新疆努爾加水庫周邊區(qū)域地震活動(dòng)性特征

摘要：水庫庫區(qū)附近的地震活動(dòng)性對(duì)水庫的安全運(yùn)行有重要影響。為了進(jìn)一步理解構(gòu)造活躍區(qū)地震活動(dòng)與水庫蓄水的關(guān)系，以新疆努爾加水庫為例，采用模版匹配濾波方法對(duì)2014—2018年庫區(qū)附近的地震事件進(jìn)行了檢測，完備震級(jí)（MC）由檢測前的1.1降低至0.5，b值為0.86。利用雙差定位法對(duì)檢測事件中的1 064個(gè)事件進(jìn)行了重定位，地震定位結(jié)果及波形相似性分析顯示，水庫蓄水后在庫區(qū)下游形成的兩個(gè)地震叢集分屬于不同的發(fā)震構(gòu)造。受庫區(qū)東西兩側(cè)昌吉背斜和喀拉扎背斜的控制，兩叢集地震活動(dòng)分別位于積累了大量形變的反沖斷層上盤和背斜生長行成的膝折帶中。地震活動(dòng)在時(shí)間上還與蓄水水位的周期性變化相關(guān)。根據(jù)地震活動(dòng)時(shí)空演化特征推斷，庫水沿著砂礫巖層向下滲流，改變了介質(zhì)強(qiáng)度或斷層的摩擦阻力，促使構(gòu)造應(yīng)力的釋放，這是地震活動(dòng)增加的主要物理機(jī)制。

關(guān)鍵詞：努爾加水庫；微震檢測；波形互相關(guān)；地震定位；地震活動(dòng)性

中圖分類號(hào)：P315.72文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1000-0666（2024）04-0503-14

doi：10.20015/j.cnki.ISSN1000-0666.2024.0056

0引言

隨著水庫在世界各地興建，人們陸續(xù)在多個(gè)水庫庫區(qū)附近觀測到與蓄水過程相關(guān)的破壞性地震（Gupta，2002；McGarr et al，2002），地震學(xué)研究中采用水庫觸發(fā)地震來描述這類特殊的地震活動(dòng)。全球范圍內(nèi)已有超過150余例水庫觸發(fā)地震的報(bào)道，其中40余例位于中國大陸地區(qū)（蔣海昆等，2014）。國內(nèi)水庫觸發(fā)地震的報(bào)道主要集中在黃河以南地區(qū)，以西南、華東、華南地區(qū)居多，分布于不同的地質(zhì)構(gòu)造帶。天山區(qū)域是我國構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈的地質(zhì)構(gòu)造帶之一（張培震等，2003；張國民等，2005），區(qū)域內(nèi)常有6級(jí)以上破壞性地震活動(dòng)。但在天山區(qū)域卻少有水庫誘發(fā)地震的報(bào)道，僅有的兩個(gè)案例是位于南天山的克孜爾水庫1993年M4.4地震、2005年M5.3地震和恰普其海2006年M4.6地震（蔣海昆等，2014）。對(duì)于北天山區(qū)域水庫蓄水對(duì)區(qū)域地震活動(dòng)影響的研究相對(duì)較少。

2015年1月位于北天山北坡中段的努爾加水庫建成蓄水，這是一座兼具供水、防洪、灌溉三大功能的控制性水利樞紐工程，總設(shè)計(jì)庫容為6 844萬m3，控制流域面積近8 000萬m2，屬于Ⅲ等中型水庫（王永濤，2011）。水庫位于三屯河流域的中低山區(qū)，距上游三屯河水庫17 km，距下游西干渠首7.3 km。在運(yùn)行的第二年（2016年）庫區(qū)附近出現(xiàn)一系列地震活動(dòng)，引起關(guān)注。開展努爾加水庫地震活動(dòng)性的觀測研究為我們提供了一個(gè)進(jìn)一步討論在北天山區(qū)域水庫蓄水與庫區(qū)周邊地震活動(dòng)關(guān)系的良好機(jī)會(huì)。

本文對(duì)努爾加水庫蓄水前后庫區(qū)周邊地震活動(dòng)的時(shí)空演化特征進(jìn)行分析，討論水庫蓄水對(duì)庫區(qū)周邊地震活動(dòng)的影響。采用模版匹配濾波（Peng，Zhao，2009；Meng et al，2012）及基于波形互相關(guān)的地震定位技術(shù)（Yang et al，2009）來完善水庫蓄水前1年、后4年庫區(qū)周邊的地震目錄。通過分析努爾加水庫地震活動(dòng)的時(shí)空演化特征，結(jié)合區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造背景及水庫蓄水過程，討論努爾加水庫庫區(qū)周邊地震活動(dòng)的發(fā)震機(jī)制以及水庫蓄水對(duì)庫區(qū)周邊地震活動(dòng)的影響。

1努爾加水庫地質(zhì)構(gòu)造背景

天山是遠(yuǎn)離板塊邊界的大陸內(nèi)部山系，新生代以來受到強(qiáng)烈的擠壓和隆升等構(gòu)造變形作用，形成了歐亞大陸內(nèi)部再生造山帶（鄧起東等，1999；張培震等，2003；張國民等，2005）。北天山區(qū)域近水平沿NNE向的最大主壓應(yīng)力，受到博格達(dá)山和博羅科努山堆積造成的擠壓隆升影響，以東經(jīng)87°為界發(fā)生偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)角度約9°（李艷永等，2018）。在近南北向的強(qiáng)烈擠壓作用下，天山南、北山前地區(qū)發(fā)育了多個(gè)凹陷盆地（楊曉平等，2008）。在天山北麓發(fā)育了兩個(gè)不同類型的逆斷裂-褶皺構(gòu)造，分別為烏魯木齊以西的北天山山前逆斷裂-背斜活動(dòng)構(gòu)造系和烏魯木齊以東的博格達(dá)逆沖推覆構(gòu)造系（汪一鵬，沈軍，2000；陳立春，2011）。北天山主要構(gòu)造及歷史地震如圖1a所示。

努爾加水庫地處北天山北麓中段，臨近構(gòu)造活動(dòng)較為活躍的天山地區(qū)。努爾加水庫庫區(qū)（86.98°～87.07°E，43.80°～43.87°N）位于上述兩構(gòu)造系之間，昌吉背斜北翼與喀拉扎背斜交匯處（張子鳳，2014）。距離庫區(qū)10 km范圍內(nèi)發(fā)育有兩條北傾的逆斷層（陳偉等，2010），分別為昌吉斷裂（圖1b，F(xiàn)1）和喀拉扎斷裂（圖1b，F(xiàn)2）。其南部為南準(zhǔn)噶爾斷裂（圖1b），北天山區(qū)域歷史上記錄到的最大地震為瑪納斯7.7級(jí)地震（顧功敘，1984）和2016年12月8日的呼圖壁MS6.2地震（Gong et al，2019；Wang et al，2019），都被認(rèn)為與此斷層相關(guān)。庫區(qū)基底基巖巖性由巨厚層狀的砂礫巖、礫巖組成，其中夾含礫泥質(zhì)砂巖透鏡體，地層產(chǎn)狀傾向下游（270°～280°NE∠29°～30°）。

努爾加水庫的選址地三屯河是一條雨雪混合補(bǔ)給的山溪性中小型內(nèi)陸河，發(fā)源于天山北坡中段的天格爾峰，跨越高、中、低山帶，出山口后進(jìn)入平原灌溉區(qū)，最終消失于沙漠中（張婉君，2020）。三屯河徑流量年際變化平穩(wěn)，多年平均年徑流量為3.55億m3，是北天山中段徑流量最大的河流，但是年內(nèi)徑流分布極度不均勻，季節(jié)性和月徑流變化較大，來水量主要集中在6～9月，徑流量為2.77億m3，約占全年來水量的78%（陳俊仁，2017），致使庫區(qū)水位呈現(xiàn)大幅度的周期性年變化。

2庫區(qū)周邊地震活動(dòng)檢測及定位水庫蓄水對(duì)周邊地震活動(dòng)的影響通常集中在庫區(qū)附近約10 km內(nèi)，因此，我們將研究區(qū)域限定為努爾加水庫庫區(qū)周邊10 km以內(nèi)的范圍（圖1b中的黑色框）。

由中國地震臺(tái)網(wǎng)統(tǒng)一目錄（以下簡稱臺(tái)網(wǎng)目錄）可見，研究區(qū)域內(nèi)水庫蓄水前（2011—2014年）庫區(qū)附近的地震活動(dòng)并不強(qiáng)烈，2級(jí)以上地震平均約2.7次/年，而在蓄水后的第二年（2016年）共發(fā)生10次2級(jí)以上地震（圖2）。尤其是在三屯河汛期（4—10月）接連發(fā)生4次3級(jí)以上地震，其中最大地震事件發(fā)生在4月30日，震級(jí)為ML3.8，是2011年以來最大的地震事件（圖2）。其后，地震活動(dòng)逐漸減弱，并在2018年逐步恢復(fù)至水庫蓄水之前的水平。因此，本文選取2014年1月至2018年12月的數(shù)據(jù)，期間臺(tái)網(wǎng)目錄共記錄到271次地震事件。

由于北天山區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜（鄧起東等，1999；楊曉平等，2008），庫區(qū)周邊固定地震臺(tái)站分布較為稀疏，距離庫區(qū)100 km以內(nèi)僅有5個(gè)固定地震臺(tái)，這些因素可能會(huì)導(dǎo)致目錄構(gòu)建過程中大量地震事件被遺漏、因臺(tái)網(wǎng)目錄，基于單事件法震源位置確定存在偏差等，進(jìn)而影響地震活動(dòng)性分析的可靠性。

收集庫區(qū)100 km以內(nèi)的固定地震臺(tái)網(wǎng)（圖1b中黑色三角形）及“呼圖壁計(jì)劃”（Ji et al，2021；Zhang et al，2022）架設(shè)的流動(dòng)地震臺(tái)網(wǎng)（圖1b中藍(lán)色三角形）觀測數(shù)據(jù)，采樣頻率均為100 Hz。流動(dòng)地震臺(tái)網(wǎng)的觀測開始于2013年6月，在研究時(shí)窗內(nèi)分階段先后布設(shè)了30個(gè)流動(dòng)觀測臺(tái)站，有效彌補(bǔ)了地震觀測系統(tǒng)在庫區(qū)北側(cè)的缺失（圖1b）。

目前以波形互相關(guān)技術(shù)為基礎(chǔ)的模板匹配濾波技術(shù)是一種低信噪比下檢測遺漏地震事件的有效方法（Peng，Zhao，2009；Meng et al，2012）。該方法以震相清晰的地震事件作為模板，利用波形相關(guān)性，掃描連續(xù)波形數(shù)據(jù)，尋找與模板事件波形相似度高的一段連續(xù)波形，作為新檢測事件，實(shí)現(xiàn)對(duì)微弱地震事件的自動(dòng)識(shí)別和檢測。其對(duì)具有相似發(fā)震機(jī)理且傳播路徑相近的地震事件具有很好的檢測效果，已經(jīng)應(yīng)用于地脈動(dòng)檢測、余震序列變化以及確定發(fā)震構(gòu)造等方面（Shelly et al，2007；Peng，Zhao，2009；Yang et al，2009；侯金欣，王寶善，2017）。

相較于單事件定位，雙差定位方法（HypoDD）可以一定程度減小由于地殼復(fù)雜性而引起的誤差，隨后發(fā)展出的波形互相關(guān)技術(shù)可以被應(yīng)用于震相的到時(shí)差的計(jì)算（Yang et al，2009），大大提高了到時(shí)差拾取精度，進(jìn)而提高地震定位精度（黃媛等，2006；Waldhauser，Schaff，2008）?；诓ㄐ位ハ嚓P(guān)技術(shù)的雙差定位方法（Waldhauser，Ellsworth，2000），可以有效構(gòu)建區(qū)域地震目錄，并且有助于地震學(xué)家更為詳盡地刻畫地震叢集發(fā)震構(gòu)造、分析地震活動(dòng)的時(shí)空演化特征、討論地震序列的成因（易桂喜等，2017）。這種方法一方面可以提高模板事件的定位精度，另一方面可以高效的確定檢測事件的空間分布（侯金欣，王寶善，2017）。

2.1模板事件的重定位

本文首先對(duì)2013—2018年研究區(qū)域內(nèi)超過4個(gè)臺(tái)站（包含固定地震臺(tái)站和流動(dòng)地震臺(tái)站）記錄的223個(gè)地震事件進(jìn)行重定位。重定位所采用的速度模型為Sun等（2012）校正的適用于北天山區(qū)域的一維速度模型。

臺(tái)網(wǎng)目錄事件的重定位先利用Hypoinverse方法（Klein，2002）進(jìn)行單個(gè)事件的絕對(duì)定位，初步確定震源位置，再利用雙差定位方法（Waldhauser，Ellsworth，2000）進(jìn)行相對(duì)定位，獲得更為精確的定位結(jié)果。絕對(duì)定位采用人工拾取的2 709條P波和2 256條S波的到時(shí)數(shù)據(jù)；相對(duì)定位采用的事件對(duì)震相走時(shí)差則利用互相關(guān)技術(shù)提取獲得。走時(shí)差的計(jì)算遵循Yang等（2009）提出的方法：首先對(duì)波形記錄進(jìn)行2～8 Hz的帶通濾波提高信噪比，然后截取時(shí)窗長度為2 s的P波（即人工拾取的P波到達(dá)前0.5 s，到達(dá)后1.5 s）和時(shí)窗長度為3 s的S波（即人工拾取的S波到達(dá)前1 s，到達(dá)后2 s）震相進(jìn)行互相關(guān)計(jì)算。選取互相關(guān)系數(shù)最高的結(jié)果計(jì)算事件對(duì)震相走時(shí)差，對(duì)應(yīng)的互相關(guān)系數(shù)則為該事件對(duì)對(duì)應(yīng)震相走時(shí)差的權(quán)重系數(shù)。以0.4為閾值，互相關(guān)系數(shù)低于0.4的震相對(duì)則以人工標(biāo)記到時(shí)計(jì)算震相走時(shí)差。最終，獲得了95 328個(gè)P波和 80 268個(gè)S波走時(shí)差。

利用雙差定位方法進(jìn)一步確定了132個(gè)地震事件的震源位置，占實(shí)際參與定位的地震數(shù)目的56%，沒有進(jìn)行雙差定位的事件則采用絕對(duì)定位的結(jié)果。走時(shí)殘差由重定位前2.059 s下降到定位后的0.469 s。根據(jù)重定位的位置重新測定了地震震級(jí)，震級(jí)的測定采用新的震級(jí)國家標(biāo)準(zhǔn)《地震震級(jí)的規(guī)定》（GB 17740—2017）所規(guī)定的地方性震級(jí)ML的測定方法（劉瑞豐等，2018）。

2.2地震事件的檢測及定位

為了克服流動(dòng)臺(tái)站記錄質(zhì)量變化對(duì)微震檢測造成的影響，使用來自5個(gè)觀測質(zhì)量較好的固定臺(tái)站的連續(xù)數(shù)據(jù)。微震檢測的過程遵循Peng等（2009）的分析方法，采用Meng等（2012）改進(jìn)的基于GPU加速的程序提高計(jì)算效率。具體步驟如下：

（1）對(duì)連續(xù)波形數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理：去波形尖滅、去均值、去線性趨勢(shì)，并進(jìn)行2～8 Hz帶通濾波，提高信噪比。

（2）對(duì)重定位的臺(tái)網(wǎng)目錄進(jìn)行篩選，選擇重定位與區(qū)域內(nèi)且至少具有9個(gè)信噪比大于3的固定地震臺(tái)站信道清晰記錄的174個(gè)地震事件作為模板事件。

（3）計(jì)算每個(gè)模板和連續(xù)波形之間的滑動(dòng)窗口互相關(guān)系數(shù)（cross-correlations，CC）：

式中：t₀和t₁分別是要用于計(jì)算CC值的信號(hào)窗口的起止時(shí)刻；X（t）和Y（t）分別是在t0和t1時(shí)間段內(nèi)的模板事件波形和連續(xù)波形。計(jì)算過程中每次在連續(xù)波形上移動(dòng)一個(gè)采樣點(diǎn)。分別設(shè)置CC值的計(jì)算的時(shí)間窗口為垂直分量的P波和兩個(gè)水平分量的S波到達(dá)之前1 s和之后3 s。

（4）根據(jù)模板事件震相到時(shí)計(jì)算不同臺(tái)站的CC值，然后取平均值。

（5）平均CC值大于0.35且大于CC值波列的絕對(duì)離散中位數(shù)15倍的波形被視為潛在檢測事件。為了盡量減少可能的重復(fù)檢測，我們只在 2 s的時(shí)間窗口內(nèi)保留最大CC對(duì)值應(yīng)的波形作為檢測事件（Meng et al，2012）。

（6）檢測事件的發(fā)震時(shí)刻由其模板事件的震相走時(shí)確定；檢測事件的震級(jí)由其所對(duì)應(yīng)的模板事件的水平分量的S波到時(shí)前2 s到后2 s內(nèi)最大振幅的比值，計(jì)算兩個(gè)水平分量的振幅比的平均值來確定（Meng et al，2012）。

從2014年1月1日到2018年12月31日，研究區(qū)總共檢測到2 649個(gè)地震事件（圖3），近10倍于中國地震臺(tái)網(wǎng)目錄中記錄的相同區(qū)域和時(shí)間段的271個(gè)事件。為了確定地震因素的完整性，使用ZMAP（Wiemer，Wyss，2000；Wiemer，2001）進(jìn)行Gutenberg-Richter關(guān)系的擬合。微震檢測將臺(tái)網(wǎng)目錄的完備震級(jí)（MC）由檢測前的1.1降低至0.5，檢測目錄的b值為0.86（圖4）。

在利用模板匹配濾波進(jìn)行遺漏事件檢測的基礎(chǔ)上，利用基于波形互相關(guān)的雙差定位方法（Yang et al，2009）可以實(shí)現(xiàn)對(duì)檢測事件的地震定位（侯金欣，王寶善，2017）。檢測事件定位過程中，首先設(shè)置檢測事件的初始位置為其對(duì)應(yīng)的模板的位置。事件對(duì)的P波及S波的走時(shí)差通過波形互相關(guān)獲得，并采用與臺(tái)網(wǎng)目錄精定位過程中使用的相同的P波及S波時(shí)窗窗長及互相關(guān)閾值。為了保證定位結(jié)果的準(zhǔn)確性及穩(wěn)定性，定位過程中加入流動(dòng)臺(tái)數(shù)據(jù)以加強(qiáng)約束，并且只選擇震相數(shù)據(jù)豐富且具有強(qiáng)關(guān)聯(lián)性的地震對(duì)進(jìn)行定位。將最小震相數(shù)目設(shè)置為8，這使得我們失去了許多未能得到強(qiáng)關(guān)聯(lián)性的地震。

最終，2 649個(gè)檢測事件中的1 064個(gè)事件被重新定位，占所有參與定位事件的40%，其中826個(gè)檢測事件被定位于研究區(qū)域內(nèi)（圖5a）。走時(shí)殘差從定位前的2.059 s減少到定位后的0.234 s。水平和垂直定位的平均偏差估計(jì)分別為0.184 km和0.205 km。

3討論

3.1努爾加水庫周邊地震活動(dòng)空間分布特征

研究區(qū)域地震震源深度整體呈現(xiàn)西淺東深的分布特征（圖5a）。以三屯河為界，河流西側(cè)的地震活動(dòng)主要分布在3 km以上的淺部地層中，由剖面L4可以看出此處的地震活動(dòng)沿著傾向NNE、傾角約30°的北傾節(jié)面延伸至地下約3 km深處（圖5e）。

（紅色實(shí)線表示剖面L1-L4的位置，紅色虛線框表示剖面投影范圍）圖5檢測目錄地震空間分布特征

Fig.5The spatial distribution of detected catalogue河流東側(cè)的地震活動(dòng)則可以庫區(qū)為界，劃分為上游和下游兩個(gè)叢集。位于庫區(qū)上游的地震活動(dòng)主要分布在約4 km深度（圖5a）；位于庫區(qū)下游的地震活動(dòng)則表現(xiàn)出由西北向東南深度逐漸變深的特征。由剖面L2和L3可看出，位于庫區(qū)下游的地震活動(dòng)主要沿著傾向SE、傾角約60°的節(jié)面分布（圖5c和5d），延伸至地下9 km深處。

根據(jù)震中空間分布特征，將努爾加水庫周邊地震活動(dòng)劃分為A、B和C三個(gè)叢集（圖6）。結(jié)合地震活動(dòng)的發(fā)震時(shí)刻，水庫蓄水前地震活動(dòng)主要分布在河流東岸庫區(qū)上游約1 km的叢集C中（圖6中黑色圓形）。蓄水后的地震活動(dòng)主要集中在庫區(qū)下游約5 km范圍內(nèi)（圖6中紅色圓形）河流東西兩側(cè)的叢集A和B中。蓄水后的地震深度優(yōu)勢(shì)分布在3 km以上（圖6，紅色柱狀圖）。相較于蓄水前的地震叢集（圖6，黑柱狀圖），蓄水后的地震叢集具有更淺的震源深度優(yōu)勢(shì)分布。

水庫蓄水后在庫區(qū)下游出現(xiàn)的兩個(gè)地震叢集（叢集A和叢集B）表現(xiàn)出截然不同的空間分布特征。兩叢集分別沿著NEE和SE傾向的兩個(gè)節(jié)面分布（圖5），分屬于不同的發(fā)震構(gòu)造。發(fā)震構(gòu)造和傳播路徑相似的地震在同一臺(tái)站記錄中具有相似的波形（Shelly et al，2007；Peng，Zhao，2009），表現(xiàn)為高互相關(guān)系數(shù)。分別在叢集A和B中選取了兩個(gè)地震事件作為模板事件，并選擇位于研究區(qū)域南邊對(duì)兩叢集地震活動(dòng)具有相近傳播路徑的硫磺溝臺(tái)（LHG）作為記錄臺(tái)站，分別統(tǒng)計(jì)兩模板事件在研究區(qū)域地震記錄中P波互相關(guān)系數(shù)（圖7c，灰色時(shí)窗為互相關(guān)系數(shù)計(jì)算時(shí)窗，包含人工拾取的P波到達(dá)前0.5 s至到達(dá)后1.5 s）大于0.9的地震事件震中分布（圖7a中藍(lán)色圓和紅色圓）。結(jié)果表明，與模板事件具有較高波形相似性（即具有較高P波互相關(guān)系數(shù)）的地震事件位于其所對(duì)應(yīng)的叢集中，而位于不同叢集的地震事件P波波形相似性較低（圖7c）。

為了進(jìn)一步討論A、B兩叢集中地震事件的波形相似性，統(tǒng)計(jì)兩叢集中任意1級(jí)以上事件對(duì)的P波互相關(guān)系數(shù)（圖8），統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示叢集內(nèi)的事件對(duì)比叢集之間的事件對(duì)具有更高的互相關(guān)系數(shù)。P波波形互相關(guān)分析進(jìn)一步表明，庫區(qū)下游兩叢集的地震活動(dòng)具有不同的發(fā)震構(gòu)造。

3.2研究區(qū)域地震震源分布特征及區(qū)域斷層

位于庫區(qū)西北方向的叢集A位于昌吉背斜的北翼，沿著傾向NNE、傾角約30°的節(jié)面延伸至地下3 km。沿著昌吉背斜走向?qū)⒌卣鸲ㄎ唤Y(jié)果投影至地震勘探測線Line 1（圖9a）。剖面顯示叢集A的地震活動(dòng)主要集中在由南準(zhǔn)噶爾斷裂和反沖斷層形成的楔形構(gòu)造活動(dòng)軸面區(qū)域。

楔形構(gòu)造廣泛分布于準(zhǔn)噶爾盆地南緣和北天山山前沖斷構(gòu)造中，是其構(gòu)造位移消減的主要方式之一（Qiu et al，2019）。楔形體端點(diǎn)限制的活動(dòng)軸面之內(nèi)發(fā)生褶皺變形，即反沖斷層的下盤發(fā)生褶皺變形，其向前陸方向位移分量致使上盤地層抬升（李本亮等，2012）。反沖斷層上盤被抬升的過程中在對(duì)應(yīng)地層中積累了大量形變，形成局部應(yīng)力集中，地震活動(dòng)常常出現(xiàn)在這類地質(zhì)構(gòu)造中（Thomas et al，2017；Kandula et al，2022）。

與叢集A不同，位于庫區(qū)東北方向的叢集B發(fā)生于喀拉扎背斜之上，其地震活動(dòng)主要沿傾向東南、傾角約60°的節(jié)面分布。節(jié)面走向與喀拉扎斷層相近，傾向相反。將地震定位結(jié)果沿喀拉扎背斜的走向投至地震勘探測線Line 2（圖9b），盡管節(jié)面與已有的斷層解譯并不完全相符，但其產(chǎn)狀與區(qū)域內(nèi)存在的高傾角斷層的構(gòu)造特征相一致。

喀拉扎背斜內(nèi)部存在多組臺(tái)階狀逆斷層楔形構(gòu)造，地層多次重疊抬升（陳立春，2011；李本亮等，2012），其主要受到由北向南反向沖斷的喀拉扎斷層控制（管樹巍等，2006）。地震反射剖面顯示喀拉扎斷層為上陡下緩的向西北大角度傾斜的鏟狀斷層，其在地下10 km產(chǎn)狀趨于水平（李本亮等，2012）。背斜生長的過程中，在其北翼行成膝折帶，膝折帶樞紐和翼間腳恒定（陳杰等，2005），在淺部（≤10 km）發(fā)育有向東南傾斜的大傾角斷層（李本亮等，2012）。

3.3地震活動(dòng)時(shí)間演化特征及其與水庫蓄水的相關(guān)性努爾加水庫的庫水水位主要受三屯河徑流量變化的影響。三屯河是一條徑流量年際變化平穩(wěn)、但是年內(nèi)徑流季節(jié)性變化顯著的內(nèi)陸河（陳俊仁，2017；張婉君，2020），這使得努爾加水庫蓄水水位呈現(xiàn)出較為穩(wěn)定的年變化特征，即水庫的蓄水水位隨著徑流量開始增大逐漸上升，并在徑流量逐漸減弱時(shí)達(dá)到峰值，其后逐漸下降直至新一輪汛期的開始。因此，河流徑流量可以一定程度反映水庫蓄水水位的年變化特征。收集三屯河1977—2019年間平均徑流量作為徑流量季節(jié)性變化的數(shù)據(jù)，將其與區(qū)域地震活動(dòng)的月頻次進(jìn)行對(duì)比（圖10a）。

在努爾加水庫蓄水之前，區(qū)域內(nèi)地震活動(dòng)通常不會(huì)超過一個(gè)月，且主要集中在庫區(qū)上游的叢集C中（圖10b，灰色）。水庫蓄水后，庫區(qū)周邊區(qū)域地震活動(dòng)主要集中在下游的兩個(gè)叢集中，并由深度較淺的叢集A開始（2015年），隨后出現(xiàn)在深度較深的叢集B中（2016年）（圖10b）。兩叢集內(nèi)的地震活動(dòng)序列持續(xù)時(shí)長顯著增加，超過2個(gè)月。

2015年1月水庫開始蓄水，9個(gè)月后隨著蓄水后的首個(gè)汛期結(jié)束，地震在庫區(qū)下游的叢集A中開始活動(dòng)。蓄水后的第二年（2016年），叢集A的地震活動(dòng)隨著三屯河在3月汛期的開始而開始，并持續(xù)至9月汛期結(jié)束而結(jié)束（圖10a中，藍(lán)色柱狀圖），圖中三屯河徑流量為碾盤莊水文站多年紀(jì)錄平均結(jié)果。與之相類似，叢集B的地震活動(dòng)開始于蓄水后第二年（2016年9月），并在之后的蓄水周期中叢集B的地震活動(dòng)與三屯河汛期在時(shí)間上相一致。兩個(gè)叢集表現(xiàn)出相似的年變化演化特征，即首次活動(dòng)的年份中地震都開始于8月前后，并在9月達(dá)到峰值，而在次年，叢集內(nèi)的地震活動(dòng)自4月便開始活躍并在5—7月達(dá)到峰值（圖10）。這種年變化特征持續(xù)至2018年，庫區(qū)周邊地震活動(dòng)隨即逐漸減弱。

在汛期即將結(jié)束時(shí)，三屯河徑流量逐漸減少，此時(shí)對(duì)應(yīng)的水庫蓄水水位接近當(dāng)年的蓄水峰值。水庫下游兩叢集地震活動(dòng)的首次活躍都出現(xiàn)這一時(shí)段（8—9月）。在叢集首次活動(dòng)開始后的第二年，水庫蓄水水位隨著徑流量的增加而上升，地震活動(dòng)也隨之逐漸增加并持續(xù)至徑流量減少，直至汛期結(jié)束。地震活動(dòng)頻次隨水庫蓄水水位變化的特征在龍灘水庫（華衛(wèi)等，2012）、漫灣水庫（李永莉等，2004）以及小灣水庫（姜金鐘等，2016）等水庫觸發(fā)地震的研究中得到證實(shí)。蓄水水位（庫容）的變化與庫區(qū)周邊地震活動(dòng)的相關(guān)性是判斷水庫觸發(fā)地震的重要參數(shù)之一。努爾加水庫蓄水后，地震活動(dòng)頻次與水庫蓄水水位（庫容）具有很好的相關(guān)性，表明庫區(qū)的地震活動(dòng)與水庫蓄水緊密相關(guān)，庫區(qū)周邊存在水庫觸發(fā)地震的現(xiàn)象。

地震數(shù)目和震級(jí)通常遵循古登堡-里克特關(guān)系：logN=a-bM，其中b值被認(rèn)為與地?zé)崽荻?、區(qū)域應(yīng)力狀態(tài)等有關(guān)。水庫觸發(fā)地震序列的b值往往大于該區(qū)的背景b值，如中國新豐江水庫（M6.1）（秦嘉政等，2009）、贊比亞-津巴布韋邊界的卡里巴（Kariba）水庫（M6.1）（Gough，Gough，1970；Gupta，2002）、希臘克里馬斯塔（Kremasta）水庫（M6.2）（Gupta et al，1972；Gupta，2002）和印度科伊納（Koyna）水庫（M6.3）（Gupta，1983，2002）。研究區(qū)域地震序列b值的大小是判斷水庫觸發(fā)地震的重要標(biāo)準(zhǔn)之一。根據(jù)地震目錄估計(jì)的b值為0.86，其增幅顯然不及以主要由人類工業(yè)活動(dòng)為主的誘發(fā)地震活動(dòng)觀測到的變化，但仍略高于北天山的背景b值統(tǒng)計(jì)結(jié)果（0.71）（蘇乃秦等，2001）。

努爾加水庫蓄水后，庫區(qū)周邊區(qū)域地震序列持續(xù)增長且與水庫蓄水水位變化相關(guān)，蓄水后地震序列b值高于該區(qū)域背景值，表明努爾加水庫庫區(qū)周邊的地震活動(dòng)受到水庫蓄水的影響，影響范圍主要集中在庫區(qū)下游5 km內(nèi)沿河分布的兩個(gè)地震叢集中。

3.4庫區(qū)周邊地震活動(dòng)主要物理機(jī)制

努爾加水庫地處北天山區(qū)域，最大主壓應(yīng)力近水平，庫區(qū)附近以逆沖斷層為主。由于缺少水位數(shù)據(jù)，難以對(duì)水位升降導(dǎo)致的庫倫應(yīng)力變化進(jìn)行定量的估計(jì)，但是水庫蓄水形成的地面載荷加載很難形成促進(jìn)地下深處斷運(yùn)動(dòng)的附加水平拉力（陳颙，2009），載荷更多起到穩(wěn)定作用（Gough，Gough，1970；Beck，1976）。努爾加水庫為中型水庫，其蓄水量較小，蓄水引起的載荷變化也相對(duì)較弱。因此，載荷作用不應(yīng)是努爾加水庫蓄水對(duì)周邊地震活動(dòng)影響的主要因素。

努爾加水庫下游的兩個(gè)地震叢集發(fā)生于水庫蓄水之后，其空間分布分別受到不同的地質(zhì)構(gòu)造控制。沿著地層傾角測算蓄水位置至兩叢集的發(fā)震位置的距離。叢集的地震活動(dòng)是由深度較淺的、距離更近的叢集A先開始，并在2016年之后逐漸由近至遠(yuǎn)、由淺至深地向叢集B遷移（圖10c）。壩址庫盤區(qū)域出露的基巖地層為砂礫巖、礫巖，壩址屬于弱透水—接近中等透水巖體，滲透率在幾到幾百×10-3μm2（郭召杰等，2007），并且在地層抬升過程中還會(huì)進(jìn)一步發(fā)育裂隙和微裂隙，這些都會(huì)成為庫水向下滲流的通道。庫水沿著地層向地下滲流，流體的滲入會(huì)改變巖層中不連續(xù)面上的有效正應(yīng)力（Gupta，1983，2002；易立新等，2003），并對(duì)構(gòu)造破碎帶起到潤滑作用，降低斷層和巖體不間斷面的強(qiáng)度和摩擦系數(shù)（Talwani，1997），促使構(gòu)造應(yīng)力釋放，促使地震發(fā)生，地震活動(dòng)通常表現(xiàn)出遷移特征（Gupta，2002；周斌等，2010）。

值得注意的是，蓄水后兩個(gè)地震叢集集中出現(xiàn)于抬升的斷層和背斜生長形成的膝折帶中，流體滲入引起本不活躍的背斜傾覆端的地震活動(dòng)性增加。水庫的建成是否會(huì)引起兩個(gè)背斜下伏構(gòu)造相連，使地區(qū)潛在發(fā)震震級(jí)大幅提升，仍需要進(jìn)一步研究。在地質(zhì)構(gòu)造背景復(fù)雜，構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈的區(qū)域興建水庫需要進(jìn)行更為詳盡的地震地質(zhì)調(diào)查及地震安全性評(píng)估。

4結(jié)論

本文采用微震檢測及定位方法獲得了較為完備且具有更高精度的努爾加水庫庫區(qū)周邊地震目錄，結(jié)合相關(guān)地質(zhì)和水文地質(zhì)資料，分析了庫區(qū)周邊地震活動(dòng)和水庫蓄水之間的關(guān)系，得出以下結(jié)論：

（1）努爾加水庫蓄水后，區(qū)域地震活動(dòng)的模式發(fā)生改變，地震活動(dòng)頻次及地震序列持續(xù)時(shí)間都顯著增加，并與水庫蓄水水位的變化相關(guān)。蓄水后的地震活動(dòng)由淺至深，先后發(fā)生于庫區(qū)下游的兩叢集中，并分別受到昌吉背斜和喀拉扎背斜的控制，空間上表現(xiàn)出與區(qū)域構(gòu)造相一致的特征，發(fā)震位置與壩址庫盤區(qū)域出露的基巖地層具有一定程度的水文地質(zhì)連通性，存在庫水滲流的通道。

（2）水庫蓄水后，庫水沿著砂礫巖層向下滲流，改變了介質(zhì)強(qiáng)度或斷層的摩擦阻力，促使構(gòu)造應(yīng)力的釋放，這是地震活動(dòng)增加的主要物理機(jī)制。

（3）盡管觀測到的較為顯著的水庫誘發(fā)地震活動(dòng)出現(xiàn)在本不活躍的背斜傾覆端，但研究區(qū)域內(nèi)沒有出現(xiàn)更大范圍的斷層活化現(xiàn)象。水庫誘發(fā)的地震主要集中在庫區(qū)下游5 km范圍內(nèi)，并隨著蓄水進(jìn)入第三個(gè)周期后逐漸減弱。在之后的水庫蓄水過程中是否還會(huì)誘發(fā)地震，是否會(huì)引起兩個(gè)背斜下伏構(gòu)造相連，進(jìn)而導(dǎo)致庫區(qū)潛在發(fā)震震級(jí)增大，仍需要更多的觀測資料，并開展進(jìn)一步研究。

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Seismicity in the Region around the Nurga Reservoir in Xinjiang

ZHANG Bo1，6，WANG Baoshan1，2，3，LI Lu1，WEI Bin4，SU Jinbo1，5，4

（1.Institute of Geophysics，China Earthquake Administration，Beijing 100081，China）

（2.School of Earth and Space Sciences，University of Science and Technology of China，Hefei 230026，Anhui，China）

（3.Mengcheng National Geophysical Observatory，University of Science and Technology of China，Hefei 230026，Anhui，China）

（4.Earthquake Agency of Xinjiang Uygur Autonomous Region，Urumqi 830011，Xinjiang，China）

（5.Urumqi Institute of Central Asia Earthquake，China Earthquake Administration，Urumqi 830011，Xinjiang，China）

（6.School of Earth Sciences，Institute of Disaster Prevention，Sanhe 065201，Hebei，China）

Abstract

Reservoirs located in the area with active tectonics are threatened by both tectonic earthquakes and reservoir-triggered earthquakes.To further understand the relationship between the reservoir impoundment and the seismicity in the active tectonic zone，we detected the earthquake events around the Nurga Reservoir from 2014 to 2018 using the matched filter technique（MFT）and the double-difference location（hypoDD）method.As a result，the minimum magnitude of completeness（MC）dropped from 1.1 to 0.5，while b-value was 0.86.More than 2 600 events were detected and 1 064 of them were relocated.Two earthquake clusters occurred within 5 km in the lower reaches of the Nurga Reservoir area after the Reservoirs impoundment.They were generated by different seismogenic structures controlled by the Changji anticline and the Kalazha anticline respectively.The seismicity in this area correlated well with the periodic changes of the Reservoirs water level.The water flows along the glutenite layer to the earthquake source area，causing the tectonic stress release.This is the main reason for the seismicity in the reservoir area.

Keywords：the Nurga Reservoir；micro-earthquake detection；waveform cross-correlation；earthquake location；seismicity