小浪底水庫區(qū)地震活動特征分析

王 潔 張永貴 楊智峰 張培華 谷志飛

(洛陽市地震局，河南 洛陽 471000）

小浪底水庫區(qū)地震活動特征分析

王 潔 張永貴 楊智峰 張培華 谷志飛

(洛陽市地震局，河南 洛陽 471000）

本文通過對小浪底庫區(qū)歷史地震資料，根據(jù)小浪底水庫區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造背景，結(jié)合庫區(qū)地震時、空、強分布特點，綜合小震定量描述方法和數(shù)理統(tǒng)計法對庫區(qū)的震級-頻度關(guān)系b值、年平均發(fā)生率、平均震級變化趨勢和能量釋放的時間分布等進行新的統(tǒng)計分析，用以作為水庫區(qū)域地震活動特征的量化表達參數(shù)，總結(jié)出1970年以來庫區(qū)地震活動變化的規(guī)律特征。

小浪底庫區(qū)；地震；特征分析

黃河小浪底水庫位于河南省洛陽市以北40km的黃河干流上，總庫容126.5億m3，該水庫面積約297.4km2，最大水深140m，是一座以防洪、防凌、減淤為主，兼顧供水、灌溉、發(fā)電的特大型水利工程。小浪底水庫蓄水后小震活動明顯增加，大多是危害性不大的微震和弱震，通過對地震參數(shù)的分析研究，探索其發(fā)展規(guī)律。

1 區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造背景

小浪底水庫西接渭河盆地，東臨華北平原，屬典型的華北型地層區(qū)。區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定性主要受豫皖斷塊西北邊界的汾渭斷陷帶以及太行斷塊與冀魯斷塊分界的太行山前斷裂帶控制。在庫區(qū)及其周邊地區(qū)分布的一系列第四紀活動斷層,除架桑斷層與焦洛斷層歷史上曾有過5級左右的地震外，其他大多無震或僅有小震級地震。根據(jù)對歷史地震資料統(tǒng)計，對庫區(qū)影響最大的地震烈度為Ⅶ度。

2 庫區(qū)地震空間分布特征

我們把研究區(qū)確定為東經(jīng)111.1°~113°，北緯34.5°~ 35.2°的矩形區(qū)域。該區(qū)域位于山西地震帶與許昌——淮南地震帶的交界部位，地震活動強度弱，頻度低。震中分布明顯受第四紀活動斷層控制，在庫壩區(qū)淹沒區(qū)內(nèi),主要受塔底、石井河、城崖地、石家溝等斷層控制。

自小浪底水庫1999年蓄水以來，3.0級以上地震頻次明顯增多。蓄水前10年ML≥3級地震只有兩次，而蓄水后10年ML≥3級地震增加到16次。從上圖看出水庫蓄水前的地震分布規(guī)律不十分明顯，地震活動水平較低，而蓄水后地震分布更集中于小浪底水庫的中段和西段區(qū)域。

3 庫區(qū)b值的計算方法

根據(jù)古登堡—李斯特地震頻度N與地震震級M關(guān)系式：LgN=a-bM，其中a、b為待定常數(shù)。首先根據(jù)不同震級檔地震基本完整的時段,換算成年平均發(fā)生率作 b值擬合。經(jīng)統(tǒng)計，1970年以來小浪底庫區(qū)發(fā)生ML≥2.0地震共有294次，其中ML3.0-3.9級地震45次，ML4.0~4.9級地震4次。ML≥4級地震44年(1970-2014年)內(nèi)的年平均發(fā)生率為0.09，ML2.0~2.4級為3.81，ML2.5~2.9級為1.75，ML3.0~3.4級為0.79，ML3.5~3.9級為0.22。

3.1 b值擬合圖

根據(jù)表2的各震級檔年平均發(fā)生率統(tǒng)計結(jié)果，利用最小二乘法進行數(shù)據(jù)擬合，起算震級為M2.0震級，分檔為0.5級的擬合結(jié)果(圖中直線)與原數(shù)據(jù)(黑圓點)的離散程度如下圖所示。LgN=4.09~0.8865M，小浪底庫區(qū)的b值統(tǒng)計結(jié)果為0.8865，代表地震區(qū)地震活動水平的a值為4.09。

3.2 滑動b值計算法

b值是震級和頻度關(guān)系式中的比例系數(shù),它代表一定區(qū)域內(nèi)不同大小地震頻數(shù)的比例關(guān)系，其物理意義可以反映區(qū)域地震地質(zhì)的特征。如果能掌握某區(qū)域內(nèi)不同時期b值的變化規(guī)律，就可以對即將發(fā)生的地震進行一定程度的預(yù)測，研究地震前兆與地震的相關(guān)性，從而獲取可靠的地震前兆。根據(jù)關(guān)系式LgN=a-bM，用最小二乘法可以得出如下b值計算公式：

以小浪底庫區(qū)及鄰區(qū)地震目錄為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，依照目錄順序，取其1號-20號地震為第1組，用b值計算公式計算出該組的1個b值來；以20個震為滑動區(qū)間（n=20），1個震為滑動步長（Δn=1），每步1個震滑動1次，計算出后面各組的b值來（第2-21號震為第2組，第3-22號震為第3組，等等）。

按地震目錄進行編組排序。取n為20，對上表數(shù)據(jù)進行求和，再根據(jù)b值計算公式，可計算出第1組的b值為0.464。以發(fā)震時間為橫坐標、b值為縱坐標，繪制出滑動b值曲線圖，分析b值曲線變化情況，可對未來震情作出一些趨勢判斷。

巖石壓力實驗結(jié)果表明，應(yīng)力增加時，b值下降；當應(yīng)力接近巖石破裂強度時，b值下降加速。從上圖b值滑動曲線與震級變化對照放大圖中看出，b值與震級呈現(xiàn)出近似于反相關(guān)的關(guān)系，當b值處于低值時震級卻達到一個相對階段高值，當發(fā)生ML≥4.0級地震后，b值會迅速下降；或者是b值變化持續(xù)一段時間高位，這樣就會集聚較大能量，當快速下降時，此時發(fā)生3-4級地震的可能性會增加。

4 庫區(qū)地震時間序列

4.1小浪底庫區(qū)地震時序圖

小浪底庫區(qū)地震活動從1971-1986年是一個活躍期，1986-1998年是相對平靜期，1999-2003年又進入活躍期，平靜4年左右，從2007年到目前地震又相對密集。第一個活躍期與大華北地震活動水平相一致。根據(jù)河南省及鄰省區(qū)32次地震的震源機制解分析，小浪底庫區(qū)的斷層以走滑型為主，主壓應(yīng)力方向為北東東，與華北地區(qū)的主壓應(yīng)力方向一致。這一特征也印證了小浪底庫區(qū)蓄水前地震活動與大華北地震活動規(guī)律相一致的有效性，顯示了區(qū)域主壓應(yīng)力場在發(fā)震過程中的主導地位。而水庫自99年蓄水后，出現(xiàn)地震活躍期卻是大華北地震的平靜期，因此認為蓄水后小震活動明顯增加而出現(xiàn)的活躍期與水庫蓄水有很強的相關(guān)性。

4.2 地震頻次

我們利用excel中回歸分析法畫出1970年以來地震頻次和平均震級變化趨勢圖。通過使用回歸法，趨勢線擬合數(shù)據(jù)計算趨勢線的R平方值來驗證趨勢線的可靠性，R平方值越大說明擬合的趨勢線越精確。

由圖9看出水庫蓄水后地震活動特征呈現(xiàn)出明顯的高頻特征，活動頻次超出平均水平，呈現(xiàn)出曲線上升狀態(tài)，（R2=0.517）。但能量釋放相對第一活躍期仍處于較低水平。

4.3 平均震級變化趨勢

平均震級變化趨勢分析是用1970年以來地震活動的年平均值、均方差等統(tǒng)計特征量，研究地震平均震級變化趨勢的異常形態(tài)。從上圖看出1970年以來小浪底庫區(qū)的平均震級變化趨勢呈現(xiàn)出緩慢下降狀態(tài)。（R2= 0.3959），但在水庫蓄水后平均震級出現(xiàn)一個相對高值。

4.4 能量釋放

由上圖看出，自小浪底1999年蓄水以來，地震活動進入一個新的活躍時段，水庫蓄水后能量釋放相對蓄水前較強。

5 討論

根據(jù)現(xiàn)有的文獻資料查閱可知，小浪底水庫蓄水后對地殼造成的壓力變化，從而使小震活動明顯增加，地震主要集中于水庫的中段和西段區(qū)域。由于水庫中部和西部區(qū)域分布較廣的灰?guī)r地層，這些巖體強度較高，能夠積累較大的應(yīng)變能量，受力后易產(chǎn)生脆性破裂變形，且?guī)靺^(qū)中部分布著寒武系、奧陶系碳酸鹽巖類地層,出露面積雖然不大，但巖溶作用的結(jié)果會導致巖體的總體完整性和強度降低,從而加大巖體的滲透性，這些因素都決定了本區(qū)域存在水庫地震的可能性。所以小震活動的增加是與水庫蓄水有很大的相關(guān)性。

在本區(qū)范圍內(nèi)，從b值與震級的對應(yīng)形態(tài)上看，3.0級地震前滑動b值曲線可能會出現(xiàn)峰形異常，或者是b值持續(xù)高位變化。一旦b值出現(xiàn)快速下降時，發(fā)生3~4級地震的可能性會增大。因此，如果發(fā)現(xiàn)滑動b值超過0.8，且曲線形態(tài)呈現(xiàn)峰形或持續(xù)較高值一段時間，則應(yīng)注意加強震情監(jiān)測。

［1］王世昌，劉耀煒，張培華.小浪底水庫誘發(fā)地震的危險性分析［J］.地震地磁觀測與研究，2006（2）：9-15.

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［5］楊國憲，汪雍熙.小浪底水庫區(qū)天然地震本底特征分析［J］.水利學報，2003（6）：89-94.

Analysison Seism ic Activity Characteristicsof XiaolangdiDam Reservoir Area

Wang Jie Zhang Yonggui Yang Zhifeng Zhang Peihua Gu Zhifei
（Luoyang SeismologicalBureau,LuoyangHenan 471000）

Based on the historical seismic data,geological structure backgroundand the distribution characteristics of seismic time,space and intensity of Xiaolangdireservoirarea,the paper carried outanew statisticalanalysisonthemag?nitude-frequency relationship b value,the average incidence rate,the averagemagnitude changing trendand the time distribution ofenergy releasein the reservoirarea by using thequantitative descriptionmethod of smallearthquakesand mathematicalstatisticmethod.They areused as thequantitative parametersofseismic activity characteristics in the res?ervoirarea.The changing lawsand characteristicsofseismic activity in the reservoirsince1970wasalsosummarized.

XiaolangdiDam reservoir;earthquake;characteristic analysis

P315.9

A

1003-5168(2015）06-0150-4

2015-5-28

鄭鴻煜(1986.12-）女，本科，助理工程師，研究方向：產(chǎn)品檢驗及安全管理。