童 瓊，童迎世，童 敏

(1.湖南省地震局吉首地震臺(tái)，湖南 吉首 416000；2.湖南省地震局，湖南 長(zhǎng)沙 410004)

論永順ML3.2級(jí)地震與高家壩水庫(kù)的關(guān)系

童 瓊1，童迎世2，童 敏2

(1.湖南省地震局吉首地震臺(tái)，湖南 吉首 416000；2.湖南省地震局，湖南 長(zhǎng)沙 410004)

從高家壩水庫(kù)的基本特征出發(fā)，結(jié)合庫(kù)區(qū)和壩址區(qū)的地質(zhì)與構(gòu)造、ML3.2級(jí)地震前后水庫(kù)的水位變化情況、震時(shí)村民的反應(yīng)和周邊臺(tái)站地震記錄波形進(jìn)行討論，初步認(rèn)為ML3.2級(jí)地震屬水庫(kù)誘發(fā)巖溶塌陷地震。同時(shí)根據(jù)水庫(kù)的基本參數(shù)對(duì)可能發(fā)生的最大地震震級(jí)進(jìn)行了預(yù)測(cè)，如果發(fā)生構(gòu)造地震，最大震級(jí)為ML4.3。但庫(kù)區(qū)經(jīng)過(guò)多年載荷與排放，地層趨于穩(wěn)定后，地震發(fā)生的頻度和強(qiáng)度可能減小。

誘發(fā)地震；高家壩水庫(kù)；地質(zhì)構(gòu)造；水位變化

引言

據(jù)湖南省地震臺(tái)網(wǎng)測(cè)定：2010年9月16日10時(shí)13分在湖南省永順縣兩岔鄉(xiāng)（N29.1°，E109.7°）發(fā)生ML3.2級(jí)地震。地震發(fā)生時(shí)，兩岔、鹽井和首車(chē)3個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)，13個(gè)自然村部分村民有感。據(jù)現(xiàn)場(chǎng)考察，震感較強(qiáng)的兩岔鄉(xiāng)湖壩村個(gè)別房屋有掉瓦和輕微破壞。村民普遍反映地震發(fā)生時(shí)聽(tīng)到一聲像橋梁塌陷的巨響，靜止的人感到下沉顛簸。在考察過(guò)程中永順縣兩岔鄉(xiāng)政府工作人員向考察人員提供了一個(gè)重要情況，在離兩岔鄉(xiāng)政府不足2 km的車(chē)禾村高家壩有一座8 000萬(wàn)m3庫(kù)容的大中型水庫(kù)，2009年12月29日才關(guān)閘蓄水，2010年9月9日達(dá)到水庫(kù)正常蓄水水位368.58 m（海拔）。筆者認(rèn)為這次地震可能與高家壩水庫(kù)有關(guān)。

1 高家壩水庫(kù)基本情況

高家壩水庫(kù) （永順縣境內(nèi)）位于沅水一級(jí)支流，酉水支流猛洞河中上游，壩址距永順縣城37 km，水路42.5 km。大壩高63.5 m，壩址以上控制流域面積740 km2，占猛洞河流域面積的32.5%。

該水庫(kù)工程是永順縣城市防洪控制性工程，也是湖南省湘西自治州重點(diǎn)工程和西部開(kāi)發(fā)標(biāo)志性工程之一。水庫(kù)正常蓄水位368 m，防洪高水位372 m，總庫(kù)容8 000萬(wàn)m3，調(diào)節(jié)庫(kù)容5 200萬(wàn)m3。配合縣城少量堤防可使永順縣城防洪標(biāo)準(zhǔn)由3～5年提高到20年一遇，使下游15萬(wàn)人民生命財(cái)產(chǎn)安全得到保障。同時(shí)高家壩水庫(kù)防洪發(fā)電并舉，電站裝有2臺(tái)單機(jī)容量10 MW的水輪發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)容量20 MW。

水庫(kù)自2009年關(guān)閘蓄水以來(lái)，今年9月9日已達(dá)到了正常蓄水水位，從表1可以看出，9月10日開(kāi)始水位連續(xù)下降，地震發(fā)生的9月16日起，庫(kù)水位每天以超過(guò)1 m的速度減少。據(jù)電站記錄的資料顯示，每天發(fā)電排水與上游補(bǔ)水基本持平，因此水位的下降不排除溶洞塌陷。

表1 地震前高家壩水庫(kù)水位變化情況Table 1 Gaojiaba reservoir water level before the earthquake

2 高家壩水庫(kù)地質(zhì)與構(gòu)造

2.1 庫(kù)區(qū)地貌概況

水庫(kù)位于猛洞河上游中低山區(qū)，兩岸山體雄厚，山頂高程在500 m以上河流由北向南，河床狹窄，巖石裸露，呈低壓深壓地貌。庫(kù)區(qū)地層主要有：寒武系婁山關(guān)群灰白色厚層狀細(xì)至粗粒白云巖；奧陶系下統(tǒng)南津關(guān)組、分鄉(xiāng)組、紅花園組、太灣組和寶塔組赭灰色、紫紅色中-厚層狀泥質(zhì)灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r瘤狀泯灰?guī)r、含生物碎屑巖、龜裂紋灰?guī)r。奧陶系上統(tǒng)臨湘組灰?guī)r、泥灰?guī)r和五峰組砂頁(yè)巖。庫(kù)外兩側(cè)有一套志留系龍馬溪組砂頁(yè)巖。庫(kù)區(qū)主要有鹽井-首車(chē)區(qū)域性背斜和F1區(qū)域性斷裂，F(xiàn)2和F3斷層在近壩庫(kù)區(qū)左岸通向庫(kù)外。庫(kù)區(qū)主要地層為奧陶系碳酸鹽巖，巖溶發(fā)育。

2.2 壩址區(qū)地質(zhì)環(huán)境

高家壩水電站壩址左陡右緩，呈不對(duì)稱的 “V”字型，左岸山體雄厚，山頂高程380～390 m，右岸壩肩山脊單薄，上游沖溝深切，溝底有落水洞，下游為溶蝕洼地，洼地西南角見(jiàn)一落水洞。壩址區(qū)出露地層主要為奧陶系十字鋪組、寶塔組粉砂質(zhì)灰?guī)r、瘤狀泥質(zhì)灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r。右岸山頂見(jiàn)奧陶系臨湘組泥質(zhì)灰?guī)r，第四系殘坡積層零星出露，厚度3～5 m，巖層產(chǎn)狀 N18°～22°， 傾角∠3°～8°。

地下水主要是巖溶水，接受大氣降水補(bǔ)給，以巖溶泉或地下暗河為主要排泄方式。

圖1 高家壩水庫(kù)地質(zhì)與構(gòu)造圖Fig.1 Geologic and structural map of Gaojiaba reservoir

2.3 壩址及庫(kù)區(qū)構(gòu)造特征

水庫(kù)庫(kù)區(qū)與大壩附近，地質(zhì)構(gòu)造相當(dāng)復(fù)雜。從圖1可以看出，高家壩水庫(kù)壩區(qū)由強(qiáng)巖溶的奧陶系灰?guī)r組成，并有斷層通過(guò)。壩區(qū)基巖主要為奧陶系地層.節(jié)理裂隙較發(fā)育。壩區(qū)共發(fā)現(xiàn)斷層14條，一般規(guī)模較小，延伸不長(zhǎng)，破碎帶寬度一般0.2～0.8 m最寬2～3.5 m，斷距小的0.1～0.2 m，最大3.2 m，按其走向分為NE和NW向，并以正斷層為主，且溶蝕充填泥及鈣華；平移斷層次之，其中規(guī)模較大的平移斷層，延伸長(zhǎng)4～5 km。大壩附近有7條斷裂，庫(kù)區(qū)左側(cè)有F6平山斷層向西南延伸。大壩上游附近，左岸有F5車(chē)禾斷層，右肩有F4河邊斷層和F6平山斷層通過(guò)，大壩下游F7兩岔斷層雖延伸不長(zhǎng)，但由南向北穿插猛洞河。震中附近鹽井首車(chē)壓扭斷裂F1、F2金斗卡塔斷裂和F3冗迪吳家斷裂主要沿襲猛洞河流展布，在兩岔鄉(xiāng)若作村附近出露，F(xiàn)1斷裂對(duì)大壩和近壩區(qū)的地震活動(dòng)起一定的的控制作用，這次ML3.2級(jí)地震就發(fā)生在F1、F2斷層的附近，Ⅲ度區(qū)的長(zhǎng)軸方向與該斷層走向基本一致。整個(gè)庫(kù)區(qū)，尤其是大壩附近有大量的溶蝕洼地、落水洞、暗河、漏斗和溶洞，巖溶形態(tài)各異，同時(shí)現(xiàn)場(chǎng)考察調(diào)查也發(fā)現(xiàn)多處溶洞出露地面，這些對(duì)水庫(kù)蓄水會(huì)帶來(lái)一定的影響。

3 ML3.2級(jí)地震序列

永順縣境內(nèi)曾多次發(fā)生過(guò)ML3.0級(jí)左右地震，但高家壩水庫(kù)區(qū)周?chē)?0 km范圍內(nèi)沒(méi)有地震記載。2010年9月16日ML3.2級(jí)是首次地震，震中就在離水庫(kù)不足2 km的兩岔鄉(xiāng)政府。這次地震發(fā)生后相繼發(fā)生了ML1.6、ML2.0和ML1.7級(jí)余震 (見(jiàn)表2)。同時(shí)從距水庫(kù)僅73 km的張家界數(shù)字臺(tái)記錄波形 (圖2)來(lái)看，S波后出現(xiàn)了大面波，這種明顯的長(zhǎng)周期面波波形是塌陷地震的主要特征之一[1]，ML3.2級(jí)地震等震線長(zhǎng)軸方向與庫(kù)區(qū)的斷裂構(gòu)造一致,有感范圍僅130 km2，相比該區(qū)域同等級(jí)構(gòu)造地震，明顯偏小。綜合前面的調(diào)查結(jié)果，這次地震應(yīng)為塌陷地震。主因?yàn)閹?kù)區(qū)存在巖溶、漏斗、暗河等復(fù)雜的地質(zhì)結(jié)構(gòu)和庫(kù)水載荷。

表2 永順縣ML3.2級(jí)地震序列（湖南省地震臺(tái)網(wǎng)中心提供）Table 2 Yongshun ML3.2 earthquake sequences（provided by seismic network center of Hunan Province）

表2的定位結(jié)果顯示震源深度在6～7 km，但巖溶等引發(fā)的塌陷地震，其震源深度一般不可能達(dá)到6～7 km這種深度，定位的深度明顯偏深。地震臺(tái)網(wǎng)中心測(cè)定的震源深度只能作為參考，因?yàn)榘匆?guī)范深度誤差可以達(dá)±10 km。經(jīng)查閱建庫(kù)前的地勘資料，庫(kù)區(qū)溶洞、漏斗和暗河最深只有1 050 m；結(jié)合臺(tái)站記錄地震波的初動(dòng)和震后有感范圍偏小的情況，此次地震實(shí)際震源深度應(yīng)比定位結(jié)果淺也可以看出此次地震震源較淺，根據(jù)此次地震的具體情況，初步認(rèn)定震源深度為1.5 km左右。

圖2 永順ML3.2級(jí)地震張家界數(shù)字地震臺(tái)波形Fig.2 Waveform of Yongshun ML3.2 earthquake recorded by Zhangjiajie station

4 高家壩水庫(kù)地震震級(jí)預(yù)測(cè)

水庫(kù)地震一般多位于少震區(qū)及弱震區(qū)。對(duì)于少震區(qū)或弱震區(qū)，有學(xué)者解釋為：無(wú)震歷史是彈性應(yīng)變較高的反映，愈是地震活動(dòng)不明顯的地區(qū)，愈可能積累較高的彈性應(yīng)變能，在彈性應(yīng)變能積累較高地區(qū)，水庫(kù)蓄水有可能提前釋放應(yīng)變能，導(dǎo)致較大地震發(fā)生[2]。與此同時(shí)，亦應(yīng)充分研究水庫(kù)地區(qū)及外圍地區(qū)地震活動(dòng)的強(qiáng)度及空間分布資料，特別是小地震及微地震活動(dòng)資料。因?yàn)榇罅啃〉卣鸬陌l(fā)生，一方面使微小裂隙不斷發(fā)展、貫通，加強(qiáng)了庫(kù)水向深部滲透；另一方面小地震活動(dòng)使應(yīng)力分布更趨于不平衡，會(huì)導(dǎo)致更大破裂的產(chǎn)生[3]。

水庫(kù)地震的誘發(fā)作用首先來(lái)自水庫(kù)蓄水，筆者認(rèn)為，庫(kù)水的作用可大致分為兩類：一類是因蓄水產(chǎn)生了諸如水庫(kù)荷載作用，對(duì)水庫(kù)基巖的物理、化學(xué)作用，從而改變了庫(kù)區(qū)的地震活動(dòng)；另一類是水庫(kù)荷載改變了外力地質(zhì)作用條件，導(dǎo)致地表和深度不等的局部巖體或巖塊失穩(wěn)，發(fā)生相對(duì)位移破壞而伴生的地震現(xiàn)象[4]。因庫(kù)水作用產(chǎn)生巖溶塌陷或重力滑動(dòng)都可引起巖塊相對(duì)位移或破壞。

構(gòu)造型水庫(kù)地震，其誘震機(jī)制是由于庫(kù)水對(duì)斷裂構(gòu)造的物理、化學(xué)作用，這種作用使聚集于活動(dòng)斷裂的構(gòu)造應(yīng)變能提前釋放，特別是當(dāng)初始應(yīng)力較高的狀態(tài)下，應(yīng)變能更易提前釋放。因此，庫(kù)區(qū)內(nèi)展布的具有新活動(dòng)性的斷裂，具有滲水性時(shí)，正是庫(kù)區(qū)內(nèi)具有可能誘發(fā)地震的區(qū)段[5]。

水庫(kù)誘發(fā)地震的前提是庫(kù)區(qū)具有一定的地質(zhì)構(gòu)造和水文地質(zhì)條件，以及一定的原始應(yīng)力積累，誘發(fā)地震數(shù)量與庫(kù)區(qū)地質(zhì)構(gòu)造的復(fù)雜程度及水庫(kù)規(guī)模有一定的相關(guān)性。

這次地震發(fā)生后，引起了庫(kù)區(qū)附近，特別是庫(kù)區(qū)下游的村民極大的恐慌，當(dāng)?shù)卣蟮卣鸩块T(mén)作出今后是否還有更大的地震發(fā)生的趨勢(shì)判斷。盡管這次地震明顯表現(xiàn)為塌陷地震，屬非構(gòu)造地震，但庫(kù)區(qū)有多條斷裂通過(guò)，不排除發(fā)生更大構(gòu)造地震的可能性。為了回答當(dāng)?shù)卣岢龅膯?wèn)題，消除村民的恐慌，筆者根據(jù)高家壩水庫(kù)的基本參數(shù)，運(yùn)用常寶琦對(duì)水庫(kù)地震震級(jí)預(yù)測(cè)的討論，用水庫(kù)綜合影響參數(shù)推算水庫(kù)誘發(fā)地震震級(jí)[6]。綜合影響參數(shù)是一個(gè)和最大壩前庫(kù)深 （Hmax）、相應(yīng)的水庫(kù)面積 （S）和相應(yīng)的庫(kù)容 （V）有關(guān)的參數(shù)。理論證明，震級(jí)M與它們的之間的統(tǒng)計(jì)回歸關(guān)系式為

本關(guān)系式只適用于較大水庫(kù)，庫(kù)深Hmax＞50 m和相應(yīng)庫(kù)容為 (0.1×109)m3以上的水庫(kù)，以此關(guān)系式來(lái)計(jì)算高家壩水庫(kù)的最大誘發(fā)地震是滿足要求的。

根據(jù)高家壩水電站水庫(kù)參數(shù) (S、V、Hmax)和S=E×V/Hmax求得高家壩水庫(kù)綜合影響參數(shù)E=1.295。代入關(guān)系式 （1）

根據(jù)計(jì)算結(jié)果,筆者認(rèn)為：高家壩水電站水庫(kù)誘發(fā)地震的最大震級(jí)為MS3.8級(jí)，即ML4.3級(jí)。

5 結(jié)論與認(rèn)識(shí)

筆者通過(guò)對(duì)庫(kù)區(qū)地質(zhì)與構(gòu)造環(huán)境、水庫(kù)近期水位的變化和地震記錄波形的討論，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查考察從村民那里了解到地震時(shí)的有感情況，初步認(rèn)為：這次地震的發(fā)生主要與庫(kù)區(qū)地質(zhì)結(jié)構(gòu)有關(guān)，屬水庫(kù)誘發(fā)導(dǎo)致溶巖塌陷地震。

（1）庫(kù)區(qū)屬石灰?guī)r地區(qū)，溶巖發(fā)育，地下溶洞、溶蝕洼地、暗河、漏斗和落水洞較多，形態(tài)各異，同時(shí)有多條斷裂構(gòu)造通過(guò)庫(kù)區(qū)及大壩附近，ML3.2地震就發(fā)生在首車(chē)壓扭斷裂的旁邊，Ⅲ度區(qū)的長(zhǎng)軸方向與該斷層走向基本一致。

（2）水庫(kù)2009年12月29日才關(guān)閘蓄水,今年9月9日達(dá)到正常蓄水水位 （368.58 m），地震是水位連續(xù)下降至365.48 m后發(fā)生的，地震發(fā)生后水位以每天1 m的速度下降；

（3）地震臺(tái)站記錄的波形屬典型的塌陷地震，S波后出現(xiàn)長(zhǎng)周期面波；

（4）地震時(shí)當(dāng)?shù)卮迕衤?tīng)到的響聲與感到下沉的震感；

（5）此次地震震級(jí)ML3.2，有感范圍僅130 km2，具有塌陷地震 “震級(jí)偏大，有感范圍偏小”等特點(diǎn)。

根據(jù)水庫(kù)的基本參數(shù)對(duì)高家壩水庫(kù)進(jìn)行最大震級(jí)預(yù)測(cè)，誘發(fā)最大地震的震級(jí)為MS3.8級(jí)。

這次地震發(fā)生在水庫(kù)蓄水初期，庫(kù)水改變了庫(kù)區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造環(huán)境，改變了蓄水前水庫(kù)區(qū)地下應(yīng)力的平衡狀態(tài)。因此，往后，還會(huì)有一定的小震活動(dòng)，即發(fā)生一些小的或相近的塌陷地震。但經(jīng)過(guò)反復(fù)的蓄水和排水，庫(kù)區(qū)地層逐步穩(wěn)定，地下應(yīng)力達(dá)到平衡后，地震的強(qiáng)度和頻度會(huì)有所下降，如果發(fā)生構(gòu)造地震，其震級(jí)可能接近或者達(dá)到預(yù)測(cè)的最大震級(jí)。但發(fā)生比預(yù)測(cè)的最大震級(jí)MS3.8級(jí) （ML4.3）更大地震的可能性較小。

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The Relationship between the Yongshun ML3.2 Earthquake and Gaojiaba Reservoir

TONG Qiong,TONG Yingshi,TONG Min

(1 Earthquake Administration of Hunan Province，Changsha 410004,China;2 Jishou Seismologic station,Earthquake Administration of Hunan Province,Jishou 416000,China)

Based on the basic characteristics of Gaojiaba reservoir,and combining with the geologic structure of reservoir and dam site,the reservoir′s water level changes before and after earthquake,response of the villagers when the earthquake occurred and the waveforms recorded by seismic station nearby,the paper concludes that the ML3.2 earthquake is reservoir induced Karst collapse earthquake.Meanwhile,the paper predicted the maximum possible earthquake magnitude according to the basic parameters of the reservoir.If tectonic earthquakes occur,the largest magnitude of earthquake would be ML4.3.But the reservoir are discharging for years,and formation tends to be stable.Thus,the frequency and strength of earthquake occurrence maybe become small.

Induced earthquake;Gaojiaba Reservoir;Geological structure;Water level changeing

P315.728

A

1001-8662（2011）02-0103-07

2010-10-22

童瓊，女，1980年生，碩士研究生.主要從事地震觀測(cè)與分析.E-mail:xianxianyue@163.com.