巴基斯坦卡洛特水電站水庫(kù)誘發(fā)地震研究

侯欽禮 董宇超 張必勇

摘要：鑒于水庫(kù)誘發(fā)地震具有頻率高、弱震多和強(qiáng)震較少等特點(diǎn)，以巴基斯坦的卡洛特水電站為例，對(duì)其運(yùn)用近場(chǎng)區(qū)的野外地質(zhì)測(cè)繪、最高震級(jí)估算和歷史地震對(duì)大壩影響分析等方法進(jìn)行了研究。結(jié)果表明：卡洛特水電站整體處于構(gòu)造較穩(wěn)定地區(qū)，水庫(kù)內(nèi)部及周圍斷裂構(gòu)造不發(fā)育，新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)主要以整體性間歇性抬升活動(dòng)為主，內(nèi)部差異性活動(dòng)較弱。水庫(kù)圍巖以砂巖、粉砂巖和泥巖等碎屑巖為主，屬于不易誘發(fā)地震的巖性。另外，結(jié)合國(guó)內(nèi)外震例分析，卡洛特水電站發(fā)震最高震級(jí)為Ms 3.1級(jí)，發(fā)生幾率在1‰～1%，但應(yīng)充分考慮歷史地震對(duì)大壩的影響，通過(guò)烈度計(jì)算2005年克什米爾Mw 7.6級(jí)地震影響最大，達(dá)Ⅶ度。

關(guān)鍵詞：水庫(kù)誘發(fā)地震;地質(zhì)測(cè)繪;震級(jí)估算;卡洛特水電站;巴基斯坦

中圖法分類號(hào)：TV697.24文獻(xiàn)標(biāo)志碼：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2021.11.006

文章編號(hào)：1006 - 0081（2021）11 - 0026 - 05

0引 言

巴基斯坦卡洛特水電站作為“一帶一路”倡議下的首個(gè)大型水電投資建設(shè)項(xiàng)目，是我國(guó)水電行業(yè)響應(yīng)國(guó)家“走出去”發(fā)展戰(zhàn)略的重要標(biāo)志[1]。水電由于其環(huán)境污染小、可再生和發(fā)電成本低廉等方面的優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已逐漸成世界能源發(fā)展的重要方向。但水電為社會(huì)提供清潔能源的同時(shí)，也存在一定隱患，水庫(kù)誘發(fā)地震就是最受關(guān)注的問(wèn)題之一。頻繁的水庫(kù)誘發(fā)地震不僅會(huì)影響水電站的正常運(yùn)行，且會(huì)對(duì)區(qū)域自然環(huán)境的穩(wěn)定和壩址附近居民的生活安全構(gòu)成一定威脅。前人通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外水庫(kù)誘發(fā)地震震例的研究和歸納，總結(jié)出水庫(kù)誘發(fā)地震的一般規(guī)律 [2-4]：①構(gòu)造條件對(duì)水庫(kù)誘發(fā)地震具有一定影響，如區(qū)域地殼的抬升和沉降、區(qū)域性的大型斷裂構(gòu)造或水庫(kù)周圍的活動(dòng)斷裂等構(gòu)造運(yùn)動(dòng)都易引起水庫(kù)發(fā)生較強(qiáng)地震;②水庫(kù)蓄水時(shí)間和庫(kù)容產(chǎn)生一定影響，國(guó)內(nèi)的震例如新豐江和參窩水庫(kù)分別在蓄水的1個(gè)月和3個(gè)月后發(fā)生地震，而在水庫(kù)蓄水前并無(wú)地震發(fā)生，另外水庫(kù)誘發(fā)地震的概率和強(qiáng)度隨水庫(kù)水位和庫(kù)容的增大而顯著提高;③水庫(kù)誘發(fā)地震整體表現(xiàn)為頻繁微震，少數(shù)為強(qiáng)震，但由于震源一般極淺，破壞性較強(qiáng)，需充分重視其危險(xiǎn)性。

本文主要以巴基斯坦卡洛特水電站為例，在詳細(xì)的野外地質(zhì)測(cè)繪工作基礎(chǔ)上，確定了水庫(kù)區(qū)域的巖性組成、庫(kù)容和庫(kù)區(qū)構(gòu)造情況，并結(jié)合國(guó)內(nèi)外典型水庫(kù)誘發(fā)地震震例的對(duì)比研究，探討了其誘發(fā)地震的可能性和地震烈度等問(wèn)題。

1 構(gòu)造條件對(duì)水庫(kù)誘發(fā)地震的影響

1.1 構(gòu)造變形樣式

巴基斯坦大地構(gòu)造位置處于印度-雅魯藏布江縫合帶西側(cè)，是印度、歐亞和阿拉伯三大板塊的交匯地帶，由于其獨(dú)特的地理位置，巴基斯坦境內(nèi)的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)活躍且復(fù)雜[5]?？逄厮娬疚挥谟《?雅魯藏布江縫合帶西構(gòu)造結(jié)的南側(cè)，地處主邊界斷裂（MBT）和主前緣斷裂（MFT）之間的新生代前緣坳陷中，區(qū)域內(nèi)最主要的構(gòu)造變形特征表現(xiàn)為向吉拉姆（Jhelum）河谷附近匯聚的共軸褶皺變形，構(gòu)造變形特征也具有明顯的分區(qū)性，中北部地層時(shí)代較老，褶皺也較為強(qiáng)烈，形成一些圈閉，背斜與向斜相間分布，局部伴隨有逆斷層;東南部時(shí)代較為年輕且構(gòu)造變得平緩簡(jiǎn)單。褶皺變形主要發(fā)生在中新世，并持續(xù)到上新世，根據(jù)區(qū)內(nèi)地層變形特征分析，在近場(chǎng)范圍的褶皺變形具有持續(xù)減弱的現(xiàn)象。巴基斯坦北部區(qū)域主要斷裂分布情況見(jiàn)圖1。

1.2 斷裂構(gòu)造

受印度板塊與歐亞板塊俯沖碰撞的影響，區(qū)域斷裂活動(dòng)發(fā)育。主地殼斷裂（MMT）在約5 000萬(wàn)a前受印度板塊和歐亞板塊的碰撞作用向北推擠，后向南形成一系列的褶皺和逆沖斷裂帶（圖1）;在縫合帶南側(cè)由北至南主要發(fā)育3條走向近乎平行的逆沖斷裂帶，分別為主中央斷裂帶（MCT）、MBT和MFT，另外在旁遮普（Punjab）平原的西側(cè)還發(fā)育有一條近北西向展布的穆扎法拉巴德斷裂（MZF）[6]（圖1）。

前人通過(guò)對(duì)中國(guó)水庫(kù)誘發(fā)地震的震例分析發(fā)現(xiàn)，有活動(dòng)斷層在水庫(kù)周圍或內(nèi)部穿過(guò)往往可引起較強(qiáng)的水庫(kù)地震，這些斷層多為走滑型或傾滑正斷層型[7]。例如新豐江水庫(kù)的主震和較強(qiáng)余震大部分與走滑斷層相關(guān)，少數(shù)為傾滑正斷層導(dǎo)致[7-10];1979年發(fā)生在烏溪江水庫(kù)的最大震級(jí)地震是走滑型斷層所致[7];國(guó)外一些水庫(kù)地震也與庫(kù)區(qū)的斷裂活動(dòng)有關(guān)，如印度柯依納水庫(kù)、埃及阿斯旺水庫(kù)、泰國(guó)斯林那卡林水庫(kù)等，誘發(fā)地震均由傾角較陡的走滑斷層錯(cuò)動(dòng)引起，其中印度的柯依納水庫(kù)發(fā)生過(guò)6.5級(jí)地震，是世界已報(bào)道的最高震級(jí)的水庫(kù)誘發(fā)地震[7，11-13]。國(guó)內(nèi)外的震例都表明水庫(kù)內(nèi)部或周圍發(fā)育的斷裂活動(dòng)對(duì)水庫(kù)誘發(fā)地震具有重要影響，是評(píng)價(jià)水庫(kù)誘發(fā)地震要考慮的重要因素。

前人沿著共軸褶皺變形中心地帶的吉拉姆河谷曾經(jīng)推斷了一條隱伏斷裂，但吉拉姆斷裂（JF）并沒(méi)有延伸到北緯34°以南地段，即沒(méi)有進(jìn)入壩址近場(chǎng)區(qū)范圍。吉拉姆斷裂距離卡洛特壩址最近距離是47 km。根據(jù)實(shí)地野外地質(zhì)測(cè)繪，在卡洛特水電站近場(chǎng)區(qū)未見(jiàn)吉拉姆斷裂（JF）在地表出露的跡象，更沒(méi)有延伸到壩址區(qū)附近。壩址位于褶皺翼部，產(chǎn)狀變化平緩，地層傾角在10°～15°之間，因此整體來(lái)看，在卡洛特水電站庫(kù)區(qū)內(nèi)部及周圍不發(fā)育較大的斷裂構(gòu)造。

1.3 新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)

新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)主要表現(xiàn)為間歇性掀斜式抬升運(yùn)動(dòng)。近場(chǎng)區(qū)位于MBT和MFT之間的新生代前緣坳陷地區(qū)，上新世以來(lái)的區(qū)域構(gòu)造活動(dòng)主要表現(xiàn)為沿著MBT的差異性活動(dòng)，MBT附近強(qiáng)震活動(dòng)較為頻繁，但MBT在北部到壩址的最近距離約為26 km，斷裂構(gòu)造帶并未延伸到近場(chǎng)區(qū)范圍，也不指向壩址?？偨Y(jié)來(lái)看，近場(chǎng)區(qū)的新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)主要以整體性間歇性抬升活動(dòng)為主，內(nèi)部差異性活動(dòng)較弱，屬于構(gòu)造相對(duì)穩(wěn)定地區(qū)。

2 水庫(kù)地層組成

通過(guò)分析中國(guó)30余座水庫(kù)誘發(fā)地震的震例發(fā)現(xiàn)，誘發(fā)地震的水庫(kù)地層組成具有一定規(guī)律性，灰?guī)r、碳酸鹽巖和花崗巖類侵入巖是最易誘發(fā)水庫(kù)地震的巖層組成[10]。以石灰?guī)r、白云巖類為主要巖性的水庫(kù)，雖然只占全部大型水庫(kù)的4%，卻有約50%的水庫(kù)地震發(fā)生在這類巖性中。從世界范圍看，也具有類似的特征[12]，其中碳酸鹽巖類巖層發(fā)震幾率約占36%、花崗巖類巖層發(fā)震幾率約占18%。這表明石灰?guī)r、白云巖類巖石是易引發(fā)水庫(kù)地震的巖層組成，這些巖石在變形過(guò)程中易產(chǎn)生節(jié)理、裂隙等張性結(jié)構(gòu)面，為庫(kù)水滲透提供了最佳通道，可能是誘發(fā)水庫(kù)地震的重要因素之一。

卡洛特水電站近場(chǎng)區(qū)出露地層整體較新且?guī)r性簡(jiǎn)單，主要為中新統(tǒng)的磨拉石建造的陸源碎屑沉積巖地層，無(wú)巖漿巖和變質(zhì)巖出露，出露的基巖地層主要為上第三系中新統(tǒng)納格利（Nagri）組（N1na）以及多克帕坦（Dhok Pathan）組（N1dh）地層，卡洛特水電站庫(kù)區(qū)地質(zhì)情況見(jiàn)圖2，巖性主要為中砂巖、細(xì)砂巖、泥質(zhì)粉砂巖及粉砂質(zhì)泥巖等， 近場(chǎng)區(qū)地層巖性見(jiàn)表1。這與中國(guó)大多已建大型水庫(kù)庫(kù)區(qū)的巖性類似，中國(guó)已建的大型水庫(kù)中，約有76%坐落在松散層、碎屑巖及變質(zhì)巖系中，這類巖性不利于誘發(fā)地震。綜上所述，相對(duì)于以石灰?guī)r、白云巖類為主要巖性的水庫(kù)，卡洛特水電站庫(kù)區(qū)不具備易誘發(fā)水庫(kù)地震的巖性條件。

3 水庫(kù)規(guī)模因素

國(guó)內(nèi)外震例數(shù)據(jù)顯示，眾多庫(kù)區(qū)在蓄水前處于無(wú)震或弱震區(qū)，而水庫(kù)蓄水后庫(kù)區(qū)附近開(kāi)始頻繁發(fā)生地震，中國(guó)主要水庫(kù)誘發(fā)地震蓄水、初震和最大地震發(fā)生時(shí)間統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表2。例如廣東省河源縣的新豐江水庫(kù)，在水庫(kù)蓄水前的25 a，庫(kù)區(qū)附近未發(fā)生過(guò)地震，而在水庫(kù)蓄水后的20余年的時(shí)間觀測(cè)到微震數(shù)超30萬(wàn)次，大于2級(jí)的有1.3萬(wàn)次[7-11]。研究表明：水庫(kù)誘發(fā)地震概率一般隨壩高和庫(kù)容的增大而顯著提高，從中國(guó)情況看，庫(kù)容小于1 000萬(wàn)m3的小型水庫(kù)，其發(fā)震概率小于1/10 000;庫(kù)容在1 000萬(wàn)～1億m3的中型水庫(kù)發(fā)震概率小于1/1000;庫(kù)容在1億～10億m3的大型水庫(kù)發(fā)震概率為1/100。

卡洛特水電站是吉拉姆河上5個(gè)規(guī)劃裝機(jī)容量超50萬(wàn)kW階梯水電站的第四級(jí)，電站控制流域面積26 700 km2，正常蓄水位461.00 m，最大壩高91 m，正常水位以下庫(kù)容1.52億m3。研究表明：壩高低于50 m的水庫(kù)誘發(fā)地震概率較小，壩高不低于50 m 的水庫(kù)誘發(fā)地震的概率要顯著大于壩高低于50 m的水庫(kù)。根據(jù)國(guó)內(nèi)外水庫(kù)誘發(fā)地震震例壩高與最高震級(jí)之間相關(guān)分析，大體可得出：

M=2.0+0.0117H? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

式中：M為震級(jí);H為壩高，m。僅從壩高這一指標(biāo)考慮，卡洛特水電站發(fā)震最高震級(jí)可達(dá)Ms 3.1級(jí)，屬于可誘發(fā)地震的類型。然而水庫(kù)正常水位以下庫(kù)容僅為1.52億m3，庫(kù)容較小，國(guó)內(nèi)外水庫(kù)誘發(fā)地震數(shù)據(jù)表明，庫(kù)容小于10億m3的水庫(kù)發(fā)震概率較小，低于5%，而庫(kù)容大于10億m3的水庫(kù)發(fā)震概率顯著增加，可達(dá)14.0%。因此，從庫(kù)容條件分析卡洛特水電站誘發(fā)地震的可能性較小。

4 歷史地震對(duì)大壩的影響

研究區(qū)歷史強(qiáng)震史資料匱乏，尤其是對(duì)破壞情況的記錄極少，為探討壩址附近歷史地震對(duì)大壩的影響，本次研究主要利用1991年的中國(guó)地震烈度區(qū)劃圖[14]西部衰減關(guān)系折合的平均軸衰減關(guān)系計(jì)算各次地震在壩址的影響烈度：

I=4.493+1.454M-1.729Ln（D+16）? ? ? ? （2）

式中：M為震級(jí)，D是震中距，km。

在表3中列出了對(duì)壩址影響烈度達(dá)Ⅴ度以上的強(qiáng)震簡(jiǎn)目。在現(xiàn)有地震目錄中，共有13次地震在壩址的影響烈度不小于Ⅴ度，5次不小于Ⅵ度，其中2005年克什米爾Mw 7.6級(jí)地震影響最大，達(dá)Ⅶ度[15]。

5 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)巴基斯坦的卡洛特水電站近場(chǎng)區(qū)的野外地質(zhì)測(cè)繪、水庫(kù)圍巖組成、最高震級(jí)估算和歷史地震對(duì)大壩影響等方面的研究，得出以下結(jié)論。

（1）卡洛特水電站近場(chǎng)區(qū)處于構(gòu)造較穩(wěn)定地區(qū)，水庫(kù)內(nèi)部及周圍不發(fā)育較大的斷裂構(gòu)造，新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)主要以整體性間歇性抬升活動(dòng)為主，內(nèi)部差異性活動(dòng)較弱，不具有誘發(fā)中強(qiáng)地震的構(gòu)造條件。

（2）卡洛特水庫(kù)巖層以砂巖、粉砂巖和泥巖等碎屑巖類為主，這類巖石屬于不易誘發(fā)水庫(kù)地震的類型。

（3）根據(jù)壩高指標(biāo)的估算結(jié)果，卡洛特水電站發(fā)震最高震級(jí)為Ms 3.1級(jí);從庫(kù)容條件分析，水庫(kù)誘發(fā)地震的幾率在1/100～1/1000。因此，從水庫(kù)規(guī)模上看，卡洛特水電站誘發(fā)地震的幾率較小且不易發(fā)生較強(qiáng)的地震。

（4）根據(jù)計(jì)算，壩址附近共有13次地震影響烈度不小于Ⅴ度，7次不小于Ⅵ度，其中2005年克什米爾Mw 7.6級(jí)地震影響最大，達(dá)Ⅶ度。建議根據(jù)水庫(kù)誘發(fā)地震的評(píng)價(jià)結(jié)論，在水庫(kù)工程場(chǎng)址區(qū)及近場(chǎng)區(qū)建設(shè)地震臺(tái)網(wǎng)，以利于及時(shí)監(jiān)測(cè)誘發(fā)地震情況。

參考文獻(xiàn)：

[1] 岳朝俊，張必勇，吳超，等.巴基斯坦卡洛特項(xiàng)目當(dāng)?shù)毓蛦T系統(tǒng)化管理實(shí)踐[J]. 水利水電快報(bào)，2020，41（3）：100-103.

[2] BOOVI A.Review and appraisal of case histories related to seismic effects of reservoir impounding[J]. Engineering Geology， 1974， 8（1-2）：9-27.

[3] KISSLINGER C. A review of theories of mechanisms of induced seismicity[J]. Engineering Geology，1976，10（2-4）：85-98.

[4] SIMPSON D W.Seismicity changes associated with reservoir loading[J]. Engineering Geology，1976，10（2-4）：123-150.

[5] SEARLE M P.Cooling history， erosion， exhumation， and kinematics of the Himalaya-Karakoram-Tibet orogenic belt[J]. World & Regional Geology， 1996，1（8）：110-137.

[6] 張必勇， 徐俊， 詹偉. 巴基斯坦Jhelum河中上游區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定性研究[J].資源環(huán)境與工程， 2013，27（4）：387-389，400.

[7] 丁原章.中國(guó)的水庫(kù)誘發(fā)地震[J]. 華南地震，1989， 9（1）：64-72.

[8] 丁原章， 曾憲譯， 陳益明.新豐江水庫(kù)區(qū)誘發(fā)地震的余震活動(dòng)[J]. 地震地質(zhì)， 1982（1）：23-30.

[9] 丁原章， 潘建雄， 肖安予，等. 新豐江水庫(kù)誘發(fā)地震的構(gòu)造條件[J]. 地震地質(zhì)， 1983， 5（3）：63-74.

[10] 李安然，張飛飛，張 柯.從新豐江水庫(kù)地震的環(huán)境條件討論水誘發(fā)地震的研究及其預(yù)測(cè)[J]. 華南地震，1992， 12（3）：88-94.

[11] 胡毓良，陳獻(xiàn)程.我國(guó)水庫(kù)地震及其有關(guān)成因問(wèn)題的討論[J]. 地震地質(zhì)，1979（4）：45-57.

[12] 楊清源， 胡毓良.國(guó)內(nèi)外水庫(kù)誘發(fā)地震目錄[J]. 地震地質(zhì)， 1996， 18（4）：453-461.

[13] 魏柏林，薛佳謀.世界四大水庫(kù)誘發(fā)震例的發(fā)震原因[J]. 華南地震，1986（1）：103-115.

[14] 國(guó)家地震局.中國(guó)地震烈度區(qū)劃圖[M]. 北京：地震出版社，1991.

[15] 中國(guó)地震局地質(zhì)研究所.巴基斯坦Karot水電站工程場(chǎng)地地震安全性評(píng)價(jià)報(bào)告[R]. 北京：中國(guó)地震局地質(zhì)研究所，2013.

（編輯：唐湘茜）

Study on reservoir-induced seismicity in Karot Hydropower Station， Pakistan

HOU Qinli1， DONG Yuchao2， ZHANG Biyong2

（1. Changjiang International Engineering Co.， Ltd.， Beijing 100055， China;? ?2. Changjiang Geotechnical Engineering Co.，Ltd.，Wuhan 430010， China）

Abstract：Reservoir-induced earthquakes has the characteristics of high frequency， more weak earthquakes and fewer strong earthquakes. Aiming at the Karot Hydropower Station in Pakistan， through field geological surveying and mapping in the near field area， the composition analysis of the reservoir surrounding rock， the estimation of the highest magnitude， and the impact analysis of historical earthquakes on the dam， it is concluded that the Karot Hydropower Station is in a relatively stable area， and there are no faulted structures in and around the reservoir. The neotectonic movement is dominated by intermittent uplifting activities as a whole， and the internal differential activities are weak. The surrounding rock of the reservoir is dominated by clastic rocks such as sandstone， siltstone and mudstone， which are not easy to induce earthquakes. In addition， combined with the analysis of earthquake cases at home and abroad， the highest earthquake magnitude of the Karot Hydropower Station is Ms3.1， with a probability of 1‰ to 1%. However， the impact of historical earthquakes on the dam should be fully considered， and the intensity-calculated 2005 Kashmir Mw 7.6 earthquake had the greatest impact in the year， reaching Ⅶ degrees.

Key words：reservoir-induced seismicity; geological surveying and mapping;magnitude estimation;Karot Hydropower Station; Pakistan