新豐江庫區(qū)晚期地震活動(dòng)與庫水位關(guān)系研究

劉 錦，陳大慶，譚爭(zhēng)光，陳貴美

（廣東省地震局，廣州 510070）

0 引言

庫水的載荷和滲透作用在水庫誘發(fā)地震中起著非常重要的作用，水庫地震緣于流體滲透以及外加載荷的共同作用。廣東新豐江水庫區(qū)在1962年發(fā)生6.1 級(jí)地震后至今仍然是小震活動(dòng)不斷，2023年以來水庫區(qū)接連發(fā)生4級(jí)左右地震，引起較為廣泛的社會(huì)關(guān)注。關(guān)于新豐江水庫區(qū)域的地震活動(dòng)前人從不同角度做了很多的研究工作，丁原章［1-3］對(duì)新豐江水庫誘發(fā)地震的構(gòu)造條件、庫區(qū)地震活動(dòng)、地殼形變等做了詳細(xì)研究；于海英［4］利用新豐江水庫的近場(chǎng)地面運(yùn)動(dòng)資料研究了水庫地震的地震動(dòng)特征；王小娜等［5］利用新豐江水庫周圍14個(gè)臺(tái)站記錄的Pg 波、Sg 波震相數(shù)據(jù)研究庫區(qū)波速比變化特征。隨著數(shù)字化地震觀測(cè)技術(shù)的誕生和應(yīng)用，進(jìn)一步推進(jìn)了水庫地震的研究深度。藏紹先等［6］通過對(duì)新豐江水庫地震活動(dòng)過程系列特征的研究，結(jié)合庫區(qū)斷層滲透結(jié)構(gòu)特征，提出庫區(qū)地震主要成因?yàn)閹焖疂B透。郭貴安等［7］通過研究庫區(qū)小震震源機(jī)制解，指出因滲水新豐江原有北西向構(gòu)造面上的抗剪強(qiáng)度弱化，快速蓄水在庫區(qū)地殼內(nèi)積累了較大能量，引發(fā)6.1 級(jí)主震以及一系列前震。

通常在水庫蓄水的前期，庫水位的變化和地震活動(dòng)關(guān)系密切［5］。新豐江水庫自從1959 年10 月下閘蓄水，1962 年3 月19 日發(fā)生6.1 級(jí)地震后的1962—1964 年為新豐江水庫主要釋放階段，該階段水庫水位與地震活動(dòng)的強(qiáng)弱，有較好的關(guān)系。水位快速升降后，通常都可以觸發(fā)出一些強(qiáng)度較大的地震，特別是水位上升階段，隨著水位的不斷升高，地震的強(qiáng)度也逐漸增大。1965—1969 年為余震釋放階段，該階段水庫水位的升降與所發(fā)生地震的強(qiáng)度顯然無關(guān)。1967 年的2 次4 級(jí)地震既未發(fā)生在高水位，也未發(fā)生在水位快速上升的時(shí)段。1970 年至今，新豐江水庫的地震活動(dòng)進(jìn)入了晚期余震釋放階段。特別是2012 年以來，之前地震較少的錫場(chǎng)和魚坑等地接連發(fā)生了多次4～5 級(jí)地震，意味著新豐江地區(qū)的地震活動(dòng)出現(xiàn)了新的變化特征。

為深入分析新豐江水庫水位變化與地震活動(dòng)的關(guān)系，本文統(tǒng)計(jì)了1980 年以來新豐江庫區(qū)3 級(jí)以上地震和0.2 級(jí)以上地震頻次變化與庫水位及變化速率的關(guān)系。研究結(jié)果既有助于理解注水誘發(fā)地震的機(jī)制，也可為水庫區(qū)域的震情跟蹤提供參考。

1 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)選取

河源地區(qū)的新豐江水庫主要座落在燕山期花崗巖體上，巖體侵入到古生界和中生界沉積巖系中，巖體東側(cè)與晚白堊紀(jì)—第三紀(jì)斷陷盆地?cái)鄬咏佑|，呈NEE 向延伸，長(zhǎng)達(dá)數(shù)百公里，受到多條不同走向的斷裂切割，NE—NNE 向斷裂是地表最醒目的斷裂構(gòu)造，規(guī)模較大的有河源斷裂和人字石斷裂。NEE 向斷裂雖然在地表未形成規(guī)模巨大的斷裂，但通過航空磁測(cè)和區(qū)域重力資料研究，在地殼中下層，NEE向構(gòu)造則屬本區(qū)的最主要構(gòu)造，如南山—坳頭構(gòu)造帶和凹背—上圍斷裂帶（圖1）。

圖1 新豐江地區(qū)斷裂和地震分布圖Fig.1 Distribution map of faults and earthquakes in Xinfengjiang area

數(shù)據(jù)來自廣東省地震監(jiān)測(cè)臺(tái)網(wǎng)1980 年以來地震目錄，研究區(qū)域選取北緯23.6°～24.0°，東經(jīng)114.3°～114.8°。

2 大壩水位與地震活動(dòng)關(guān)系研究

2.1 庫水位以及庫水位變化速率和3 級(jí)以上地震的關(guān)系

1980 年1 月1 日至2023 年3 月9 日新豐江水 庫區(qū)域共發(fā)生52 次3 級(jí)以上地震（包含余震），其中4級(jí)以上地震13次，M-T圖（圖2）顯示新豐江地區(qū)地震呈成組活動(dòng)特征，地震活動(dòng)相對(duì)較弱時(shí)期為1986—1997 年，2001—2011 年，2016—2019 年。表1中列出了13次4級(jí)以上地震的發(fā)震時(shí)間、震級(jí)以及發(fā)震當(dāng)天庫水位的高程。從中可以看出，2000 年之前的4 級(jí)以上地震都發(fā)生在104 m 以下（圖3）水位相對(duì)較低的時(shí)間段。而2012 年之后4 級(jí)以上地震都發(fā)生在104 m 水位以上，水位相對(duì)較高的時(shí)間段。這種差異可能和兩個(gè)時(shí)間段發(fā)震的位置不同有關(guān)，2000年之前的4級(jí)地震都是發(fā)生在大壩附近的區(qū)域，該區(qū)域自1962年6.1級(jí)地震以來中小地震活動(dòng)不斷，而2012 年之后4 級(jí)地震多發(fā)生在庫中的魚坑、庫尾的錫場(chǎng)以前地震并不多的區(qū)域。圖4為地震震級(jí)和庫水位高度的關(guān)系，陰影部分表示4 級(jí)以上地震，對(duì)應(yīng)的庫水位在110 m 之下，統(tǒng)計(jì)表明地震震級(jí)和庫水位高度有一定程度的負(fù)相關(guān)性。

表1 M≥4地震震級(jí)和庫水位高程統(tǒng)計(jì)表Table 1 Statistical table of magnitude and reservoir waterlevel elevation for earthquakes with M≥4

圖2 新豐江地區(qū)1980年以來3級(jí)以上地震M-T圖Fig.2 M-T diagram of earthquakes with M≥3 in Xinfengjiang area since 1980

圖3 1980年以來新豐江地區(qū)3級(jí)以上地震和庫水位高程的關(guān)系Fig.3 Relationship between earthquakes with M≥3 and reservoir water level elevation in Xinfengjiang area since 1980

圖4 庫水位和地震震級(jí)的關(guān)系Fig.4 Relationship between reservoir water level elevation and earthquake magnitude

庫水位的快速變化有可能引起地震的發(fā)生［5］，本文進(jìn)一步研究了新豐江庫區(qū)3級(jí)以上地震前庫水位變化的特征。圖5 展示了4 級(jí)以上地震（不包含余震）前10天庫水位的日變化曲線。從中可以看到10 次地震中有7 次發(fā)生在水位卸載區(qū)間，只有3 次發(fā)生在加載區(qū)間，并且震前10 天這種變化是持續(xù)的，在臨震的前幾天都幾乎未見水位變化速率的提升。圖6 為1980 年以來52 次3 級(jí)以上地震前10天和前30 天庫水位變化幅度。其中20 次3.5 級(jí)以上地震（陰影部分）中有14 次發(fā)生在水位卸載區(qū)間占70%，只有4 次發(fā)生在水位加載區(qū)間，另外有2次庫水位幾乎沒有變化。說明水位卸載時(shí)間段是相對(duì)高震級(jí)地震的優(yōu)勢(shì)時(shí)間段。

圖5 1980年以來M＞4地震震前10天水位的日變化Fig.5 Daily variation of water level in 10 days before earthquakes with M＞4 since 1980

圖6 庫水位變化幅度和地震震級(jí)的關(guān)系Fig.6 Relationship between variation amplitude of reservoir water level and earthquake magnitude

2.2 庫水位和小震活動(dòng)的關(guān)系

新豐江水庫蓄水至今中小地震不斷，新豐江庫區(qū)臺(tái)網(wǎng)較為密集，根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)［5，8］地震最小完備震級(jí)可達(dá)MC=0.2。圖7 中統(tǒng)計(jì)了1980 年以來新豐江庫區(qū)10日地震累積0.2級(jí)以上地震頻次和庫水位的關(guān)系。10 日地震累積頻次高于40 次的共計(jì)有46 次，其中有41 次發(fā)生在水位103 m 以上，占比89.1%，而水位在此區(qū)間的時(shí)間占比為66.3%。說明高水位更容易引起小震頻度的增加。

圖7 庫水位和10天M≥0.2地震累積頻次的關(guān)系Fig.7 Relationship between reservoir water level elevation and the cumulative frequency of earthquakes with M≥0.2 in 10 days

2.3 庫水位和小震平靜的關(guān)系

新豐江庫區(qū)經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)連續(xù)多天小震活動(dòng)平靜，本文統(tǒng)計(jì)了1980 年以來新豐江庫區(qū)共計(jì)出現(xiàn)過22 次M≥0.2 地震平靜超過15 天，主要集中在2000 年以后。其中平靜時(shí)間超過20 天的有8 次，最長(zhǎng)平靜時(shí)間為32 天。圖8 顯示的是這22 次超長(zhǎng)平靜和庫水位的關(guān)系，圖8統(tǒng)計(jì)了平靜時(shí)間長(zhǎng)短與平靜時(shí)間段內(nèi)庫水位的變化。從以上統(tǒng)計(jì)上看，新豐江庫區(qū)小震的平靜與庫水位高低，以及庫水位的變化沒有直接的關(guān)聯(lián)。

圖8 地震平靜與庫水位高程的關(guān)系Fig.8 Relationship between seismic calm period and reservoir water level elevation

3 討論與結(jié)論

新豐江庫區(qū)自1959 年蓄水以來，前期流體滲透導(dǎo)致的裂隙或斷層面強(qiáng)度降低，庫區(qū)的地震活動(dòng)水平和庫水位的變化有著較為顯著的相關(guān)性。根據(jù)前人研究成果，水庫區(qū)的水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)是水庫誘發(fā)地震的制約因素［9］，水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)是指斷層滲透結(jié)構(gòu)和巖體滲透穩(wěn)定性的組合，兩者的組合形式對(duì)孔隙壓力變化下短促的力學(xué)響應(yīng)具有重要影響。2013 年鐘羽云引入模糊數(shù)學(xué)方法［10］，定義水庫水位從屬函數(shù)，結(jié)合水庫地震的流體擴(kuò)散機(jī)制假設(shè)，得出新豐江水庫蓄水初期水位是影響庫區(qū)地震活動(dòng)的主要外因，影響時(shí)間為6年。這與本文從庫水位變化、水位速率變化等方面的分析得出1980 年以來庫水位變化與庫區(qū)地震活動(dòng)的關(guān)系相關(guān)性不大是一致的。

2014 年蔣海昆［11］結(jié)合微震活動(dòng)的流體作用強(qiáng)度檢測(cè)及孔隙壓擴(kuò)散模擬，以三峽庫區(qū)微震活動(dòng)為例，討論了不同時(shí)期水庫地震活動(dòng)主要影響因素，蓄水后期由于流體滲透引起的孔隙壓力變化變化趨于零，在新的流體平衡條件下，庫水位加卸載過程導(dǎo)致的裂隙或斷層面上的應(yīng)力變化，成為庫區(qū)微震活動(dòng)的主要影響因素。通過研究1980年以后新豐江庫水位和微震活動(dòng)關(guān)系，認(rèn)為新豐江庫區(qū)水位高于103 m 和小震頻次的增加有一定的關(guān)聯(lián)性，但小震的平靜和庫水位無顯著關(guān)聯(lián)性。這種特征可能是由于水的滲流和有效圍壓的影響。

新豐江高水位和庫區(qū)3級(jí)以上地震無明顯關(guān)聯(lián)性，相反震級(jí)和水位高低有一定程度負(fù)相關(guān)性。2012 年以來新出現(xiàn)的地區(qū)如魚坑、錫場(chǎng)等區(qū)域易發(fā)生在相對(duì)高水位時(shí)間段。而大壩附近的地震相對(duì)容易發(fā)生在低水位時(shí)間段。說明經(jīng)過多年庫水位的載荷以及滲透作用可能會(huì)引起一些新的區(qū)域的地震，這些區(qū)域的地震可能對(duì)庫水位載荷的作用更加敏感。

新豐江庫區(qū)3.5 級(jí)以上地震更容易發(fā)生在水位下降時(shí)間段內(nèi)，并且在臨震前的10 天左右未見水位的快速變化。水庫卸載階段地震活動(dòng)增強(qiáng)，可能是由于過?？紫秹毫υ斐伤矔r(shí)破裂引起的，由此可見，水庫卸荷階段的地震活動(dòng)更值得關(guān)注。