大渡河瀑布溝水電站水庫地震活動特征分析

黃 會 寶， 莊 園 旭， 江 德 軍， 宋 澄

(1.國能大渡河流域水電開發(fā)有限公司，四川 成都 610041；2.四川省地震局，四川 成都 610000；3.四川大學(xué)水利水電學(xué)院，四川 成都 610065)

0 引 言

水庫誘發(fā)地震是由于水庫蓄水或水位變化而引發(fā)的一種獨特的地震類型，主要有水庫蓄水而引起的地震和在水庫鄰近地區(qū)的地震。水庫誘發(fā)地震問題始于1940 年，特別是1962 年中國新豐江水庫6.1 級、1963 年贊比亞-津巴布韋卡里巴(Kariba)水庫6.25級、1966年希臘克里瑪斯塔(Kremasta)水庫6.3級和1967年印度柯依納(Koyna)水庫6.5級地震，引起了人們足夠的重視[1]。水庫誘發(fā)地震研究至今已有80年，不少地震研究學(xué)者對水庫誘發(fā)地震研究結(jié)果也有不同見解，對地震是否與水庫蓄水有關(guān)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計也有差異，但對部分水庫蓄水后會誘發(fā)地震活動的事實達成了共識[2]。在分析水庫誘發(fā)地震機理時，學(xué)者認為庫水對環(huán)境的載荷作用、孔隙壓力擴散作用以及水的潤滑作用是庫區(qū)附近發(fā)生地震的主要因素，揭示了地震與水庫蓄水的內(nèi)在聯(lián)系，提出在實際水庫誘發(fā)地震監(jiān)測和判識中應(yīng)分析水庫地震活動特征。

1 工程及地質(zhì)背景

1.1 瀑布溝水電工程

大渡河瀑布溝水電站位于四川省漢源和甘洛兩縣交界處，為大渡河下游控制性水電工程。電站以發(fā)電為主，兼有防洪、攔沙等綜合利用的一等大(I)型工程，工程主要由礫石土心墻堆石壩，引水發(fā)電建筑物、溢洪道、泄洪洞，放空洞和尼日河引水建筑物組成。大壩最大壩高186 m，壩頂長540.5 m，壩頂寬度14 m，水庫回水長度72 km，正常蓄水位850.00 m，死水位790.00 m，消落深度60 m，總庫容53.37億m3，為不完全年調(diào)節(jié)水庫，電站裝機容量3 600 MW，大壩設(shè)防烈度8度。

1.2 庫區(qū)地質(zhì)構(gòu)造

水庫地處青藏高原與四川盆地的過渡地帶，位于揚子地臺西部古老的康滇地軸北段東側(cè)，與現(xiàn)代強烈活動的川滇菱形地塊毗鄰。水庫周圍分布了多條大型活動斷裂帶，包括水庫以北的龍門山斷裂帶(2008年5月12發(fā)生了汶川8.0級地震)，水庫西北的鮮水河斷裂帶(包括1955年康定7.5級和1973年爐霍7.6級在內(nèi)的多次7級以上地震)以及水庫以南的安寧河-則木河斷裂和大涼山斷裂，古地震考察顯示安寧河-則木河斷裂承載了多次7級地震的平均位錯量[3]，大涼山斷裂帶的古地震震級也在7級以上[4]。從近場看庫區(qū)附近主要發(fā)育NW、NE向斷裂構(gòu)造，主要在第四系沉積區(qū)上，金坪斷裂穿過水庫蓄水區(qū)域，附近區(qū)域分布有美羅斷裂、順河斷裂、鑼鍋坪斷裂、紅花斷裂、黑馬鄉(xiāng)斷裂、烏斯河斷裂等多條小規(guī)模斷裂，自有記錄以來未發(fā)生過中等以上地震。

1.3 水庫地震監(jiān)測設(shè)施

水庫地震遙測臺網(wǎng)分布在北緯29.0°～29.6°N，東經(jīng)102.3°～103.1°E區(qū)域內(nèi)，共設(shè)置13個子臺和1個臺網(wǎng)中心。目前采用短周期速度地震計和高分辨率的數(shù)據(jù)采集器，通過CDMA路由器傳輸至臺網(wǎng)中心。本臺網(wǎng)監(jiān)測震級下限為ML0.5，臺站分布及臺網(wǎng)監(jiān)測能力、重點監(jiān)視區(qū)見圖1。

(a)臺站分布和監(jiān)測能力 (b)地震重點監(jiān)視區(qū)示意圖圖1 瀑布溝水庫地震臺網(wǎng)監(jiān)測能力及重點監(jiān)測區(qū)示意圖

2 地震活動特征

分析水庫蓄水區(qū)域約10 km范圍內(nèi)地震情況，資料來源于水庫地震遙測臺網(wǎng)地震信息和地震活動事件，其中蓄水前是2008～2009年水庫蓄水期間；蓄水后是指2009～2017年底的地震信息。

2.1 蓄水前的地震活動特征

水庫蓄水前共記錄到地震事件1077次，主要發(fā)生在庫區(qū)中段漢源縣城附近，地震事件統(tǒng)計見表1。庫區(qū)中段漢源縣城附近在蓄水前已經(jīng)存在密集小震活動，主要集中在0.0

表1 2008～2009年水庫蓄水前地震事件統(tǒng)計表

圖2 瀑布溝水庫中段漢源縣附近地震發(fā)生時段特征

2.2 蓄水后的地震活動特征

2.2.1 地震活動強度特征

水庫2009年11月1日下閘蓄水以來，共記錄到地震事件3 290次，平均日發(fā)生地震1.1次，最高日發(fā)生地震13次，年均發(fā)生地震事件數(shù)量較蓄水前有明顯減少，蓄水后地震事件統(tǒng)計見表2。

表2 2009～2017年瀑布溝水庫蓄水后地震事件統(tǒng)計表

地震活動主要集中在ML≤2.9級范圍，占全部地震總數(shù)的96.44%，ML≥3.5級地震分別在2011年初、2012年中和2015年共發(fā)生3次，4.0≤ML≤4.9級地震僅發(fā)生1次，最大地震為2015年4月15日水庫庫尾以西的石棉ML4.0地震。根據(jù)地震強度分析，水庫地震多屬微震，震級小，少數(shù)中等地震，地震強度呈現(xiàn)隨機變化特征，沒有明顯的周期性規(guī)律。

2.2.2 地震活動空間特征

水庫蓄水后地震活動頻次不高，主要分布以庫尾的鮮水河斷裂帶、安寧河斷裂帶、大涼山斷裂帶交匯部位以及庫區(qū)中段漢源縣城附近，對庫區(qū)地震分布密度做空間分布統(tǒng)計(見圖3)，兩個地震密度相對較高的叢集區(qū)域滿足完整性震級條件的地震每km2約3～10次，其中地震密度相對較高的石棉縣附近，沿安寧河斷裂帶呈NNW-SSE向展布，整體與斷裂帶走向一致；在漢源縣城附近地震分布集中且基本在縣城區(qū)域，疑似人工生產(chǎn)活動的可能性較高，地震分布見圖3。

圖3 瀑布溝水庫庫區(qū)地震活動及地震密度分布圖(五角星為ML≥4.0地震；三角形為遙測地震臺站)

對水庫地震SW-NE和NW-SE兩個垂直剖面(見圖4)進行深度分析，地震深度基本小于30 km范圍內(nèi)。其中SW-NE向剖面將兩個叢集區(qū)地震分離開來，明顯看出深度差異，水庫庫尾附近叢集地震活動深度在0～30 km范圍內(nèi)，相對于其他區(qū)域明顯較深；庫中段漢源縣城叢集地震深度在小于15 km范圍內(nèi)，水庫以東零散地震活動大部分地震深度在5～25 km范圍內(nèi)。

圖4 瀑布溝水庫庫區(qū)內(nèi)地震深度垂直剖面投影

2.2.3 地震活動的時間特征

根據(jù)水庫地震活動分布特征，對于庫尾鮮水河斷裂帶、安寧河斷裂帶、大涼山斷裂帶交匯部位的地震活動處于臺網(wǎng)監(jiān)測邊緣，該區(qū)域理論監(jiān)測水平覆蓋能力為1.0級。為更客觀地研究地震活動規(guī)律，利用前期學(xué)者研究的ZMAP程序[5]中“擬合優(yōu)度檢驗法(Goodness of Fit Test，簡寫為GFT法)”，按最大似然法原理求解b值(震級-頻度關(guān)系)，通過理論地震個數(shù)和實際地震個數(shù)進行擬合，認為擬合優(yōu)度值越大地震目錄完整性越高，并據(jù)此分析地震目錄的最小完整震級Mc，盡可能地使用最多的地震記錄進行分析。

擬合優(yōu)度檢驗法(GFT 法)是在地震的震級-頻度在較大范圍內(nèi)滿足古登堡-里克特(G-R)震級頻率關(guān)系分析方法(lgN=a-bM)的基礎(chǔ)上提出的[6]，通過對實際震級-頻度分布曲線與理論震級-頻度分布曲線的比較，發(fā)現(xiàn)當(dāng)震級不完整時，小震擬合效果存在著較大的差異。而GFT法正是通過對這些差異的分析，來判別地震目錄的完整性。首先假設(shè)地震目錄自Mi是完整的，采用G-R公式擬合出該震級Mi所對應(yīng)的ai和bi值，將理論值與實際值進行對比得出各個震級所對應(yīng)的擬合優(yōu)度值R：

式中Bi是指震級大于等于Mi的實際觀測地震個數(shù)；Si是理論推測的地震個數(shù)，Si=10ai-biM

北京城什剎海前海南頭，煤灰土新墊就一片場坪，白日照著，有一圈沒事可做的閑人，皆為一件小小熱鬧粘合在那里。

通過計算，實際產(chǎn)出監(jiān)測目錄的最小完整性震級Mc為0.9級，b值為0.872(圖5)。以最小完整性震級Mc為0.9級作為震級統(tǒng)計下限，可以看到地震累計發(fā)生頻度呈現(xiàn)均勻變化(圖6)，沒有明顯的加速上升或減速變緩的趨勢，表明水庫蓄水后對地震數(shù)量沒有明顯的影響，地震與庫水位變化沒有直接相關(guān)的關(guān)系。

圖5 瀑布溝水庫地震目錄擬合關(guān)系曲線

圖6 瀑布溝水庫地震累計發(fā)生頻度及時間關(guān)系

2.2.4 地震震源機理特征

水庫誘發(fā)地震主要有正傾錯動和走滑錯動兩種類型，近年來學(xué)者對高烈度地區(qū)水庫誘發(fā)地震的研究顯示逆沖型地震也占據(jù)了一定比例，因此，水庫地震錯動類型主要取決于庫區(qū)附近已有斷裂或裂隙的構(gòu)造特征。

瀑布溝水庫附近地震活動頻次呈均勻變化，水庫水位周期性升降變化與地震活動頻次無明顯相關(guān)性，地震活動集中區(qū)域主要為石棉縣城附近，該區(qū)域中小地震以走滑地震為主，正傾和逆沖型地震稀少，與該區(qū)域主要斷裂構(gòu)造特征一致。利用該區(qū)域中小地震反演的應(yīng)力張量顯示主壓應(yīng)力為進水平的NWW-SEE向，與大區(qū)域應(yīng)力場一致。因此，綜合分析認為，水庫蓄水后主要為區(qū)域應(yīng)力場擾動造成的中小型構(gòu)造地震，并非水庫蓄水引起的誘發(fā)地震。

2.3 地震活動總體情況

水庫蓄水且水位快速上升至死水位期間，地震頻次較后續(xù)時段偏高(見圖7)，出現(xiàn)地震能量釋放階段，但震級均小于ML1.5，地震均為微小地震，后續(xù)地震頻次有所減少，各震級分布較為均勻，無突出高震集中分布，總體上水庫周邊地震活動水平很低。

圖7 瀑布溝水庫地震發(fā)生頻度與庫水位關(guān)系

3 結(jié) 語

雖然水庫蓄水后沒有明顯的誘發(fā)地震現(xiàn)象，但附近存在大型構(gòu)造斷裂帶存在發(fā)生中強地震威脅的可能，仍需加強地震監(jiān)測工作，密切關(guān)注地震活動狀態(tài)，及時整理分析地震監(jiān)測成果，同時加大地震監(jiān)測預(yù)測技術(shù)研究，為水庫地震監(jiān)控和工程安全穩(wěn)定運行提供技術(shù)保障。