珊溪水庫地區(qū)三維構造特征與深部水庫誘發(fā)地震環(huán)境研究

楊福平 趙理芳 余剛群 岑 超 周 昕

1 浙江省地震局，杭州市塘苗路7號，3100132 江蘇華東八一四地球物理勘查有限公司，南京市石門坎102號，210014

珊溪水庫大壩位于浙江省溫州市文成縣和泰順縣之間。大壩建設前，附近25 km范圍內未記載到歷史地震及現今地震，50 km范圍內僅記載到3次3.5～4.0級歷史地震及3次小于2.0級現今地震，地震活動頻度低、強度小。2000-05珊溪水庫蓄水，2002-07發(fā)生ML3.5震群，之后地震持續(xù)不斷，2006年及2014年分別發(fā)生2次4.0級以上震群，最大震級分別達到4.6級和4.2級，最大影響烈度均達到Ⅵ度，造成很大的經濟損失和社會影響[1]。

學者們對珊溪水庫庫區(qū)的斷裂構造進行大量研究，以尋找地震發(fā)生的原因。馬志江等[2]通過野外地質調查，認為雙溪-焦溪垟斷裂結構面利于庫水下滲，破壞了應力平衡，從而誘發(fā)地震活動。鐘羽云等[3]利用最小二乘法擬合發(fā)震斷層面參數，認為珊溪水庫地震序列是由NW向雙溪-焦溪垟斷裂右旋走滑的主破裂與NE向南浦-焦溪垟斷裂、NW向東坑-章坑斷裂、NEE向巖上斷裂等多個次要破裂共同作用的結果。浙江省防震減災“十三五”規(guī)劃重點項目在珊溪水庫庫區(qū)布設18 km深反射測線，發(fā)現NW向雙溪-焦溪垟斷裂為一條規(guī)模較大的深斷裂，斷裂向深部延伸超過20 km進入中下地殼，是該地區(qū)主要的控制斷裂，也是珊溪水庫地震的發(fā)震斷裂[4]。同時，項目在該位置布設長約16.2 km的大地電磁測深測線，獲得該剖面的電阻率特征，進行地震構造解釋，并初步分析地質構造與地震的關系[5]。

前人對珊溪水庫庫區(qū)斷裂的研究主要集中在地表地質方面，僅能從面上對深部構造進行探測，缺少對深部構造的三維認識。地震精定位結果表明，珊溪水庫地震沿雙溪-焦溪垟斷裂呈線狀分布[6-7]，且地震的位置隨時間發(fā)生變化，說明地下構造存在不均勻性。大地電磁方法對深部介質電導率變化反映最靈敏、分辨力最高，廣泛應用于地震區(qū)深部孕震構造環(huán)境和斷裂帶內部結構探測研究[8-9]。本文在珊溪水庫庫區(qū)開展高密度三維大地電磁探測工作，以建立研究區(qū)的三維地質結構，確定深部構造特征并分析地下流體滲透特征，對珊溪水庫地震發(fā)生的機理及深部構造孕震原因進行探討。考慮到珊溪水庫地震的震源深度均小于10 km，因此本次勘探深度確定為10 km。

1 地質構造背景及電阻率特征

1.1 地質構造背景

珊溪庫區(qū)位于華南褶皺系浙東南褶皺帶的溫州-臨海坳陷區(qū)南部，庫區(qū)在太古代結晶基底上沉積巨厚的中生代火山碎屑及河湖相沉積[6]。珊溪水庫地區(qū)構造以北東向和北西向斷裂為主，其次為東西向和南北向斷裂(圖1)。庫區(qū)及附近范圍內共發(fā)育14條斷裂，多為蓋層斷裂，主要位于上侏羅統火山巖及下白堊統火山沉積巖中，該區(qū)斷裂以陡傾角逆斷層、逆走滑斷層為主[2]，斷層規(guī)模較小，寬度多在10 m以內，長度均小于25 km，深度達5 km以上，切穿基底變質巖。北東向斷裂帶內擠壓構造透鏡體、劈理發(fā)育，形成于前中生代，破碎帶剝蝕較淺，往往被北西向斷裂切割。北西向斷裂帶內擠壓構造透鏡體、斷層泥及片理發(fā)育，斷裂形成于燕山晚期[3]。

1.2 電阻率特征

庫區(qū)上侏羅統磨石山組火山沉積巖大面積分布；下白堊統河湖相碎屑巖及火山碎屑巖沉積分布于三維探測區(qū)東北和西南緣；第四系全新統沖積砂礫石沿飛云江河谷分布或發(fā)育在丘陵區(qū)。燕山晚期花崗巖在三維探測區(qū)東南出露，燕山晚期花崗斑巖巖脈穿插于三維探測區(qū)內外(圖1)。

圖1 珊溪水庫地區(qū)地質構造及測點布設Fig.1 Geological structure and surveying points layout in Shanxi reservoir area

測定庫區(qū)及周邊地區(qū)采集的200余塊巖石標本的電阻率，結果見表1?？梢钥闯?，白堊系、侏羅系和上古生界鶴溪群片巖呈低阻特征，三疊系、前震旦變質巖和花崗巖呈高阻特征。

表1 地層電阻率統計

2 數據采集與處理

2.1 野外數據采集

本次三維大地電磁探測布設范圍為119.95°～120.07°E、27.61°～27.72°N，總面積70 km2，共部署21條測線，測線走向為北東向，方位角約為28°，線距500 m，點距250 m，物理點共609個(圖1)。電法采用天然場源的大地電磁測深法，觀測儀器為V5-2000型大地電磁儀，采集頻率為320～0.000 55 Hz。電法數據共完成坐標點612個，平均觀測時長為10.38 h，最長觀測時長為23.3 h，最短觀測時長為6.2 h，取得較高質量的數據，其中Ⅰ級品坐標點共531個，Ⅰ級品率為86.8%。

2.2 數據處理與解釋

數據處理包括：1)采用多種技術試圖從多方面消除資料中的干擾噪聲；2)采用剖面與平面結合的方式進行靜態(tài)校正。將預處理后的數據繪制成各種定性圖件，結合測區(qū)地質及介質電性分布特征進行定性分析。通過多種反演方法[10]，將頻率域的定性資料轉換為空間域的定量地電斷面，給出地下不同深度的電性參數，結合所掌握的地質資料和地質認識以及其他地球物理資料，給出合理的地質解釋。

3 三維電阻率特征與地質解釋

3.1 三維電阻率特征

通過數據處理和三維電法反演，獲得研究區(qū)三維電阻率數據體(反演深度10 km)，三維電阻率特征顯示，地下電阻率整體呈現低-高-低的3層電性結構(圖2)。物性工作表明，研究區(qū)地層上白堊統、侏羅系和上古生界鶴溪群片巖分別呈現低、高、低的電阻率特征。低-高-低的3層電性結構與地層的對應關系為：淺部低電阻率層對應白堊系地層(K)及含地下水較多的侏羅系地層(J-1)；中部高電阻率層對應侏羅系火山沉積巖系(J)；下部低電阻率層對應上古生界鶴溪群片巖(Pz2hx)。

圖2 三維電法數據體Fig.2 3D electrical data volume

斷層在三維電法反演數據體上主要反映為因水體沿斷裂帶下滲，形成較兩側地質體電阻率相對更低的“低阻帶”，不同特征的電阻率會出現異常分界線，即異常梯級帶，此外還存在等值線扭曲和錯斷的現象。研究區(qū)斷層延伸長，但寬度小，一般均小于10 m，因此在三維電法數據體上，斷層更多地直接與“低阻帶”相關。

3.2 三維構造特征

根據三維電法反演結果建立研究區(qū)地質三維模型(圖3(a))?？梢钥闯?，研究區(qū)地下主要由3個地層組成，淺部為含水的侏羅系地層(J-1)，中部為侏羅系火山沉積巖系(J)，深部為上古生界地層(Pz2)。研究區(qū)東南側被福首源花崗巖體侵入，而西山出露的輝綠巖和塘山西側以及巖上與庫嶺之間的花崗斑巖由于規(guī)模較小，難以引起大規(guī)模的物探異常。因此，本文主要刻畫福首源村周邊花崗巖體的三維結構。福首源村北側和西側出露的花崗巖在研究區(qū)東南角連成一體，其上部被殘留的侏羅系地層覆蓋，巖體邊界較陡。

圖3 三維地質模型和三維斷裂構造模型Fig.3 3D geological model and 3D fault structure model

結合本次大地電磁探測結果、地表構造資料[2]、地震研究結果[3]以及深反射解釋結果[4]，確定研究區(qū)深部地震構造特征(圖3(b))。從圖3(b)中可以看出，研究區(qū)發(fā)育8條斷裂(表2)，以陡傾角斷裂為主，傾角一般大于60°。其中，f11-1為南西傾逆斷層，f14為北西傾正斷層，F3為南西西傾正斷層，3條斷裂組成向西南側伏的三角形斷塊。

表2 研究區(qū)內主要斷裂性質

4 地震活動與深部構造環(huán)境

4.1 斷裂深部特征與地震活動

從地震震中與研究區(qū)斷裂的位置關系來看，地震活動主要受雙溪-焦溪垟斷裂f11控制，與其他斷裂關系較小(圖4(a))。從圖4(b)可以看出，地震震中從地表一直延伸至上古生界地層，但主要集中在侏羅系地層中。侏羅系巖性復雜，層次較多，根據巖性組合與接觸關系可劃分為4段，主要為流紋質晶屑凝灰?guī)r夾砂巖、泥巖、炭質頁巖或煤線、流紋巖、流紋斑巖等[10]。淺部侏羅系地層較為破碎，節(jié)理發(fā)育，具有較好的滲水性。中部侏羅系火山沉積巖系主要為上侏羅統c段含煤地層及下白堊統館頭組和朝川組河湖相沉積巖與火山巖，屬于良好的隔水層，因此呈現高阻特征。虞永林[11]分析認為，透水層與隔水層組成阻塞的水文地質環(huán)境是誘發(fā)水庫地震的重要水文地質條件。在滲水性地質體周圍存在隔水層，可形成半封閉或近似封閉的阻塞系統，造成內外或兩側存在較大動水壓力差，從而使積累的應變能沿斷裂或其他軟弱面釋放而發(fā)生地震。研究區(qū)發(fā)震原理可能與此類似，地下水通過雙溪-焦溪垟斷裂向下滲透，形成封閉式阻塞系統，積累應變能而發(fā)生地震。

綠色等值面為J-1與J分界面，藍色等值面為J與Pz2分界面圖4 地震震中與研究區(qū)斷裂位置關系Fig.4 The relationship between earthquake epicentersand fault positions in study area

鐘羽云等[3]利用震源位置資料采用最小二乘法擬合得到發(fā)震斷裂斷層面參數為走向132°、傾向85°，與本次大地電磁法測得的雙溪-焦溪垟斷裂結果相當，基本可確定雙溪-焦溪垟斷裂為珊溪水庫地震的發(fā)震斷裂。綜合本次研究結果及以往深地震反射結果[4]可知，雙溪-焦溪垟斷裂為一條規(guī)模較大的斷裂，該斷裂向深部切穿上地殼以及中地殼底界面直至下地殼。在斷層兩側，上地殼底界面以及中地殼地層的產狀特征變化明顯，呈疊瓦狀形式展布。雙溪-焦溪垟斷裂主要呈北西向，具備孕育中強地震的能力。

4.2 深部特殊構造與地震活動

從三維地質模型(圖3)來看，f11-1、f14和F3斷裂組成一個向西南側伏的三角形斷塊，地震震中主要位于該三角形斷塊范圍內(圖5(a))，且震級較高(大于2.5級)的地震震中基本均位于其中。珊溪水庫區(qū)震源深度統計結果表明，地震主要發(fā)生在-3 000 ～-5 000 m深度范圍。因此本文對三維電法數據體進行水平切片，并將地震震中投影到-4 000 m水平切片上(圖5(b))。由圖可知，大量地震震中仍然集中在F3、f14和f11-1斷裂形成的三角形斷塊內。

圖5 地震震中與三角形斷塊位置關系Fig.5 The relationship between earthquake epicenters and position of triangular fault block

李祖武[12]認為，水庫地震一般發(fā)生于活動斷裂弧形拐點或幾組構造線交會處，以及應力易于集中特別是張剪應力集中的特殊構造部位。研究區(qū)深部f11-1、f14和F3斷裂形成三角形斷塊特殊構造，該構造位置可能為應力集中區(qū)，在沿f11“低阻通道”下滲的地下水作用下，較容易發(fā)生相對位移，這可能是研究區(qū)震級較高的地震震中基本位于其中的主要原因。

4.3 地震向東未穿過F2原因分析

從地震震中三維分布圖可以看出，地震主要分布在F2斷裂以西，向東不穿過F2斷裂(圖6)。研究區(qū)東南部為花崗巖體，該巖體具有高阻特征，裂隙較少、滲透性較差，為致密不含水巖體。該花崗巖在地表局部出露，在深部連成整體，僅在中間殘留部分侏羅系地層，致密的花崗巖體會阻礙地下水沿f11斷層向東滲透。另外，三維斷裂構造結果顯示，隱伏斷裂f16和f10被F2和f7隔斷。F2西側f10為南傾正斷層，而F2東側隱伏斷裂f16為北傾正斷層(圖6)，因此F2兩側構造體制發(fā)生了轉換。

圖6 地震震中與F2、f10、f16位置關系Fig.6 The relationship between earthquake epicenters and positions of F2, f10 and f16

據此分析，地震向東未穿過F2的原因可能有3點：1)飛云江向下游沿F2斷裂往東北側轉向，雙溪-焦溪垟斷裂f11在F2以東部分地表無水體，缺乏大量水體沿斷裂下滲的前提。2)由于存在致密的花崗巖體阻擋，西側地下水無法沿斷層向東滲透。3)F2兩側構造體制發(fā)生轉換。F2可能起到阻隔誘發(fā)地震的地應力向東傳播的作用，使得F2東側的力學性質與西側存在差別，因此不易發(fā)生地震。

4.4 流體滲透特征及與地震活動的關系

研究區(qū)內侏羅系地層主要表現為中高阻特征，主要流體為庫水和地下水，近地表淺部由于降雨較多，地下水豐富，流體容易呈面狀向四周滲透，造成淺部地層電阻較低。從三維電法數據體可知，整個研究區(qū)淺部均存在相對低阻層，巖體出露區(qū)淺部電阻率相比周邊地層較高。

由于研究區(qū)內斷裂寬度一般約為10 m，如無庫水或地下水沿斷裂下滲，則難以形成大規(guī)模的自地表向深部延續(xù)的低阻帶。因此研究區(qū)地下流體的滲透特征在電阻率剖面和電法三維數據體上主要表現為在高阻體中夾持低阻帶。為此，本文從三維電法數據體中提取研究區(qū)內規(guī)模最大，且自地表向深部延續(xù)的低阻帶(圖3(a))，即“低阻通道”，其基本可代表流體滲透通道。研究區(qū)“低阻通道”共有3處，分別為研究區(qū)西南側程坑附近F3“低阻通道”、中部塘壟碼頭附近f11-3“低阻通道”和東北側珊溪鎮(zhèn)附近f15“低阻通道”(圖3(b))。

將震中與“低阻通道”疊合發(fā)現，地震活動集中在中部f11-3“低阻通道”沿線，研究區(qū)西南側F3“低阻通道”和東北側f15“低阻通道”處并無地震活動(圖7(b))。可見，“低阻通道”是地震活動形成的條件之一。

圖7 地震活動與“低阻通道”關系Fig.7 The relationship between seismic activities and low-resistance channel

鐘羽云等[13]研究發(fā)現，雙溪-焦溪垟斷裂在水庫區(qū)塘壟碼頭附近出露一系列張裂隙，這些裂隙以豎向為主，基本與斷層面平行，具有較好的連通性，容易導致庫水向深部下滲。這與本次探測發(fā)現的f11-3“低阻通道”位置基本一致，該“低阻通道”導致地下水向深部滲透，降低了斷層面上的正應力，從而誘發(fā)了地震。

對比“低阻通道”與不同期次地震震中發(fā)現，2006年地震震中基本局限在f11-3“低阻通道”及其西側一定范圍內。f11-3“低阻通道”作為現今研究區(qū)內規(guī)模最大的低阻帶，是研究區(qū)內庫水下滲最多的區(qū)域，也是最容易發(fā)生庫水下滲的部位，早期地震應從該區(qū)域開始。前文已論述地震向東不穿過F2斷裂，2006年地震基本集中在f11-3“低阻通道”及西側，符合早期地震從最容易發(fā)生庫水下滲區(qū)域開始的規(guī)律。

2006年以后，地震活動位置明顯向西北側移動，地震震中多集中在前文所述的三角形斷塊范圍內，f11-3“低阻通道”周邊的地震活動較少。2014年地震則進一步向西北側移動，f11-3“低阻通道”周邊仍有零星地震活動發(fā)生。該現象可解釋為：庫水從最容易下滲的f11-3“低阻通道”下滲，使巖體中孔隙達到飽和狀態(tài)，增加了孔隙壓力，降低了斷層面強度而發(fā)生2006年震群。該次地震發(fā)生后，可能進一步產生向西的滲透通道，流體逐步向西北側滲透遷移，地震活動也隨之向西北側移動。

5 結 語

本文首次采用三維大地電磁測深方法確定珊溪水庫70 km2范圍的深部精細三維地質及斷裂構造，分析深部構造特征與地震的關系，研究珊溪水庫誘發(fā)地震的深部構造環(huán)境，得到以下結論：

1) 利用大地電磁測深法對斷裂的深部構造特征進行系統刻畫，獲得了研究區(qū)斷裂深部的傾向、傾角、延伸方向和深度，確定了不同斷裂之間的組合關系，建立了本區(qū)三維地質模型和構造模型，為研究地震與地質構造之間的關系提供了基礎，同時新發(fā)現了f15、f16兩條隱伏斷裂。

2) 珊溪水庫發(fā)生水庫誘發(fā)地震的原因主要有3點：①雙溪-焦溪垟斷裂f11是一條規(guī)模較大的斷裂，研究區(qū)具備水庫誘發(fā)地震的構造條件。②研究區(qū)內存在“低阻通道”，具備滲透條件，有利于地下水向深部滲透，從而誘發(fā)地震。③庫區(qū)地下存在特殊的三角形構造，該構造易發(fā)生地震。

3) 綜合分析認為，地震向東未穿過F2的原因可能有3點：①飛云江向下游沿F2斷裂往東北側轉向，雙溪-焦溪垟斷裂f11在F2以東部分地表無水體，缺乏大量水體沿斷裂下滲的前提。②由于存在致密的花崗巖體阻擋，西側地下水無法沿斷層向東滲透。③F2兩側構造體制發(fā)生轉換，使得F2東側的力學性質與西側存在差別，F2可能起到阻隔誘發(fā)地震的地應力向東傳播的作用，因此不易發(fā)生地震。

4) 地下水沿“低阻通道”向西滲透是地震逐漸向西遷移的主要原因。對比2006～2014年不同期次地震震中的分布和“低阻通道”及電性結構的關系發(fā)現，早期庫水沿最容易發(fā)生庫水下滲的f11-3流體通道下滲，地震發(fā)生在f11-3流體通道及周邊區(qū)域，隨后流體自東南向西北滲透，庫水下滲活動向西北側遷移，地震活動也沿東南向西北方向呈現階段性遷移。

從已發(fā)生的地震分布來看，地震沿f11段裂逐步向西遷移，但本次探測范圍未包含f11斷層西段，無法確定斷層西段的地下三維構造特征，也無法確定地震是否沿著該斷層繼續(xù)向西擴展。如果能在西側進一步開展三維探測，將獲得整個珊溪地區(qū)三維地下地質結構及構造特征，對研究珊溪水庫的深部構造環(huán)境及地震預報均具有重要意義。對于其他大型水庫，如果能夠在水庫建成蓄水后立即開展類似探測，可為開展水庫誘發(fā)地震預測預報提供重要的基礎資料。