廣西鳳山至凌云一帶巖溶水文地質(zhì)條件與“6·28”震群關(guān)系研究

蒙榮國，榮明書，鄧 忠，黃文娟

(廣西水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘察院，廣西柳州 545006)

2010年6月28日至8月中旬，廣西鳳山縣至凌云縣一帶發(fā)生3級震群活動(簡稱“6·28”震群，亦稱為凌云—鳳山3級震群活動)，共記錄3071次地震活動，其中0.0～0.9級地震2369次，1.0～1.9級地震658次，2.0～2.9級地震41次，3.0～3.9級地震3次，最大為7月1日10時27分3.2級地震。

此次震群事件發(fā)生在廣西西北部巖溶地區(qū)，震源淺、頻次高、烈度大、災(zāi)害重，百色市凌云縣邏樓鎮(zhèn)和河池市鳳山縣江洲鄉(xiāng)、平樂鄉(xiāng)等地區(qū)受到影響。地震共造成1000多人受災(zāi)，百色、河池兩市直接經(jīng)濟損失1500多萬元，轉(zhuǎn)移安置群眾3500余人［1］。

“6·28”震群發(fā)生后，各部門專家對震區(qū)進行考察后，對震群的成因主要提出了以下三種看法:第一種認(rèn)為，當(dāng)?shù)叵潞铀槐q時，河水?dāng)D壓地層，從而導(dǎo)致地裂、地陷，或小范圍地震;第二種認(rèn)為，可能是暴雨造成地下溶洞塌陷引起地震，即巖溶管道塌陷誘發(fā)地震，但這種暴雨誘發(fā)的震群在廣西較為罕見;第三種認(rèn)為鳳山縣地處博白至巴馬的地震活動斷裂帶上，是小震易發(fā)區(qū)，這次震群屬地殼正常能量的釋放，是構(gòu)造地震。

本文側(cè)重從巖溶水文地質(zhì)角度出發(fā)，研究震群與當(dāng)?shù)貛r溶水文地質(zhì)條件的關(guān)系。

1 震區(qū)巖溶水文地質(zhì)條件

廣西鳳山縣至凌云縣一帶屬亞熱帶季風(fēng)氣候。鳳山縣年平均氣溫為 19.2℃，年平均降水量為1550.7mm，年平均蒸發(fā)量為1232.6mm。5～8月份降水量占全年總降水量的70%，降雨高峰期多出現(xiàn)在6、7月份。

位于震中近場區(qū)的江洲氣象站，2010年降水量為943mm，其中6月28日降水量為121.7mm;2012年6月8日降水量為217mm。

震中區(qū)位于坡心地下河流域，坡心地下河集水面積802.81km2(含碎屑巖)，全程長約90km，明流長僅4km，枯水期流量4.2m3/s，豐水期流量265.47m3/s，平均流量26.478m3/s，年總徑流量8.35×108m3，降雨是唯一補給來源。坡心地下河從三門海坡心地下河出口流出地表匯入坡心河(圖1)。

坡心地下河流域巖溶區(qū)以構(gòu)造-溶蝕峰叢洼地地形為主，峰叢谷地主要發(fā)育在巖溶與非巖溶接觸帶，洼地(谷)地中漏斗、消水洞、盲谷等巖溶形態(tài)發(fā)育。巖溶區(qū)北東側(cè)及南西側(cè)以碎屑巖組成的侵蝕-構(gòu)造中低山淺切谷地地形為主。出露地層為石炭系-三疊系，其中石炭系至二疊系上統(tǒng)以碳酸鹽巖為主，而外圍的二疊系上統(tǒng)和三疊系以碎屑巖為主，局部有中生代侵入的石英斑巖巖脈出露;在河床、階地、沖溝、洼地和谷地的底部有少量第四系覆蓋。構(gòu)造體系可分為北西向構(gòu)造和弧形構(gòu)造兩類，弧形構(gòu)造包容在北西向構(gòu)造中，是北西向構(gòu)造在旋卷擠壓兩組力作用下，把北西向構(gòu)造改造成向南西方向彎曲的弧形構(gòu)造。坡心地下河的發(fā)育和展布受弧形構(gòu)造控制明顯，坡心地下河主管道呈弧形展布，支流則沿北東向斷裂發(fā)育。

圖1 坡心地下河流域水文地質(zhì)簡圖Fig．1 Simplified hydrogeological map the thePoxin underground river basin

坡心地下河發(fā)育桂西北典型包容式巖溶區(qū)，巖溶發(fā)育受巖性、地質(zhì)構(gòu)造及外源水的控制，表現(xiàn)為洞穴類型多樣、數(shù)量眾多、規(guī)模巨大及成層性明顯的特點，且洞底發(fā)育數(shù)量眾多、個體規(guī)模巨大的化學(xué)沉積物，并存在較多的淤泥和洞頂巖石崩積物。水動力特征主要表現(xiàn)為中上游水位暴漲暴落，于短距離內(nèi)可形成幾十米甚至上百米的地下水頭差。

2 巖溶水文地質(zhì)條件與“6·28”震群關(guān)系分析

2．1 “6·28”震群特征分析

2．1．1 “6·28”震群的表象特征

研究期間，對震中區(qū)進行調(diào)查時，當(dāng)?shù)鼐用癜训卣鸲嗾f成“氣震”，地震期間“聽到地下有放炮聲”;下隴彩附近“洼地水邊漲邊震，且可見水面浪花翻滾”;2010年7月1日3.2級地震時，哥立灣消水漏斗“突然噴出近100m高水氣柱，持續(xù)約10分鐘，而后地動山搖”，消水漏斗附近產(chǎn)生一連串地表巖溶塌陷。

總之，“6·28”震群發(fā)生期間，地下可聽到巨大響聲，地表可見冒水冒氣，并產(chǎn)生地表巖溶塌陷。

巖溶氣爆為巖溶管道中的氣水壓力作用破壞周圍的巖土突發(fā)現(xiàn)象。存在于封閉條件較好的洞穴中的自由氣體，由于地下水的大幅度漲落，造成洞內(nèi)氣體壓縮或局部真空，產(chǎn)生勢能，當(dāng)積聚能量超過周圍巖體強度時，引起周圍巖體或土體破裂、塌陷以致穿孔，是一種釋放能量并伴有巨響的機械破壞作用。氣爆多沿巖體的軟弱結(jié)構(gòu)面發(fā)生。在利用天然溶蝕洼地修建水庫時，這種作用常因水位漲落而引起巖體塌陷穿孔。氣爆現(xiàn)象也可在自然界發(fā)生［2］。

另外，據(jù)調(diào)查顯示，“6·28”震群活動前，百年來震中區(qū)洼地多不受淹，而“6·28”震群活動期間，震中區(qū)受淹嚴(yán)重。這應(yīng)不是一種巧合，而應(yīng)是地質(zhì)環(huán)境改變(如地下河堵塞等)之故。

從以上可看出，從表象特征上“6·28”震群與巖溶氣爆地震和巖溶陷落地震具有相似性。

2．1．2 “6·28”震群震中分布特征

據(jù)研究發(fā)現(xiàn)，“6·28”震群震中區(qū)主要分布于地表存在密閉條件較好的區(qū)域，而同一流域內(nèi)存在大型巖溶天窗的地下河主管道及江洲長廊(中英聯(lián)合探險隊調(diào)查的巨大地下巖溶洞穴系統(tǒng)，見圖1)分布區(qū)卻很少發(fā)生地震，究其原因是因為那些區(qū)域封閉條件差，難形成封閉巖溶空腔和高壓氣團之故。

因此，“6·28”震群分布特征與氣爆地震分布相似。

2．1．3 “6·28”震群與震區(qū)降水量相關(guān)性分析

“6·28”震群是震區(qū)2010年大旱后由暴雨誘發(fā)的，圖2為2010年6月15日至7月19日江洲鄉(xiāng)降水量與震動次數(shù)關(guān)系曲線。

圖2 “6·28”震群震動次數(shù)、最大震級與降水量(江洲站)關(guān)系曲線Fig．2 Vibration frequency and the maximum magnitude of the‘6·28’Earthquake Swarms vs rainfall(the Jiangzhou station)

從圖2可以看出，降水量峰值與震動次數(shù)峰值時間上存在一定差異(滯后約10天，這與當(dāng)?shù)亟邓c地下水位上漲的滯后是基本一致的)，若不考慮滯后關(guān)系，總體上降水量越大震動次數(shù)越多，震級越大，震動次數(shù)及最大震級具有雨后逐漸衰減趨勢。

而從巖溶水文地質(zhì)角度上看，以灌入式補給的巖溶區(qū)降水量與地下水位的關(guān)系是明顯的正相關(guān)，因此，“6·28”震群與震區(qū)地下水位變化也應(yīng)具有明顯的正相關(guān)性。這與因水位上漲壓縮氣體產(chǎn)生氣爆地震相似。

2．1．4 “6·28”震群后震區(qū)地震監(jiān)測結(jié)果分析

“6·28”震群與巖溶氣爆地震和巖溶陷落地震表象現(xiàn)象相似，若“6·28”震群存在巖溶氣爆地震及巖溶陷落地震，則短期內(nèi)震區(qū)很可能監(jiān)測到地震的重發(fā)生。因此，研究期間，在進行震區(qū)地下水位監(jiān)測的同時亦布置了流動臺對震區(qū)進行地震活動監(jiān)測，相當(dāng)于對“6·28”震區(qū)進行一次地震“模擬試驗”。

監(jiān)測結(jié)果顯示，2012年5月12日至6月22日震區(qū)共監(jiān)測到79次0級以上地震，最大震級為1.4級，印證了原假設(shè)。圖3為監(jiān)測資料分析圖。

圖3 2012年震區(qū)地震與地下水位關(guān)系圖Fig．3 Relationship between the earthquake and water level in 2012

從圖3可看出:(1)震區(qū)水位上漲速率越大，地震震級越大，震動次數(shù)越大;(2)地下水位漲至590m前對地震影響最大;(3)水位降落過程也會發(fā)生地震。

震區(qū)2010年為久旱后發(fā)生300年一遇特大暴雨，從而導(dǎo)致地下水位暴漲，而2012年自4月份開始降雨，至2012年6月8日達單日最大降水量(217mm)，地下水位是一個相對緩漲的過程，且至最大降雨時地下水位已接近地下水位影響地震的最佳區(qū)段，因此兩年份監(jiān)測到的地震數(shù)據(jù)也差別較大。但仍可以看出，“6·28”震區(qū)地震具有重現(xiàn)性，這與巖溶氣爆地震及巖溶陷落地震相似。

另外，研究期間，于枯水期亦監(jiān)測到地震活動發(fā)生，這與陷落地震是較為相似的。

2．2 震區(qū)發(fā)生巖溶氣爆地震及巖溶陷落地震有利條件分析

2．2．1 震中區(qū)氣爆地震的有利條件

(1)包容式巖溶區(qū)是產(chǎn)生巖溶氣爆地震的有利條件。該條件主要表現(xiàn)為可以匯集大量的外源水涌入巖溶區(qū)。

(2)特大暴雨是形成巨大水氣壓力的先決條件。2010年6月27日18:00至28日8:00，在鳳山縣與凌云縣交界的邏樓鎮(zhèn)一帶降水量274mm，其中28日1:00～7:00降水量高達236mm，屬300年一遇的特大暴雨。

(3)地下河進口水位暴漲是形成巨大水氣壓力的重要條件。由于來水量大，而去水?dāng)嗝嬗邢?，從而?dǎo)致地下河進口處水位暴漲，形成巨大水頭差，并使地下河管道內(nèi)存在氣體具有密閉條件。

(4)地下河管道中存在充水反虹管是產(chǎn)生巖溶氣爆地震的優(yōu)越條件。如圖4為宏福地下河季節(jié)性進口巖溶洞穴，宏福地下河常年性進口人無法入內(nèi)，枯季從季節(jié)性進口進去可見從地下河常年性進口向南東徑流750m后在洞內(nèi)北西端呈反虹管冒水口(圖4涌水處)，向南東徑流360m后呈反虹管消水(圖4消水處)。

圖4 地下河管道中充水反虹管剖面圖Fig．4 Cross-section of the water filled inverted siphon in the underground river pipeline

(5)反虹管之間存在大型溶洞是產(chǎn)生巖溶氣爆地震的基礎(chǔ)條件。這種洞穴于震區(qū)是很多見的。如圖4所示，當(dāng)?shù)叵滤簧蠞q時，該洞形成的密閉空腔體積可達28.13×104m3。

(6)巨大的水頭壓力是產(chǎn)生巖溶氣爆地震的必要條件。圖4中的溶洞，“6·28”震群期間，洞外最高洪水位為572m，比進入該洞通道封閉起始水位高40m。為估算方便，假定密閉空腔為柱體，所測洞頂最高為598m，當(dāng)達到壓力平衡時，洞內(nèi)氣體壓力約為1.85個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓(但按實際情況，洞內(nèi)巖溶空腔底部大，上部小，這樣估算出來的氣體壓力是偏小的)，洞內(nèi)壓縮氣體體積為15.21×104m3。按空氣爆炸理論進行估算［3］，若洞內(nèi)高壓氣體一次性爆炸，理論上相當(dāng)于震級3.5級地震所釋放的能量［4］。

(7)地表洼地臨時積水是產(chǎn)生震群活動的特殊條件。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，震中區(qū)洼地內(nèi)多受淹，因而，下部溶洞封閉條件更好。

2．2．2 巖溶氣爆地震形成機理分析

通過分析巖溶氣爆地震的形成機理結(jié)合震區(qū)的基礎(chǔ)條件，震區(qū)形成巖溶氣爆地震主要分為以下幾個層次:(1)特大暴雨引起地下河水位暴漲;(2)地下河水位暴漲會形成可封閉巖溶洞穴;(3)封閉巖溶洞穴中的空氣會受到強烈壓縮;(4)高壓氣團會產(chǎn)生氣蝕破壞作用;(5)當(dāng)高壓氣團的沖擊力大于溶洞頂板時會產(chǎn)生沖爆現(xiàn)象;(6)地表洼地積水對“壓縮—氣爆—再壓縮—再氣爆”的產(chǎn)生過程發(fā)揮了獨特的作用。由于洼地積水，沖爆后氣體壓力迅速下降，水流帶著各種充填物迅速回填，從而空腔內(nèi)氣體又重新密閉，重新受壓縮，重新氣爆。

2．2．3 巖溶陷落地震有利條件及形成機理分析

震中區(qū)坡心地下河管道中發(fā)現(xiàn)數(shù)以萬計的巖塊崩塌，小者1噸以下，大者幾千噸甚至上萬噸，這些巖塊從高達幾十米甚至上百米的洞頂崩落下來，肯定會引起不同程度的震動，即巖溶陷落地震。根據(jù)震區(qū)特點，震區(qū)主要存在氣爆沖蝕形成巖溶陷落、水力壓裂形成巖溶陷落、真空吸蝕形成巖溶陷落、水擊效應(yīng)形成巖溶陷落。

2．3 震區(qū)地震特點分析

“6·28”震群震源淺、頻次高、烈度大、災(zāi)害重，符合巖溶氣爆地震及巖溶陷落地震的特點。

震區(qū)大規(guī)模溶洞多發(fā)育于埋深200m以上，因此，巖溶氣爆地震及陷落地震明顯具有震源淺的特點;震區(qū)包氣帶內(nèi)不同高程上具有大量的可密閉空腔及洞頂危巖體，水位上漲至不同高程均可產(chǎn)生地震，發(fā)生“壓縮—氣爆—再壓縮—再氣爆”的作用，因而顯出頻次高的特點;而地下巖溶充填情況具有自地下水水平徑流帶至地表有從未充填至充填趨勢，因而水位上漲過程地震具有衰減趨勢;烈度大、災(zāi)害重主要因為震源淺以及巖溶區(qū)地基和建筑結(jié)構(gòu)較差的原因。

3 結(jié)論

(1)“6·28”震群是在當(dāng)?shù)靥囟ǖ膸r溶水文地質(zhì)條件下發(fā)生的，是地質(zhì)環(huán)境演變的結(jié)果，它與降水條件具有明顯的相關(guān)性，在未產(chǎn)生大的地質(zhì)環(huán)境改變之前，震區(qū)地震是可重復(fù)的。

(2)震中區(qū)具備形成氣爆地震及陷落地震的有利條件，“6·28”震群存在巖溶氣爆地震及陷落地震。

(3)“6·28”震群是暴雨誘發(fā)的巖溶震群活動?！?·28”震群是震區(qū)特定巖溶水文地質(zhì)條件下暴雨誘發(fā)的震群活動，其過程是相當(dāng)復(fù)雜的，并不一定單是哪種類型地震或可以明確各種類型地震的先后問題。它既存在陷落地震和氣爆地震，也存在陷落地震引發(fā)一系列的氣爆地震，或氣爆地震也可引發(fā)一系列的陷落地震，或者因氣體擠壓溶洞頂板而產(chǎn)生應(yīng)力釋放產(chǎn)生局部小地震。因此，此處稱“6·28”震群是暴雨誘發(fā)的巖溶震群活動，它是暴雨與巖溶相互作用的結(jié)果。

［1］ 蒙榮國，李細(xì)光，姚宏，等.鳳山縣至凌云縣一帶巖溶區(qū)環(huán)境水文地質(zhì)條件與“6·28”震群關(guān)系調(diào)查研究報告(簡寫本)［R］.柳州:廣西水文地質(zhì)工程地質(zhì)隊，廣西壯族自治區(qū)地震局，2013.［MENG R，LI X G，YAO H，et al.Study on The Relationships between’6·28’Earthquake Swarms and Karst Hydrology Condition of The Region from Fengshan County to Lingyun County(Simple Servomechanism)［R］.Liuzhou:Team of hydrogeology and engineering geology of Guangxi，Seismological Bureau of the Guangxi Zhuang Autonomous，2013.(in Chinese)］

［2］ 袁道先.巖溶學(xué)詞典［M］.北京:地質(zhì)出版社，1998:45.［YUAN D X.Glossary of karstology［M］.Beijing:GeologicalPublishing House，1998:45. (in Chinese)］

［3］ 蔡茂林.現(xiàn)代氣動技術(shù)理論與實踐，第四講:壓縮空氣的能量［J］.液壓氣動與密封，2007(5):54-59.［CAI M L.The theory and practice of Modern Pneumatic Technology，F(xiàn)ourth speak:Compressed air energy［J］.Hydraulics Pneumatics ＆ Seals，2007(5):54-59.(in Chinese)］

［4］ 常士驃，張?zhí)K民.工程地質(zhì)手冊［M］.3版.北京:中國建筑工業(yè)出版社，1982:50.［CHANG S P，ZHANG S M.Engineering Geology Handbook［M］.3th ed.Beijing:China Architecture＆ Building Press，1982:50.(in Chinese)］