丹江口水庫(kù)誘發(fā)地震分析與預(yù)測(cè)

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(1.南水北調(diào)中線水源有限責(zé)任公司， 湖北 十堰 442700； 2.長(zhǎng)江三峽勘測(cè)研究院有限公司(武漢)，武漢 430074)

丹江口水庫(kù)誘發(fā)地震分析與預(yù)測(cè)

王立1，胡雨新1，朱建2

(1.南水北調(diào)中線水源有限責(zé)任公司， 湖北 十堰 442700； 2.長(zhǎng)江三峽勘測(cè)研究院有限公司(武漢)，武漢 430074)

本文主要從丹江口庫(kù)區(qū)地質(zhì)構(gòu)造及庫(kù)區(qū)地貌角度出發(fā)，總結(jié)2000年以來(lái)該區(qū)地震活動(dòng)情況，分析水庫(kù)初期蓄水階段的水位與誘發(fā)地震活動(dòng)的關(guān)聯(lián)性，研究丹江口水庫(kù)增容后，新增庫(kù)水對(duì)庫(kù)區(qū)的應(yīng)力狀態(tài)影響，預(yù)測(cè)庫(kù)區(qū)及周緣是否可能誘發(fā)水庫(kù)地震，進(jìn)一步研究發(fā)震區(qū)域、震級(jí)強(qiáng)度以及地震與地質(zhì)結(jié)構(gòu)之間的內(nèi)在聯(lián)系。

丹江口水庫(kù)； 誘發(fā)地震； 地質(zhì)構(gòu)造； 預(yù)測(cè)

1 引 言

丹江口水庫(kù)是目前我國(guó)已建成的特大型水庫(kù)之一，其續(xù)建工程是我國(guó)跨世紀(jì)宏偉工程—南水北調(diào)中線工程的水源地，擔(dān)負(fù)著河南、河北、北京、天津四省及直轄市20多座大中城市生活和生產(chǎn)用水任務(wù)。為了確保供水需求，壩體高程從原來(lái)的162m加高至176.6m，正常蓄水位從157m提高至170m，增加庫(kù)容116億m3。

水庫(kù)地震研究，一直是地震學(xué)者長(zhǎng)期探究的課題，不同類型的水庫(kù)其誘發(fā)地震的強(qiáng)度和區(qū)域范圍差異較大。世界上已有一百多個(gè)水庫(kù)誘發(fā)地震的實(shí)例，僅我國(guó)就有二十余例。尤其是壩高超過(guò)100m、庫(kù)容達(dá)10億m3以上的水庫(kù)發(fā)生誘發(fā)地震的概率較高。據(jù)資料統(tǒng)計(jì)，我國(guó)已發(fā)生誘發(fā)地震的高壩水庫(kù)約占總數(shù)的四分之一，不少誘發(fā)地震均發(fā)生在天然地震較少的少震區(qū)和弱震區(qū)。根據(jù)地震臺(tái)網(wǎng)記錄資料顯示，丹江口水庫(kù)從1969年11月初期工程下閘蓄水后，庫(kù)區(qū)地震活動(dòng)頻度顯著上升，當(dāng)水位超過(guò)140m高程時(shí)，地震活動(dòng)明顯增加。經(jīng)過(guò)前期的蓄水過(guò)程中地震監(jiān)測(cè)研究表明，漢庫(kù)相對(duì)比較平定，而丹庫(kù)的地震活動(dòng)水平比蓄水前顯著提高,具有明顯的誘發(fā)地震的特征。在水位抬高、庫(kù)容增加的背景下，是否誘發(fā)更強(qiáng)的地震，是否在新的區(qū)域誘發(fā)地震是人民普遍關(guān)心的問(wèn)題，因此對(duì)丹江口水庫(kù)誘發(fā)地震進(jìn)行研究十分必要。

2 地震地質(zhì)背景

丹江口水庫(kù)位于秦嶺地槽東段南部邊緣，經(jīng)歷了多次的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，前震旦紀(jì)該區(qū)為地槽沉積，楊子期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)使該地區(qū)地層隆起形成武當(dāng)隆起帶，并產(chǎn)生了一系列的北西西—北西向斷裂帶，由于在此期間伴有基性、超基性火成巖侵入，因而形成了該地區(qū)的主體構(gòu)造骨架。水庫(kù)沿漢江河將丹江分成兩支河流，分別稱為漢庫(kù)和丹庫(kù)。漢庫(kù)沿北西西向的兩鄖斷裂帶發(fā)育，鄖西地區(qū)一帶地震活動(dòng)(如1964年9月M4.9級(jí)地震)與此構(gòu)造有一定關(guān)聯(lián)性。漢庫(kù)庫(kù)段內(nèi)分布的主要是付頁(yè)片巖、變質(zhì)巖、黏土巖、元古界石英片巖等變質(zhì)巖系和白堊—第三紀(jì)的紅層，目前僅發(fā)現(xiàn)艾家河一帶有少量下古生代地層分布，該地質(zhì)構(gòu)造透水性很弱，不利于庫(kù)水向深部滲透，經(jīng)地震臺(tái)網(wǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，漢庫(kù)至今未發(fā)生水庫(kù)地震。丹庫(kù)位于緯向構(gòu)造帶和新華夏系南襄沉降區(qū)復(fù)合部位，沿北北西向的丹漢斷裂帶發(fā)育，丹庫(kù)庫(kù)段主要分布的是下古生代灰?guī)r夾砂頁(yè)巖、上古生代砂頁(yè)巖、上白堊紀(jì)第三紀(jì)紅層和第四紀(jì)沉積，這種地質(zhì)構(gòu)造環(huán)境有利于庫(kù)水向庫(kù)岸的深部滲透，打破庫(kù)區(qū)的應(yīng)力平均狀態(tài)，可能導(dǎo)致庫(kù)區(qū)發(fā)生地震。人們普遍關(guān)心的壩址區(qū)位于我國(guó)華南地震區(qū)江漢地震帶內(nèi),地震活動(dòng)相對(duì)較弱，壩址及周緣50km范圍內(nèi)，近兩千年來(lái)沒(méi)有強(qiáng)破壞性地震記載，從公元1520～1960年的四百多年間內(nèi)，壩址周緣只有43次有感地震記載和2次引起建筑物損壞或破壞的記載。公元前143～2008年，距壩址170km范圍內(nèi)共記載到Ms≥4.6級(jí)的地震16次,最大地震分別是46年南陽(yáng)附近和788年竹山附近的6.5級(jí)地震，歷史地震對(duì)壩址的最大影響烈度不超過(guò)Ⅴ度，因此壩址區(qū)相對(duì)安全。

3 蓄水期水庫(kù)地震活動(dòng)情況分析

3.1 水庫(kù)地震強(qiáng)度與頻次及誘因分析

丹江口庫(kù)區(qū)前期本底地震研究成果表明，1959～1967年11月水庫(kù)蓄水前9年時(shí)間內(nèi)，庫(kù)區(qū)地震活動(dòng)水平比較微弱，僅有6次小震，在歷史上也沒(méi)有發(fā)生過(guò)震中烈度大于V度以上的地震。自1967年10月丹江口水庫(kù)第1次開(kāi)始蓄水以來(lái)，蓄水初期的頭兩年，地震活動(dòng)很少，當(dāng)水位逐漸抬升以后，超過(guò)140m高程時(shí)，地震活動(dòng)明顯增加，到1970年1月開(kāi)始出現(xiàn)第一次地震活動(dòng)高潮，但震級(jí)都較小，1971年后，當(dāng)水位超過(guò)150m高程(水頭超過(guò)40m)時(shí)，在1972年4月3日，林茂山地區(qū)發(fā)生Ms3.5級(jí)地震。1973年底，庫(kù)水位急劇上升至157m高程以上時(shí)，宋灣附近發(fā)生多次地震，最大震級(jí)達(dá)到Ms4.7級(jí)，震中烈度Ⅵ度，1900余間房屋損壞。蓄水后的頭10年(1968～1977年)共記錄299次地震，震中逐漸集中在大壩以東約10km的林茂山和距大壩37km(丹庫(kù)上游)的宋灣兩處灰?guī)r地區(qū)(見(jiàn)圖下頁(yè)1)。若只統(tǒng)計(jì)大于ML2.5級(jí)的情況，蓄水前9年庫(kù)區(qū)地震為6次，最大ML3.0級(jí)；蓄水后10年為25次，最大震級(jí)為Ms4.7級(jí)，地震活動(dòng)性差別明顯，具有顯著的水庫(kù)誘發(fā)地震特征。前期的蓄水過(guò)程中地震監(jiān)測(cè)研究表明，漢庫(kù)在蓄水前后相對(duì)比較平定，沒(méi)有明顯的地震活動(dòng)異常，這種現(xiàn)象與其地質(zhì)構(gòu)造背景比較吻合。而丹庫(kù)的地震活動(dòng)水平比蓄水前有顯著提高，具有明顯的水庫(kù)誘發(fā)地震特征。兩庫(kù)蓄水后地震活動(dòng)性差別較大的原因是由于不同的地質(zhì)構(gòu)造條件。對(duì)于丹江口水庫(kù)地震的成因機(jī)理，有些研究者偏重于認(rèn)為庫(kù)區(qū)地震受北北西向的丹漢斷裂與北西西向次級(jí)斷層交匯點(diǎn)的控制，另一些研究者則比較強(qiáng)調(diào)震中區(qū)與碳酸鹽地層相關(guān)，但從丹江口庫(kù)區(qū)的地質(zhì)結(jié)構(gòu)并參考其他庫(kù)區(qū)(如三峽庫(kù)區(qū))的發(fā)震區(qū)域綜合分析，筆者認(rèn)為，丹庫(kù)的地震活動(dòng)與其水文條件和地質(zhì)構(gòu)造環(huán)境(震旦系、寒武系、奧陶系碳酸鹽巖層裸露，巖溶裂隙、落水洞、漏斗和溶洞發(fā)育)關(guān)系密切，是丹庫(kù)誘發(fā)地震的主要因素。

3.2 水庫(kù)地震與庫(kù)水位的關(guān)聯(lián)性

庫(kù)區(qū)水位抬升是水庫(kù)地震的誘因，各庫(kù)區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造環(huán)境不同，導(dǎo)致誘發(fā)地震的強(qiáng)度、頻度和發(fā)震時(shí)間有所不同。1974年以前丹江水庫(kù)的地震活動(dòng)與庫(kù)水位相關(guān)性比較密切，其相關(guān)性較好，呈現(xiàn)出與庫(kù)水位變化正相關(guān)性，有明顯的水庫(kù)誘發(fā)地震的特征。1974年9月至今，地震活動(dòng)同庫(kù)水位的關(guān)系表現(xiàn)不十分明顯，相關(guān)性比以前減弱(見(jiàn)下頁(yè)圖2)。

圖1 丹江口水庫(kù)第一次蓄水期水庫(kù)地震活動(dòng)分布

圖2 丹江口水庫(kù)歷年水位與地震對(duì)應(yīng)圖

4 增容后誘發(fā)地震可能性與地震危險(xiǎn)區(qū)預(yù)判

4.1 誘發(fā)地震可能性

根據(jù)南水北調(diào)中線工程進(jìn)度安排，2014年7月，將根據(jù)汛期的來(lái)水情況，擇日開(kāi)始向北方調(diào)水，庫(kù)區(qū)水位將緩慢抬升至正常蓄水位170m，庫(kù)容也將相應(yīng)增加116億m3，因此，庫(kù)水將進(jìn)一步向地殼深部滲透和擴(kuò)展。庫(kù)水應(yīng)力擾動(dòng)和庫(kù)水的物理化學(xué)作用的產(chǎn)生，將會(huì)再次打破目前庫(kù)區(qū)的應(yīng)力狀態(tài), 使庫(kù)區(qū)的地質(zhì)應(yīng)力結(jié)構(gòu)發(fā)生改變。水庫(kù)誘發(fā)地震誘因條件，可能會(huì)在初期工程庫(kù)區(qū)內(nèi)誘發(fā)新的地震活動(dòng),更有可能在新增淹沒(méi)區(qū)內(nèi)的一些具備誘發(fā)地震條件地區(qū)產(chǎn)生水庫(kù)地震。

4.2 地震危險(xiǎn)區(qū)的預(yù)判

預(yù)判發(fā)震區(qū)域及強(qiáng)度仍需結(jié)合庫(kù)區(qū)的實(shí)際地質(zhì)環(huán)境狀況進(jìn)行研究。庫(kù)區(qū)及鄰區(qū)的區(qū)域性斷裂以北西西向?yàn)橹?主要斷裂有9條，從相關(guān)部門計(jì)算區(qū)域的4條斷裂的斷層面狀態(tài)分析，穿越漢庫(kù)和丹庫(kù)的斷裂斷層面均產(chǎn)生了相對(duì)滑移，但是只在丹庫(kù)的庫(kù)首和庫(kù)尾區(qū)域誘發(fā)了水庫(kù)地震，這種現(xiàn)象表明丹江庫(kù)區(qū)的誘發(fā)地震與水庫(kù)的地質(zhì)條件關(guān)系密切。分析原因，專家普遍認(rèn)為這與漢庫(kù)結(jié)構(gòu)關(guān)系較大，漢庫(kù)周邊主要分布付片巖和巖漿巖，這種巖體缺少裂隙，透水性較差，不利于應(yīng)力集中，基本沒(méi)有塑性應(yīng)變區(qū)，兩岸拉應(yīng)變較小，所以很難誘發(fā)水庫(kù)地震。而丹庫(kù)的關(guān)峽峽谷地帶水文地質(zhì)條件和構(gòu)造條件復(fù)雜，具有一系列北西西向緊密線狀褶皺和斷裂，并沉積了巨厚的白堊—第三系和較厚的第四系黏土層，震旦系、寒武系、奧陶系碳酸鹽巖層裸露，巖溶裂隙、落水洞、漏斗和溶洞發(fā)育，有利于庫(kù)水向深部滲透，易于庫(kù)水滲透和應(yīng)力集中，誘發(fā)構(gòu)造應(yīng)變能提前釋放。從初期工程蓄水后庫(kù)區(qū)地震活動(dòng)特點(diǎn)，結(jié)合漢庫(kù)和丹庫(kù)的地質(zhì)構(gòu)造背景綜合預(yù)測(cè)判斷：續(xù)建工程蓄水后，漢庫(kù)不具備發(fā)震條件，誘發(fā)水庫(kù)地震的幾率很小，丹庫(kù)仍有可能誘發(fā)地震，其強(qiáng)度應(yīng)在M≤5.0級(jí)。

根據(jù)工程初期庫(kù)區(qū)內(nèi)誘發(fā)新的地震活動(dòng)情況,結(jié)合續(xù)建工程庫(kù)水新增淹沒(méi)區(qū)內(nèi)的一些具備誘發(fā)地震條件地區(qū)可能產(chǎn)生的水庫(kù)地震活動(dòng)情況分析認(rèn)為：主要誘發(fā)地震危險(xiǎn)區(qū)仍然是初期工程蓄水后出現(xiàn)的兩個(gè)水庫(kù)地震活動(dòng)區(qū),即丹庫(kù)宋灣—關(guān)防灘峽谷地形庫(kù)段(見(jiàn)圖3-I區(qū))和林茂山—涼水河地區(qū)(見(jiàn)圖3-II區(qū))。另外，丹江斷裂北段的東端適合應(yīng)變能集中(如：淅川上集、陳店)，其誘發(fā)地震的可性也較大。

圖3 庫(kù)區(qū)及鄰區(qū)主要斷裂構(gòu)造和水庫(kù)地震震中分布及重點(diǎn)監(jiān)測(cè)區(qū)

5 水庫(kù)地震研究與展望

水庫(kù)地震的監(jiān)測(cè)與研究工作經(jīng)歷了60多年的歷程，已掌握了許多特征，但目前研究工作仍處于定性階段，許多問(wèn)題尚未解決，如：震源機(jī)制問(wèn)題的進(jìn)一步深入、庫(kù)水滲透后誘發(fā)地震的強(qiáng)度及時(shí)間的理論預(yù)測(cè)計(jì)算、震源深度與地質(zhì)構(gòu)造背景的內(nèi)在聯(lián)系等，都需要不斷地探索和研究。為了全面監(jiān)測(cè)工程蓄水后，可能誘發(fā)的水庫(kù)地震對(duì)大壩造成的影響，及時(shí)掌握地震活動(dòng)趨勢(shì)，為水庫(kù)安全調(diào)度提供決策依據(jù)，目前丹江口大壩續(xù)建工程已建立了先進(jìn)的水庫(kù)地震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，為繼續(xù)研究丹江庫(kù)區(qū)的地震活動(dòng)情況創(chuàng)造了良好條件。

[1] 劉素梅,等.基于丹江口水庫(kù)孔隙水壓力計(jì)算的水庫(kù)誘發(fā)地震機(jī)理研究[J].建筑與環(huán)境工程,2012(增刊).

[2] 蔡耀軍,等.漢江丹江口大壩加高后水庫(kù)環(huán)境地質(zhì)問(wèn)題預(yù)測(cè)[J].人民長(zhǎng)江,2007年,(38)9.

[3] 曾新平,等.漢江丹江口水利樞紐水庫(kù)誘發(fā)地震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)報(bào)告[R].2009.

Analysis and Prediction of Danjiangkou Reservoir Induced Earthquake

WANG Li1, HU Yu-xin1, ZHU Jian2

(1.South-to-NorthWaterDiversionProjectMidlineWaterSourceCo.,Ltd.,Shiyan442700,China;2.YangtzeRiverThreeGorgesSurveyInstituteCo.,Ltd., (Wuhan),Wuhan430074,China)

Earthquake activity conditions of the zone since 2000 are mainly summarized in the paper from the aspects of Danjiangkou reservoir geological conformation and landform of the reservoir. Correlation between water level in primary water accumulation stage in the reservoir and induced earthquake activity is analyzed. Influence of increased reservoir water on reservoir stress state after capacity increase of Danjiangkou Reservoir is studied. Whether reservoir earthquake can be induced in the reservoir and surrounding areas is estimated. Earthquake area, earthquake level and internal relation between earthquake and geological structures are further studied.

Danjiangkou Reservoir; induced earthquake; geological structure; forecast

TV697

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1005-4774(2014)07-0059-05