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三峽工程水庫誘發(fā)地震研究概況

2020-08-13 06:49:52夏全梧
水利水電快報 2020年1期
關(guān)鍵詞:三峽水庫三峽工程臺網(wǎng)

夏全梧

摘要:長江三峽工程是當(dāng)今世界上最大的水利樞紐工程,其庫區(qū)地震研究一直受到有關(guān)各方的高度重視。在選壩勘測工作同時,即開展了工程區(qū)及外圍的地震地質(zhì)研究工作。1958年建立三峽地震監(jiān)測臺網(wǎng)并監(jiān)測至今,1972年起開展綜合性地震研究,20世紀(jì)80年代開展水庫誘發(fā)地震專題研究,運用多種先進理論和方法對三峽水庫誘發(fā)地震潛在危險性進行了預(yù)測。預(yù)測結(jié)果表明,三峽水庫可能誘發(fā)的最大地震震級不超過5.5級,低于該地區(qū)本底地震水平。施工期進一步開展了地震、地形變、地下流體、主要斷層活動性等方面的強化觀測工作。三峽水庫蓄水運行后地震活動的實際狀況證明,水庫誘發(fā)地震級別保持在前期預(yù)測的水平范圍之內(nèi)。

關(guān)鍵詞:水庫誘發(fā)地震;地震監(jiān)測;三峽工程

中圖法分類號:P315.28 文獻標(biāo)志碼:A DOI:10.15974/j.cnki.slsdkb.2020.01.006

文章編號:1006-0081(2020)01一0028一08

1 研究背景

水庫誘發(fā)地震(Reservoir-Induced Seismicity,RIS)是指由于水庫蓄水或水位變化而引發(fā)的地震[i-27。迄今為止,全世界發(fā)生水庫誘發(fā)地震150余例,其中震級大于6.0級的有4起,分別為中國新豐江水庫(1962年3月19日,M6.1)、位于贊比亞和津巴布韋邊界的卡里巴(Kariba)水庫(1963年9月23日,M6.1)、希臘克里馬斯塔(Kremasta)水庫(1965年2月5日,M6.2)和印度科伊納(Koyna)水庫(1967年12月10日,M6.3)。大于5.0級地震僅15例,大部分水庫誘發(fā)地震是小于5.0級的中等地震和中小地震及微震,約占90%。在所有報道的水庫誘發(fā)地震震例中,在地震地質(zhì)條件、地震序列、震源機制、誘震機理等方面研究程度較高的,除了上述4個強震震例外,還有阿斯旺(Aswan)、馬尼克(Manic-3)、努列克(Nurek)、奧羅維爾(Oroville)、蒙地賽羅(Monticello)、胡佛(Hoove)、喬卡西(Jocasse)等。通過研究以上震例,可對現(xiàn)行水庫誘發(fā)地震危險性評價方法、水庫誘發(fā)地震特征的認(rèn)識、誘震機制理論及水庫誘發(fā)地震預(yù)報方法和理論研究起推動作用[3-8]。

對水庫誘發(fā)地震的研究,是從回答修建水庫是否會誘發(fā)地震開始的,早期的文獻主要集中于建庫前后庫區(qū)地震活動性與水位相關(guān)性方面,后續(xù)的研究基本上分為4方面:①水庫誘發(fā)地震的地質(zhì)學(xué)研究。主要研究庫區(qū)及周圍地質(zhì)構(gòu)造、斷層、地震帶以及水文地質(zhì)、巖性、地應(yīng)力場等,以期總結(jié)出易于誘發(fā)地震的庫區(qū)環(huán)境條件;②地震學(xué)研究。主要為地震序列分析、震源機制,是目前研究最為深入、結(jié)果最為可靠的研究方向;③水庫誘發(fā)地震的物理機制研究。包括概念模型、數(shù)學(xué)模型和數(shù)值模擬研究;④水庫誘發(fā)地震危險性評價和預(yù)測方法研究[,“口。

2 三峽工程水庫誘發(fā)地震研究歷史

三峽水庫誘發(fā)地震問題一直受到各界高度關(guān)注。在“積極準(zhǔn)備、充分可靠、加強科研”的方針指導(dǎo)下,開展了工程區(qū)及外圍的區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定性與地震活動性研究工作[11-17]。

2.1 建立三峽工程地震監(jiān)測臺網(wǎng)

在三峽工程選壩勘測工作的同時,對地震的研究也在同步進行。1958年9月,中國科學(xué)院地球物理研究所在三峽地區(qū)建立地震觀測臺網(wǎng),這是我國首次為一項工程專門設(shè)立的觀測臺網(wǎng)。1959年9月,該臺網(wǎng)移交三峽工程設(shè)計總成單位長江水利委員會(以下簡稱“長江委”)。長江委成立了三峽區(qū)勘測大隊地震隊,繼續(xù)進行三峽地區(qū)弱震監(jiān)測,為工程抗震設(shè)計和水庫誘發(fā)地震研究搜集了大量的基礎(chǔ)資料。三峽地震監(jiān)測臺網(wǎng)建立后,觀測工作一直正常進行,每年均形成地震目錄、分析報告、震中分布圖等。圖1為長江三峽工程數(shù)字遙測臺網(wǎng)分布圖。

2.2 綜合性地震監(jiān)測研究

20世紀(jì)70年代初以來,長江委地震研究部門除了繼續(xù)進行地震觀測外,還對庫壩區(qū)及外圍的一些主要斷裂構(gòu)造,特別是對壩址周圍300km范圍內(nèi)的一些較重要的地震事件,以及地貌第四紀(jì)地質(zhì)問題進行了研究考察。逐步開展了庫壩區(qū)和鄰近地區(qū)一些主要斷裂的定點形變監(jiān)測,對一些主要斷裂的最新活動年齡進行測定(如仙女山斷裂、九灣溪斷裂、高橋斷裂等)以及地形變監(jiān)測研究。這些工作為三峽工程論證、可行性研究、初步設(shè)計提供了詳實的基礎(chǔ)資料,對區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定性和地震危險性提供了階段性的認(rèn)識和結(jié)論。

2.3 水庫誘發(fā)地震專題研究

在三峽工程可行性研究報告和初設(shè)報告的審查過程中,區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定、水庫誘發(fā)地震問題是專家們關(guān)注和爭論較大的問題之一,因此國家組織了國家重點科技攻關(guān)項目,設(shè)立“長江三峽工程水庫誘發(fā)地震問題研究”專題,由多家科研院所、大專院校聯(lián)合攻關(guān)[18]。

為了監(jiān)測壩址及庫首區(qū)的地震活動,1987年5月至1989年11月,在三斗坪至香溪沿江和仙女山斷裂上建立地震臺網(wǎng)進行強化觀測。觀測臺網(wǎng)由庫首區(qū)沿江臺網(wǎng)、仙女山斷裂帶監(jiān)測臺網(wǎng)和鹽關(guān)小孔徑臺網(wǎng)3部分組成,經(jīng)近2a的觀測表明:

(1)壩址附近結(jié)晶巖體內(nèi),沿江段未記錄到微震和極微震;

(2)1a半時間內(nèi),除周坪懷抱石煤礦附近出現(xiàn)地震外,未記錄到沿仙女山斷裂帶發(fā)生地震;

(3)1a內(nèi)在香溪北5km的鹽關(guān)煤礦記錄到2.5~1.3級微震和極微震1090次;

(4)在龍馬溪至香溪一帶記錄到ML0~2.5級地震120次,多數(shù)為小于1.0級地震。

調(diào)查分析認(rèn)為:

(1)結(jié)合三峽臺網(wǎng)近30a測震資料和強化觀測資料,證明壩址附近確實未發(fā)現(xiàn)微震活動。

(2)周坪一帶出現(xiàn)地震,可能是懷抱石煤礦開采所致。仙女山斷裂帶可能不存在構(gòu)造地震帶,強化觀測未記錄到斷裂帶內(nèi)的地震。

(3)鹽關(guān)附近有大量微震和極微震,局限在礦山附近1km2范圍內(nèi),應(yīng)為礦山開采誘發(fā)地震。

(4)龍馬溪-香溪一帶地震,亦與礦山開采、礦洞塌陷有關(guān)。

(5)過去記錄的雨季在碳酸鹽巖區(qū)發(fā)生的一些小震,可能與巖溶塌陷等有關(guān)。

為了解三峽工程庫壩區(qū)的現(xiàn)今區(qū)域應(yīng)力場,1989年在壩址區(qū)附近茅坪鎮(zhèn)花崗巖體內(nèi),施鉆深800m的鉆孔,在該鉆孔中進行了16段原地應(yīng)力測量,同時還進行了孔隙壓力、巖石滲透率、井徑、井溫等測量。數(shù)據(jù)顯示其量級均較小,為與其他震例進行對比提供了資料。

2.4 水庫誘發(fā)地震的深化研究

國家“八五”重點科技攻關(guān)項目中,再一次設(shè)立“長江三峽工程地殼穩(wěn)定性與水庫誘發(fā)地震問題的深化研究”專題,對奉節(jié)以下至壩址區(qū)庫段地震潛在震源區(qū)進行了進一步厘定(見圖2),對可能產(chǎn)生水庫誘發(fā)地震的地段和強度進行了進一步研究預(yù)測(見圖3)。針對三峽工程地震地質(zhì)研究中存在的一些疑點,采用概率論方法對水庫誘發(fā)地震的潛在危險進行預(yù)測和極近場地面運動研究,同時對深孔地應(yīng)力測量進行了補充分析。

(1)通過穿越三斗坪壩址區(qū)長約330km的南北向人工地震剖面探測,并結(jié)合其他資料分析認(rèn)為,沿長江一帶分布的NNE和NW向重、磁異常是基底至上地慢拗陷與隆起的反應(yīng),不存在規(guī)模較大的NNE、NW-NWW向斷裂。

(2)采用模糊聚類法和灰色聚類法,以全球71個資料較全的水庫誘發(fā)地震震例為樣本,得出結(jié)論:三峽庫區(qū)花崗巖體內(nèi)誘發(fā)地震的上限震級不超過4.0級,廟河一香溪河碳酸鹽巖峽谷段和香溪一巴東碎屑巖庫段不超過5.0級(見圖3)。水庫誘發(fā)地震對工程的綜合影響烈度約為Ⅵ度[19-20]。

2.5 施工期地震強化觀測和水庫誘發(fā)地震專題研究

在對三峽工程遙控地震臺網(wǎng)進行改造完善的同時,進行了三峽水庫庫首區(qū)小孔徑強化地震觀測。建立和完善了地形變GPS監(jiān)測網(wǎng)、精密重力測量監(jiān)測網(wǎng)和地下流體監(jiān)測網(wǎng)絡(luò),并在水庫初期蓄水前后進行了多次觀測,取得了大量觀測資料;同時,在施工期進一步開展了地震本底和水庫地震預(yù)測研究工作,發(fā)布了《長江三峽三斗坪一奉節(jié)庫段水庫誘發(fā)地震報告》。夏金梧[21]綜合地震地質(zhì)條件、蓄水初期地震活動表現(xiàn)以及人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型,預(yù)測秭歸盆地高橋斷裂附近誘發(fā)最大(極限)地震的震級為5.5級,較前人預(yù)測的5.0級增加了0.5級。

總體來說,我國對三峽水庫地震問題已進行了大量的研究工作,與目前世界的研究水平基本同步。在工程還未開建之前建立地震監(jiān)測臺網(wǎng)用于長時間地震觀測,這在全球范圍較為罕見。

3 三峽水庫蓄水初期的地震活動

根據(jù)水庫誘發(fā)地震規(guī)律和長江干流及支流的分布情況,取奉節(jié)至三斗坪庫段兩岸約25km(φ30°40′~31°20′,λ109°30′~111°15′)的范圍來研究三峽庫區(qū)在水庫蓄水后的地震活動情況。

3.1 地震活動與水庫蓄水位的關(guān)系

三峽工程自2002年11月6日第二次截流后至2003年4月9日,壩前水位控制在69~70m范圍內(nèi)。2003年4月10日開始,水位緩慢上升,至5月24日達到80m。5月25日水庫開始正式蓄水,至6月10日22:00蓄至135.00m,日均升幅3.24m。2003年6月11日至10月25日,水位在135m上下波動。2003年10月26日至11月5日,水位由135.5m上升至138.7m,之后水位在138~139m之間波動。在整個蓄水過程中,壩前水深增加約69m(見圖4)。

由圖4可見,在水庫蓄水前,庫首及鄰區(qū)地震活動微弱、強度不大、頻次較低,0.5級和1.5級以上地震活動年頻次分別僅為25次和5次。隨著水庫水位的上升,地震活動頻次也急劇上升,具體表現(xiàn)形式為:2003年5月25日至6月7日,庫水位由80m上升至124m,長江兩岸10km以內(nèi)無地震活動;6月7日15:00在距長江庫岸約1km的巴東火焰石發(fā)生一次ML2.1級地震:6月8日20:00水位上升至128.8m,當(dāng)日無震;至6月9日05:00,巴東長江北岸的東瀼口一帶突發(fā)密集性小震群,當(dāng)天共記錄到能定位的微震巧次,同時巴東地震臺記錄到ML0級左右的極微震高達562次。之后,在庫區(qū)水位上升到135m或在135m(初期4個月)和139m上下波動的過程中,庫區(qū)地震活動頻次也出現(xiàn)了起伏變化(見圖5)。由此可見,水庫蓄水后庫區(qū)出現(xiàn)的高頻次地震活動異常是由于水庫水位抬升造成的,屬于典型的水庫誘發(fā)地震現(xiàn)象。

3.2 地震活動頻度分析

表1為水庫蓄水前3a和蓄水后3a庫區(qū)地震活動頻次統(tǒng)計。圖5為月頻次N-T圖。從表1和圖5可見,三峽水庫蓄水后,庫區(qū)地震活動頻次有明顯提高,但3級以上地震的頻次與蓄水前相同。由此說明三峽水庫誘發(fā)的地震活動均為3級以下的微小地震。

3.3 地震活動空間分析

蓄水前3a地震主要分布在3個地區(qū)(見圖6):①黃陵背斜與秭歸盆地接壤的香溪河兩岸(三間-香溪一帶),雖然該區(qū)只有4次地震,但強度最大(2001年12月13日秭歸賈家店MAO級);②秭歸的肖家坪至野花坪一帶;③巫山的兩河至雙龍一帶。水庫蓄水后3a,地震活動除了保持在蓄水前的3個分布范圍外,還增加了仙女山一九灣溪斷裂展布區(qū)、長江沿岸的巴東寶塔河一巫山培石庫段和興山黃糧坪地區(qū)等3個新的地震活動區(qū)(見圖7)。其主要特點是:①黃陵背斜與秭歸盆地接壤的三閭-香溪一帶,地震活動頻次比蓄水前有顯著提高,并與新形成的仙女山-九灣溪地震密集區(qū)構(gòu)成了一個明顯的北西向地震密集條帶。②在蓄水前,巴東寶塔河-巫山培石庫段地震活動較少,但在水庫蓄水位由80m上升至128.8m以后,該區(qū)地震活動頻發(fā),該庫段在約6個月內(nèi)形成了寶塔河一麂子巖、東瀼口雷家坪、信陵鎮(zhèn)火焰石、官渡口楠木園-培石等4個地震活動密集區(qū)(見圖8)。隨著地震活動的頻次不斷增加和各震區(qū)空間的逐步擴展,4個震區(qū)空間基本相連,形成了一個較大的地震活動密集庫段,構(gòu)成了三峽水庫蓄水后地震活動的主體空間,其地震活動頻次約占整個研究區(qū)的50%。③巫山兩河-雙龍一帶,地震活動頻次除了較蓄水前有所增加外,比較突出的一個特點是地震活動在空間上較以前集中,形成了一個密集成團的小區(qū)域。

根據(jù)上述地震區(qū)地震活動與水庫蓄水過程的對應(yīng)關(guān)系和各地區(qū)的地震活動特點分析,三峽水庫蓄水后,引起地震活動有明顯異常變化的地區(qū)是巴東寶塔河一巫山培石庫段(含高橋斷裂南西段)和香溪河的三閭-香溪庫段兩處。因此,可以判定這兩個地區(qū)的異常地震活動,屬于水庫誘發(fā)地震活動。其他幾個地震密集區(qū)還不能判定是水庫誘發(fā)地震活動的原因是:仙女山一九灣溪斷裂帶附近在水庫蓄水前就是三峽庫區(qū)天然微震活動相對較多的地區(qū),雖然在水庫蓄水后出現(xiàn)過幾次小震群,并在斷裂帶附近形成震中密集現(xiàn)象,但其震中均在蓄水前(20世紀(jì)80~90年代)已發(fā)生過礦震的礦區(qū)范圍內(nèi),而且這些礦區(qū)不在庫水影響范圍內(nèi)。因此,可以認(rèn)為仙女山一九灣溪斷裂附近出現(xiàn)的幾次小震群可能屬于采礦洞塌陷地震,不能判定是水庫誘發(fā)的地震活動異常;巫山兩河一雙龍一帶和興山黃糧坪震區(qū)不在三峽工程水庫影響范圍以內(nèi),這兩個地區(qū)出現(xiàn)的地震活動應(yīng)屬正常的天然地震。

3.4 地震活動強度分析

從圖4和表1可以看出,三峽水庫蓄水初期,地震活動絕大多數(shù)為ML1.5級以下的微弱地震,自三峽水庫蓄水至2006年3月31日止,在庫首及鄰區(qū),共記錄到能確定震中位置的地震事件有2223次,其中1.5級以下的地震有1954次,占總數(shù)的87.8%;3級以上地震僅3次;最大震級為2005年9月22日巴東東瀼口鎮(zhèn)北ML3.3級。蓄水初期4個地震集中地區(qū)見圖8。

另外,三峽水庫蓄水前天然地震本底的多年平均釋放能量1.075×106J;蓄水后3a共釋放應(yīng)變能9.0999×106J,年均釋放3.033×106J,蓄水以來至今,年均釋放能量為2.048×106J。由此可見,三峽水庫蓄水后,雖然在蓄水初期庫區(qū)誘發(fā)了大量的地震活動,但絕大多數(shù)為ML1.5級以下的微震。自2009年以來,雖然庫區(qū)發(fā)生過幾次規(guī)模較大的地震,最大為5.1級,但總體來看,三峽水庫蓄水前后,地震活動的強度和年平均釋放應(yīng)變能量均處于同一水平。

4 三峽水庫蓄水以來震級較大地震活動

自三峽水庫蓄水以來,發(fā)生大于M4.0級以上地震共7次,其中最大5.1級,其特點見表2。

5 結(jié)論

(1)三峽工程歷經(jīng)了前期深入的區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造背景和地震地質(zhì)條件研究和長達50a的地震監(jiān)測,積累了豐富的地震活動資料和信息,蓄水后地震活動實際狀況證明,三峽水庫誘發(fā)地震震級保持在前期預(yù)測的水平范圍之內(nèi)。

(2)三峽大壩處于黃陵背斜地質(zhì)構(gòu)造穩(wěn)定、地震活動極其微弱的古老結(jié)晶巖地塊內(nèi),大壩及主要水工建筑物抗震設(shè)防能力高,即使發(fā)生任何超出預(yù)測范圍的水庫誘發(fā)地震,也不會對大壩及主要水工建筑物的安全造成危害。

(3)經(jīng)過幾十年的不斷研究,對三峽水庫誘發(fā)地震活動特點和規(guī)律有如下基本認(rèn)識:①在空間分布上,三峽水庫誘發(fā)地震主要集中在庫盆和距離庫岸邊3~5km范圍內(nèi),少有超過10km。②主震發(fā)震時間和水庫蓄水過程密切相關(guān)。③水庫蓄水所引起的巖體內(nèi)外條件的改變,隨著時間的推移逐步調(diào)整趨于平靜,因而水庫誘發(fā)地震的頻度隨時間的延長呈明顯的下降趨勢;地震活動的強度和年平均釋放應(yīng)變能量在水庫蓄水前后基本處于同一水平。④在水庫蓄水初期,三峽水庫誘發(fā)地震震級絕大部分是微震和弱震,監(jiān)測和實地調(diào)查表明,其主要由淺表應(yīng)力調(diào)整、巖溶及礦坑塌陷所引起。大于3.0的地震極少且明顯滯后。大于3.0級的地震一般發(fā)生于斷裂帶附近,多由水庫蓄水引發(fā)斷裂構(gòu)造活動引起。⑤震源深度極淺,絕大部分震源深度在3~5km,直至近地表。⑥三峽水庫地震與天然地震相比,具有較高的地震動頻率、地面峰值加速度和震中烈度,但極震區(qū)范圍很小,烈度衰減快。

(4)對三峽水庫誘發(fā)地震的持續(xù)監(jiān)測和研究表明,其水庫誘發(fā)地震的類型主要有構(gòu)造型、喀斯特(巖溶)型、礦坑塌陷型及淺表微破裂型(淺表卸荷型)。

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(編輯:李曉壕)

收稿日期:2019-10-30

基金項目:國家重點研發(fā)計劃項目“堰塞湖多源信息快速感知與探測技術(shù)研究”(2018YFC1508602)

作者簡介:夏金梧,男,教授級高級工程師,博士,主要從事工程地質(zhì)、地震地質(zhì)、遙感技術(shù)應(yīng)用等方面的研究工作。E-mail:235028294@qq.com

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