朱溪水庫誘發地震可能性分析

馬志江 趙 冬 韓用兵 毛昌偉 姚立珣

（浙江省工程地震研究所，杭州 310013）

朱溪水庫誘發地震可能性分析

馬志江 趙 冬 韓用兵 毛昌偉 姚立珣

（浙江省工程地震研究所，杭州 310013）

臺州市朱溪水庫于2011年開始籌備建設，壩高73.5m，總庫容1.257億m3，屬于大型水庫。水庫建成蓄水后是否會誘發地震，一旦誘發地震，可達的最大震級有多大，這一焦點問題備受各方關注。本文通過對庫區區域構造背景、主要斷層活動、破壞性地震的影響及地震地質條件，結合水庫庫區的具體情況，采用構造類比分析法和概率預測法，對朱溪水庫誘發地震的可能性進行了分析，最終給出了相對科學的預測結論，為將來應對可能出現的水庫誘發地震問題提供了科學依據。

朱溪水庫 區域構造背景 主要斷層活動 誘發地震

引言

擬建中的朱溪水庫地處浙江省臺州市仙居縣朱溪鎮境內，壩址位于朱溪鎮上游 4.5km、河口村下游約600m處，水庫攔河壩壩高73.5m，正常蓄水位以下總庫容約1.257億m3，朱溪水庫工程是以供水為主，結合防洪、灌溉，兼顧發電等綜合利用的水利工程。水庫誘發地震對水庫工程設施因震級不同而產生不同程度的破壞，可引起嚴重的次生災害。據有關資料統計，至今國內外已記錄到有百余座水庫誘發地震的震例（楊清源等，1996）。我國自建國以來也已發生過43例水庫誘發地震的事件，其中浙江就占有5例。因此，開展朱溪水庫誘發地震可能性的分析工作十分必要。朱溪水庫誘發地震可能性的分析，不僅可為當前工程設計提供科學依據，而且也可為將來水庫建成后，應對可能出現的水庫誘發地震問題提供科學依據。本文在對朱溪水庫的區域構造背景、近場區斷層活動特點和破壞性地震的影響等資料的分析基礎上，對庫區誘發地震的可能性進行了討論和分析。

1 地震構造背景

1.1 區域構造背景

朱溪水庫位于浙南中山隆起區與浙江沿海低山隆起區分界線附近，新構造以來，浙南中山隆起區表現為緩慢的間歇性隆升特點，地貌上形成較多的“V”形谷地，山谷陡峭。朱溪水庫兩岸同樣也是山勢陡峻，以陡壁為主，巖面大都裸露。區內斷層主要有北東向的奉化-麗水斷層、鎮海-溫州斷層、泰順-溫州斷層以及北西向的淳安-永嘉斷層等。其中，鎮海-溫州斷層在其北段的寧波附近，為晚更新世早期有過活動的斷層（周本剛等，2008），其它斷層或斷層段為晚更新世以來不活動斷層。歷史上，在奉化-麗水斷層的南段曾發生過 1574年慶元51/2級地震；在鎮海-溫州斷層北段附近，曾發生過1523年鎮海51/2地震；在泰順-溫州斷層與淳安-永嘉斷層的交匯部附近曾發生過1813溫州43/4地震。庫區地震基本烈度在《中國地震動參數區劃圖（GB 18306-2011）》（中華人民共和國國家標準，2011）上為小于Ⅵ度。

1.2 近場區主要斷層活動特征

朱溪水庫近場區內（水庫及壩址周圍25km范圍）新構造運動特征基本與區域特點一致，以間歇升降運動為主。白堊紀以來在仙居附近沉積形成白堊紀盆地，第四紀以來該區繼續接受沉積，其它地區基本以隆起、剝蝕為主，形成表層風化坡積物。近場區出露的巖漿巖為燕山期火成巖。近場區主要斷層有4條，其中僅張家渡-上張斷層（f1）在水庫西部附近通過，近場區斷層情況如表1所示。在近場區，歷史上記錄到的有感地震震級最大為4.0級，距離水庫壩址24.2km，現今無地震記錄。

表1 朱溪水庫近場區范圍內主要斷層概況Table 1 Main faults in the adjacent area of Zhuxi reservoir

通過對近場區內這些斷層開展的野外調查并結合年代學研究成果，這些斷層均屬于第四紀早期（Q1—2）斷層，晚更新世以來沒有活動跡象。

2 破壞性地震的影響

根據對區域地震活動性分析的成果，區域范圍內（庫區周圍150km范圍內）歷史上曾發生過M≥43/4級地震9次，最大地震為1523年鎮海海濱51/2級地震和1574年慶元51/2級地震。根據收集到的歷史地震資料，對水庫區影響烈度進行綜合分析認為，歷史上遠場郯城、南黃海、泉州、臺灣等地發生的大地震對水庫區的影響烈度最大為Ⅴ度左右，不到Ⅵ度；1523年鎮海51/2級地震、1574年慶元51/2級地震以及1813年溫州43/4級地震，對水庫的影響烈度均小于Ⅴ度。

3 水庫區地質構造條件

水庫區周圍兩岸地層由侏羅系上統西山頭組（J3x）的流紋質或英安質玻屑熔結凝灰巖和角礫熔結凝灰巖組成，巖體較完整。水庫區附近發育北東、北西及近東西向多條斷層（表2，圖1），這些斷層不是區域性斷層。但個別斷層與壩址及庫區關系較為密切。

表2 朱溪水庫庫區主要斷層概況Table 2 Main faults in Zhuxi reservoir

圖1 朱溪水庫庫區地質構造圖Fig. 1 Geological map of Zhuxi reservoir and its adjacent area

3.1 f（1）斷層及其活動特征

該斷層在水庫區西側（梅岙至利坑口一線附近）通過，北東走向。野外地質調查中，在利坑口村西南500m公路邊見斷層出露剖面（圖2），斷層發育于灰褐、灰黑色的凝灰巖中，斷層走向北東20°，傾向南東，傾角85°，斷面波狀起伏，上部緩傾，剖面下部斷面則近陡立，斷層下盤為沉凝灰巖，由于擠壓造成巖性破碎，但仍可見層理。斷層破碎帶寬數cm至1.5m不等。破碎帶內可見明顯的擠壓劈理，破碎帶內以角礫巖為主，由于雨水侵蝕及植物根劈，破碎帶內局部風化強烈。該斷層沒有明顯的地貌表現，綜合分析認為該斷層為壓型斷層，推測最新活動時代在前第四紀。

圖2 利坑口村路邊斷層出露剖面Fig. 2 Fault exposure at the roadside of Likengkou village

此外，在位于河口村朱溪水庫壩址東南山邊，由于新開挖公路見斷層剖面（圖 3）。斷層發育于青灰色、黃褐色的凝灰巖中，斷層走向北東40°，傾向南東，傾角55°，斷面波狀起伏，斷層下盤節理發育，并且巖性破碎，斷層破碎帶寬約1m，呈灰褐色，擠壓破碎，可見明顯的劈理。破碎帶內以角礫巖和碎裂巖為主，膠結成巖。斷層上覆厚數10cm至1cm不等的第四紀崩坡積物。斷層沿線沒有明顯的地貌表現，綜合判定該斷層為一壓性斷層，推測最新活動時代在前第四紀。

圖3 河口村路邊斷層出露剖面Fig. 3 Fault exposure at the roadside of Hekou village

3.2 f（3）斷層及其活動特征

該斷層主要發育于壩址東側，由數條長度 1km的小斷層組成，在朱溪水庫可研報告1浙江省水利水電勘測設計院，2009. 浙江省臺州市朱溪水庫可行性研究報告.中亦提及該斷層，總體走向北西 320°—340°，傾向北東，傾角 40°左右。在野外地質調查中，在沙頭村東南 300km左右的朱溪右岸見斷層出露剖面（圖4），斷層發育于灰褐色塊狀凝灰巖中。斷層產狀為NW50°走向，傾向北東，傾角80°。斷面光滑平整，呈閉合狀。破碎帶整體寬約 1m，以角礫巖為主，膠結成巖。在斷層盤面可見明顯的水平向擦痕及階步，根據擦痕深淺方向及階步坎的面向，判定該斷層為右旋走滑斷層。綜合野外地質調查，判定該斷層最新活動時代在前第四紀。

圖4 沙頭村路邊斷層出露剖面Fig. 4 Fault exposure at the roadside of Shatou village

在上王周村村口亦見斷層出露剖面，斷層發育于灰褐色的侏羅紀塊狀凝灰巖中，斷層北西25°走向，傾向北東，傾角47°，斷面波狀起伏。破碎帶寬約50—80cm，以角礫巖和碎裂巖為主，呈青灰色。緊靠上盤面可見清晰片理及寬約5—10cm左右的青灰色斷層泥。斷層出露邊坡覆蓋有少量崩坡積物。斷層巖性沒有明顯的地貌表現，綜合判定該斷層最新活動時代在前第四紀。

3.3 f（5）斷層及其活動特征

該斷層走向北西330°，長14km左右。斷面見于嶺根村附近，斷層發育于黃褐色至灰色的凝灰巖中。斷層破碎帶寬約 1.5m左右，斷層破碎帶以棱角狀構造角礫巖為主，緊靠下盤盤面處可見明顯的擠壓片理及青灰色斷層泥。受風化侵蝕強烈，該斷層破碎帶內物質較為松散，且為強風化狀態。該斷層在地貌上并無明顯地貌表現，綜合判定該斷層最新活動時代在晚更新世之前，推測為前第四紀。

在張郎村公路邊（圖5），斷層發育于黃褐色塊狀凝灰巖中，產狀為：N80°W/NE∠65°。斷層破碎帶寬約40—50cm，擠壓片理發育。破碎帶內以角礫巖、碎裂巖為主，呈黃褐色，緊靠下盤面可見少量的青灰色斷層泥，膠結成巖。破碎帶表層風化侵蝕強烈，呈砂土狀。綜合判定該斷層最新活動時代為前第四紀。

圖5 張郎村附近斷層出露剖面Fig. 5 Fault exposure at the roadside of Zhanglang village

3.4 f（7）斷層及其活動特征

該斷層走向近東西向，斷層在庫區附近內延伸長為7km左右，自利坑口向東延伸經鄭加山至后橫嶺。位于沙頭村附近該斷層地貌上形成埡口地貌，朱溪的兩條小支流在沙頭村及利坑口村段受斷層影響，呈東西走向。受斷層影響沙頭村公路邊巖體節理較為發育，影響帶在5—8m左右，且節理微張，局部充填有膠結碎屑物。綜合判定該斷層最新活動時代在早第四紀。

在沙頭村西南500m左右的公路邊（圖6），斷層發育于塊狀灰黃色、灰褐色的晶屑凝灰巖中。斷層近東西走向，傾角近直立。破碎帶緊僅10cm左右，擠壓片理發育，夾有3cm左右的青灰色斷層泥。破碎帶內以碎粉巖為主，含較多植物根系，風化嚴重。綜合判定最新活動時代在早第四紀。

圖6 沙頭村附近斷層出露剖面Fig. 6 Fault exposure at the roadside of Shatou village

4 水庫誘發地震預測與評價

水庫誘發地震是指由于水庫蓄水或水位變化而引發的地震。水庫誘發地震危險性評價是水利水電工程安全性評價的重要組成部分，重點是在水庫修建之前根據水庫影響區的地震、地質條件，對水庫誘發地震的可能性、可能發震庫段和最大震級以及誘發地震的危害性進行評價。本文根據《水庫誘發地震危險性評價（GB 21075-2007）》（中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局，2008），對朱溪水庫誘發地震進行了預測評價。采用的方法分別是規范中提供的構造類比法（確定性評價方法）和概率評價法。

4.1 構造類比法評價朱溪水庫誘發地震的可能性

浙江省及周圍地區水利資源豐富，水庫較多，也是水庫誘發地震較多的地區。與其它省相比浙江省屬少震區，歷史地震強度和頻度都較低，但水庫誘發地震事件卻相對比較多，在浙江省100多座大、中型水庫中已發生水庫誘發地震5例。表3列出了浙江省及鄰省一些水庫誘發地震的基本情況（林松建等，2007；丁原章，1989），同時也給出了鄰省幾座水庫發生誘發地震的基本情況。

表3 浙江省及鄰省水庫發生誘發地震的概況Table 3 Summary of the reservoirs and induced earthquakes in Zhejiang province and its neighboring

由表3可見，這些發生誘發地震水庫的共同之處是：水庫位于斷陷盆地邊緣，庫區斷層和破碎帶發育，地震多發生在盆地邊緣的斷層帶上；地震發生區域多為火成巖、流紋斑巖、花崗巖和灰巖分布，巖體節理，尤其是垂直節理發育，或是幾條斷層交匯，巖體破碎，有較好的滲透條件。除橫溪水庫外，其它水庫壩高都在60m以上，6座大型水庫庫容都在1億m3以上。以上這些都是水庫誘發地震的主要有利條件。

根據朱溪水庫規模、構造、巖性、滲透性、地震活動等資料，作者分析認為：

（1）朱溪水庫處于V型峽谷中，壩高73.5m，總庫容1.257億m3，壩前水深62m，水庫淹沒面積5.5km2，屬于大型水庫。

（2）水庫區和壩址區的構造主要是規模不大的斷層，均為早第四紀至前第四紀斷層，無晚第四紀活動斷層分布，構造比較穩定，不具備發生中、強地震的構造背景。

通過水庫區和壩址區的斷層主要為北東向、北西向和東西向三組斷層，斷層規模不大，破碎帶不寬，且多為壓性和壓扭性，少數為張性，不易形成滲水通道。

（3）水庫區及周邊前第四紀地層為中生界侏羅系上統火山巖、白堊系下統河湖相沉積巖和陸相火山碎屑巖。第四紀地層主要為上更新統坡洪積層、坡積層和全新統沖積層、洪積層以及殘坡積層。巖漿巖為上侏羅世、下白堊世的潛火山巖和侵入巖，主要分布有流紋斑巖、霏細斑巖和鉀長花崗巖。水庫區主要發育北西向、近東西向和北東向三組節理，在分布上沒有成帶或密集發育的現象，節理密度很小。除少數垂直于擠壓構造的張節理外，絕大部分均為壓性和壓扭性，長度絕大多數在10m以下，裂隙面呈閉合和微閉合狀，基本無填充，閉合良好不易形成滲水通道。張節理僅發育在構造的表層，延伸較短，深部基巖為不透水層，巖體滲透條件差。

（4）庫區構造應力場以近東西向的水平壓應力，近北南向的水平張應力為主。在這樣的應力場作用下，庫區分布較多的北東向和北西向斷層容易發生走滑錯動，東西向斷層容易發生張性錯動。

（5）水庫區及周圍50km范圍內，最大地震為1853年臨海41/2地震，距壩址35km。1970年以來，區域地震臺網僅記錄到3次小地震，最大為ML2.4級，距壩址超過40km。在水庫影響區范圍內沒有歷史地震記載，也沒有監測到現今地震。

（6）水庫區及周邊未發現有溫泉活動。

將上述6點與表3列出的水庫誘發地震的條件類比后認為，除朱溪水庫庫容較大外，朱溪水庫誘發地震的其它條件不夠充分，水庫建成蓄水后誘發地震的可能性較小。此外，因為庫段不具備發生 M4.5級以上的地震構造背景，即使建成蓄水后發生水庫誘發地震，其震級也不會超過4.5級。

4.2 概率法評價朱溪水庫誘發地震的可能性

水庫誘發地震可能性概率評價是一種水庫誘發地震預測的定量方法，它考慮了構造環境、應力場、庫區巖性、水庫參數等多種誘發地震的因素。

Beacher等（1982）根椐世界上234座水庫（29座發震水庫和205座未發震水庫）的資料分析，給出了影響水庫地震發生的5個主要誘震因素：庫深H；庫容V；應力場狀態S；斷層活動性F；庫區巖性條件G。將這5個因素各分成3種狀態，列于表4。

表4 水庫誘發地震的因素與狀態Table 4 Factors and states of reservoir induced earthquakes

根據計算中可用的水庫資料多少并考慮樣本數量和震級檔劃分，將水庫誘發地震震級劃分為中震、小震和不發震三檔，即：6.9＞M1≥5、M2＜5和M3無震三檔。它們的驗前概率分別為：

假設上述各誘震因素Aj相互獨立，則有：

根據238座（33座發震和205未發震）水庫資料樣本統計（常寶琦，1995），得到對于不同狀態下水庫發生中震、小震和不發震三種事件的每種誘震因素的驗前概率，列于表5。

表5 對于三種狀態不同震級條件下不同誘震因素的驗前概率Table 5 Pre-test probability under different three states with different induced factors and earthquake magnitudes

根據朱溪水庫的情況，庫深62m歸為狀態3，庫容1.257億m3歸為狀態3，應力場狀態取逆斷層環境歸為狀態1，斷層活動狀態取第四紀以來活動斷層歸為狀態1，巖性取火成巖歸為狀態3，使用式（2）計算得到：

即誘發中等地震的概率為0.025，誘發小震的概率為0.247，不誘發地震的概率為0.728。

由上述計算結果分析，幾乎不存在誘發中等地震的可能性，誘發小地震的可能性也較小。但是從安全考慮，上述結果發震概率為0.25，略大于水庫誘發地震的臨界概率（常寶琦，1988）的數值0.2，存在誘發小地震的可能性。

4.3 水庫誘發地震的最大震級估計

如果水庫建成蓄水后發生水庫誘發地震，其最大震級可用以下方法估計：

（1）根據水庫影響區范圍內歷史地震的最大震級估計

據已有的發震水庫統計結果表明，水庫誘發地震的震級一般都不會超過當地最大構造地震的震級。朱溪水庫區及水庫影響區范圍沒有發現歷史地震記載，1970年以來區域地震臺網也沒有記錄到地震活動，在壩址50km范圍內最大地震為1853年5月29日臨海41/2級地震，它距壩址 35km，若將此視為當地最大構造地震，則推測朱溪水庫即使發生水庫誘發地震，最大震級不超過4.5級。

（2）根據可能誘發地震的斷層長度估計誘發地震的最大震級

根據統計研究，庫區發震斷層的長度與誘發地震震級之間具有表6所示的關系（中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局，2008）。

表6 斷層長度和水庫誘發地震震級的統計關系Table 6 Statistical relationship between fault length and magnitude of reservoir induced earthquake

通過朱溪水庫區的斷層規模較小，特別是通過淹沒區的規模在5km以下，根據表6推測朱溪水庫即使發生水庫誘發地震，最大震級為4級左右。

（3）根據地震斷層破裂長度估計誘發地震的最大震級

根據國內外21例水庫誘發地震震級（絕大部分為M3級以上）與發震斷層破裂長度的關系（曾心傳等，1989），統計得到斷層長度與最大誘震震級之間的關系為：

式中，L為斷層破裂長度，單位為km。

在庫區的東西向f（7）斷層，自利坑口向東經鄭加山至后橫嶺，在庫區延伸長為7km左右，斷層巖體節理較為發育，影響帶在5—8m，且節理微張，局部充填有膠結碎屑物，具備一定的滲水條件，相對有利于誘發地震的發生。按地震破裂長度占斷層長度的17—38%計算（張文甫，1999），如果該斷層發生地震則破裂長度最長為2.7km，根據上式計算得到水庫誘發地震最大為3.2級。

5 結語

根據水庫誘發地震條件類比，朱溪水庫區發生誘發地震的可能性較小，根據水庫誘發地震概率評價，朱溪水庫存在較小的誘發小地震的可能性。綜合考慮水庫誘發地震確定性分析和概率評價結果，從偏保守角度考慮認為，朱溪水庫蓄水后存在誘發小地震的可能性，其震級最大為4.5級左右。在最大震級情況下，最大可產生震中烈度為Ⅵ度的地震影響。

常寶琦，1995. 巖土力學·地震工程·水庫地震（論文集）. 廣州：華南理工大學出版社，183—184，271—274.

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The Probability Analysis of Induced Earthquakes in Zhuxi Reservoir

Ma Zhijiang, Zhao Dong, Han Yongbin, Mao Changwei and Yao Lixun
(The Engineering Seismology Institute of Zhejiang Province, Hangzhou 310013, China)

Zhuxi reservoir in Taizhou city was put into preparation for the construction in 2011. As a large-scale reservoir, the storage capacity of Zhuxi is 1.257 billion cubic meters with a dam height of 73.5 meters. Much attention has been paid to some potential problems thereafter, such as the probability of induced earthquakes and the possible maximal magnitude. Based on the regional tectonic background, main faults activity, the potential earthquake hazard and the seismo-geological conditions, we discuss the probability of the induced earthquake in Zhuxi Reservoir by using analogy analysis method of structures and the probabilistic prediction method. Our results will provide a scientific base for reservoir induced earthquake study in future after the reservoir is built up.

馬志江，趙冬，韓用兵，毛昌偉，姚立珣，2012．朱溪水庫誘發地震可能性分析．震災防御技術，7（3）：238—249.

2012-04-13

馬志江，男，生于1977年。工程師。主要研究方向：地震工程。E-mail：934176052@qq.com；mzj96@yeah.net

Κey words: Zhuxi reservoir; Regional geologic structure background; Activity of main faults; Induced earthquake