重慶羊頭鋪水庫誘發(fā)地震分析研究*

吳建超，張麗芬，蔡永建，繆衛(wèi)東，雷東寧，余 松，喬岳強

(1.中國地震局地震研究所 (地震大地測量重點實驗室)，湖北武漢430071;2.武漢地震工程研究院，湖北武漢430071)

重慶羊頭鋪水庫誘發(fā)地震分析研究*

吳建超1，2，張麗芬1，蔡永建1，2，繆衛(wèi)東1，2，雷東寧1，2，余 松1，2，喬岳強1，2

(1.中國地震局地震研究所 (地震大地測量重點實驗室)，湖北武漢430071;2.武漢地震工程研究院，湖北武漢430071)

通過實地調(diào)查并結(jié)合前人研究成果，綜合分析了羊頭鋪水庫區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造背景、地震活動性及水文地質(zhì)條件等。在此基礎(chǔ)上，應(yīng)用構(gòu)造類比法和概率預(yù)測法對羊頭鋪水庫誘發(fā)地震的可能性進行了分析。結(jié)果表明，庫區(qū)南段有發(fā)生水庫誘發(fā)地震的可能性，發(fā)生MS1.0～3.0地震的概率約為0.19，誘發(fā)最大地震強度為MS3.0左右。而庫區(qū)北段有發(fā)生MS1.0地震的可能性，發(fā)震概率僅為0.03。

羊頭鋪水庫;構(gòu)造類比法;概率預(yù)測法;水庫誘發(fā)地震

0 引言

羊頭鋪水電站位于重慶市彭水縣保家鎮(zhèn)羊頭鋪鄉(xiāng)郁江上游1.6 km處，為河床式水電站。設(shè)計重力壩高44 m，壩長235 m，正常蓄水位247 m，水庫總庫容1.44×108m3，屬Ⅲ等中型水庫。該水庫的興建對郁江下游防洪、減淤及水資源開發(fā)利用等具有重要戰(zhàn)略意義①國家電力公司西北勘測設(shè)計研究院.2000.重慶市澎水縣羊頭鋪水利樞紐工程初步設(shè)計報告.。

水庫蓄水誘發(fā)地震活動的研究一直被地學界所重視，人們對水庫誘發(fā)地震的研究已有超過60年的歷史。目前，國內(nèi)外已有140余座水庫誘發(fā)了地震，其中我國就有24例水庫誘發(fā)地震事件 (王建平，2010;Gupta，2002)。水庫誘發(fā)地震對水庫工程設(shè)施能產(chǎn)生不同程度的破壞，并能引發(fā)嚴重的次生災(zāi)害 (吳建超，2009)。羊頭鋪水庫于2008年開始設(shè)計建設(shè)，水庫蓄水后是否會誘發(fā)地震，誘震的震中、強度及其對庫周環(huán)境的影響等與電站水庫所處的環(huán)境密切相關(guān)。因此，分析研究羊頭鋪水庫的誘發(fā)地震問題是十分必要的。本文在分析羊頭鋪水庫區(qū)地質(zhì)構(gòu)造背景、地震活動性及水文地質(zhì)條件等資料的基礎(chǔ)上，對庫區(qū)誘發(fā)地震的可能性進行了分析計算，為進一步開展水庫誘發(fā)地震的監(jiān)測研究和防震減災(zāi)工作奠定基礎(chǔ)。

1 區(qū)域地震構(gòu)造背景

1.1 區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造

羊頭鋪庫區(qū)位于揚子準地臺上揚子臺褶帶黔江拱褶斷束，其北西側(cè)以巫山—金佛山基底斷裂為界，與四川臺坳川東褶皺束相接。區(qū)域構(gòu)造以寬緩背斜、向斜或箱狀復(fù)式背斜及伴生斷裂為特征②武漢地震工程研究院.2008.重慶市彭水縣羊頭鋪水電站，三江口水利樞紐工程水庫誘發(fā)地震危險性評價報告.。水庫區(qū)大部分處在郁江背斜西翼，并涉及到普子復(fù)向斜東翼部分。

羊頭鋪庫區(qū)及外圍出露的斷裂主要為郁山斷裂帶，其次為大堰塘斷裂及其它規(guī)模較小的斷層。主要斷裂概況如圖1、表1所示，這些斷裂均屬早、中更新世斷裂，晚更新世以來沒有活動的跡象。

表1 羊頭鋪水庫近場區(qū)內(nèi)主要斷裂概況Tab.1 Main faults in the near-field region of Yangtoupu reservoir

圖1 羊頭鋪水庫區(qū)地震構(gòu)造圖Fig.1 Seismotectonic map of the Yangtoupu reservoir region

1.2 地形地貌

羊頭鋪水庫占據(jù)著南西流向的郁江下游普家壩至羊頭鋪河段，長約15.5 km，郁江河谷及其兩側(cè)的地形地貌有一定差異 (圖2)。整個庫區(qū)段發(fā)育較典型的山區(qū)曲流河河谷地貌，由北向南大致可分為兩段。北段由張家壩至庫尾，呈曲流寬谷地貌，谷寬500～2 000 m，地面高程280～480 m，主泓道蜿蜒曲折，并出現(xiàn)多處邊灘和沙洲江心灘。河谷中普遍發(fā)育3～4級階地。南段由張家壩至羊頭鋪，主泓道發(fā)育在長而窄的峽谷中，谷寬一般為30～80 m，地面高程為230～600 m，微地貌呈不對稱的“V”型峽谷。谷地下部兩側(cè)為相對高度80～120 m的近垂直陡峭的谷坡，底部完全被河床所據(jù)，極少有河床堆積物，局部呈嶂谷、隘谷形態(tài)。谷地上部兩側(cè)為坡角30°～45°的緩坡。其中南段為羊頭鋪水庫深度和蓄水量最大的地段。

圖2 羊頭鋪水庫近場區(qū)衛(wèi)星地貌影像圖 (■:壩址)Fig.2 Satellite landform image of the near-field region of Yangtoupu reservoir(■:Dam)

2 庫區(qū)地震活動背景

在羊頭鋪水庫區(qū)10 km范圍內(nèi)，歷史和現(xiàn)今地震活動水平較低，除1855年彭水4級地震外，近40年來僅有9次小震活動，且多集中在庫區(qū)北部和西部5～8 km的范圍內(nèi)，最大震級為發(fā)生在文家壩附近的ML3.8地震，小震活動與郁山斷裂帶缺乏相關(guān)性。

庫區(qū)外圍150 km范圍內(nèi)較大中強地震有1856年咸豐6級地震、1854年南川5級地震、1931年利川5級地震等，對庫區(qū)的影響烈度均不超過V度。

圖3 羊頭鋪水庫區(qū)碳酸鹽巖透水層與碎屑巖隔水層分布圖Fig.3 Distribution map of the carbonate permeable layer and clastic rock impermeable layer in Yangtoupu reservoir region

3 水庫誘發(fā)地震危險性分析

3.1 誘發(fā)地震的地震地質(zhì)條件

水庫誘發(fā)地震是復(fù)雜的科學問題，目前還處在探索階段。根據(jù)陳蜀俊等 (2005)的研究成果，水庫誘發(fā)地震的類型可分為構(gòu)造型、巖溶型和應(yīng)力局部調(diào)整型3類，但這3類水庫誘發(fā)地震又各具不同的發(fā)震條件。因此，從已發(fā)地震經(jīng)驗類比總結(jié)出來的發(fā)震條件是分析判斷水庫是否會誘發(fā)地震的基礎(chǔ)。

庫區(qū)巖性條件對庫水向地下滲透起著重要作用。在我國已發(fā)生的27例水庫地震中，發(fā)生在碳酸鹽巖地層中的地震有18例，占66%，發(fā)生在花崗巖類巖石中的地震有5例，約占18%(楊清源，1996;葉支權(quán)等，2010)。因此，巖性條件是產(chǎn)生水庫誘發(fā)地震的直接要素，同時也是討論水庫誘發(fā)地震的重要依據(jù)。

縱觀羊頭鋪水庫的地震地質(zhì)條件:

(1)庫區(qū)南段長約4.5～5.0 km，主要由傾向北西的中寒武統(tǒng)和下奧陶統(tǒng)次生灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r、泥質(zhì)白云巖和生物碎屑灰?guī)r組成。這類地層絕大部分具有可溶性，沿層面和裂隙巖溶地貌發(fā)育。雖然在水庫左岸的保家樓3大巖溶系統(tǒng)中，發(fā)育有一系列溶洞、溶泉、落水洞、豎井和暗河等，但它們的出露高程大都高于正常庫水位247 m，因此對庫區(qū)的滲漏作用不大。而零星出露在河庫或河庫邊坡的巖溶、落水洞，雖然流量不大，且隨季節(jié)變化，但可能導(dǎo)致有利于庫水滲漏的條件。

庫區(qū)北段主要由中、下志留統(tǒng)頁巖、粉砂巖組成，構(gòu)成區(qū)域性隔水層。部分為中、下奧陶統(tǒng)和中寒武統(tǒng)灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r、生物碎屑灰?guī)r夾頁巖，形成可溶性碳酸鹽巖與非可溶性碎屑巖的復(fù)式組合，構(gòu)成局部較少地下水通道。由于透水的碳酸鹽巖上覆蓋著厚度約500 m的隔水層碎屑巖，并構(gòu)成河床淺部主要基巖，蓄水后，地下水向庫區(qū)滲漏的可能性較小。

(2)郁山斷裂帶幾乎縱貫庫區(qū)，從圖1上可以看出，該斷裂帶的走向呈不規(guī)則狀，有些段落穿過了庫區(qū)，而有些段落偏離了庫區(qū)，若以庫區(qū)為一個整體，該斷裂一共切割庫區(qū)5～6個斷裂段落。斷裂帶寬15～30 m，由一系列分支斷層組成，有多期活動，最新活動性質(zhì)為正斷。斷裂帶物質(zhì)測年大部分為中更新世中期，地貌上有不同程度的響應(yīng)，沿斷裂帶無中強地震記載，但局部有小震活動。

該斷裂帶的滲透系數(shù)為2.7×10－3～8.3×10－4cm·s－1，屬中等透水體。斷裂帶內(nèi)存在地下水位略高于水庫正常水位的地下分水嶺，庫水有可能通過斷裂帶向下滲漏，為誘發(fā)地震提供了水體的主要滲透條件。

(3)從較大范圍看，庫區(qū)現(xiàn)今受NW-SE向構(gòu)造應(yīng)力場控制。在此應(yīng)力場作用下，NE向的郁山斷裂帶有可能產(chǎn)生擠壓變形，亦或左旋活動，易于斷裂帶的閉合，而不利于庫水的滲透作用。

從庫區(qū)外圍有限的數(shù)據(jù)可見，包括庫區(qū)在內(nèi)的廣大地段地應(yīng)力τ0值為50 Pa，垂直應(yīng)力σv隨深度增加而迅速減小，庫區(qū)處于相對較低的地應(yīng)力背景環(huán)境。依據(jù)羊頭鋪水庫蓄水后三維數(shù)值模擬計算的結(jié)果，羊頭鋪庫首區(qū)庫水荷載約為0.07 MPa，量值微小，但在郁山斷裂帶的較深部位，出現(xiàn)相對應(yīng)力集中區(qū)。

綜上所述，羊頭鋪水庫庫區(qū)不存在活動斷裂，不存在發(fā)生構(gòu)造型水庫地震的可能。但水庫蓄水后誘發(fā)巖溶型水庫地震的可能性較大，主要集中在碳酸鹽巖大面積分布、巖溶管道發(fā)育的庫段。由于庫區(qū)岸坡、溝谷地形相對高差較大，以及庫區(qū)碳酸鹽巖分布特點，巖層中3～4組結(jié)構(gòu)面易因庫水滲透作用抗剪強度降低，故有發(fā)生應(yīng)力局部調(diào)整型水庫地震的可能性。

3.2 構(gòu)造類比分析

該方法根據(jù)對已發(fā)震水庫資料的分析，總結(jié)歸納出誘發(fā)地震的主要條件。這些條件在擬建水庫中越齊備越典型，該水庫誘發(fā)地震的可能性就越大 (張秋文等，2005)。

通過與水庫規(guī)模、地震地質(zhì)條件等相近的四川銅街子、云南魯布革、湖北前進、湖南黃石以及南沖等已發(fā)震水庫進行對比后發(fā)現(xiàn)，羊頭鋪水庫庫區(qū)地層以灰?guī)r和白云巖為主，屬于誘震的有利條件。但含水層地下水循環(huán)主要局限在淺部，未達到地殼深處，因此水對地殼中應(yīng)力應(yīng)變的影響僅限于淺部。庫壩區(qū)發(fā)育有郁山斷裂以及其它多條規(guī)模較小的壓扭性和張扭性次級斷層，但均不屬于活動斷層，斷裂的滲透能力較弱，不大可能積累較大的應(yīng)力應(yīng)變。這兩方面的因素大大制約了該水庫的誘震能力。因此判定該水庫發(fā)生構(gòu)造型水庫誘發(fā)地震的可能性較小。但在水庫南段有發(fā)生巖溶型水庫誘發(fā)地震的可能。

3.3 概率預(yù)測分析

該方法是美國Packer(1979)和Beacher(1979)提出來的，其立意是在概率意義上對一個新建水庫的誘發(fā)地震危險性進行預(yù)測。從現(xiàn)有較大水庫的可能與誘發(fā)地震有密切關(guān)系的因素進行統(tǒng)計分析。

水庫誘發(fā)地震受多種因素的影響，一般把水庫誘發(fā)地震過程看成一個多因素函數(shù)，將影響因素看作隨機因素，比較真實全面地獲得水庫誘震總體組合環(huán)境和誘發(fā)地震活動特點的資料，再通過概率統(tǒng)計等數(shù)學模型來計算和處理，就可以得到條件和結(jié)果之間的函數(shù)關(guān)系 (張琦偉等，2005;張林洪等，2004)。

結(jié)合秦嘉政等 (2009)、王秋良等 (2009)的研究，針對羊頭鋪水庫的主要影響因素，選用庫水深度 (D)、庫區(qū)巖性條件 (G)、區(qū)域應(yīng)力狀態(tài)(S)、斷層活動性 (F)、巖溶發(fā)育程度 (K)、與庫水溝通關(guān)系 (C)和地震活動背景 (E)7個誘震因子進行震級概率預(yù)測計算 (表2)。

表2 水庫誘發(fā)地震影響因素及其狀態(tài)Tab.2 Influence factors and the state of the reservoir-induced earthquake

根據(jù)貝葉斯條件概率理論，預(yù)測水庫誘發(fā)地震的統(tǒng)計模型可表達為:

在統(tǒng)計樣本中，認為各誘震因子是相互獨立的。(1)式中:P(Mi)為不同震級地震類別的先驗概率。根據(jù)國內(nèi)外46座發(fā)震的大型水庫，205座未發(fā)震的大型水庫資料統(tǒng)計的發(fā)震概率，發(fā)生強震、中強震、弱震、微震和不發(fā)震的先驗概率分別為:P(M4)=0.02;P(M3)=0.04;P(M2)=0.05;P(M1)=0.07;P(M0)=0.82。

P(D，G，S，F(xiàn)，K，H，C，E/Mi) 為各影響因素組合條件下不同震級的條件概率 (表3)。

利用MATLAB軟件，計算得出庫區(qū)南段和北段分屬5個發(fā)震震級的概率，取其中概率值最大者，即認為預(yù)測的可能發(fā)震強度 (表4)。

表3 誘震因子不同狀態(tài)發(fā)震先驗概率統(tǒng)計表Tab.3 Statistical table of earthquake prior probability for the induced-earthquake factors under different states

表4 誘震因子狀態(tài)及統(tǒng)計模型預(yù)測結(jié)果Tab.4 The state of the induced earthquake factors and prediction results of the statistical models

由計算結(jié)果可知，水庫南段巖性主要以灰?guī)r、泥質(zhì)白云巖等碳酸鹽巖類為主，巖體喀斯特化程度較高，且?guī)r溶管道發(fā)育，發(fā)生1～3級地震的概率約為0.19。而庫區(qū)北段不發(fā)震的比例較高，約為0.97，有發(fā)生M1.0地震的可能性，發(fā)震概率為0.03。

4 結(jié)論

羊頭鋪水庫區(qū)周邊為貧困山區(qū)，農(nóng)民居住房屋質(zhì)量較差，水庫誘發(fā)地震會對居民的生命財產(chǎn)存在潛在的破壞影響。

因此，綜合羊頭鋪庫區(qū)地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、地形地貌及巖溶水文地質(zhì)等條件，采用構(gòu)造類比和概率預(yù)測2種分析方法，分析認為庫區(qū)南段包括郁山斷裂帶分布區(qū)，有發(fā)生水庫誘發(fā)地震的可能性。而庫區(qū)北段誘發(fā)地震的可能性較小。

采用概率計算得到庫區(qū)南段發(fā)生1～3級地震的概率約為0.19，誘發(fā)地震最大震級為M3.0左右。庫區(qū)北段有發(fā)生M1.0地震的可能性，發(fā)震概率僅為0.03。故庫區(qū)南段可以排除發(fā)生水庫誘發(fā)地震的可能性。

衷心感謝劉鎖旺研究員和高士鈞對本研究的指導(dǎo)!

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Research on Earthquake Induced by Yangtoupu Reservoir in Chongqing

WU Jian-chao1，2，ZHANG Li-fen1，CAI Yong-jian1，2，MIAO Wei-dong1，2，LEI Dong-ning1，2，YU Song1，2，QIAO Yue-qiang1，2
(1.Key Laboratory of Earthquake Geodesy，Institute of Seismology，CEA，Wuhan 430071，Hubei，China)
(2.Wuhan Institute of Earthquake Engineering，Wuhan 430071，Hubei，China)

On the basis of field investigation and previous research，we comprehensively analyzed the tectonic background，seismic activity and hydrogeology condition of the Yangtoupu reservoir.Then we discussed the probability of the earthquake induced by Yangtoupu reservoir using structural-analogy method and probabilistic statistic method.The results show that there is possibility for the southern region of the Yangtoupu reservoir to induce earthquake and the probability of reservoir induced earthquake from M1.0 to M3.0 is about 0.19.The biggest magnitude of the induced earthquake is about M3.0.The northern region of it has little possibility to induce M1.0 earthquake and the probability is only 0.03.

Yangtoupu reservoir;structural-analogy method;probabilistic statistic method;reservoir induced earthquake

P315.7

A

1000－0666(2012)03－0335－06

2011－10－24.

中國地震局地震研究所基金 (IS201056088)資助.