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(1.南水北調中線水源有限責任公司， 湖北 十堰 442700； 2.長江三峽勘測研究院有限公司(武漢)，武漢 430074)

丹江口水庫誘發(fā)地震分析與預測

王立1，胡雨新1，朱建2

(1.南水北調中線水源有限責任公司， 湖北 十堰 442700； 2.長江三峽勘測研究院有限公司(武漢)，武漢 430074)

本文主要從丹江口庫區(qū)地質構造及庫區(qū)地貌角度出發(fā)，總結2000年以來該區(qū)地震活動情況，分析水庫初期蓄水階段的水位與誘發(fā)地震活動的關聯(lián)性，研究丹江口水庫增容后，新增庫水對庫區(qū)的應力狀態(tài)影響，預測庫區(qū)及周緣是否可能誘發(fā)水庫地震，進一步研究發(fā)震區(qū)域、震級強度以及地震與地質結構之間的內在聯(lián)系。

丹江口水庫； 誘發(fā)地震； 地質構造； 預測

1 引 言

丹江口水庫是目前我國已建成的特大型水庫之一，其續(xù)建工程是我國跨世紀宏偉工程—南水北調中線工程的水源地，擔負著河南、河北、北京、天津四省及直轄市20多座大中城市生活和生產用水任務。為了確保供水需求，壩體高程從原來的162m加高至176.6m，正常蓄水位從157m提高至170m，增加庫容116億m3。

水庫地震研究，一直是地震學者長期探究的課題，不同類型的水庫其誘發(fā)地震的強度和區(qū)域范圍差異較大。世界上已有一百多個水庫誘發(fā)地震的實例，僅我國就有二十余例。尤其是壩高超過100m、庫容達10億m3以上的水庫發(fā)生誘發(fā)地震的概率較高。據(jù)資料統(tǒng)計，我國已發(fā)生誘發(fā)地震的高壩水庫約占總數(shù)的四分之一，不少誘發(fā)地震均發(fā)生在天然地震較少的少震區(qū)和弱震區(qū)。根據(jù)地震臺網記錄資料顯示，丹江口水庫從1969年11月初期工程下閘蓄水后，庫區(qū)地震活動頻度顯著上升，當水位超過140m高程時，地震活動明顯增加。經過前期的蓄水過程中地震監(jiān)測研究表明，漢庫相對比較平定，而丹庫的地震活動水平比蓄水前顯著提高,具有明顯的誘發(fā)地震的特征。在水位抬高、庫容增加的背景下，是否誘發(fā)更強的地震，是否在新的區(qū)域誘發(fā)地震是人民普遍關心的問題，因此對丹江口水庫誘發(fā)地震進行研究十分必要。

2 地震地質背景

丹江口水庫位于秦嶺地槽東段南部邊緣，經歷了多次的構造運動，前震旦紀該區(qū)為地槽沉積，楊子期構造運動使該地區(qū)地層隆起形成武當隆起帶，并產生了一系列的北西西—北西向斷裂帶，由于在此期間伴有基性、超基性火成巖侵入，因而形成了該地區(qū)的主體構造骨架。水庫沿漢江河將丹江分成兩支河流，分別稱為漢庫和丹庫。漢庫沿北西西向的兩鄖斷裂帶發(fā)育，鄖西地區(qū)一帶地震活動(如1964年9月M4.9級地震)與此構造有一定關聯(lián)性。漢庫庫段內分布的主要是付頁片巖、變質巖、黏土巖、元古界石英片巖等變質巖系和白堊—第三紀的紅層，目前僅發(fā)現(xiàn)艾家河一帶有少量下古生代地層分布，該地質構造透水性很弱，不利于庫水向深部滲透，經地震臺網監(jiān)測結果表明，漢庫至今未發(fā)生水庫地震。丹庫位于緯向構造帶和新華夏系南襄沉降區(qū)復合部位，沿北北西向的丹漢斷裂帶發(fā)育，丹庫庫段主要分布的是下古生代灰?guī)r夾砂頁巖、上古生代砂頁巖、上白堊紀第三紀紅層和第四紀沉積，這種地質構造環(huán)境有利于庫水向庫岸的深部滲透，打破庫區(qū)的應力平均狀態(tài)，可能導致庫區(qū)發(fā)生地震。人們普遍關心的壩址區(qū)位于我國華南地震區(qū)江漢地震帶內,地震活動相對較弱，壩址及周緣50km范圍內，近兩千年來沒有強破壞性地震記載，從公元1520～1960年的四百多年間內，壩址周緣只有43次有感地震記載和2次引起建筑物損壞或破壞的記載。公元前143～2008年，距壩址170km范圍內共記載到Ms≥4.6級的地震16次,最大地震分別是46年南陽附近和788年竹山附近的6.5級地震，歷史地震對壩址的最大影響烈度不超過Ⅴ度，因此壩址區(qū)相對安全。

3 蓄水期水庫地震活動情況分析

3.1 水庫地震強度與頻次及誘因分析

丹江口庫區(qū)前期本底地震研究成果表明，1959～1967年11月水庫蓄水前9年時間內，庫區(qū)地震活動水平比較微弱，僅有6次小震，在歷史上也沒有發(fā)生過震中烈度大于V度以上的地震。自1967年10月丹江口水庫第1次開始蓄水以來，蓄水初期的頭兩年，地震活動很少，當水位逐漸抬升以后，超過140m高程時，地震活動明顯增加，到1970年1月開始出現(xiàn)第一次地震活動高潮，但震級都較小，1971年后，當水位超過150m高程(水頭超過40m)時，在1972年4月3日，林茂山地區(qū)發(fā)生Ms3.5級地震。1973年底，庫水位急劇上升至157m高程以上時，宋灣附近發(fā)生多次地震，最大震級達到Ms4.7級，震中烈度Ⅵ度，1900余間房屋損壞。蓄水后的頭10年(1968～1977年)共記錄299次地震，震中逐漸集中在大壩以東約10km的林茂山和距大壩37km(丹庫上游)的宋灣兩處灰?guī)r地區(qū)(見圖下頁1)。若只統(tǒng)計大于ML2.5級的情況，蓄水前9年庫區(qū)地震為6次，最大ML3.0級；蓄水后10年為25次，最大震級為Ms4.7級，地震活動性差別明顯，具有顯著的水庫誘發(fā)地震特征。前期的蓄水過程中地震監(jiān)測研究表明，漢庫在蓄水前后相對比較平定，沒有明顯的地震活動異常，這種現(xiàn)象與其地質構造背景比較吻合。而丹庫的地震活動水平比蓄水前有顯著提高，具有明顯的水庫誘發(fā)地震特征。兩庫蓄水后地震活動性差別較大的原因是由于不同的地質構造條件。對于丹江口水庫地震的成因機理，有些研究者偏重于認為庫區(qū)地震受北北西向的丹漢斷裂與北西西向次級斷層交匯點的控制，另一些研究者則比較強調震中區(qū)與碳酸鹽地層相關，但從丹江口庫區(qū)的地質結構并參考其他庫區(qū)(如三峽庫區(qū))的發(fā)震區(qū)域綜合分析，筆者認為，丹庫的地震活動與其水文條件和地質構造環(huán)境(震旦系、寒武系、奧陶系碳酸鹽巖層裸露，巖溶裂隙、落水洞、漏斗和溶洞發(fā)育)關系密切，是丹庫誘發(fā)地震的主要因素。

3.2 水庫地震與庫水位的關聯(lián)性

庫區(qū)水位抬升是水庫地震的誘因，各庫區(qū)的地質構造環(huán)境不同，導致誘發(fā)地震的強度、頻度和發(fā)震時間有所不同。1974年以前丹江水庫的地震活動與庫水位相關性比較密切，其相關性較好，呈現(xiàn)出與庫水位變化正相關性，有明顯的水庫誘發(fā)地震的特征。1974年9月至今，地震活動同庫水位的關系表現(xiàn)不十分明顯，相關性比以前減弱(見下頁圖2)。

圖1 丹江口水庫第一次蓄水期水庫地震活動分布

圖2 丹江口水庫歷年水位與地震對應圖

4 增容后誘發(fā)地震可能性與地震危險區(qū)預判

4.1 誘發(fā)地震可能性

根據(jù)南水北調中線工程進度安排，2014年7月，將根據(jù)汛期的來水情況，擇日開始向北方調水，庫區(qū)水位將緩慢抬升至正常蓄水位170m，庫容也將相應增加116億m3，因此，庫水將進一步向地殼深部滲透和擴展。庫水應力擾動和庫水的物理化學作用的產生，將會再次打破目前庫區(qū)的應力狀態(tài), 使庫區(qū)的地質應力結構發(fā)生改變。水庫誘發(fā)地震誘因條件，可能會在初期工程庫區(qū)內誘發(fā)新的地震活動,更有可能在新增淹沒區(qū)內的一些具備誘發(fā)地震條件地區(qū)產生水庫地震。

4.2 地震危險區(qū)的預判

預判發(fā)震區(qū)域及強度仍需結合庫區(qū)的實際地質環(huán)境狀況進行研究。庫區(qū)及鄰區(qū)的區(qū)域性斷裂以北西西向為主,主要斷裂有9條，從相關部門計算區(qū)域的4條斷裂的斷層面狀態(tài)分析，穿越漢庫和丹庫的斷裂斷層面均產生了相對滑移，但是只在丹庫的庫首和庫尾區(qū)域誘發(fā)了水庫地震，這種現(xiàn)象表明丹江庫區(qū)的誘發(fā)地震與水庫的地質條件關系密切。分析原因，專家普遍認為這與漢庫結構關系較大，漢庫周邊主要分布付片巖和巖漿巖，這種巖體缺少裂隙，透水性較差，不利于應力集中，基本沒有塑性應變區(qū)，兩岸拉應變較小，所以很難誘發(fā)水庫地震。而丹庫的關峽峽谷地帶水文地質條件和構造條件復雜，具有一系列北西西向緊密線狀褶皺和斷裂，并沉積了巨厚的白堊—第三系和較厚的第四系黏土層，震旦系、寒武系、奧陶系碳酸鹽巖層裸露，巖溶裂隙、落水洞、漏斗和溶洞發(fā)育，有利于庫水向深部滲透，易于庫水滲透和應力集中，誘發(fā)構造應變能提前釋放。從初期工程蓄水后庫區(qū)地震活動特點，結合漢庫和丹庫的地質構造背景綜合預測判斷：續(xù)建工程蓄水后，漢庫不具備發(fā)震條件，誘發(fā)水庫地震的幾率很小，丹庫仍有可能誘發(fā)地震，其強度應在M≤5.0級。

根據(jù)工程初期庫區(qū)內誘發(fā)新的地震活動情況,結合續(xù)建工程庫水新增淹沒區(qū)內的一些具備誘發(fā)地震條件地區(qū)可能產生的水庫地震活動情況分析認為：主要誘發(fā)地震危險區(qū)仍然是初期工程蓄水后出現(xiàn)的兩個水庫地震活動區(qū),即丹庫宋灣—關防灘峽谷地形庫段(見圖3-I區(qū))和林茂山—涼水河地區(qū)(見圖3-II區(qū))。另外，丹江斷裂北段的東端適合應變能集中(如：淅川上集、陳店)，其誘發(fā)地震的可性也較大。

圖3 庫區(qū)及鄰區(qū)主要斷裂構造和水庫地震震中分布及重點監(jiān)測區(qū)

5 水庫地震研究與展望

水庫地震的監(jiān)測與研究工作經歷了60多年的歷程，已掌握了許多特征，但目前研究工作仍處于定性階段，許多問題尚未解決，如：震源機制問題的進一步深入、庫水滲透后誘發(fā)地震的強度及時間的理論預測計算、震源深度與地質構造背景的內在聯(lián)系等，都需要不斷地探索和研究。為了全面監(jiān)測工程蓄水后，可能誘發(fā)的水庫地震對大壩造成的影響，及時掌握地震活動趨勢，為水庫安全調度提供決策依據(jù)，目前丹江口大壩續(xù)建工程已建立了先進的水庫地震監(jiān)測系統(tǒng)，為繼續(xù)研究丹江庫區(qū)的地震活動情況創(chuàng)造了良好條件。

[1] 劉素梅,等.基于丹江口水庫孔隙水壓力計算的水庫誘發(fā)地震機理研究[J].建筑與環(huán)境工程,2012(增刊).

[2] 蔡耀軍,等.漢江丹江口大壩加高后水庫環(huán)境地質問題預測[J].人民長江,2007年,(38)9.

[3] 曾新平,等.漢江丹江口水利樞紐水庫誘發(fā)地震監(jiān)測系統(tǒng)總體設計報告[R].2009.

Analysis and Prediction of Danjiangkou Reservoir Induced Earthquake

WANG Li1, HU Yu-xin1, ZHU Jian2

(1.South-to-NorthWaterDiversionProjectMidlineWaterSourceCo.,Ltd.,Shiyan442700,China;2.YangtzeRiverThreeGorgesSurveyInstituteCo.,Ltd., (Wuhan),Wuhan430074,China)

Earthquake activity conditions of the zone since 2000 are mainly summarized in the paper from the aspects of Danjiangkou reservoir geological conformation and landform of the reservoir. Correlation between water level in primary water accumulation stage in the reservoir and induced earthquake activity is analyzed. Influence of increased reservoir water on reservoir stress state after capacity increase of Danjiangkou Reservoir is studied. Whether reservoir earthquake can be induced in the reservoir and surrounding areas is estimated. Earthquake area, earthquake level and internal relation between earthquake and geological structures are further studied.

Danjiangkou Reservoir; induced earthquake; geological structure; forecast

TV697

B

1005-4774(2014)07-0059-05