丹江庫(kù)區(qū)二期工程蓄水誘發(fā)地震研究

方斌 張錦川

（南陽(yáng)市防震減災(zāi)中心，河南南陽(yáng) 473000）

0.概述

丹江口水庫(kù)大壩位于湖北省北部均縣境內(nèi)的漢江上，庫(kù)區(qū)主要在河南省淅川縣境內(nèi)，漢江與丹江匯合處下游800m處。一期工程壩頂高程162m，最大壩高97m。正常蓄水位157m，相應(yīng)庫(kù)容174.5億m3，水面面積745km2。二期工程壩頂高程175m，最大壩高110m。正常蓄水位170m，相應(yīng)庫(kù)容290.5億m3，水面面積1050km2。

1.丹江庫(kù)區(qū)地質(zhì)構(gòu)造

丹江庫(kù)區(qū)位于東部平原和鄂西北山區(qū)中間，它的西面都是中低山區(qū)，漢江的北面屬秦嶺東段，漢江的南面是武當(dāng)山區(qū)，一般高度1600m～2000m，一般高度1500m～1800m。丹江口的東面便是南襄盆地，高程從西向東從300m慢慢減少到100m左右。區(qū)內(nèi)地層除二疊～侏羅系缺失外，從元古界到新生界分布的都有，前震旦系是一套變質(zhì)巖系。巖漿巖主要分布于前震旦系地層中，多呈巖床或巖墻產(chǎn)生，從酸性類(lèi)到基性巖類(lèi)均有分布，區(qū)內(nèi)所見(jiàn)最新巖漿巖是燕山期花崗巖[1]。地質(zhì)構(gòu)造上，庫(kù)區(qū)處于秦嶺褶皺系的東南邊緣，向北跨南秦嶺冒地槽褶皺帶和大巴山褶皺帶，向東緊挨南陽(yáng)－襄樊坳陷。丹江水庫(kù)地區(qū)和鄰區(qū)的斷裂走向以北西西向?yàn)橹?，主要斷裂有金家棚斷裂、兩鄖斷裂、白河－石花街?jǐn)嗔眩ü窋嗔眩┑?條。

2.丹江庫(kù)區(qū)地震活動(dòng)背景

丹江庫(kù)區(qū)處于我國(guó)華南地震區(qū)以?xún)?nèi)江漢地震帶內(nèi)，地震活動(dòng)比較弱。壩址及它周邊50km區(qū)域內(nèi)，強(qiáng)破壞性地震最近2000年以來(lái)沒(méi)有發(fā)生過(guò)，從公元1520年至1960年的400多年間，僅僅記錄到43次有感地震以及2次引起建筑物損壞或破壞的情況。距離壩址170km區(qū)域內(nèi)，從公元前143年至2008年，共記錄到Ms≥4.6級(jí)的地震16次，46年南陽(yáng)附近和788年竹山附近的61/2級(jí)地震就是記錄最大的地震。歷史上地震對(duì)丹江壩址的最大影響烈度是Ⅴ度。

從蓄水前丹江庫(kù)區(qū)地震的空間分布看，地震主要受丹江斷裂及均隕斷裂兩條活動(dòng)性構(gòu)造帶所控制，恰恰和容易誘發(fā)水庫(kù)地震的地震活動(dòng)背景相對(duì)應(yīng)。在1959年儀器記錄地震資料以前，水庫(kù)所在的湖北省均縣、鄖縣和河南淅川縣內(nèi)，僅記載地震29次，影響最強(qiáng)者烈度為Ⅴ度，而且地震主要分布在距大壩100km以外的漢水北側(cè)。

1959年1月至1967年10月共記錄到地震78次：1.0≤M＜2.0級(jí)地震5次，2.0≤M＜3.0級(jí)地震54次，3.0≤M＜4.0級(jí)地震16次；4.0≤M＜5.0級(jí)地震1次；M≥5.0級(jí)地震1次，最大地震為湖北鄖縣大竹園ML5.3級(jí)地震。

3.庫(kù)區(qū)地震活動(dòng)規(guī)律

2013年10月開(kāi)始正式蓄水至今，庫(kù)區(qū)水位上升，地震活動(dòng)明顯加強(qiáng)（如圖1所示），尤其是微震和小震較為頻繁。說(shuō)明庫(kù)容增大，水位上升會(huì)使庫(kù)區(qū)地下應(yīng)力進(jìn)一步增強(qiáng)，產(chǎn)生庫(kù)水地下應(yīng)力（水體荷載產(chǎn)生的超孔隙水壓力、剪應(yīng)力和附加主應(yīng)力）的波動(dòng)和庫(kù)水水底地面的物理化學(xué)作用（溶蝕、氣化、泥化、膨脹、軟化），將當(dāng)前庫(kù)區(qū)地下應(yīng)力狀態(tài)打破，一方面在一期工程庫(kù)區(qū)內(nèi)新的地震活動(dòng)被誘發(fā)，另一方面在二期工程庫(kù)區(qū)具備誘發(fā)地震條件新增淹沒(méi)區(qū)內(nèi)的一些地區(qū)出現(xiàn)水庫(kù)地震活動(dòng)。

圖1 2013―2021年丹江庫(kù)區(qū)震中分布圖

空間規(guī)律：丹江庫(kù)區(qū)在空間上顯示地震集中分布，主要受丹江庫(kù)區(qū)的活動(dòng)斷裂構(gòu)造帶、地貌形態(tài)（石灰?guī)r峽谷地段）、巖石特性和斷塊構(gòu)造特征所控制。

時(shí)間規(guī)律：庫(kù)區(qū)蓄水與水庫(kù)地震活動(dòng)有著明顯的關(guān)系。地震頻次地增減與水位的高低存在同步變化，主震存在明顯的滯后性（如圖2所示）。

圖2 丹江庫(kù)區(qū)地震與水位的關(guān)系

2017年9月丹江庫(kù)區(qū)從162m左右開(kāi)始快速上升，10月29日丹江口水位升至167m，隨后緩慢回落，2018年2月9日，在丹江庫(kù)區(qū)發(fā)生ML4.6地震及余震活動(dòng)。

2019年10月丹江庫(kù)區(qū)水位上升到164m，隨后回落，2019年11月30日在庫(kù)區(qū)發(fā)生ML4.2級(jí)及微震活動(dòng)。

強(qiáng)度和活動(dòng)規(guī)律：丹江庫(kù)區(qū)2018年2月9日發(fā)生ML4.6級(jí)地震，震中區(qū)烈度為V度，震源深度為10km，截止2018年2月27日共發(fā)生余震58次，最大余震震級(jí)為ML2.7，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)是余震活動(dòng)的最顯著特征，該類(lèi)型地震空間密集分布，不向四周擴(kuò)展；在對(duì)余震序列的地震進(jìn)行精確定位，結(jié)果顯示震源深度主要集中在6km～8km，震中位置均位于丹江口水庫(kù)庫(kù)區(qū)范圍內(nèi)；這類(lèi)地震的活動(dòng)規(guī)律及強(qiáng)度，表明其屬于構(gòu)造型的水庫(kù)誘發(fā)地震[2]。

4.研究表明

丹江庫(kù)區(qū)二期工程壩體加高15.6m，水位抬升13.0m，蓄水總量比一期工程增加了116億m3庫(kù)容，庫(kù)容大幅度增加，改變庫(kù)區(qū)現(xiàn)有的應(yīng)力平衡狀態(tài)。丹江水庫(kù)二期工程大幅度蓄水有助于庫(kù)岸應(yīng)力加強(qiáng)和沿北北西或北東東向地震斷層錯(cuò)動(dòng)。丹江庫(kù)區(qū)2018年、2019年相繼蓄水在高位后下降過(guò)程中誘發(fā)了ML4.6、ML4.2兩次地震，丹江口水庫(kù)地震的發(fā)生，除了構(gòu)造條件外，還與庫(kù)水荷載產(chǎn)生的附加應(yīng)力場(chǎng)、位移場(chǎng)有關(guān)；荷載產(chǎn)生的附加應(yīng)力場(chǎng)、位移場(chǎng)在庫(kù)岸邊緣造成應(yīng)力差和位移差，利于庫(kù)水向外滲透和擴(kuò)散，導(dǎo)致孔隙壓力改變，提供了地震發(fā)生的場(chǎng)所[3]。

水庫(kù)內(nèi)地震與大地構(gòu)造、活動(dòng)性斷層、斷塊之間差異運(yùn)動(dòng)最強(qiáng)烈的地段有關(guān)；與庫(kù)、壩區(qū)巖石種類(lèi)和特性有某些關(guān)系；與區(qū)域構(gòu)造控制下的特定水文地質(zhì)條件有關(guān)。

近年來(lái)，庫(kù)區(qū)西部大幅提升，東部下降，庫(kù)區(qū)恰巧位于峽谷地區(qū)和山區(qū)與平原的轉(zhuǎn)折處，庫(kù)區(qū)內(nèi)發(fā)育多組斷裂，利于水庫(kù)誘發(fā)地震的發(fā)生。宋灣、倉(cāng)房、馬蹬一帶巖石屬于古生界碳酸鹽類(lèi)巖石，裂隙、巖溶發(fā)育，并被各種方向的斷層明顯地切割，有利于地下水和庫(kù)水的動(dòng)力聯(lián)系，丹江庫(kù)區(qū)屬于易誘發(fā)地震地區(qū)。