三板溪水庫地震活動特征及成因分析

歐品智++張賢文++付飛耀++劉軍++徐祥

摘 要：貴州省三板溪水庫位于沅水干流上游河段的清水江下游的貴州省黔東南苗族侗族自治州錦屏縣內(nèi)。本文總結(jié)了三板溪水庫地震活動時間、空間分布特征，對三板溪水庫區(qū)地質(zhì)構(gòu)造環(huán)境和地震活動特征、地殼表層卸荷型水庫地震的發(fā)震構(gòu)造條件和地震活動特征進(jìn)行了對比分析。三板溪庫區(qū)蓄水以來地震活動頻繁，蓄水前基本無震。三板溪水庫地震活動主要集中在庫區(qū)兩岸多組斷裂及破碎帶通過地帶，地震活動具有震源淺，震級小，震中震感強烈，并與庫水位升降有明顯響應(yīng)關(guān)系。綜合分析認(rèn)為三板溪水庫誘發(fā)地震成因類型大多數(shù)為地殼表層卸荷型，少數(shù)為構(gòu)造型。

關(guān)鍵詞：水庫地震 地震活動特征 成因

中圖分類號：P31 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）10（c）-0237-03

清水江三板溪水電站位于沅水干流上游河段的清水江下游貴州省黔東南苗族侗族自治州錦屏縣內(nèi)，是黔東南州有史以來投資最多、規(guī)模最大的建設(shè)項目，是沅水干流繼五強溪電站后的第二個百萬級水電站，也是國家西電東送“十五”重點工程。電站壩型為混凝面板堆石壩，最大壩高185.5 m，僅次于湖北水布埡電站，屬200 m級高壩。該電站總裝機容量100萬千瓦，安裝4臺25萬千瓦混流式水輪發(fā)電機組，年發(fā)電量24.28億千瓦時，工程總投資61.5億元，總工期5年，主體工程于2002年7月正式開工。同時，該水電站的建設(shè)將極大提高沅水中游安江河段和下游常德、益陽、桃源以及洞庭湖區(qū)的防洪能力，使防洪標(biāo)準(zhǔn)由當(dāng)前的5年一遇提高到20年一遇。

三板溪水電站2006年1月開始蓄水，隨著庫容的增加，兩岸地質(zhì)構(gòu)造環(huán)境及地應(yīng)力等隨之發(fā)生了變化，在蓄水初期即在庫區(qū)及鄰區(qū)發(fā)生了較為頻繁的水庫誘發(fā)地震活動。2006年9月20日，由架設(shè)在劍河新柳、劍河南加、錦屏河口及錦屏三板溪的4臺DD-1型模擬地震計組成的地震監(jiān)測臺網(wǎng)正式投入運行，至2011年8月31日，在庫區(qū)及鄰區(qū)共記錄到地震446次，最大為2009年10月24日發(fā)生在錦屏縣河口鄉(xiāng)格翁村的4.2級地震，該次地震震中烈度為Ⅴ度。但由于水庫誘發(fā)地震的震源深度較淺，在震中區(qū)局部小范圍內(nèi)產(chǎn)生的震感較強烈，庫區(qū)蓄水后所誘發(fā)的地震活動在初期階段引起了有感區(qū)民眾的恐慌心理，同時造成了部分房屋輕微裂縫、掉瓦等損壞，但沒有造成大的破壞和地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)象，同時水庫蓄水后誘發(fā)的地震活動對大壩施工安全未產(chǎn)生任何影響。

1 地震活動時空分布

自2006年9月18日三板溪地震監(jiān)測臺網(wǎng)記錄以來，共記錄到庫區(qū)及鄰區(qū)地震事件446次（見表1），其中1級以下的274次，1.0～1.9級147次，2.0～2.9級17次，3.0～3.9級7次，4級以上1次，最大為2009年10月24日發(fā)生在錦屏縣河口鄉(xiāng)格翁村的4.2級地震。在這些地震中，2.5級以上地震共17次，其平均年發(fā)生率約為4次，遠(yuǎn)高于庫區(qū)天然本底地震地年發(fā)生率。

1.1 時間分布特征

水庫水位和地震頻度資料顯示，三板溪水庫蓄水以來地震活動頻度在夏季汛期遠(yuǎn)高于冬季枯水期，呈現(xiàn)明顯的正相關(guān)性。在我國已出現(xiàn)的水庫誘發(fā)震例中，水庫誘發(fā)地震活動的頻次和強度往往與水庫水位呈明顯的正相關(guān)，在三板溪中，水庫蓄水的時間都選在夏季水庫上游來水較充分的時段，夏季汛期即是水位上升的時段，由此表明，三板溪庫區(qū)的地震活動水平、庫水位與汛期三者呈現(xiàn)出正相關(guān)性。

地震活動在時間分布上存在不均勻性（圖1）。隨著2007年夏末庫水位的緩慢回落，地震活動頻次隨之減小，有的時段頻次較低，連續(xù)多天不發(fā)生一次地震，如2008年1月～5月，庫水位保持在425 m左右的期間內(nèi)，庫區(qū)的地震月頻次和強度都保持在較低水平；6月初水庫開始再次抬升水位，6、7、8月庫水位分別增幅達(dá)到8 m、15 m、16 m，隨著庫水位的抬升，7、8月庫區(qū)內(nèi)的地震活動頻度隨之有增強的趨勢，但其活動強度較低，所發(fā)生的地震震級都在1.5級以下。2009年進(jìn)入汛期后，隨著庫水位的抬升，2009年9月2日在劍河縣南寨鄉(xiāng)發(fā)生3.0級地震、10月24日在錦屏縣河口鄉(xiāng)發(fā)生4.2級地震。這次4.2級地震也是三板溪水庫有專用地震監(jiān)測臺網(wǎng)以來記錄到的最大一次地震。2010年入汛后，隨著庫水位的抬升庫區(qū)內(nèi)的地震活動水平也較汛前有所增加。2011年汛期到來時，三板溪的地震活動延續(xù)了前幾個汛期的規(guī)律，也隨著汛期的到來地震活動水平有所增加。由此可見，庫區(qū)地震活動水平與庫區(qū)水位抬升之間有較明顯的對應(yīng)關(guān)系，并且具有快速響應(yīng)的特點。

1.2 空間分布特征

地震主要集中在距離庫岸10 km的范圍內(nèi)，并且距離庫岸5 km以內(nèi)的地震數(shù)約占總數(shù)的95%。庫區(qū)內(nèi)滿天星至格翁段是三板溪水庫地震地主要發(fā)生地段，地震密集“成團”，數(shù)量約占庫區(qū)地震總數(shù)的90%。該庫段位于三板溪大壩址15～50 km的范圍內(nèi)，斷裂和裂隙發(fā)育，隨著庫水的長期作用，水體向深部和斷層兩端不斷滲透，從而在老震區(qū)繼續(xù)發(fā)生地震，并且地震活動向庫區(qū)兩岸擴散，形成新的震區(qū)（圖2）。

三板溪水庫蓄水后在滿天星至格翁庫段呈現(xiàn)出三個地震活動密集區(qū)，即北斗坡—格翁—河口—南加震區(qū)、新柳東側(cè)震區(qū)、新柳—滿天星震區(qū)，其中在北斗坡—格翁—河口—南加震區(qū)，地震主要是沿上高洋斷裂通過庫區(qū)段附近和河口附近一條支流上分布，2009年10月24日在錦屏縣河口鄉(xiāng)格翁村發(fā)生的4.2級地震是三板溪水庫地震專用臺網(wǎng)運行以來記錄到的最大地震，此次地震現(xiàn)場調(diào)查認(rèn)為主要與庫區(qū)長期保持在較高水位，庫水沿斷裂、破碎帶或裂隙向深部滲透加劇，改變了震區(qū)原有的應(yīng)力狀態(tài)，軟化了巖石，致使巖體沿特定的介面錯動或破裂而產(chǎn)生。新柳東側(cè)震區(qū)地震主要是沿芳武斷裂、寨蒿斷裂附近分布，在這兩條斷裂的交匯處地震較集中。新柳—滿天星震區(qū)地震較前兩震區(qū)來說相對較稀少，多數(shù)地震在庫岸北側(cè)零散分布，2009年9月2日在該震區(qū)發(fā)生了一次3.0級地震，2013年10月24日又在該震區(qū)發(fā)生一次3.2級地震。三板溪水庫大壩附近的地震活動是關(guān)注的重點，從監(jiān)測到地震來看，大壩附近的高洋斷裂附近只有幾次微小地震發(fā)生。endprint

2 地震活動成因分析

三板溪水庫2006年1月7日下閘蓄水后，在水庫及鄰區(qū)出現(xiàn)了頻繁的地震活動。這些地震活動是否屬于水庫誘發(fā)地震，其地震活動成因如何，今后的地震活動趨勢怎樣？這些都是當(dāng)?shù)卣嘘P(guān)部門十分關(guān)心的問題。地震活動成因研究是一個技術(shù)難度較大的問題，它涉及到地球物理學(xué)、地質(zhì)學(xué)等多學(xué)科理論，以及要求有庫區(qū)較豐富的地震本底資料和地質(zhì)調(diào)查資料。下面利用所掌握的資料及6年來的地震監(jiān)測成果對三板溪庫區(qū)地震活動類型和成因作一個簡單的分析研究。

2.1 地震活動類型

可以從以下三個方面來判斷在水庫及鄰區(qū)出現(xiàn)了頻繁的地震活動到底是屬于正常的構(gòu)造地震，還是屬于水庫地震。一是水庫地震與水庫蓄水進(jìn)程有較密切的對應(yīng)關(guān)系，如果是外部成因的水庫地震，一般是在庫水位上升到一定高度時很快出現(xiàn)較頻發(fā)的微小地震活動，如果是內(nèi)部成因的水庫地震，則在水位達(dá)到一定高度并滯后一段時間后出現(xiàn)較頻繁和（或）較大的地震；二是水庫地震是水庫蓄水后誘發(fā)的異常地震活動，即水庫蓄水后的地震活動特征（頻度、強度、空間）與水庫蓄水前有較大的差別，根據(jù)已有震例的統(tǒng)計資料，其地震活動頻度一般是原天然地震活動水平的5—8倍以上；三是水庫地震活動的空間分布主要集中在水庫區(qū)及臨區(qū)，在水平方向上不超過河谷的第一個分水嶺，一般在10 km以內(nèi)，在垂直方向上距地表一般數(shù)十米自幾公里。

三板溪水庫于2006年1月7日下閘蓄水，3月9日～11日，在庫水位快速上升階段首次到達(dá)380 m時，在距大壩15 km的庫區(qū)文斗一帶連續(xù)發(fā)生多次有感地震。地震引起個別房屋傾斜、灶臺開裂、玻璃破裂、房屋掉瓦等現(xiàn)象，估計震中烈度為Ⅳ～Ⅵ度。根據(jù)當(dāng)?shù)鼐用窠榻B，在水庫蓄水前從未出現(xiàn)過類似的地震活動，可以肯定這些地震的出現(xiàn)與水庫蓄水有關(guān)，從圖2中可以看出，在水庫的蓄水過程中，地震活動與水位的漲落有較好的對應(yīng)關(guān)系，特別是在2007年7月庫水位升至470 m左右時，地震活動頻度猛增，8月的地震頻次達(dá)到50次，最大強度達(dá)3.9級。由此可見，三板溪水庫蓄水后的地震活動與水庫蓄水進(jìn)程有較密切的對應(yīng)關(guān)系，符合水庫誘發(fā)地震的第一條判別標(biāo)準(zhǔn)。對三板溪水庫蓄水前的天然地震活動本底分析表明，在水庫蓄水前庫區(qū)及周緣地區(qū)幾乎沒有地震記錄，1970年以來的37年中，僅記錄到1次2.7級地震，而在蓄水后的5年時間中，庫區(qū)就記錄到地震400多次，其中2.5級以上地震有17次，其平均年發(fā)生率約4次，遠(yuǎn)高于庫區(qū)天然本底地震的年發(fā)生率，最大震級為4.2級，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過水庫蓄水前的天然地震活動水平，完全符合水庫誘發(fā)地震的第二條判別標(biāo)準(zhǔn)。從地震活動空間分布圖看出，地震全部集中在庫區(qū)兩岸10 km范圍內(nèi)，其中95%的地震集中在南寨至格翁庫區(qū)兩岸5 km范圍內(nèi)。雖然庫區(qū)地震活動強度不是很大，但在地表造成的宏觀反映較強烈，有時一次1級左右的地震都可能造成當(dāng)?shù)鼐用裼懈?、房屋掉瓦、地聲等宏觀現(xiàn)象，據(jù)此分析，庫區(qū)發(fā)生的這些地震的震源在其垂直方向上均很淺，根據(jù)地震臺網(wǎng)記錄資料，對部分2級以上地震計算出的震源深度結(jié)果表明，深度都在3 km以內(nèi)，多數(shù)為1 km以內(nèi)，由此可見，庫區(qū)地震活動的空間分布特征也符合水庫誘發(fā)地震活動的第三條判別標(biāo)準(zhǔn)。綜上所述，三板溪水庫蓄水后出現(xiàn)的頻繁地震活動，與水庫蓄水位有較好的對應(yīng)關(guān)系，地震活動水平與水庫蓄水前的天然地震相比有非常顯著的異常變化，并且地震活動平面絕大部分集中在庫區(qū)兩岸5 km以內(nèi)，垂直深度都在3 km以內(nèi)，屬于水體影響范圍之內(nèi)。因此，三板溪水庫蓄水后出現(xiàn)的頻繁地震活動屬于水庫誘發(fā)地震。

2.2 地震成因分析

最常見的水庫誘發(fā)地震成因有構(gòu)造型、巖溶塌陷型[1]和地殼表層卸載型[2]三類，三板溪庫區(qū)蓄水后出現(xiàn)的地震屬于哪一類或哪幾類呢，下面就三板溪水庫地震活動成因進(jìn)行初步分析研究。

根據(jù)三板溪庫區(qū)地質(zhì)構(gòu)造條件和地震特征分析，大多數(shù)三板溪水庫誘發(fā)地震成因類型為地殼表層卸荷型，少數(shù)為構(gòu)造型，主要依據(jù)有以下三個方面。

（1）在三板溪庫區(qū)，只有在庫尾革東庫段有少量碳酸鹽出露，有可能產(chǎn)生巖溶塌陷型水庫地震外，其它絕大部分庫區(qū)主要為輕微變質(zhì)的碎屑巖、火山碎屑巖，不可能出現(xiàn)巖溶塌陷型水庫地震。目前庫區(qū)所發(fā)生的地震均集中在漫天星以東庫段，該庫段不存在碳酸鹽巖和礦山，因此，三板溪水庫地震的成因不是巖溶塌陷型。

（2）地殼表層卸荷型水庫地震主要由庫水滲入庫盆以下巖體的卸荷松動區(qū)或卸荷應(yīng)力場與構(gòu)造應(yīng)力場之間的過渡區(qū)，降低了不連續(xù)結(jié)構(gòu)面上的正壓力或促進(jìn)了端部的應(yīng)力腐蝕，導(dǎo)致卸荷應(yīng)力場的局部調(diào)整及地表卸荷作用的進(jìn)程加快，而產(chǎn)生的微震效應(yīng)。該類型的水庫地震一般發(fā)生在強烈下切的河谷下部（所謂的卸荷不足區(qū)）、節(jié)理和裂隙發(fā)育的庫岸，以及巖性堅硬質(zhì)脆的庫段。由于該類地震主要是由地殼淺層節(jié)理，裂隙微破裂而產(chǎn)生的，所以震級一般較小，但震感較強，除個別特殊情況外，強度一般不超過ML4.5級。三板溪庫區(qū)有多組斷裂及破碎帶通過，特別是北西向斷裂、裂隙，雖然規(guī)模很小，但具張性、張扭性特征，利于淺表層范圍的滲透，另外，庫區(qū)巖性堅硬、質(zhì)脆，在岸坡陡峭庫段裂隙較發(fā)育，因而，三板溪庫區(qū)具備誘發(fā)地殼表層卸荷型水庫地震的構(gòu)造條件。同時，從地震活動空間分布發(fā)現(xiàn)絕大多數(shù)地震震源深度為1～2 km，發(fā)生在距離庫岸5 km范圍內(nèi)的上述易誘震構(gòu)造部位，強度不大，震中區(qū)震感強烈，地震活動與庫水位升降變化有明顯的對應(yīng)關(guān)系，這些特征都符合卸荷型水庫地震的活動特點。

（3）庫區(qū)有多條北東向活動性斷裂經(jīng)過，一些地震震源分布在斷裂帶附近。在地震序列中，可見一些地震為前震—主震—余震型。因此，在三板溪庫區(qū)誘發(fā)的地震中，也有斷裂構(gòu)造地震。

3 結(jié)論

三板溪庫區(qū)蓄水以來出現(xiàn)頻繁的地震活動，與庫區(qū)蓄水前基本無震的狀態(tài)形成鮮明的對比。水庫蓄水后，地震活動主要集中在庫區(qū)兩岸多組斷裂及破碎帶通過地帶，地震活動具有震源淺，震級小，震中震感強烈，與庫水位升降有明顯響應(yīng)關(guān)系等特點，從三板溪水庫區(qū)地質(zhì)構(gòu)造環(huán)境和地震活動特征與地殼表層卸荷型水庫地震的發(fā)震構(gòu)造條件和地震活動特征對比分析，認(rèn)為大多數(shù)三板溪水庫誘發(fā)地震成因類型為地殼表層卸荷型，少數(shù)為構(gòu)造型。

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