舟壩水庫誘發(fā)地震震級預測

劉家豪,朱國維,周俊杰

(中國礦業(yè)大學，北京 100083)

1 引 言

水庫誘發(fā)地震是水庫蓄水后，引起庫壩區(qū)及周圍鄰近的空間范圍內的地震活動性顯著改變的現(xiàn)象。據(jù)秦嘉政等在2009年的初步統(tǒng)計，已觀測到的全球水庫誘發(fā)地震的確切震例不超過150例[1]。在我國水庫誘發(fā)地震歷史上，影響最大的是1962年3月19日新豐江大壩附近發(fā)生的6.1級的地震，其震中離大壩僅1.1 km，震中烈度高達Ⅷ度[2]。水庫誘發(fā)地震造成的破壞，使人民生命財產受到威脅。因此，有必要對水庫誘發(fā)地震的危險性進行評估。

目前預測方法主要有定性和定量兩大類。其中定性方法主要有地質環(huán)境類比法、震級上限方法[3]以及梁勞等用水庫前震序列的高、低震級b值比值變化的異常，預測可能發(fā)生的地震的方法[4]。定量的預測方法主要有1982年G.B.Beacher提出的概率預測法[5]、模糊綜合評判法[6]和綜合影響參數(shù)法[7]。

綜上所述，針對舟壩水庫，采用類比法、概率統(tǒng)計檢驗法、綜合影響參數(shù)預測法和兩級模糊綜合評判法，對水庫誘發(fā)地震的震級進行了預測。

2 舟壩水庫區(qū)地質環(huán)境

舟壩水庫面積9.26 km2，最大壩高73 m，總庫容2.02億 m3，主要由馬邊河主庫與支流洋溪河和鳳村溝2個支庫組成，庫首最大水深62.4 m，庫區(qū)以沉積巖為主。

與舟壩水庫關系密切的褶皺主要為：新繁向斜、大窩頂—炭庫場背斜、白果壩—榨鼓場向斜，見圖1。①新繁向斜：發(fā)育于庫區(qū)南段，為一略呈北東東向延伸向南彎曲的弧形褶皺?？傞L度大于43 km，產狀平緩，傾角15～35°。②大窩頂—炭庫場背斜：發(fā)育于庫區(qū)中段，總體呈近東西向延伸，西端略向南西彎曲呈向北凸出的弧形，總長大于30 km。軸部地層產狀平緩，傾角在5～10°。③白果壩—榨鼓場向斜：發(fā)育于壩址區(qū)附近，總體呈近東西向延伸，總長大于30 km。核部地層產狀平緩，傾角在10～20°，翼部地層傾角多在10°左右，局部可達20°。

庫壩區(qū)附近范圍內發(fā)育的斷層只有利店斷層直接于庫尾處切過馬邊河，與誘發(fā)地震有關。該斷層北起峨邊的五渡，向南經(jīng)沐川的鳳村、利店，至老鷹巖以南消失，總長度約50 km。五渡至風村段走向北西，鳳村以南利店段平面呈舒展的反“S”形、走向近南北，斷面西傾，傾角30～70°。斷層北段發(fā)育在震旦紀一古生代地層中，南段發(fā)育在中生代地層內。該斷層垂直斷距100～200 m，水平斷距400～600 m，顯示左旋逆沖性質。破碎帶寬數(shù)米至數(shù)十米，斷層以脆性破裂為主，斷面上有纖維狀礦物生長，反映了低應力穩(wěn)態(tài)剪切滑動特征，屬于壓性逆斷層。

圖1 區(qū)域構造綱要及誘震分區(qū)

3 誘震環(huán)境分區(qū)

誘震環(huán)境分區(qū)主要根據(jù)庫壩區(qū)的巖性、斷裂構造、水文地質結構面、與庫水連通情況、巖溶是否發(fā)育等條件的差異性。根據(jù)這些誘震因素，舟壩水庫庫區(qū)可以劃分為兩個誘震環(huán)境區(qū)，即庫首—羅鍋灘區(qū)和羅鍋灘—庫尾區(qū)兩個分區(qū)。

3.1 庫首—羅鍋灘區(qū)

該區(qū)以存在地表巖溶系統(tǒng)為主要特征，地質構造主要包括白果壩向斜及大窩頂—炭庫場背斜，斷裂構造不發(fā)育。地表出露三疊系須家河組含煤碎屑巖系、雷口坡組白云巖、白云質灰?guī)r夾膏鹽、碎屑巖層。該區(qū)主要的水文地質結構面為節(jié)理、裂隙、層間擠壓帶和地表巖溶系統(tǒng)，均為淺表水文地質結構面，導水深度不超過500 m。但由于洋溪河支庫雷口坡組(T2l)灰?guī)r分布區(qū)距壩址最近距離約2 km，水庫蓄水后，最大水深約30 m，在水庫正常蓄水位以下，洋溪河兩岸尚發(fā)育有水平洞穴、溶井等。因此，該區(qū)淺表巖溶為主要誘震因素，誘震類型為巖溶型，而且?guī)r溶發(fā)育深度淺，震級應當偏弱。

利店斷層雖然通過庫尾段，但向北切過洋溪河支庫雷口坡組(T2l)灰?guī)r分布區(qū)，正常蓄水位時，庫水可沿巖溶管道向利店斷裂帶滲透，因此該區(qū)與利店斷層破碎帶間接溝通。

3.2 羅鍋灘—庫尾區(qū)

該區(qū)以發(fā)育利店斷層，不發(fā)育巖溶，主要地質構造為新繁向斜和利店斷層。地表出露侏羅系沙溪廟組—蓬萊鎮(zhèn)組層狀的砂巖、粉砂巖和泥巖，三疊系碳酸鹽巖層大約在2 000 m以下，但巖溶不發(fā)育，無巖溶通道，可作為層狀巖體對待。庫尾處發(fā)育利店斷層，其破碎帶導水深度可達5 km，為主要誘震因素，誘震類型為構造型，發(fā)震深度在2 000 m以下的碳酸鹽巖地層中，發(fā)震深度淺，震級應偏弱。

4 震級預測方法

4.1 地質環(huán)境類比法

將上述誘震分區(qū)分別與夏其發(fā)和汪雍熙[8]總結的地質環(huán)境類型進行比較。結合表1和各庫段到大壩的距離、蓄水深度等因素綜合考慮，從而定性評估各區(qū)段誘發(fā)地震的可能強度。

表1 水庫誘發(fā)地震的地質環(huán)境類型

據(jù)表1，庫首—羅鍋灘區(qū)存在裂隙層狀巖體裂隙巖溶巖體兩種地質環(huán)境類型，故判定該區(qū)的發(fā)震強度為微震(M<3級)或弱震(3≤M≤4.5級)；羅鍋灘—庫尾區(qū)以斷裂層狀巖體為特征，發(fā)震強度為弱震(3≤M≤4.5級)或中等強度地震(4.5≤M<6級)。

4.2 概率統(tǒng)計檢驗法

采用八因子方案[9]對水庫進行概率統(tǒng)計預測，八因子方案及其量化指標見表2。該方案選取了251座大型水庫作為先驗概率統(tǒng)計樣本，其中未發(fā)震的是205座，占81.67%，發(fā)震的是46座，占18.33%。而各誘震因子的先驗概率的取值，按五檔預測目標，統(tǒng)計參數(shù)結果見表3。

表2 水庫誘發(fā)地震因素及量化指標

表3 誘震因子不同狀態(tài)發(fā)震概率統(tǒng)計

狀態(tài)M1為強烈水庫誘發(fā)地震(M≥6.0級)，對應的先驗概率P (M1)=0.02；

狀態(tài)M2為中等強度水庫誘發(fā)地震(6.0>M≥4.5級)，對應的先驗概率P(M2)=0.04；

狀態(tài)M3為弱震(4.5>M≥3.0級)，對應的先驗概率P(M3)=0.05；

狀態(tài)M4為微震(M<3.0級)，對應的先驗概率P(M4)=0.07。

該方案使用的統(tǒng)計檢驗模型為貝葉斯模型，其公式為：

(1)

式中，PMi/A表示預測對象水庫或誘震環(huán)境區(qū)的一種誘震因素組合A條件下發(fā)生某一震級檔Mi的概率；

Mi表示預測的震級檔的類別(i=0，1，2，3，4)；

A表示各誘震因素的組合狀態(tài)；

PA/Mi表示各不同震級檔的的先驗概率；

PA表示對應于某一誘震因素組合狀態(tài)下的發(fā)震全概率，由下式計算：

(2)

在用統(tǒng)計檢驗法進行預測時，確定水庫的各個誘震因子所屬的狀態(tài)，構成該預測的誘震因子狀態(tài)組合。

庫首—羅鍋灘區(qū)的最大水深62.4 m，庫水深度屬D3，斷層不發(fā)育，庫區(qū)構造應力狀況屬走滑型屬S3。巖石類型以層狀巖體為主屬G2，存在碳酸鹽巖體，故屬G3。地震活動頻度較高，可將地震活動考慮為強烈，即E1。主要水文地質結構面的導水深度在500 m以內屬FD3，深水地質結構面的導水深度大于0.5 km屬FD1。但洋溪河支庫可能與利店斷層破碎帶通過巖溶管道間接溝通，因此可考慮淺表水文地質結構面與庫水直接接觸屬FC1和深水文地質結構面與庫水間接接觸屬FC2這兩種組合。巖溶發(fā)育程度強烈，屬SK1，組合狀態(tài)見表4。

表4 舟壩水庫各誘震環(huán)境區(qū)誘震因素狀態(tài)組合

羅鍋灘—庫尾區(qū)的庫水深度屬D3，庫區(qū)構造應力狀況屬走滑型屬S3。斷層活動性為活動屬F1，巖石類型存在層狀巖體和碳酸鹽巖巖體，屬G2和G3兩種類型。地震活動頻度高，為E1類型。斷層破碎帶的導水深度可達5 km，水文地質結構面發(fā)育情況為>2 km屬FD1。水文地質結構面與庫水接觸關系為直接溝通屬FC1。巖溶不發(fā)育，屬SK3，組合狀態(tài)見表4。

根據(jù)上述八因子分類方案及其先驗概率、統(tǒng)計模型和分區(qū)組合狀態(tài)，分別計算各區(qū)每種誘震因素組合發(fā)生M0～M4五個震級檔的誘震概率，結果見表5。

表5 水庫統(tǒng)計預測檢驗計算結果

由于每個誘震因素組合都有五個震級檔預測結果。確定哪一個震級檔為該組合的預測值時，首先，確定發(fā)震與不發(fā)震。按保守原則，如果M0>0.8，判為不發(fā)震，取M0為預測值；如果M0≤0.8，判為發(fā)震，也就是保守地認為有20%的發(fā)震可能性，即認為該水庫可能誘發(fā)地震，則取M1～M4中概率最大的一檔為預測值。然后，在誘震區(qū)誘震因素組合的預測值中，取最高震級檔為該區(qū)的預測值。

按上述原則判定庫首—羅鍋灘區(qū)可能誘震的最大震級為弱震M3(3≤M<4.5級)，為A3巖溶管道間接溝通利店斷層并于碳酸鹽巖中發(fā)震的組合條件，因此，仍屬巖溶型地震。

羅鍋灘—庫尾區(qū)可能誘發(fā)的最大震級為中等強度水庫誘發(fā)地震M2(4.5≤M<6級)，為B2碳酸鹽巖層巖溶不發(fā)育及活動斷層深水文地質結構面組合條件，故應屬構造型地震。

4.3 綜合影響參數(shù)預測法

常寶琦和梁紀彬[7]把E以及最大庫深Hmax都視為隨機量，用37個震例經(jīng)過模式識別的分類判別后分為兩組(第一組M≥4.5的21個震例，第二組全部37個震例)，對六種不同關系進行了的回歸分析，采用

Ms=-4.725 1+1.196 2E+1.242 0 lnHmax±0.511

(3)

式中E=S·Hmax/V，式中S、H和V分別為水庫水域面積(km2)、最大水深(m)和庫容(106 m3)。

上式在正態(tài)分布假設下，有84%的把握使預測震級的精度在半級左右，其精度也是工程要求的。

根據(jù)水庫資料可得，S為9.26 km2，Hmax為62.4 m，V為2.02×108 m3。得E等于2.861，ln(Hmax)=ln62.4=4.134。代入上式后得Ms=3.83，考慮回歸標準偏差為0.511，可知Ms為3.3至4.3級。

4.4 兩級模糊綜合評判法

兩級模糊綜合評判法[10]是把水庫誘發(fā)地震的有關因素視為不等權，各因素的狀態(tài)見表6。

表6 誘發(fā)地震因素及其狀態(tài)

此法的評判模式表示為:

(4)

式中，M大表示誘震震級M>5級，M小表示誘震震級M≤5級，M0表示不誘震。b1、b2、b3分別表示發(fā)生5級以上、小于5級和不產生誘發(fā)地震的隸屬度。E為綜合影響參數(shù)(即代替D和V)。A為4個誘震因素的權。Ae、As、Af、Ag為因素的權向量，Re、Rs、Rf、Rg為各因素狀態(tài)的關系矩陣。

根據(jù)有關專家的測算確定的各誘震因素及其狀態(tài)的權[10]，并利用提供的數(shù)據(jù)，即:

A=(0.4,0.25,0.15,0.2)

水庫綜合影響參數(shù)E值分2種狀態(tài)，即E1≥3.7，E2<3.7。本次研究的水庫綜合影響參數(shù)E=2.86，應取E2。兩個誘震分區(qū)的各個誘發(fā)因素狀態(tài)為庫首至羅鍋灘區(qū)是e2(d3，v3)、s3、g1，羅鍋灘至庫尾為e2(d3，v3)、s3、f1、g1。

按式(4)，經(jīng)計算庫首至羅鍋灘區(qū)得:

按式(4)，經(jīng)計算羅鍋灘至庫尾得:

注:以上+號和÷號表示查德記號，o號表示復合運算，取(×，+)一對算子。

經(jīng)過計算兩個誘震分區(qū)發(fā)M小(≤5級)的隸屬度最高，而不發(fā)震(M0)的隸屬度最低。

5 結 論

綜上所述，4種預測方法所得結果如下：采用地質環(huán)境類比法預測得出庫首-羅鍋灘區(qū)發(fā)震強度為微震(M<3級)或弱震(3≤M≤4.5級)；羅鍋灘—庫尾區(qū)發(fā)震強度為弱震(3≤M≤4.5級)或中等強度地震(4.5≤M<6級)。用概率統(tǒng)計檢驗法得出庫首—羅鍋灘可能誘震的最大震級為弱震M3(3≤M<4.5級)；羅鍋灘—庫尾區(qū)可能誘發(fā)的最大震級為中等強度水庫誘發(fā)地震M2(4.5≤M<6級)。綜合影響參數(shù)E預測最大震級為Ms3.3～4.3。根據(jù)兩級模糊綜合評判法發(fā)生M≤5級的隸屬度最高。為得出兩個分區(qū)的整體水平情況采用平均值為預測的最大震級?？紤]到庫首—羅鍋灘區(qū)的誘震類型為巖溶型，而且?guī)r溶發(fā)育深度淺，震級應當偏弱，為3.0～4.3級之間較為恰當，取3.7級做為預測的最大震級；羅鍋灘—庫尾區(qū)誘震類型為構造型，發(fā)震深度淺，震級應偏弱，在4.0～5.0級之間，取4.5級為預測最大震級。