雅礱江錦屏一級水電站庫區(qū)蓄水后波速比變化研究

杜 瑤,邵玉平,阮 祥,王余偉,戴仕貴

(四川省地震局，成都 610041)

0 引言

錦屏一級水電站位于四川省涼山彝族自治州鹽源縣和木里縣境內(nèi),是雅礱江干流下游河段的控制性水庫梯級電站,錦屏一級水庫地震監(jiān)測系統(tǒng)于2011年11月1日進(jìn)入考核運行,加強和完善了該水庫的地震監(jiān)測能力。2012年11月30日雅礱江錦屏一級水電站水庫開始正式蓄水,蓄水后歷史上鮮有地震的木里項腳鄉(xiāng)一帶頻繁發(fā)生小地震,發(fā)生在木里縣項腳鄉(xiāng)一帶的震群就占庫區(qū)及附近地震90%左右。

眾所周知,構(gòu)造型水庫地震發(fā)生的兩個要素是斷裂受到的應(yīng)力已接近臨界破裂狀態(tài)和庫水沿裂隙侵入斷層降低了斷層的破裂強度。因而我們可以在已知介質(zhì)種類的前提下通過波速比來推測地震波射線穿過區(qū)域介質(zhì)所處的應(yīng)力狀態(tài),也可以在不同時間點上用先后發(fā)生的地震的波速比變化來推測介質(zhì)所受到的應(yīng)力的變化或介質(zhì)裂隙中水體充盈的變化。

有研究表明,引起波速比變化的主要因素是巖體裂隙和空隙變化以及巖體滲水后的軟化,而對波速比影響較大的是裂隙中流體飽和度,由珊溪水庫地震波速比變化經(jīng)歷下降—回升—正常過程,可以看到水庫誘發(fā)地震顯示出明顯的擴(kuò)容—飽和—發(fā)震的過程,這與水庫地震震源淺,裂隙發(fā)育,水的滲入作用活躍有關(guān)[1]。因此,可以通過追蹤水庫區(qū)域的P波或S波波速或Vp/Vs波速比來研究庫區(qū)蓄水后地下介質(zhì)的變化情況。

在我國波速比的研究已應(yīng)用于許多水庫地震中,并得到一些重要的結(jié)論：馮銳在新豐江6.1級水庫地震前后的波速比變化研究中發(fā)現(xiàn)主震前波速比Vp/Vs出現(xiàn)了明顯的負(fù)異常,且異常時間約為11個月,震前一個半月波速比又返回正常值[2]；陳俊華等在三峽水庫蓄水后巴東地區(qū)波速比Vp/Vs的研究中,采用固定臺站法計算了區(qū)域ML2.0級以上地震波速比,結(jié)果顯示巴東地區(qū)地震波速比值變化與水庫地震的震源淺,裂隙發(fā)育,水的滲入作用等有關(guān),并存在擴(kuò)容期間波速比降低,震前波速比回升的現(xiàn)象[3]等；波速比的研究在四川省的水庫中應(yīng)用廣泛,瀑布溝水庫、紫坪鋪水庫、大橋水庫等,不同水庫在蓄水后波速比顯示出了不同的特征和規(guī)律,為此,本文利用單臺法計算了雅礱江鏡屏一級水電站水庫蓄水后木里地區(qū)的地震波速比[4],為水庫蓄水對該地區(qū)誘震及地下介質(zhì)的變化提供參考。

1 錦屏一級水電站水庫各階段蓄水及木里地區(qū)地震活動概況

錦屏一級水電站作為雅礱江干流下游河段的控制性水庫梯級電站,位于錦屏二級電站和官地水庫的西北。庫區(qū)干流回水至木里縣卡拉鄉(xiāng),回水長度約為58 km；一級支流小金河回水至木里縣后所鄉(xiāng)嘎姑村嘎姑水文站附近,長度約為90 km；二級支流臥羅河回水至鹽源縣壁基鄉(xiāng)臥羅村,長度為21 km。2011年11月1日起錦屏一級水庫地震監(jiān)測系統(tǒng)對庫區(qū)及附近進(jìn)行地震監(jiān)測,其中該水庫蓄水后（2012-11-30～2016-09-30）共分為四個蓄水階段及正常運行期,在不同蓄水階段,庫區(qū)及附近的地震活動水平隨庫區(qū)加卸載呈現(xiàn)出了一定的相關(guān)性（圖1）,尤其在歷史上少有地震發(fā)生的木里縣項腳一帶在蓄水7個月后頻發(fā)地震并形成了震群。

第一階段蓄水（2012-11-30～2013-06-15）：水位大約從(海拔高程：Elevation后面縮寫為EL)EL.1648 m開 始上 升,2012年12月16日當(dāng)水位達(dá)到約EL.1706 m,隨后基本保持該水位至2013年5月31日,2013年6月1日 至6月16日水位升至約EL.1735 m,該階段地震活動較弱與蓄水前相比大致相當(dāng),主要以微小地震為主；

第二階段蓄水（2013-06-16～2013-09-22）：水位大約從EL.1735 m開始上升,6月30日零時蓄至EL.1760 m水位,7月18日23時蓄至水位EL.1800 m,到達(dá)第二階段蓄水水位高程,并維持到9月23日,該階段水庫迅速上升,同時地震活動水平也顯著增強,地震活動高度集中在小金河支庫區(qū)的木里縣項腳鄉(xiāng)附近占比較庫區(qū)附近地震達(dá)到99.16%；

第三階段蓄水（2013-09-23～2014-07-03）：2013年9月開始,10月15日到達(dá)EL.1839.57 m,維持這一階段最高水位至2014年1月4日開始放水,2014年6月1日水位下降至EL.1800 m死水位,該階段地震延續(xù)了第二階段項腳鄉(xiāng)附近地震頻發(fā)且高度集中,高震級檔ML≥3.0級地震明顯增多,其中5次ML≥4.0級地震分別發(fā)生在2013年11月22日（3次）、2014年5月9日及6月25日,ML4.6級地震為本階段最大地震；

第四階段蓄水期（2014-07-04～2015-05-16）：2014年8月24日庫水到達(dá)EL.1879.87 m滿庫狀態(tài),維持滿庫狀態(tài)至2015年1月1日開始放水,于2015年5月16日水位下降至EL.1800 m死水位,小金河支庫區(qū)項腳鄉(xiāng)附近的地震活動分布與蓄水第三階段相同,較蓄水第二階段覆蓋范圍大,依然與水位保持了一定的相關(guān)性；

正常運行期從2015年5月17日開始,與蓄水第四階段類似,至2016年9月30日本階段有完整的蓄放水循環(huán)過程,項腳鄉(xiāng)附近的地震活動分布與前三個階段相同,2015年9月隨著水位蓄到滿庫狀態(tài),地震月頻度也達(dá)到蓄水階段的峰值,但在水位維持滿庫不變的情況下,地震頻度卻逐漸降低,這可能暗示著由于長期滲透作用小金河支庫區(qū)下的介質(zhì)逐漸調(diào)整至新的平衡。

圖1 錦屏一級水電站蓄水地震頻次與水位對應(yīng)隨時間變化Fig.1 Time variation of earthquake frequency and water level in Jinping Level I Hydropower Station

2 波速比變化的原理與計算方法

2.1 波速比的研究

當(dāng)?shù)卣鸩ㄍㄟ^強震的潛在震源區(qū)時,其傳播速度可能由于介質(zhì)的不同發(fā)生變化,變化量約為百分之幾至百分之十幾。波速比可由下式子計算得出：

式中λ為應(yīng)力,μ為彈性模量。不難看出,當(dāng)震源區(qū)的應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生變化時,彈性模量發(fā)生變化,因而引起波速比的變化[5]。

1.2 研究思路

在水庫淹沒區(qū)附近選取一叢較為集中的震群,同時在震群周圍分別選取兩個對比臺站以及三個研究臺站,其中兩個對比臺站與震群在庫水同側(cè),認(rèn)為其記錄的Pg和Sg波并未穿越水庫淹沒區(qū),且選取的兩個臺站可相互驗證；選取的三個研究臺站則在庫水的另側(cè),其記錄的Pg和Sg波穿越了庫水淹沒區(qū),可能攜帶了由于庫水荷載和滲透而造成的庫區(qū)下方介質(zhì)變化的信息。

波速比以區(qū)域小臺網(wǎng)中多臺記錄資料計算,用和達(dá)法可以達(dá)到較高精度[6]。但為了突出穿過水庫蓄水區(qū)域下的地震波變化情況,研究采用了錦屏一級水庫地震監(jiān)測臺網(wǎng)的定位精度以及記錄較清晰的ML≥2.0級以上的地震,用單臺法計算了地震波速比,由于方法的局限性,所得到的波速數(shù)值波動較大,但是采用的地震數(shù)據(jù)樣本較為豐富,因此階段求均值變化趨勢不受影響。

2.3 單臺波速比計算公式

單臺波速比由以下方法計算,設(shè)臺站處在異常區(qū)域內(nèi),由震源到臺站的距離為R,則縱、橫波波速比可用下式求得：

TS、TP分別為S波和P波走時,可表示為：TS=tS-T0,TP=tp-T0,將其代入（2）式簡化得：

式中tS為S波到時,tp為P波到時,T0為發(fā)震時刻。利用上式求波速比v值,可從記錄圖上直接按量取tS、tp,關(guān)鍵是求T0。T0一般為多臺和達(dá)直線定出的平均發(fā)震時刻,對定位精度較高的地震可以目錄中的發(fā)震時刻為準(zhǔn)[7]。

3 資料選取情況

據(jù)錦屏一級水庫地震監(jiān)測臺網(wǎng)記錄,以木里縣項腳鄉(xiāng)一帶（27.6°～28.2°N、101.1°～101.7°E）為研究區(qū)域,選取了2012年3月至2016年9月30日水庫蓄水后小金河以北,木里以西的項腳鄉(xiāng)附近震群ML≥2.0級以上1939次地震進(jìn)行單臺波速比計算（圖2）,其中ML2.0～2.9級的1747次,ML3.0～3.9級的183次,ML4.0～4.9級的9次,地震震源深度均分布在15 km以內(nèi),平均深 度 為6.97 km,2012年3月 至2013年6月15日是該庫區(qū)蓄水前及蓄水第一階段,這兩個階段里項腳鄉(xiāng)及附近沒有記錄到ML≥2.0級以上地震,因此數(shù)據(jù)的處理計算從蓄水第二階段開始。

選取了震群附近5個臺站作為水庫地震展布區(qū)內(nèi)研究對象,其中芽祖臺、列瓦臺和白烏臺三個臺站作為研究臺,且分別位于震群西南及以南,芽祖臺震中距約為7.4～17.4 km,列瓦臺震中距約為7.2～17.6 km,白烏臺震中距約為11.8～23.4 km,其記錄的Pg和Sg波穿越庫水淹沒區(qū),記錄可能攜帶由于庫水荷載和滲透作用造成的庫區(qū)底部巖石變化的信息。同時選取木里臺和白碉臺作為對比臺站,其中木里臺位于震群以西,震中距約為3.4～17.4 km,白碉臺位于震群東北,震中距約為10.6～20.2 km,認(rèn)為對比臺站記錄的Pg和Sg波沒有穿越庫水淹沒區(qū)。利用該區(qū)域地震5個臺站記錄的地震對其進(jìn)行波速比計算,通過各臺站結(jié)果變化對比分析,提取雅礱江水庫蓄水后隨時間變化庫區(qū)地下介質(zhì)變化特點。

圖2 雅礱江波速比研究震群及臺站分布圖Fig.2 Distribution map of earthquake swarms and stations in the study of wave velocity ratio in Yalong River

4 波速比變化與水庫蓄水活動的關(guān)系

利用單臺波速比方法計算出選取的5個臺站總體結(jié)果為：白碉臺記錄地震1279次,波速比在1.51～1.972之間,v=1.759；木里臺記錄到地震847次,波速比波速比在1.517～1.973之間,v=1.803；列瓦臺記錄到地震1144次,波速比在1.511～1.967之間,v=1.795；芽祖臺記錄到地震1064次,波速比在1.5～1.966之間,v=1.794；白烏臺記錄到地震961次,波速比在1.517～1.993,v=1.847。在水庫正常運行期,列瓦、芽祖和白烏三個研究臺站的波速比平均值均高于作為對比臺的白碉臺和木里臺,且5個臺站在正常運行期內(nèi)波速比均值較蓄水前三個階段均在不斷增大,并高于均勻介質(zhì)狀態(tài)下的理論值,均值介于1.814至1.891之間,顯著高于一般水庫地震的波速比值[3]。

將各蓄水階段中5個臺站記錄到的地震事件分別進(jìn)行了計算,并給出了各臺站波速比隨時間的演化進(jìn)程,圖中標(biāo)示了每次地震事件的波速比,紅色曲線為15次地震事件波速比的滑動平均趨勢線,并將蓄水各階段波速比均值結(jié)果列于表1中,可見不同蓄水階段各臺站波速比均值呈現(xiàn)出一定的差異性：

（1）第二階段蓄水（2013-06-16～2013-09-22）：白碉臺記錄到地震147次,v=1.678,比均勻介質(zhì)狀態(tài)下的理論值小0.054；木里臺在該階段沒有地震記錄,因此沒有波速比計算；列瓦臺記錄到地震129次,v=1.725比理論值小0.007,比白碉臺高0.047；芽祖臺記錄地震85次,v=1.697比理論值小0.035,比白碉臺高0.019；白烏臺記錄地震132次,v=1.788比理論值大0.056,比白碉臺高0.11。

圖3 第二階段蓄水期四個臺站地震波速比隨時間的演化進(jìn)程Fig.3 Evolution process of seismic wave velocity ratio with time at four stations During the second impoundment period

（2）第三階段蓄水（2013-09-23～2014-07-03）：在該蓄水階段,延續(xù)了第二階段蓄水并保持了較高水位（圖1）,期間共記錄ML≥4.0級地震5次,其中2013年11月22日共發(fā)生地震三次,最大震級ML4.6級,從圖4可以看出,三次地震發(fā)生后5個臺站均顯示出了有波速比降低再上升的階段,但從2014年5月9日及6月25日分別發(fā)生的ML4.2、ML4.0級地震前后,并未發(fā)現(xiàn)明顯的波速變化異常。

白碉臺記錄到地震507次,v=1.747比均勻介質(zhì)狀態(tài)下的理論值大0.015；木里臺記錄到地震261次,v=1.775,比理論值大0.043；列瓦臺記錄到地震466次,v=1.779比理論值大0.047,比白碉臺大0.032,比木里臺大0.004；芽祖臺記錄地震434次,v=1.779比理論值大0.047,比白碉臺大0.032,比木里臺大0.004；白烏臺記錄地震416次,v=1.842,比理論值大0.11,比白碉臺大0.095,比木里臺大0.067。

圖4 第三階段蓄水期五個臺站地震波速比隨時間的演化進(jìn)程Fig.4 Evolution process of seismic wave velocity ratio with time at five stations during the third impoundment period

（3）第 四 階 段 蓄 水（2014-07-04～2015-05-16）：白碉臺記錄到地震432次,v=1.798,理論值大0.066;木里臺記錄到地震400次,v=1.808,比理論值大0.076;列瓦臺記錄到地震393次,v=1.823比理論值大0.1,比白碉臺大0.025,比木里臺大0.015；芽祖臺記錄地震377次,v=1.834比理論值大0.111,比白碉臺大0.054,比木里臺大0.026;白烏臺記錄地震308次,v=1.865比理論值大0.133,比白碉臺大0.054,比木里臺大0.026。該蓄水階段,共記錄ML≥4.0級地震3次,ML≥4.0級地震前后未發(fā)現(xiàn)波速比異常,同時隨著庫區(qū)的加卸載（圖1）,波速比沒有呈現(xiàn)出與水位的一致性。

圖5 第四階段蓄水期五個臺站地震波速比隨時間的演化進(jìn)程Fig.5 Evolution process of seismic wave velocity ratio with time at five stations during the fourth impoundment period

（4）水庫正常運行期（2015-05-17～2016-09-30）：白碉臺記錄到地震193次,v=1.814比理論值大0.084；木里臺記錄到地震186次,v=1.825,比理論值大0.095；列瓦臺記錄到地震156次,v=1.853比理論值大0.123,比白碉臺大0.039,比木里臺大0.028；芽祖臺記錄地震168次,v=1.867比理論值大0.137,比白碉臺大0.053,比木里臺大0.042；白烏臺記錄地震105次,v=1.891比理論值大0.161,比白碉臺大0.077,比木里臺大0.066。

圖6 正常運行期五個臺站地震波速比隨時間的演化進(jìn)程Fig.6 Evolution process of seismic wave velocity ratio with time at five stations during normal operation period

五個臺站在水庫正常運行期波速比結(jié)果顯示,在不同蓄水階段以及正常運行期,對比臺白碉臺與木里臺波速比均值相比過水的三個研究臺均值幅度小,其中白碉臺與木里臺v為

1.814和1.825,而列瓦臺v為1.853分別高出對比臺0.039和0.028,芽祖臺v為1.867分別高出對比臺0.053和0.042,白烏臺v為1.891分別高出對比臺0.077和0.066,可見穿過水庫蓄水區(qū)域下方的地震波射線所反映出的波速比相比未過庫水的臺站變化更為明顯。2016年3月11日的ML4.3級地震,是正常運行期內(nèi)發(fā)生的最大一次地震,在該地震前后并未看出波速比有明顯的高值或低值異常,波速比在時間進(jìn)程內(nèi)沒有有明顯變化趨勢。但隨蓄水時間演化進(jìn)程可見五個臺站在各個階段的波速比均值均呈逐漸上升趨勢（表1）。

表1 雅礱江水庫波速比均值計算結(jié)果Table 1 Calculation results of mean of wave velocity ratio of Yalong River Reservoir

圖7 各蓄水階段與正常運行期五個臺站的平均波速比變化Fig.7 Variation of average wave velocity ratio of five stations during each impoundment stage and normal operation period

5 結(jié)論

本文選取了木里地區(qū)項腳鄉(xiāng)附近5個臺站并分別利用單臺波速比方法對雅礱江錦屏一級水電站蓄水前后的波速比進(jìn)行了對比分析,從圖7可直觀看出,隨著水庫蓄水活動的進(jìn)行,5個臺站計算的各階段平均波速比變化呈現(xiàn)出一致的逐漸升高現(xiàn)象。其中兩個對比臺站即木里臺與白碉臺波速比計算結(jié)果均顯示,其波速比變化明顯小于三個研究臺,分析認(rèn)為：引起波速比變化的主要因素是巖體裂隙和空隙變化,巖體滲水后的軟化,以及裂隙中流體飽和度等因素。波速比VP/VS的變化主要體現(xiàn)在高值上,其實質(zhì)是Vs偏低,造成Vs偏低的原因可能是該區(qū)地殼富含水,水流改變了某些層位的流變性,由于其流變性質(zhì)的增強,形成脆性層位,也就是地震容易發(fā)生的層位[3]。

該研究區(qū)域的地震主要選取分布在雅礱江庫區(qū)1～11 km范圍內(nèi),離水庫庫區(qū)較近,水庫蓄水后,隨著蓄水時間及庫水加卸載的變化,并隨著庫水逐漸滲透,使蓄水前的飽氣帶蓄水后變?yōu)轱査畮?在2012年3月至2016年9月的波速比研究結(jié)果顯示,5個臺站在各蓄水階段波速比均值逐漸增大,說明庫水的不斷滲透逐漸改變了庫區(qū)及附近介質(zhì),對庫區(qū)及附近區(qū)域范圍地下結(jié)構(gòu)有較大影響。