斜的北東翼。樓東斷層橫切五角堡背斜的北東端，為規(guī)模不大的蓋層斷裂，屬逆沖性質(zhì)。立煤灣斷裂破碎帶寬度超過20m，為Q3以來有過活動(dòng)(距今8.3萬年)的斷裂。在庫區(qū)東段外圍區(qū)展布北東向華瑩山及北西向柏樹溪斷裂，屬活動(dòng)的基底斷裂，為中強(qiáng)地震發(fā)震構(gòu)造。

2 蓄水期間的地震活動(dòng)

2.1 水庫蓄水過程

庫區(qū)蓄水前，庫水水位呈正常年變形態(tài)，即夏高冬低。

2012年10月10日，向家壩水庫正式下閘蓄水，庫水位持續(xù)增高，未顯示年周期變化形態(tài)。2012年10月16日，蓄水至354m高程。庫水位從280m逐步上漲至354m，漲幅為74m，后期庫水位維持在354m。

2013年6月26日，向家壩水庫啟動(dòng)第二階段蓄水。截至2013年7月5日，蓄水至370m高程。庫水位由354m逐步上漲至370m，漲幅16m。目前，向家壩水電站維持在370m水位穩(wěn)定運(yùn)行。

圖2 蓄水前后(2012年10月～2013年10月)向家壩水庫水位(據(jù)庫區(qū)新灘水文站資料)

2.2 蓄水期間的地震活動(dòng)

金沙江下游水庫地震監(jiān)測(cè)臺(tái)網(wǎng)包括35個(gè)固定測(cè)震臺(tái)，均位于沿江兩側(cè)，可很好監(jiān)測(cè)庫區(qū)沿岸兩側(cè)30km范圍內(nèi)的0.5級(jí)地震。本文利用2008～2013年的監(jiān)測(cè)資料分析庫區(qū)地震活動(dòng)。

圖3給出2012年10月～2013年11月15日庫區(qū)兩側(cè)10km范圍內(nèi)發(fā)生的地震，共624次，其中ML=0.5～0.9地震350次;1.0～1.9級(jí)地震234次;2.0～2.9級(jí)地震33次;3.0～3.4級(jí)地震7次;據(jù)此計(jì)算的地震活動(dòng)b值為0.78，最小二乘相關(guān)擬合系數(shù)為0.999。其中2次3.4級(jí)地震均發(fā)生在庫區(qū)C段;地震分布呈團(tuán)狀，分別聚集在瑪瑙斷裂與翼子壩斷裂中段。在庫首區(qū)A段和水庫中段(B段)地震活動(dòng)較弱，其中A段地震的頻次和強(qiáng)度更低。

庫區(qū)地震活動(dòng)隨時(shí)間的變化見圖4。2012年10月向家壩水庫下閘蓄水至2013年5月，無論地震活動(dòng)強(qiáng)度、月頻次均無明顯變化。2013年6月～10月地震活動(dòng)增強(qiáng)，庫區(qū)發(fā)生多次3級(jí)地震;2013年5～6月地震月頻次逐漸增加，7～8月達(dá)到170次，之后8～10月地震頻次逐漸減少，10月恢復(fù)到6月水平。震源深度多為2～11km，尤其蓄水期間震源深度2km左右的地震增多。

3 蓄水期間庫區(qū)C段的地震活動(dòng)與震源機(jī)制

3.1 庫區(qū)C段的地震活動(dòng)

實(shí)際上因蓄水而增加的地震活動(dòng)集中在庫區(qū)C段。為此本文特別給出2013年5～10月庫區(qū)C段每日地震活動(dòng)隨時(shí)間的變化(圖5)。

圖3 蓄水期間(2012年10月1日～2013年8月30日)向家壩水庫區(qū)兩側(cè)10km范圍內(nèi)的地震震中分布圖

2012年10月至2013年5月庫區(qū)C段地震活動(dòng)強(qiáng)度低(M≤2.0的地震占大多數(shù))。地震活動(dòng)主要集中在7月中旬至9月上旬，庫區(qū)C段于7月30、31日發(fā)生的2次3.1級(jí)地震及9月17日發(fā)生的3.4級(jí)地震均位于翼子壩斷裂帶;8月20日的3.2級(jí)地震位于瑪瑙斷裂帶;8月19日發(fā)生的3.4、3.3級(jí)地震位于翼子壩與瑪瑙斷裂帶之間。這些小震群序列的發(fā)生使得庫區(qū)日地震頻次顯著增加。

庫區(qū)C段小震活動(dòng)的增加并非始于蓄水初期。2013年7月5日庫區(qū)蓄水至370 m高程，此期間庫區(qū)C段地震活動(dòng)增加明顯，而庫區(qū)A、B段仍然維持在低地震活動(dòng)水平。大部分小震震源深度在2～6km，地震活動(dòng)陡增的時(shí)段與水庫第二階段蓄水位抬升時(shí)段一致，分析認(rèn)為地震頻次陡增與水庫第二階段蓄水過程有關(guān)。

3.2 庫區(qū)C段地震震源機(jī)制

根據(jù)波形資料，采用層狀介質(zhì)點(diǎn)源位錯(cuò)模型，擬合理論地震圖與觀測(cè)到的垂直向直達(dá)P波和S波的最大振幅(梁尚鴻等，1984;刁桂苓等，1993)，反演出10次地震的震源機(jī)制解。震中呈北北西向分布，其中有8次震中位于翼子壩斷裂附近，2次震中位于瑪瑙斷裂附近，震源深度在2～7km，比較淺。

2013年7月21日的地震位于瑪瑙斷裂的泡東坪村附近，其震源機(jī)制解呈傾滑型。2013年7月30日和31日的2次3.1級(jí)地震位于翼子壩斷裂的小廠村附近，其震源機(jī)制解呈斜滑型或稱傾滑兼走滑分量。2013年7月30日2.5級(jí)及2.7級(jí)地震位于翼子壩斷裂的紅巖村附近，其震源機(jī)制解分別呈傾滑型和斜滑型。

圖4 蓄水期間向家壩水庫區(qū)兩側(cè)10km范圍內(nèi)地震活動(dòng)隨時(shí)間的變化

近南北走向的翼子壩斷裂屬現(xiàn)今活動(dòng)斷裂，具逆沖性質(zhì)，這些局部地段蓄水后發(fā)生的地震的震源力學(xué)機(jī)制多呈現(xiàn)傾滑或正斷型。這些庫區(qū)小震的震源機(jī)制繼承了該區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的特征。根據(jù)刁桂苓2012年研究報(bào)告，庫區(qū)及周圍地區(qū)的400余次地震震源機(jī)制反演的應(yīng)力場(chǎng)。最大壓應(yīng)力主軸方位北西西-南東東，最小壓應(yīng)力主軸方位北北東-南南西，二者都是水平的;中等壓應(yīng)力主軸直立。蓄水期間給出的這些地震震源機(jī)制解得到的主壓應(yīng)力場(chǎng)優(yōu)勢(shì)方位與區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)大體一致。

圖5 庫區(qū)兩側(cè)10km范圍內(nèi)C段地震活動(dòng)隨時(shí)間的變化

位于現(xiàn)今強(qiáng)活動(dòng)斷裂帶中段的這些地震，分布在向家壩水庫的庫尾段，離金沙江很近，空間分布集中，范圍小，震源淺，震時(shí)震中附近村民有感。小震震源力學(xué)機(jī)制也反映了局部構(gòu)造應(yīng)力環(huán)境的差異，如巖體或巖性結(jié)構(gòu)的某些差異。據(jù)勘察報(bào)告，該庫段庫深在5～80m，該段多為“V”型深切峽谷，谷坡多懸崖絕壁。由于二疊灰?guī)r廣泛出露，又有褶皺和斷裂構(gòu)造條件，造成巖溶現(xiàn)象的大面積發(fā)育。其中暗河、溶洞10多處。據(jù)調(diào)查，該地形具有一定深度的地下水循環(huán)系統(tǒng)。翼子壩斷裂為出露地表的基底斷裂，部分控制金沙江流向，因其本身又被數(shù)條北東向小斷裂錯(cuò)斷，造成沿江灰?guī)r分布區(qū)巖石廣泛破碎和構(gòu)造裂隙的大面積發(fā)育。蓄水后水位上升30～70m，庫水跨翼子壩斷裂，持續(xù)的滲流作用可能造成巖溶，利於誘發(fā)地震。

夏其發(fā)(2000)認(rèn)為構(gòu)造斷裂型、地表卸載型與巖溶塌陷型是水庫地震的類型。位于庫區(qū)C段金沙江附近的灰?guī)r、溶洞出露地點(diǎn)分布的這些地震，部分是水庫誘發(fā)地震，或稱為巖溶塌陷型地震。除震源淺外，在S波后衰減段其面波波形呈放大特征，有待研究。在庫區(qū)C段發(fā)生的地震中更多的是天然構(gòu)造地震。近南北走向的瑪瑙斷裂、翼子壩斷裂均為活動(dòng)斷裂，需繼續(xù)跟蹤監(jiān)測(cè)在這些地段發(fā)生的系列中小地震或震群活動(dòng)。

4 結(jié)論和討論

4.1 蓄水期間庫區(qū)地震活動(dòng)特征

至2013年10月底，向家壩水庫蓄水已經(jīng)1年多，蓄水后庫首區(qū)A段地震活動(dòng)維持低頻次和低強(qiáng)度水平。庫區(qū)B段地震發(fā)生的月頻次和強(qiáng)度也低，沒有顯著的震群活動(dòng)和突發(fā)地震事件。

蓄水期間地震活動(dòng)顯著增加，且集中分布在庫區(qū)C段。這并非始于蓄水初期，而是在水庫第二階段蓄水至370m高程之后，庫區(qū)C段地震活動(dòng)增加明顯，震源深度為2～6km，地震活動(dòng)陡增的時(shí)段與水庫第二階段蓄水致水位抬升的時(shí)段一致，分析認(rèn)為這與水庫第二階段的蓄水過程有關(guān)。

圖6 蓄水期間向家壩水庫區(qū)C段地震的震源機(jī)制解

增加的水庫地震震中多位于近南北走向的翼子壩、瑪瑙斷裂活動(dòng)斷裂的中段。這些局部地段蓄水后發(fā)生的地震，給出的震源力學(xué)機(jī)制多呈傾滑或正斷型。鑒于局部地段，灰?guī)r廣泛出露，暗河、溶洞，巖溶現(xiàn)象發(fā)育，分析認(rèn)為部分地震為水庫誘發(fā)巖溶型或塌陷型地震，但大多數(shù)是構(gòu)造地震活動(dòng)。通過對(duì)水庫地震成因的分析，我們認(rèn)為荷載效應(yīng)、孔隙水壓力效應(yīng)、滲流和水對(duì)斷層的軟化、溶蝕及應(yīng)力腐蝕效應(yīng)，以及水沿裂隙至斷層可能下滲的速度、深度等顯示很強(qiáng)的局域性和差異性，這些因素可能促使淺部巖體中的結(jié)構(gòu)面被破壞或錯(cuò)動(dòng)，從而誘發(fā)地震活動(dòng)。對(duì)這些局部地點(diǎn)因水庫蓄水誘發(fā)的巖溶或塌陷型地震的波形和波譜分析結(jié)果，將另文討論。

4.2 涉及問題的討論

目前，庫水位穩(wěn)定，也未發(fā)生中等以上地震活動(dòng)。盡管庫區(qū)C段位于著名的馬邊-鹽津地震構(gòu)造帶中段，本地地震活動(dòng)水平高，且已有水庫地震研究的先例:如贊比亞卡里巴水庫，蓄水后3年內(nèi)地震活動(dòng)頻次和強(qiáng)度增加，庫水位達(dá)到最高水位5周以后，在蓄水下降段即1963年9月23日發(fā)生5.8級(jí)、25日又發(fā)生5.8級(jí)2次最大地震(Gough，et al，1970);埃及阿斯旺水庫也是蓄水至高位后的卸載段，即1981年11月14日發(fā)生5.7級(jí)地震(Mohamed et al，1995;Simpson et al，1988);2008年四川紫坪鋪水庫影響區(qū)發(fā)生的震群及大震也是在水庫蓄水第3年的水位下降段發(fā)生的(程萬正等，2010)。雖然其成因均有待探討，但發(fā)生構(gòu)造型水庫地震的重要前提條件是要有較高應(yīng)力應(yīng)變能積累，并有透水性結(jié)構(gòu)面及孕震構(gòu)造的存在。當(dāng)然荷載效應(yīng)、孔隙水壓力效應(yīng)、滲流、對(duì)斷層的軟化、溶蝕及應(yīng)力腐蝕效應(yīng)，以及水沿裂隙至斷層可能下滲的速度、深度等顯示很強(qiáng)的局域性和差異性，這些因素可能促使淺部巖體中結(jié)構(gòu)面的破壞或錯(cuò)動(dòng)，誘發(fā)水庫地震活動(dòng)(程萬正，2013)。

延遲型或滯后型水庫誘發(fā)或觸發(fā)的水庫最大地震往往發(fā)生在水庫蓄水的下降段或卸載段，確有一些觀測(cè)實(shí)例。因蓄水造成的地震危險(xiǎn)性，不是在蓄水初期而在之后，因此在受水庫蓄水影響的區(qū)域地震防御工作中應(yīng)保持警惕。加強(qiáng)水庫影響區(qū)震情的持續(xù)跟蹤監(jiān)測(cè)，結(jié)合所處區(qū)域的各類觀測(cè)資料開展未來地震趨勢(shì)的動(dòng)態(tài)研究是必要的。

致謝:向參加此項(xiàng)金沙江下游水庫地震監(jiān)測(cè)分析工作的楊磊、佘忠偉、李悅、黎云、呂世成、李精、駱亞芬、李江文及李澤贏等深表感謝!