基于貝葉斯方法的雙江口水電站水庫誘發(fā)地震危險性預(yù)測評估

袁國慶，高建祥，李　靜

(中國電建集團(tuán)成都勘測設(shè)計研究院有限公司,四川 成都　610072)

?

基于貝葉斯方法的雙江口水電站水庫誘發(fā)地震危險性預(yù)測評估

袁國慶，高建祥，李靜

(中國電建集團(tuán)成都勘測設(shè)計研究院有限公司,四川 成都610072)

目前國內(nèi)對水庫誘發(fā)地震的預(yù)測評價一般都采用貝葉斯方法進(jìn)行，本文通過對雙江口水電站的水庫基本條件、區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造、工程地質(zhì)條件及地震活動特點的分析，計算出三個庫段多因素誘發(fā)不同震級地震的概率。綜合分析評價認(rèn)為,雙江口水庫蓄水后發(fā)生小于5級地震的可能性大，發(fā)生大于5級地震的可能性小，其中主要發(fā)震區(qū)域為花崗巖庫段。

貝葉斯方法;水庫誘發(fā)地震;雙江口水電站

1　工程概況

雙江口水電站壩址位于綽斯甲河與腳木足河交匯處下游段。其中水庫綽斯甲河回水至觀音橋附近，腳木足河回水至干木鳥附近。水庫正常蓄水位2 500 m，堆石壩最大壩高314 m，對應(yīng)庫容約28.97億m3，具有年調(diào)節(jié)能力，電站裝機(jī)容量2 000 MW。

雙江口水庫屬高壩大庫，從水庫壩高、庫容來考慮，雙江口水庫存在一定的發(fā)震概率。水庫庫盆巖性主要為花崗巖，花崗巖在冷卻過程中易產(chǎn)生節(jié)理、裂隙等張性結(jié)構(gòu)面，在地殼抬升及河流下切過程中易產(chǎn)生卸荷裂隙等，水庫蓄水后易引起庫水的滲透而誘發(fā)地震。水庫區(qū)內(nèi)的主要構(gòu)造形跡以NW、NE向的褶皺和壓性斷裂為主，庫區(qū)范圍沒有大規(guī)模的活動斷裂通過，庫區(qū)主要斷裂有松崗斷裂、觀音橋斷裂、業(yè)隆溝斷裂等及規(guī)模較小的小斷層，斷裂為中更新世活動斷裂，晚更新世以來不活動。庫區(qū)節(jié)理裂隙發(fā)育，蓄水后庫水可沿節(jié)理、裂隙滲透而誘發(fā)地震，但斷層、節(jié)理裂隙發(fā)育規(guī)模有限，發(fā)生破壞性地震的可能性很小，以微震形式為主。雙江口水庫區(qū)地震活動頻度比較高，但活動的強(qiáng)度較弱，震中烈度為Ⅵ～Ⅶ度。庫區(qū)應(yīng)力場的最大主應(yīng)力方向為NW～NWW方向。

2　水庫誘發(fā)地震背景

目前水庫誘發(fā)地震的危險性評估和預(yù)測預(yù)報問題仍然是世界上的科學(xué)難題，其主要原因是目前我們對水庫誘發(fā)地震產(chǎn)生的機(jī)理與活動規(guī)律仍有許多問題沒有足夠的認(rèn)識和了解。國內(nèi)外對水庫潛在的誘發(fā)地震危險性評估主要采用的是根據(jù)地質(zhì)環(huán)境、水文環(huán)境、地震活動、斷層構(gòu)造、巖性、壩高、水位、庫容、水庫特征參數(shù)等對已發(fā)生水庫誘發(fā)地震的水庫震例進(jìn)行類比分析，同時根據(jù)概率統(tǒng)計學(xué)的貝葉斯方法建立數(shù)學(xué)模型，綜合評估給出水庫誘發(fā)地震潛在危險的預(yù)測結(jié)果[1]。本文也采用此方法對雙江口水庫的誘發(fā)地震危險性進(jìn)行預(yù)測評估。

3　貝葉斯方法及預(yù)測統(tǒng)計

貝葉斯方法基本思想是:假定對所研究的對象在抽樣前己有一定的認(rèn)識，常用先驗分布來描述這種認(rèn)識，然后基于抽取的樣本再對先驗認(rèn)識作修正，得到后驗分布，而各種統(tǒng)計推斷都基于后驗分布進(jìn)行。主要特點是使用先驗分布，而在得到樣本觀測值X=(x1，x2，…，xn)后，由X與先驗分布提供的信息，經(jīng)過計算和處理，組成較完整的后驗信息。

該方法在水庫誘發(fā)地震中的應(yīng)用首先由美國地質(zhì)調(diào)查所Baecher(1982)等最先提出，采用了庫容、庫深、構(gòu)造應(yīng)力環(huán)境、斷層活動性及地質(zhì)條件(主要是巖性)5個影響因子。中國地震局胡毓良等在國家八五重點科技攻關(guān)項目專題研究中，針對三峽水庫誘發(fā)地震危險性的預(yù)測，提出了改進(jìn)的誘震因子集，其構(gòu)成有庫深、庫容、區(qū)域應(yīng)力狀態(tài)、斷層活動性、巖性條件和地震活動背景6個因子，按誘震的震級劃分成4類。I類是3.0>M1、II類為5.0>M2≥3.0、III類為M3≥5.0級。雙江口水庫采用胡毓良等研究成果的基礎(chǔ)上進(jìn)行預(yù)測評價。

同一誘震因素不同狀態(tài)出現(xiàn)的概率計算公式為：

(1)

式中A——為不同震級水庫震例數(shù);

M——為RIS事件震級;

i——為發(fā)生i類地震;

j——為誘震因素中j類因子。

綜合考慮六種誘震因素的發(fā)震概率則公式為：

(2)

式中的h、v、s、f、r、b分別表示RIS事件庫深、庫容、區(qū)域應(yīng)力狀態(tài)、斷裂活動性、誘震區(qū)巖性和地震活動背景六種因素，每種因素的狀態(tài)范圍列在表1中。P(Mi)=Ni/N，Ni為發(fā)生i類地震次數(shù)，N為發(fā)生地震的總數(shù)。研究證明h、v、s、f、r和b等六種因素狀態(tài)是相互獨立的。

則有：

P(h，v，s，f，r，b/Mi)=

P(h/Mi)P(v/Mi)P(s/Mi)P(f/Mi)P(r/Mi)P(b/Mi)

(3)

從1931年希臘馬拉松水庫首次發(fā)現(xiàn)水庫地震以來，迄今為止，全世界發(fā)生的水庫地震約有120例。我國專家胡毓良、楊清源等在上世紀(jì)90年代對這些水庫地震進(jìn)行了統(tǒng)計分析，在109個震例中將各因素進(jìn)行分類(見表1)，在巖性欄中為提高精確度,把誘發(fā)地震較多的碳酸鹽巖和花崗巖單獨列出。將這些震例數(shù)按公式(1)計算其分布概率(見表1)[2]。

表1　各因素狀態(tài)下不同震級水庫震例數(shù)及分布概率

注：本表根據(jù)中國地震局地質(zhì)研究所楊清源等的資料。

4　雙江口水庫誘發(fā)地震預(yù)測

雙江口水庫區(qū)由腳木足河和綽斯甲河構(gòu)成(見圖1)，從壩址算起，腳木足河庫尾到干木鳥，全長約62 km。綽斯甲河庫尾到觀音橋附近，全長約35 km,庫容28.97億m3，為v2。壩前庫深250 m(正常蓄水位與可爾因河床海拔之差，2 500～2 250 m)，根據(jù)庫深與庫長的比，計算得到東西兩支河流河床縱坡降分別是4.5‰和8‰。

圖1　水庫誘發(fā)地震預(yù)測示意

將雙江口水庫根據(jù)庫深分成三個庫段，即庫首段，水庫中段和庫尾段，各庫段的誘震因素狀態(tài)和計算結(jié)果分述如下：

庫首段：腳木足河按河床縱坡降4.5‰計算，從壩址往上27 km，約到神山(直波)附近；綽斯甲河床縱坡降按8‰計算，從壩址-年克庫段約16 km；庫深降到了140 m。這兩段庫深均為140～260 m，庫深為h1。巖性均為燕山期花崗巖即r2。腳木足河無斷層。綽斯甲河有NE向業(yè)隆溝斷層，正斷層，應(yīng)力狀態(tài)取拉張s2，晚更新世以來不活動，斷層活動性屬f2。

水庫中段：腳木足河從神山—大西木爾巴附近，綽斯甲河從年克-504林場轉(zhuǎn)運站附近，庫水深度降到90～140 m的范圍，水深為h2。綽斯甲河巖性仍為燕山期花崗巖r2，而神山—大西木爾巴為三迭系變質(zhì)砂巖，千枚巖，取變質(zhì)巖r4，NW向的松崗斷層，向北延伸至腳木足河沙市附近穿過未來庫區(qū)，該斷層長約70 km，左旋逆走滑斷層，屬早-中更新世斷層。斷層活動性取f2。應(yīng)力狀態(tài)取區(qū)域擠壓應(yīng)力狀態(tài)s1。

庫尾段：腳木足河從大西木爾巴到干木鳥，綽斯甲河從504林場轉(zhuǎn)運站-觀音橋附近，庫水深度小于90 m，水深為h3。NW向的松崗斷層，向北延伸至腳木足河扎爾都庫段,該斷層長約70 km，左旋逆走滑斷層，屬早-中更新世斷層。綽斯甲河NE向的觀音橋斷層在斯多德和觀音橋附近穿過未來水庫區(qū)。兩條斷層主要發(fā)育在三迭系的變質(zhì)砂巖、板巖中，巖性為變質(zhì)巖r4。兩斷層晚更新世以來均不活動，斷層活動性為f2。這兩庫段中的斷層是逆斷層或壓扭性斷層，區(qū)域應(yīng)力狀態(tài)取擠壓s1。

水庫區(qū)位于北西向鮮水河斷裂帶與北東向龍門山斷裂帶所夾持的川青斷塊區(qū)東南部，以緊密線狀弧形褶皺構(gòu)造為主，斷裂構(gòu)造不發(fā)育。挽近時期以來，新構(gòu)造運動主要表現(xiàn)為以斷塊本身的間歇性整體抬升，處于構(gòu)造相對穩(wěn)定區(qū)。工程區(qū)受外圍強(qiáng)震帶的波及影響較小，壩址區(qū)遭受歷史地震的最大影響烈度僅為Ⅵ度；其地震危險性主要來自近場的松崗潛在震源區(qū)(震級上限6.5級)、兩河口(撫邊河)潛在震源區(qū)(震級上限7.0級)強(qiáng)震的影響。庫區(qū)地震背景取b2，考慮到水庫周圍的地震活動情況b1的狀態(tài)也進(jìn)行了計算。

把這三個庫段的各誘震因素狀態(tài)的單因子按先驗分布概率賦值，分別代入(1)、(2)式，即可計算出三個庫段多因素誘發(fā)不同震級地震的概率(見表2)。各庫段結(jié)果分述如下：

庫首段發(fā)生1類地震的概率為0.02～0.08，發(fā)生2類地震的概率為0.71～0.74，發(fā)生3類地震的概率為0.18～0.26；水庫中段綽斯甲河段發(fā)生1類地震的概率為0.19～0.45，發(fā)生2類地震的概率為0.38～0.51，發(fā)生3類地震的概率為0.16～0.31；水庫中段腳木足河段發(fā)生1類地震的概率為0.19～

表2　六種因素組合發(fā)震概率

0.45，發(fā)生2類地震的概率為0.46～0.63，發(fā)生3類地震的概率為0.09～0.18；庫尾段發(fā)生1類地震的概率為0.25～0.52，發(fā)生2類地震的概率為0.46～0.70，發(fā)生3類地震的概率為0.02～0.06。

5　結(jié)論與認(rèn)識

綜合分析評價認(rèn)為，雙江口水庫蓄水后發(fā)生小于5級地震的可能性大，發(fā)生大于5級地震的可能性小，其中主要發(fā)震區(qū)域為花崗巖庫段(見圖1)。貝葉斯方法對誘發(fā)地震強(qiáng)度的預(yù)測與因素組合的選擇及樣本的數(shù)量有關(guān)，水庫地震震例只有一百多個，限制了信息量的數(shù)量，并且在地震活動區(qū)地震成因復(fù)雜,尤其是發(fā)生中小地震的水庫區(qū)難以區(qū)別是水庫誘發(fā)地震還是背景地震，因此該方法的預(yù)測精確度十分有限，可作為一種宏觀判斷的依據(jù)。

[1]秦嘉政,劉麗芳,等.水庫誘發(fā)地震活動特征及其預(yù)測方法研究[J].地震研究,2009(02):105-113.

[2]楊清源,陳曉莉,等.水庫誘發(fā)地震的最大震級及其發(fā)震時間的預(yù)測研究[J].地震學(xué)報,2001(05):523-529.

2015-03-10

袁國慶(1979-)，男，湖北黃岡人，高級工程師，從事水電站工程地質(zhì)勘測工作。

P315.7

B

1003-9805(2016)03-0073-03