金沙江下游白鶴灘水庫蓄水前后地震活動特征

郭偉,趙翠萍,左可楨,趙策

1 中國地震局地震預(yù)測研究所，北京 100036 2 內(nèi)蒙古自治區(qū)地震局，呼和浩特 010010 3 中國地震局地球物理研究所，北京 100081

0 引言

金沙江下游位于地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜、地震活動頻發(fā)的川滇塊體東緣，地勢西高東低，水位落差巨大，蘊含了豐富的水能資源.金沙江下游是我國最大的水電基地，自南向北依次興建了烏東德、白鶴灘、溪洛渡、向家壩4座流域型梯級電站（圖 1a）.金沙江下游的這四座梯級水庫位于高烈度區(qū)，距離歷史7級地震震源區(qū)（1733年8月2日東川M7.5，1536年3月29日西昌M7.25，1850年9月12日西昌M7.5，1974年5月11日M7.1地震）及強震條帶非常近，其中白鶴灘水庫位于川滇菱形塊體東邊界不同走向大型構(gòu)造相交匯的關(guān)鍵部位.白鶴灘水電站壩高289 m，庫容高達206.27億m3，總裝機容量1600萬kw，是僅次于三峽水電站的世界第二大水電站，也是金沙江下游四座梯級電站中庫容最大、梯級效益最顯著的水電站.向家壩、溪洛渡、烏東德、白鶴灘水庫先后于2012年10月、2013年5月、2020年1月、2021年4月蓄水，溪洛渡水庫蓄水后，出現(xiàn)了以微震為主的地震活動增強過程（程萬正，2013；刁桂苓等，2014）.

金沙江下游幾座水庫蓄水后的地震活動前人已有一些研究.刁桂苓等（2014）反演了2007—2013年10月溪洛渡水庫蓄水前后共計700多次地震的震源機制，研究了應(yīng)力場在蓄水前后的變化，發(fā)現(xiàn)溪洛渡蓄水后，庫區(qū)震源機制空間取向復(fù)雜、破裂類型多樣，應(yīng)力狀態(tài)不均勻、不穩(wěn)定；段夢喬和趙翠萍（2019）使用金沙江下游水庫臺網(wǎng)的數(shù)據(jù)獲得了2016—2018年溪洛渡庫區(qū)的小震震源機制解，發(fā)現(xiàn)截至2018年溪洛渡庫區(qū)的應(yīng)力場已經(jīng)恢復(fù)到蓄水前，白鶴灘和烏東德蓄水前的震源機制解以走滑為主，左旋走滑型地震與近NS向小江斷裂帶和普渡河斷裂帶的性質(zhì)一致；李春宏等（2018）采用2009—2017年的地震數(shù)據(jù)研究了白鶴灘庫區(qū)的本底地震活動特征，發(fā)現(xiàn)白鶴灘蓄水前區(qū)域主要地震活動發(fā)生在昭通魯?shù)閿嗔褞Ш托〗瓟嗔褞П倍?，整個區(qū)域的b值為0.966；Zhang 等（2021）通過數(shù)值模擬計算了溪洛渡蓄水引起的水壓和應(yīng)力變化，結(jié)果表明孔隙壓的變化達到一定水平可以重新激活斷層，庫水載荷也會引起斷層上的正庫侖應(yīng)力變化，這兩種機制可以解釋水庫蓄水后斷層附近和水庫附近發(fā)生地震的原因。田曉等（2020）在白鶴灘蓄水前進行形變分析發(fā)現(xiàn)白鶴灘庫區(qū)上游左岸中部存在16 km范圍的沉降區(qū)；佘雅文等（2021）模擬研究了白鶴灘水庫蓄水引起的重力與庫侖應(yīng)力的變化，發(fā)現(xiàn)庫侖應(yīng)力變化在巧家以南和以北兩個區(qū)域大于0.01 MPa，存在誘發(fā)地震的可能性.參考三峽水庫（王墩等，2007；Yao et al.,2017）、溪洛渡（Zhang et al.,2021）等水庫蓄水后庫區(qū)出現(xiàn)的地震活動，考慮白鶴灘水庫的構(gòu)造背景和蓄水規(guī)模，白鶴灘水庫無疑是開展水庫地震監(jiān)測和研究的天然實驗場.了解誘發(fā)地震的機制對于降低相關(guān)風(fēng)險至關(guān)重要（Yang et al.,2021）.

為監(jiān)測世界級大壩白鶴灘水電站在蓄水前、后的地震活動過程，開展對高烈度區(qū)高壩大庫蓄水誘發(fā)地震活動規(guī)律、成因機理和危險性等關(guān)鍵問題的研究，課題組2016年開始在庫區(qū)周圍布設(shè)并不斷加密水庫科研臺陣，首次獲得了白鶴灘水庫蓄水前5年和蓄水后9個月內(nèi)高精度的地震觀測數(shù)據(jù)，本文詳細研究了水庫蓄水前后地震活動的時間、空間變化過程及其與水位變化的關(guān)系，為進一步深入研究水庫誘發(fā)地震活動的成因和機理奠定基礎(chǔ).

1 區(qū)域構(gòu)造和地震活動背景

白鶴灘水庫壩址位于由安寧河斷裂、則木河斷裂和小江斷裂共同組成的川滇菱形塊體東邊界，區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜（圖1）.北西向的則木河斷裂、北東向的蓮峰斷裂、近南北向的小江斷裂、屬于涼山斷裂束的越西斷裂和四開—交際河斷裂分別與金沙江交匯.壩址區(qū)沒有較大斷裂通過，大壩距小江和則木河斷裂在20 km以上，距蓮峰斷裂6～7 km.蓮峰斷裂在白鶴灘壩址上游附近呈北東方向展布，走向 N50～60°E，傾角70°左右，傾向北西.南北向的涼山斷裂束晚新生代以來表現(xiàn)為明顯的左旋走滑活動特征，其中四開交際河斷裂帶自四開以北向南在頭道溝一帶穿過金沙江與小江斷裂帶呈右階斜列，而越西斷裂帶在寧南縣城西北交與則木河斷裂.則木河斷裂帶自西昌北至寧南、巧家一帶展布，是一條總體走向北北西的高傾角左旋走滑斷裂帶，斷面以傾向北東為主.則木河斷裂帶分段特征明顯，出現(xiàn)在白鶴灘庫區(qū)的南東段現(xiàn)今小震活動相對密集，由于斷裂之間的差異活動，在第四紀(jì)時期沿斷裂帶形成一系列斷陷盆地和拉分型盆地如寧南盆地，其斷陷幅度在百米以內(nèi).小江斷裂北起巧家一帶，向南沿金沙江和小江河谷延伸，在巧家一段走向北北西、傾向西，在東川東南走向轉(zhuǎn)為近南北.則木河斷裂與小江斷裂帶北段、金沙江與北西向的黑水河支流在葫蘆口鎮(zhèn)匯合，該區(qū)位于河谷地帶，地形相對開闊，蓄水后被全部淹沒.沿小江斷裂發(fā)育一系列南北向串珠狀斷陷盆地，東西兩側(cè)均以斷裂為界，包括沿金沙江河谷延伸南北長達13 km、寬3～5 km的巧家盆地.水庫蓄水后，則木河斷裂帶沿黑水河支庫的淹沒長度約20 km，小江斷裂帶由巧家盆地直至小江支庫的庫尾斷續(xù)受庫水淹沒影響的長度近50 km.四開交際河、則木河、小江斷裂帶在晚第四紀(jì)以來持續(xù)左旋走滑，張性走滑有利于水庫誘發(fā)地震的發(fā)生.歷史上沿小江斷裂帶和金沙江曾發(fā)生多次M5以上地震，其中在庫區(qū)10 km范圍內(nèi)最大的是1930 年 5 月 15 日發(fā)生在巧家南的蒙姑M6.0地震，外圍曾發(fā)生過10次5.0級以上地震，包括近年來發(fā)生的2014年魯?shù)镸S6.5地震和2020年巧家MS5.0地震（圖1）.

圖1 白鶴灘庫區(qū)構(gòu)造、歷史地震及臺站分布圖圖中黑色矩形框代表大壩，黑色細線代表斷層，藍色實線代表河流，左圖中紅色粗線代表塊體邊界，右圖中紅色實線代表蓄水后水位上升超過30 m的庫段，震源機制解分別引用自Luo等（2016）和 Zhou等（2021）.Fig.1 Tectonic background,historical earthquakes and distribution of stations in Baihetan reservoir areaThe black rectangular boxes represents the dam,the thin black line represents the fault,the blue line represents the river,the red thick line on the left represents the block boundary,and the red line on the right represents the reservoir section where the water level rises more than 30 meters after storage.The focal mechanisms are from Luo et al.（2016） and Zhou et al.（2022）.

根據(jù)地層巖性、地質(zhì)條件、水文地質(zhì)和地震活動等因素，白鶴灘庫區(qū)沿金沙江主干道可劃分為五個誘發(fā)地震庫段，分別是壩址—頭道溝（Ⅰ）、頭道溝—蓮花塘（Ⅱ）、蓮花塘—黃坪（Ⅲ）、黃坪—干河溝（Ⅳ）和干河溝—庫尾（Ⅴ） （圖1b），每個庫段長約30 km.在劃分的五個庫段中，庫段Ⅱ和庫段Ⅲ可能是誘發(fā)構(gòu)造型水庫地震的重點危險庫段.此外，隨著白鶴灘大壩擋水，自葫蘆口鎮(zhèn)沿北西向黑水河支流的水位也出現(xiàn)了大幅度抬升，本文將該區(qū)域稱為庫段Ⅵ.

2 數(shù)據(jù)和處理

本文選取沿金沙江下游布設(shè)的水庫加密臺網(wǎng)記錄到的2016年1月1日至2021年12月31日的觀測數(shù)據(jù)，研究白鶴灘庫區(qū)周圍蓄水前、后地震活動特征.金沙江下游水庫加密臺網(wǎng)由課題組布設(shè)的74個臺站、中國地震局地球物理研究所巧家臺陣的62個臺站以及研究區(qū)內(nèi)四川、云南、貴州省的區(qū)域地震臺網(wǎng)的33個臺站，共計169 個臺站組成.白鶴灘庫區(qū)周圍被金沙江下游水庫加密臺網(wǎng)的63個臺站包圍（圖1b），臺間距在10 km以內(nèi)，微震監(jiān)測能力達ML1.0級以下.

白鶴灘水庫2021年4月6日開始下閘蓄水，水位由658 m逐漸抬升，至4月 13日壩前水位達到690 m時，在壩前以葫蘆口為中心，分別向大壩方向沿四開交際河、向南沿金沙江和小江斷裂出現(xiàn)地震活動.截至12月31日，我們記錄到庫區(qū)發(fā)生ML0級以上7401次，其中，ML0.0～0.9地震5400次，ML1.0～1.9地震1858次，ML2.0～2.9地震141次，ML3.0～3.9地震12次.截至目前的最大地震為2021年12月21日發(fā)生在四川寧南騎騾溝的ML3.9地震.

定位地震事件是地震監(jiān)測的中心任務(wù)（Miao et al.,2021）.本文首先采用波速比模型一致性約束的雙差地震層析成像算法（tomoDDMC）對2016年1月1日至2021年12月31日金沙江下游水庫加密臺網(wǎng)記錄到的地震事件進行精定位.Zhang和Thurber（2003，2006）在雙差定位算法hypoDD（Waldhauser and Ellsworth,2000）的基礎(chǔ)上開發(fā)了雙差層析成像算法tomoDD，該方法采用偽彎曲法尋找射線并且計算事件和臺站的走時差，實現(xiàn)了絕對走時、相對走時和速度結(jié)構(gòu)的聯(lián)合反演.Guo 等（2018）在此基礎(chǔ)上添加了波速比模型一致性約束，提出了tomoDDMC，結(jié)果更加穩(wěn)定且可靠.定位是采用三維速度結(jié)構(gòu)和定位聯(lián)合方法，選取的初始一維速度模型（圖2）來自于Xin等（2019）的層析成像結(jié)果，初始VP/VS設(shè)置為1.7.

圖2 一維初始速度模型（據(jù)Xin et al.，2019）Fig.2 The adopted 1D primary velocity model （From Xin et al.,2019）

為了保證定位結(jié)果的可靠性，在定位前我們對數(shù)據(jù)進行預(yù)處理。首先計算到時差，并且考慮到P波和S波到時拾取精度不同，分別賦予權(quán)重1和0.6，將水庫臺網(wǎng)記錄到時的觀測報告轉(zhuǎn)化為程序需要的到時差震相報告，然后挑選震中距小于200 km的臺站，挑選經(jīng)緯度范圍（26.0°N—29.0°N，102.0°E—104.6°E）內(nèi)的震相數(shù)據(jù)，并繪制走時曲線，根據(jù)走時曲線剔除偏差較大的數(shù)據(jù)。要求參與反演的每個地震至少要有8個到時記錄。對于到時差數(shù)據(jù)，在地震對匹配時，限制地震對的最大間距為10 km，每個地震的最大鄰居數(shù)為10，最終參與定位的地震事件自2016年1月1日至2021年12月31日共計29481個.

精定位后最終得到了金沙江下游地區(qū)28575個地震事件的重定位結(jié)果，我們重點關(guān)注蓄水后庫區(qū)附近的地震事件，但是為了提高定位精度，我們在雙差定位的時候選取的是時間空間范圍都大于我們所研究的區(qū)域，2016年1月1日至2021年12月31日雙差定位共丟失906個地震事件，蓄水后在庫區(qū)周圍只丟失了90個地震，丟失的地震大部分是零散分布的，不滿足重定位條件而舍棄.精定位后，地震分布更加集中（圖3），絕大多數(shù)地震在東西、北南方向誤差小于300 m，深度誤差大多數(shù)小于500 m（圖4a、4b、4c），誤差在垂直方向上比水平方向上大，是因為當(dāng)前的臺站分布均為地表觀測，在水平方向上的約束較深度要好.走時殘差均方根的平均值為0.014 s（圖4d）.

3 結(jié)果與分析

3.1 蓄水前后地震時空活動特征

圖3是精定位前后白鶴灘水庫蓄水前、后庫區(qū)地震活動的空間分布圖.圖5a、5c和5b、5d分別給出了白鶴灘水庫蓄水前、后庫區(qū)地震活動時間和深度分布.蓄水前地震主要分布在大壩附近、金沙江東側(cè)至2014年魯?shù)镸S6.5地震之間、小江斷裂帶北段和則木河斷裂.自2011年12月起，左、右岸壩頂834 m以上邊坡開挖工程開工；大壩主體自2017年4月12日開始混凝土澆筑，經(jīng)過4年的建設(shè)，實現(xiàn)全線澆筑到頂，在此期間大壩附近地震成簇分布.白鶴灘大壩東側(cè)位于昭通與蓮峰斷裂帶之間的地震活動主要是2014年魯?shù)镸S6.5地震以及2020年5月18日MS5.0地震序列活動，2014年魯?shù)镸S6.5地震余震以6.5地震震中為中心，形成了2個分別近東西向和南東向長約20 km的共軛條帶，近幾年地震沿近東西向條帶逐漸向西發(fā)展且范圍擴散（圖3c）.2020年巧家MS5.0地震附近也叢集大量微震活動.這些靠近金沙江的地震活動震源深度較淺，集中分布在0～6 km（圖5c）.地震沿則木河斷裂呈現(xiàn)條帶狀展布，震源深度在10 km左右，揭示則木河斷裂在這一段存在地震活動；沿小江斷裂帶北段及在巧家盆地東部分布的地震活動，震源深度在0～15 km范圍.

由圖3d可見，蓄水后，昭通—蓮峰斷裂帶之間魯?shù)镸S6.5、巧家MS5.0地震余震區(qū)在內(nèi)的地震活動圖像基本不變，金沙江下游流域附近的地震活動圖像與蓄水前出現(xiàn)顯著變化，蓄水影響了川滇塊體東邊界附近的地震活動圖像.地震活動以葫蘆口鎮(zhèn)（距離白鶴灘大壩約37 km）為中心，沿金沙江下游庫段Ⅰ、Ⅱ和北西向庫段Ⅵ形成了顯著的Y字形展布，呈現(xiàn)出地震活動沿著河流集中的圖像，魯?shù)橛嗾饏^(qū)活動性減弱.特別值得關(guān)注的是地震活動分別停止在上述幾個地震活動條帶的端部.

為了更加清晰的展示蓄水后地震活動特征，圖6給出了蓄水后不同時間段庫區(qū)地震空間分布.可見開始蓄水后的第一周內(nèi)，庫區(qū)地震活動平靜.

（1） 蓄水1周后

從時間上看，地震最先在葫蘆口一帶發(fā)生，隨后向北發(fā)展，在庫段I的葫蘆口至壩前7 km段形成了3個分別自江邊開始沿NNW向展布的小條帶，這幾個條帶的地震震源深度較淺，集中在0～8 km（圖6b）.此庫段中，白鶴灘大壩壩前7 km至大壩是水位抬升最大的庫段，截至2021年12月31日水位抬升近150 m，卻沒有地震發(fā)生.其原因可能是該庫段內(nèi)地質(zhì)條件所決定.蓮峰斷裂帶在該庫段穿過，其中包括了小田壩和棉沙灣斷層.小田壩斷層與金沙江之間主要出露的是前震旦系的變質(zhì)砂巖和震旦系的白云巖，前震旦系是區(qū)域隔水層，斷層出露高程在1000 m以上，水庫蓄水對小田壩斷裂的影響較??；棉沙灣斷層自新場至頭道溝沿江展布，庫水淹沒段10 km左右，斷層下盤為二疊系峨眉山玄武巖，性質(zhì)硬脆，產(chǎn)狀平緩，在斷層內(nèi)具有一定的導(dǎo)水性，但受限于其下伏的泥盆系、志留系砂頁巖等區(qū)域相對隔水層和斷層上盤前震旦變質(zhì)巖不透水層的限制，庫水沿斷裂帶的影響不會很深，故壩前地震較少.

蓄水1周后，在庫段II（葫蘆口至蓮花塘一帶）即出現(xiàn)地震活動，蓄水前地震只是分布在小江斷裂帶北段，并沒有落在巧家盆地內(nèi)（圖5a、5c）.蓄水后地震沿金沙江及巧家盆地、小江斷裂帶北段呈SSE向帶狀展布（圖5d、6b），震源深度相對葫蘆口以北較深，集中在0～10 km，并且呈現(xiàn)往南震源深度持續(xù)加深的特征（圖5d）.庫段II是白鶴灘水庫最為開闊的地帶，也是整個庫區(qū)地質(zhì)構(gòu)造、地震地質(zhì)條件以及水文地質(zhì)條件最為復(fù)雜的庫段，存在近南北至北北東向的小型向背斜，并受北西、南北和東西向的次級斷層切割.河谷兩岸在第四紀(jì)淹沒范圍內(nèi)均為第四紀(jì)河流相沉積，碳酸鹽巖地層發(fā)育.巧家盆地內(nèi)發(fā)育有與小江斷裂走向平行的數(shù)條隱伏充水?dāng)嗔褞?，斷裂兩?cè)含水層為喀斯特含水體和玄武巖含水體，斷裂在深部與喀斯特含水體之間可能存在水力聯(lián)系.地震活動在庫段II與III的銜接處，這里歷史上曾發(fā)生1930年巧家蒙姑M6.0地震.迄今為止，再往南的3個庫段河道10 km范圍內(nèi)依然很少出現(xiàn)地震活動.

圖3 精定位前后地震空間分布圖（a） 水庫臺網(wǎng)目錄蓄水前地震空間分布;（b） 水庫臺網(wǎng)目錄蓄水后地震空間分布;（c） 精定位后蓄水前的地震空間分布;（d） 精定位后蓄水后的地震空間分布.Fig.3 The spatial distribution of primary located and tomoDD relocated earthquakes（a） Primary located earthquakes before impoundment;（b） Primary located earthquakes after impoundment;（c） TomoDD relocated earthquakes before impoundment ;（d） TomoDD relocated earthquakes after impoundment.

圖4 定位誤差分布圖（a） 東西向;（b） 北南向;（c） 垂直向;（d） 走時殘差均方根分布圖.Fig.4 Distribution histograms of standard deviation error（a） EW direction;（b） NS direction;（c） Vertical direction;（d） Distribution of root mean square （RMS） of travel time residuals.

圖5 蓄水前、后庫區(qū)地震時空分布圖（a） 蓄水前地震時間分布;（b） 蓄水后地震時間分布;（c） 蓄水前地震隨深度分布;（d） 蓄水后地震隨深度分布.（b、d）中紅色曲線表示蓄水后水位抬升超過30 m的庫段.Fig.5 Spatial and temporal distribution of earthquakes in the reservoir area before and after impoundment（a） Temporal distribution of earthquakes before impoundment;（b） Temporal distribution of earthquakes after impoundment;（c） Source depth distribution of earthquakes before impoundment;（d） Source depth distribution of earthquakes after impoundment.The red curve in （b,d） represents the section where the water level rises by more than 30 m after impoundment.

圖6 不同蓄水時間段地震空間分布圖（a） 2021-04-06—2021-04-12;（b） 2021-04-13—2021-05-07;（c） 2021-05-08—2021-06-18;（d） 2021-06-19—2021-08-31;（e） 2021-09-01—2021-10-31;（f） 2021-11-01—2021-12-31.圖中灰色曲線表示河流，黑色曲線表示蓄水后水位抬升超過30 m的庫段.，羅馬字母表示庫段.黑色多邊形分別表示寧南盆地和巧家盆地.Fig.6 Spatial distribution of earthquakes in different time periods of reservoir impoundingThe gray curve represents river,the black curve represents the reservoir section where the water level rose by more than 30 m after impoundment,and the Roman letters represent the reservoir segment.The black polygons represent the Ningnan Basin and the Qiaojia Basin,respectively.

（2） 蓄水1個月后

自5月8日起（圖6c—f），自葫蘆口沿則木河斷裂方向的黑水河支流東側(cè)（庫段Ⅵ）開始出現(xiàn)地震活動，地震活動先開始于寧南盆地再往葫蘆口方向發(fā)展，呈與NNW走向的斷裂帶間盆地走向一致的帶狀展布，地震震源深度集中在0～9 km（圖5d），且距離黑水河支流越遠的地震深度越淺（3 km左右），靠近河流和斷裂的地震深度相對較深（8 km左右）.該庫段的地震活動停止于寧南附近，并沒有繼續(xù)往NW方向發(fā)展.對比蓄水前則木河斷裂帶地震分布可知（圖5c），蓄水后震源深度整體明顯變淺且偏離斷裂帶（圖5d）.則木河斷裂傾向NE，平行于黑水河延伸，此時庫水已自葫蘆口沿黑水河北西向回水至板板房一帶，推測地震活動的原因更多是庫水淹沒至寧南盆地而誘發(fā).

白鶴灘大壩水位抬升經(jīng)歷了兩個階段，第一階段由4月6日的658 m至7月1日升至780 m，之后持平在782 m至8月18日；第二階段自8月19日至9月30日抬升至816 m，之后逐漸小幅度下降至790 m左右持平.圖7給出了白鶴灘水庫蓄水后，壩前、葫蘆口和壩下水位隨時間變化特征.其中，壩前位于大壩上游1.8 km處，葫蘆口位于大壩上游30 km處，壩下位于大壩下游0.9 km處（圖6）.由于壩前、葫蘆口距離大壩較近且海拔相近，水庫蓄水后兩個站點水位同步變化.

圖8給出了蓄水前后水位變化與庫區(qū)地震震級、月地震頻次統(tǒng)計關(guān)系，都顯示出與水位變化的密切相關(guān)性.由圖8（c，d）可見，至2021年12月31日，庫區(qū)地震月頻次由蓄水前（2016年以來）不到80次，上升為500次以上，隨著2021年9月底大壩水位沖擊816 m，10月的地震月頻次達到了1200次.由圖8d可見，日頻次隨著水位的階段性變化出現(xiàn)幾次幅度不同的增強-減弱過程，在水位的大幅度抬升過程及達最高水位后的下降階段出現(xiàn)周期性起伏，其中達816 m水位時日地震活動頻次達到了最高.Lei等（2019）研究了四川長寧鹽礦和頁巖氣長短期注水與地震之間的可能聯(lián)系，也表明事件發(fā)生率與水的注入密切相關(guān).

3.2 地震活動參數(shù)特征

如前所述，基于三維速度模型獲取高精度的地震定位結(jié)果顯示庫區(qū)地震叢集性顯著，此特征也是水庫區(qū)誘發(fā)地震活動的典型特征（陳翰林等，2009；Yao et al.,2017）.為了深入認識蓄水后庫區(qū)的地震活動規(guī)律并分析地震活動成因，我們將庫區(qū)呈現(xiàn)Y字形分布的3個庫段的地震活動，進一步劃分為7個叢集區(qū)，其中庫段I包括1、2、3叢集區(qū)，庫段II包括4、5、6叢集區(qū)，庫段Ⅵ不再細分稱為7區(qū).圖9以不同的顏色顯示了分區(qū)，下面我們進一步分析各叢集地震活動日頻次及其與蓄水水位的關(guān)系.

由圖9可見，各叢集區(qū)地震活動與水位的關(guān)系不同.其中叢集1區(qū)對水位第一次大幅度抬升敏感，2區(qū)在第二次抬升至816 m又小幅度下降至790 m持平時發(fā)生了大量地震，其中ML3.9地震是迄今為止最大.叢集3、4、5區(qū)雖然地震頻次相對較少，但卻是時間上響應(yīng)最快的區(qū)域.叢集6區(qū)對開始蓄水的響應(yīng)也快且地震最為頻繁，3次ML≥3.5地震均發(fā)生在每次達到階段最高水位時.隨著水位抬升導(dǎo)致支流黑水河水位上升超過30 m時，叢集7區(qū)開始出現(xiàn)地震活動，在蓄水第二階段沖擊816 m水位過程中發(fā)生了一次ML3.5地震，且地震頻次在達最高水位816 m前后達到最大，此后地震活動顯著減弱.

圖10給出了各地震叢集區(qū)蓄水后的最小完備震級Mc和統(tǒng)計b值，本文采用b值穩(wěn)定法（Cao and Gao,2002）和最大曲率法（Wiemer，2000）確定各分區(qū)的最小完備震級，最大曲率法選取震級頻率曲線中斜率最大值所對應(yīng)的震級作為Mc，b值穩(wěn)定法將b值的穩(wěn)定性視為Mc的函數(shù)，當(dāng)Mc在正確的范圍內(nèi)時，b值基本保持不變.最大曲率法簡單易行但結(jié)果往往偏小，b值穩(wěn)定法結(jié)果比較可靠，但是需要的地震數(shù)目較多，所以本文綜合考慮了上述兩種方法確定Mc.采用最大似然法計算各叢集區(qū)的地震活動b值.

如前文所述，由于蓄水前各庫段地震活動弱，蓄水后在這3個庫段出現(xiàn)了地震活動填空，因此b值的對比沒有意義，只能得出蓄水后的地震活動b值基本都大于1.0，符合水庫誘發(fā)地震具有高b值的特征（Yao et al.,2017）.其中小江斷裂帶北段東側(cè)的5區(qū)最大，b值為1.3.李春宏等（2018）在白鶴灘水庫蓄水前利用全國地震編目和水庫地震資料計算得到庫區(qū)本底b值為0.966.

4 討論與結(jié)論

隨著經(jīng)濟發(fā)展對清潔能源的迫切需求，我國在西部高烈度區(qū)修建了流域型梯級高壩大庫，提供了巨大的清潔能源，也帶來了水庫區(qū)誘發(fā)/觸發(fā)地震問題.認識高烈度區(qū)水庫地震的活動特征和成因、開展危險性預(yù)測，是經(jīng)濟發(fā)展帶來的科學(xué)問題.白鶴灘大壩是金沙江下游梯級電站的第三級大壩，壩高庫容世界排名第二，庫區(qū)地質(zhì)背景復(fù)雜.本文通過對高密度觀測臺陣數(shù)據(jù)采用三維模型定位，開展白鶴灘大壩蓄水前后的地震精確定位，獲得了誤差在百米量級的水庫區(qū)高精度地震定位結(jié)果，分析蓄水前后地震活動規(guī)律和水庫地震特征和成因，為水庫地震研究積累前所未有的高精度、全過程觀測成果.取得認識如下：

圖7 白鶴灘水庫各站點水位時序圖Fig.7 Time series diagram of water level of each site

（1） 白鶴灘水庫蓄水導(dǎo)致庫區(qū)范圍內(nèi)的地震活動圖像發(fā)生了顯著變化.

蓄水前地震主要受區(qū)域應(yīng)力場控制，沿斷裂帶分布.蓄水后在金沙江主干道和黑水河支流的3個庫段出現(xiàn)了顯著微震活動.

（2） 白鶴灘庫區(qū)的地震活動以微震為主，截至2021年12月31日共發(fā)生地震7401次，其中ML<1.0地震5400次，ML1.0～1.9地震1848次，ML2.0～2.9地震141次，ML3.0～3.9地震12次.地震活動時間上相對蓄水過程呈快速響應(yīng)型，蓄水后月地震頻次顯示出與水位抬升變化的密切相關(guān)性；日頻次則隨著水位的階段性變化，在其大幅度抬升過程及達高水位后的下降階段出現(xiàn)周期性起伏，3級以上地震都發(fā)生在水位達760 m（水位抬升100 m以上）以后的上升或下降過程中.低水位穩(wěn)定階段較為平靜，高水位穩(wěn)定階段地震數(shù)目增多但是變化速率不大，低水位升高變化階段叢集1區(qū)較為活躍、叢集3、4、5區(qū)對水位升高最為敏感，高水位下降變化階段叢集2區(qū)地震活動頻繁且發(fā)生了水庫蓄水以來庫區(qū)最大地震，叢集6區(qū)在低水位升高變化階段地震活動最為頻繁，3次ML≥3.5地震均發(fā)生在每次達到階段最高水位時.叢集7區(qū)地震頻次在最高水位816 m附近達到最大.各個叢集區(qū)地震活動特征顯示，在高水位地震活動頻次對水位變化速率較為敏感.

圖8 白鶴灘庫區(qū)地震活動震級、頻次及水位時序圖（a） 2016—2021震級-時間和壩前水位;（b） 2021年震級-時間和壩前水位；（c） 2016—2021月頻次-時間和壩前水位;（d） 2021年日頻次-時間和壩前水位.Fig.8 Magnitude,activity rates of seismicity and daily water level changes（a） Magnitude-Time sequence and water level during 2016—2021;（b） Magnitude-Time sequence and water level during 2021;（c） Monthly active rate statistics and water level during 2016—2021;（d） Daily active rate statistics and water level during 2021.

圖9 蓄水后不同叢集地震活動震級與大壩日水位Fig.9 Magnitute-time sequence and daily water level changes of different cluster after impoundment

圖10 各叢集地震活動完備性震級和b值（a） b值穩(wěn)定法確定Mc;（b1—b7） 最大曲率法確定Mc.圓點代表累計地震頻次,三角形代表非累計地震頻次.Fig.10 The Mc and b value of seismicity for each cluster（a） The Mc by b-value stability approach;（b1—b7） The Mc by maximum curvature technique.Dots represent statistics of cumulative earthquake number,triangles represent statistics of non-cumulative earthquake number.

（3） 蓄水后庫區(qū)地震活動空間上在以距離大壩37 km的葫蘆口鎮(zhèn)為中心，分別沿四開交際河和金沙江、則木河斷裂和黑水河分支、小江斷裂北段和金沙江主干道呈現(xiàn)在三個庫段Y字形集中分布的特征，在3個方向上的地震長度分別約30 km.地震沿四開交際河和金沙江往大壩方向的地震條帶至距離大壩7 km左右停止，沿NW向則木河斷裂和黑水河分支方向的地震活動在寧南附近停止，沿小江斷裂北段和金沙江向南的地震活動至1930年5月15日巧家南蒙姑M6.0地震附近停止.造成這種活動特征的成因與庫區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造、巖性、水文地質(zhì)環(huán)境等密切相關(guān)，需要深入研究.

（4） 定位結(jié)果揭示庫段Ⅰ和Ⅱ的地震活動叢集特征顯著，分為幾個地震叢集條帶.各條帶的響應(yīng)時間和強度不同，但b值均大于1.其中第Ⅰ庫段呈現(xiàn)3個互相平行且與主河道交匯的NW走向條帶，發(fā)生最大地震ML3.9地震，在該庫段內(nèi)的四開—交際河斷裂尚沒有監(jiān)測到地震活動；Ⅱ庫段自葫蘆口至小江斷裂北段的地震沿斷裂帶東西兩支以及巧家盆地內(nèi)發(fā)生，蓄水后地震的深度在10 km左右，且深度自北向南逐漸加深.該庫段的地震活動頻次和強度都為蓄水后最大，有3次ML3.8、1次ML3.7地震；第Ⅵ庫段地震沿黑水河?xùn)|側(cè)河谷地帶分布，深度較淺，最東側(cè)的地震深度僅3 km左右，在西北端部寧南附近發(fā)生了ML3.5地震.分析認為蓄水前則木河斷裂帶的地震活動沿斷裂帶集中展布，蓄水后的地震活動位于遠離斷層的河谷盆地，則木河斷層尚沒有出現(xiàn)顯著地震活動.

（5）與金沙江交匯或在庫區(qū)近場范圍的幾個大型斷裂帶中，目前小江斷裂北段存在蓄水后的地震活動.在區(qū)域應(yīng)力場的作用下，小江斷裂帶表現(xiàn)為張扭性活動，較寬的破碎帶及影響帶為地表水向地下入滲以及地下水的運移和富集提供了通道，而且斷裂帶地層破碎、裂隙發(fā)育，為巖溶活動提供了便利條件.后期的長期蓄水過程中，在庫水荷載和滲透共同作用下，庫區(qū)介質(zhì)孔隙壓的增大及介質(zhì)強度的降低弱化，不排除在小江斷裂帶北段誘發(fā)與構(gòu)造相關(guān)的地震活動.未來一年內(nèi)白鶴灘庫區(qū)蓄水位將沖擊825 m設(shè)計水位，庫區(qū)的地震活動值得繼續(xù)關(guān)注.

致謝中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的張海江教授提供的地震精定位程序tomoDDMC，本文使用了中國地震局地球物理研究所巧家臺陣的數(shù)據(jù)，圖件均采用GMT（Wessel et al.,2013）繪制，幾位審稿專家提出了寶貴建議，在此一并致謝.