水庫誘發(fā)地震規(guī)律研究——以三峽地區(qū)為例＊

郭 軼 萬 偉 張 輝 唐新功

1）“油氣資源與勘探技術(shù)”教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（長江大學(xué)），湖北荊州 434023 2）長江大學(xué)地球物理與石油資源學(xué)院，湖北荊州 434023

引言

水庫地震是誘發(fā)型地震中的一種。由于出現(xiàn)數(shù)量多，且通常情況下強(qiáng)度高于其他人類活動(dòng)引發(fā)的地震強(qiáng)度而更為人們所關(guān)注[1]。迄今為止，全世界水庫誘發(fā)的地震有上百例，對(duì)當(dāng)?shù)鼐斐闪瞬煌潭扔绊懪c破壞。20世紀(jì)60年代發(fā)生的4次震級(jí)大于6級(jí)的水庫誘發(fā)地震，即中國的新豐江地震（6.1級(jí)，1962年3月）、贊比亞—津巴布韋邊界Kariba地震（6.1級(jí)，1983年9月）、希臘Kremasta地震（6.3級(jí)，1966年）和印度Koyna地震（6.5級(jí)，1967年），使水庫誘發(fā)地震成為工程界和地震界高度關(guān)注的問題。

中國是水庫誘發(fā)地震較多的國家之一[1]。作為世界最大的水利樞紐工程，三峽水庫存在誘發(fā)地震的可能性不容忽視。已有的研究成果表明，三峽水庫經(jīng)過2003年、2006年和2009年3期改造逐步提升水位，現(xiàn)在水位已到175 m，庫容量高達(dá)393×108m3，具備了水庫誘發(fā)地震潛在的條件[2]。同時(shí)，三峽庫區(qū)自2003年蓄水起，就一直伴隨有微震群活動(dòng)。前人研究也表明三峽庫區(qū)的地震與水庫蓄水密切相關(guān)，屬典型的水庫誘發(fā)型地震[3]。

在已有研究三峽水庫誘發(fā)地震的文獻(xiàn)中，關(guān)于地震地質(zhì)條件、地震序列分析、震源機(jī)制、誘發(fā)機(jī)理等方面研究程度較高[4]，對(duì)以后的三峽庫區(qū)的地震研究具有重要的參考價(jià)值。對(duì)比蓄水前和蓄水后的地震特點(diǎn)，水庫誘發(fā)型地震表現(xiàn)出震源淺、震級(jí)小、震中烈度偏高、衰減快等特點(diǎn)[5－6]。但關(guān)于水庫蓄水前后發(fā)生的地震在空間移動(dòng)規(guī)律、地震頻度改變等方面的研究文獻(xiàn)還不多。而研究蓄水前后地震空間移動(dòng)規(guī)律和地震頻度的改變對(duì)于了解水庫誘發(fā)型地震至關(guān)重要。隨著三峽大壩工程的開展和其他水利資源的開發(fā)，水庫誘發(fā)地震及可能帶來的問題將日趨顯現(xiàn)且突出[7]，因此通過分析已有震例的資料，研究三峽水庫具有誘發(fā)地震的可能性，對(duì)于了解水庫誘發(fā)地震規(guī)律、減輕重大自然和人為災(zāi)害具有極其深遠(yuǎn)的意義[8]。

為了使蓄水前后地震釋放的平均能量在相同年限間有較好的對(duì)比效果，且考慮到地震數(shù)據(jù)會(huì)因記錄年份不同而導(dǎo)致相對(duì)精確程度的不同（地震臺(tái)站布設(shè)數(shù)量增加和地震儀器記錄精度的相對(duì)提高使時(shí)間上相對(duì)靠后的數(shù)據(jù)精度更高），同時(shí)在統(tǒng)計(jì)總能量時(shí)，由于微震數(shù)據(jù)在總記錄數(shù)據(jù)中占有相當(dāng)大比例，其所相加的總能量也會(huì)對(duì)結(jié)果產(chǎn)生一定影響，本文擬采用1980年1月1日至2010年12月31日的ML2級(jí)及以上地震記錄資料，研究東經(jīng)108.5°—112°，北緯29.5°—32°地區(qū)（包含了三峽水庫及鄰區(qū)）的地震蓄水前后的空間分布變化規(guī)律。主要地震數(shù)據(jù)來自重慶臺(tái)網(wǎng)、湖北臺(tái)網(wǎng)和一些已經(jīng)發(fā)表的文獻(xiàn)。相對(duì)已有發(fā)表文獻(xiàn)來說，所研究的時(shí)間和空間涵蓋范圍對(duì)于研究三峽庫區(qū)水庫誘發(fā)型地震更有意義。

1 庫區(qū)地質(zhì)概況

據(jù)前人研究結(jié)果，三峽工程干流庫段根據(jù)其地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造和巖性條件可劃分為3個(gè)庫段（圖1）[1]：結(jié)晶巖低山丘陵寬谷段（全長約16 km）、碳酸鹽巖和碎屑巖中～低山峽谷段（全長約141 km）、碎屑巖低山丘陵寬谷段（全長約500 km）。經(jīng)陳德基等[1]分析，在第二庫段，即碳酸鹽巖和碎屑巖中～低山峽谷段最有可能誘發(fā)水庫地震。

本文同時(shí)將所使用的地震臺(tái)站信息及位置做成圖示（圖2），其中包括國家測(cè)震臺(tái)網(wǎng)、區(qū)域測(cè)震臺(tái)網(wǎng)以及地震遙測(cè)臺(tái)網(wǎng)的分布。

圖1 長江三峽庫區(qū)及周邊地質(zhì)構(gòu)造圖[2]

圖2 地震臺(tái)站/點(diǎn)分布示意圖（圖中邊界線表示本文所用臺(tái)網(wǎng)覆蓋區(qū)域）

2 三峽水庫蓄水前后誘發(fā)地震的對(duì)比研究

三峽地區(qū)地震工作開展得較早，在著手規(guī)劃三峽水利工程初期就已開展了地震觀測(cè)等工作[9]。并從1958年起，在三峽工程壩址及周圍地區(qū)建立了工程專用的地震監(jiān)測(cè)臺(tái)。2001年起開始啟用了由24個(gè)遙測(cè)地震臺(tái)構(gòu)成的新的監(jiān)測(cè)臺(tái)網(wǎng)，監(jiān)測(cè)能力有了極大提高，迄今已不間斷積累了近50年的寶貴測(cè)震資料[1]。

本文使用了湖北臺(tái)網(wǎng)、重慶臺(tái)網(wǎng)和一些已發(fā)表的文章中的30多年來三峽地區(qū)的872例ML2級(jí)及以上的地震資料，得出蓄水前后30多年來三峽庫區(qū)及其周邊地震震中空間遷移規(guī)律分布圖（圖3）。對(duì)比發(fā)現(xiàn)蓄水前發(fā)震較多的地區(qū)在蓄水后地震相對(duì)有所減少，而原來地震很少的庫區(qū)周圍則集中了大量的地震，表明區(qū)內(nèi)蓄水后地震有明顯向庫區(qū)集中的趨勢(shì)。根據(jù)研究，這種蓄水后引起地震震中遷移的現(xiàn)象在其他地區(qū)（如湖北丹江口水庫）也有表現(xiàn)。丹江口水庫蓄水前，其當(dāng)?shù)氐卣鸹顒?dòng)分布于距大壩100 km以外，蓄水后，隨著水位上升，更多的地震活動(dòng)逐漸遷移至水庫附近[8]。研究還表明，地震空間的這種遷移變化趨勢(shì)與蓄水前后庫區(qū)重力場(chǎng)的變化也有很好的對(duì)應(yīng)[10]，蓄水對(duì)庫區(qū)重力場(chǎng)的改變?cè)诳拷鼛彀兜牡胤胶苊黠@，而在遠(yuǎn)離庫岸的地方較弱。這可能是大量蓄水后改變了原本相對(duì)穩(wěn)定部位的應(yīng)力場(chǎng)而導(dǎo)致地震發(fā)生[11]。三峽地區(qū)處于少震區(qū)和弱震區(qū)，而這些地區(qū)處于低應(yīng)變狀態(tài)，在有利的構(gòu)造條件下[8]，水庫大量蓄水形成的巨大負(fù)載容易改變其應(yīng)力平衡狀態(tài)而導(dǎo)致其產(chǎn)生誘發(fā)型地震。

圖3 蓄水前（a）后（b）三峽水庫及鄰區(qū)震源的平面分布圖（黑色實(shí)線表示斷層）

長江三峽是舉世聞名的峽谷區(qū)且峽谷地形的水庫誘發(fā)地震的幾率要大于其他水庫[9]。胡毓良等[12]曾提出在陡峻的峽谷或基巖裸露區(qū)，基巖中已有的裂隙和由外力產(chǎn)生的岸邊張裂隙是庫水滲漏的極好通道，這是水庫地震在空間上往往出現(xiàn)在峽谷底段或基巖裸露區(qū)的主要原因。由于水的滲入和一系列前震的發(fā)生都可以降低整個(gè)裂隙面上抗滑強(qiáng)度而導(dǎo)致整個(gè)面的錯(cuò)動(dòng)產(chǎn)生大震[12]。根據(jù)圖3可看出蓄水后地震大規(guī)模地向水庫及周邊地帶集中，具有誘發(fā)較大規(guī)模的錯(cuò)動(dòng)而導(dǎo)致地震的可能性，因此這種地震空間分布的遷移變化特征應(yīng)引起重視。

為了更清晰地表明三峽水庫蓄水前后地震空間分布和能量遷移的規(guī)律，本文還做出了三峽大壩蓄水前后水庫及周邊地區(qū)地震發(fā)生時(shí)間及震級(jí)大小的統(tǒng)計(jì)詳圖（圖4），該圖詳細(xì)統(tǒng)計(jì)了三峽水庫及鄰區(qū)地震震級(jí)的大小與時(shí)間的關(guān)系。從圖中可看出，蓄水前后震級(jí)大小雖然沒有明顯變化（最大地震仍為約4.3級(jí)），但蓄水后地震頻度卻明顯增加，水庫自蓄水后起引發(fā)了庫區(qū)大量的微震群活動(dòng)，且這些地震的發(fā)生與三峽水庫蓄水過程呈明顯的正相關(guān)關(guān)系。從蓄水后的情況來看，雖然沒有發(fā)生震級(jí)大于5級(jí)的地震，但微震活動(dòng)更加頻繁。峽區(qū)內(nèi)密集的微震亦有可能觸發(fā)崖崩等地質(zhì)災(zāi)害，給周邊和下游人民生命財(cái)產(chǎn)造成嚴(yán)重威脅[9]。

為了更準(zhǔn)確地研究蓄水前后地震釋放能量的大小，我們把蓄水前后地震釋放的總能量按照年度進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)和分析。圖5為研究區(qū)域每0.1°范圍內(nèi)所發(fā)地震年平均釋放能量大小的統(tǒng)計(jì)圖。此圖將三峽所在范圍細(xì)分為0.1°×0.1°的網(wǎng)格，按每一格內(nèi)所記錄地震的年平均釋放能量大小進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。可以看出蓄水前整個(gè)地區(qū)地震相對(duì)釋放能量的分布比較松散，而蓄水后地震相對(duì)釋放的能量則集中在三峽庫區(qū)范圍，并迅速增加。蓄水前地震每年釋放的能量約3.44e10焦耳，約占總釋放能量的40.4%，蓄水后約為5.07e10焦耳，約占總能量的59.6%，即蓄水前后能量比約為2∶3。造成年平均釋放能量增加的主要原因應(yīng)該是震級(jí)和頻度的綜合效應(yīng)造成的。通過蓄水前后地震震級(jí)的比較，三峽水庫的建成并沒有造成地震震級(jí)的明顯增加，但地震頻度卻大大增加，從而得出造成能量明顯增大的主要因素是頻度的增強(qiáng)。Nikolaev[13]在研究水庫地震時(shí)也得出了同樣的規(guī)律，即水庫建成后并未改變當(dāng)?shù)刈畲笳鸺?jí)，只是通過庫水作用的應(yīng)力調(diào)整改變地震頻度和震源位置。

圖4 三峽大壩蓄水前后庫區(qū)及其鄰區(qū)M-T圖（圖中標(biāo)示的2003年6月為三峽水庫正式蓄水時(shí)間）

圖5 蓄水前（a）后（b）三峽大壩庫區(qū)及其鄰區(qū)每0.1°范圍內(nèi)所發(fā)地震年平均釋放能量大小統(tǒng)計(jì)圖

從以上各圖知，三峽水庫自蓄水后大量地震向庫區(qū)集中，且頻度明顯增加。考慮到地震因震源深度不同而造成的破壞程度會(huì)相應(yīng)不同，本文還做了蓄水前后地震震源深度分布的三維顯示圖（圖6）。通過對(duì)比可以直觀地看到，蓄水前后三峽庫區(qū)范圍所發(fā)地震均為淺源地震，基本上不超過20 km，且小震群發(fā)生后，震源也沒有再向更深處遷移[2]。由以上條件可知，蓄水后誘發(fā)地震的影響在一定程度上會(huì)加劇。

圖6 蓄水前（a）后（b）地震震源分布及其震級(jí)大小三維視圖

3 結(jié)論

三峽庫區(qū)自蓄水日起，就一直伴隨有微震群活動(dòng)。根據(jù)蓄水前后所誘發(fā)的地震的對(duì)比研究，發(fā)現(xiàn)地震有明顯向庫區(qū)加速集中的趨勢(shì)，蓄水前發(fā)震較多的地區(qū)在蓄水后地震相對(duì)有所減少，而原來地震很少的庫區(qū)周圍則集中了大量的地震。蓄水后震級(jí)雖然沒有明顯增大，但地震頻度卻明顯增強(qiáng)。從地震的年平均釋放能量大小可以看出蓄水前能量分布比較松散，而蓄水后能量主要集中在三峽庫區(qū)范圍，并在近幾年加速增加，推測(cè)使能量增大的主要因素是地震頻度的增強(qiáng)所致。蓄水前后三峽庫區(qū)范圍所發(fā)地震均為淺源地震，基本上不超過20 km。且小震群發(fā)生后，震源沒有再向深處遷移。認(rèn)識(shí)三峽水庫建成前后地震分布及遷移的規(guī)律性，對(duì)于研究國內(nèi)外水庫誘發(fā)型地震，減輕人民生命財(cái)產(chǎn)損失具有重要的科學(xué)價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。

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