使用灰色聚類方法評估長江三峽水庫湖北不同庫段水庫誘發地震的震級上限

馬文濤 徐錫偉 于貴華 苑京立 徐長朋 藺 永

(中國地震局地質研究所，活動構造與火山重點實驗室，北京 100029)

0 引言

水庫地震危險性評估是地震預測中重要的研究方向和課題之一，其原理是根椐庫區及其附近區域的地質、構造、地震和工程等條件，考慮到蓄水后水載荷和孔隙壓變化的影響，對水庫區未來水庫誘發地震“時、空、強”的可能性進行評價，預測水庫誘發地震最可能的發震地段、最大震級等，為水庫大壩安全運行、快速評價地震災害及次生災害、抗震減災提供參考依據。

本文使用灰色聚類方法，利用我們收集到的150例水庫誘發地震震例和532個國內大型水庫資料，按庫深、庫容、區域應力狀態、斷層活動性、巖性介質條件和地震活動背景等6個誘震因素，統計出相應的發震比例數，作為水庫地震預測指標。然后根據長江三峽水庫壩址區、香溪河口及仙女山斷裂帶過江段、泄灘西和巴東及神龍溪兩岸的實際6個誘震因素參數，對長江三峽水庫庫區這4個地段的水庫誘發地震最高震級進行了評估計算，并得到了實際水庫地震震例的檢驗。

1 研究方法簡述

水庫地震危險性評估方法有很多，如類比法(工程、地質)(胡毓良等，1979年;夏其發等，1984，2012)、成因模式法(余永毓，1987)、概率法(胡聿賢等，1991)、模糊數學法(常寶崎，1997)、灰色系統模型法(鐘以章，1990;黃乃安，1991)等，它們是預測水庫誘發地震危險性的主要方法。

Talwani等(1981)20世紀80年代提出并系統發展了水庫誘發地震危險預測方法，并在Manicougan 3、Manicougan 5、LG2、LG3和 Katse大壩成功應用;蘇錦星等(2000)和夏其發等(2012)使用8個誘震因素;黃潤秋等(1995)提出水庫誘發地震震級的人工神經網絡預測模型。王秋良等(2009)使用統計預測模型對三峽庫區誘發地震進行了預測;楊清源等(l996)使用6個誘震因素、譚周地等(1989)和張紹波(1993)對長江三峽水庫誘發地震危險性進行分析;薛軍蓉等(1992)利用模式識別方法對長江三峽水庫誘發地震危險性進行預測;易立新(2000)提出了7個影響因子，進行水庫誘發地震危險區段的預測。

基于統計的水庫誘發地震危險性評價方法很多，主要存在的問題是樣本數少，有一些誘震因素具有隨意性，有些誘震因素不獨立。

1.1 灰色聚類方法

灰色聚類法是基于白化權數，原理是將收集到的樣本按照統計方法取其權，再將被預測對象按照實際指標的值在白化權函數上找到所對應的權，根據找到的權值判斷所屬類別(鐘以章，1990;黃乃安，1991;楊清源等，1996;孫君秀，1996)。

一般將水庫地震震級作為聚類的類別，設ML表示第L種地震類型(L=1，2，3，…m)。獨立的誘震因數作為聚類指標，設xi為第i種預測指標(i=1，2，3，…n)。被預測的水庫作為聚類對象，YK為第 K 個被預測對象(K=1，2，3，…s)。

設ZK(dij)為第K個被預測水庫對于xij的樣本，則fLi(ZK(dij))為ZK(dij)對應第L種水庫地震的白化函數的權，有

式(1)中yL(xi)為第L種水庫地震類別第i指標的統計數，YL(xij)為第L種水庫地震類別第i指標中第j個分指標的統計數。

若被預測水庫地震類別為L，則

當L*=m時，被預測的水庫地震就屬于第m種水庫地震類別。

1.2 水庫資料情況

到目前，我們已經收集到全世界范圍內誘發地震的震例150余座(丁原章等，1989;楊清源等，l996;潘家錚等，2000;胡先明，2004;丁仁杰等，2004;王建平，2010年;中國水利年鑒編寫組，2012)，其中發生＞6級以上地震震例4例，發生＞5級地震的水庫15座，4～5級地震的水庫30座，3～4級地震的水庫37座，而＜3級地震的水庫占63座。其中，亞洲占67例(中國39例)、北美洲25例、南美洲18例、大洋洲7例、非洲4例、歐洲33例。還收集了中國未發震的大型水庫532座的資料。

在這些水庫資料中，總共有24個參數，它們大部分是非獨立量，其中庫深、庫容、區域應力狀態、斷層活動性、巖性介質條件和地震活動背景等6個因素是獨立變量(楊清源等，2001)。因此，它們能夠滿足灰色聚類法對于變量的獨立性要求。

1.3 水庫地震預測指標的計算

1.3.1 發震水庫規模

在已發震的150座水庫震例中，屬于高壩(庫深＞90m)水庫占78座，庫容＞100億m3的有30例，分別占到已發震水庫的52%和20%。說明高壩、大庫容的水庫發震可能性大(表1，2)。

表1 水庫庫深與震級關系表Table 1 Reservoir depth versus earthquake magnitude

表2 水庫庫容與震級關系表Table 2 Reservoir capacity versus earthquake magnitude

1.3.2 構造應力背景

水庫誘發地震是沿一些原有的不連續結構面發生的，如斷層、節理、裂隙等。從結構面的性質上看張裂隙最利于水的滲透，剪切面次之，當最大主應力方向與走向基本一致和相交近300°～350°左右時，有利于裂隙的張開和滑動，分別形成正斷層或走向位移斷層。當最大主應力方向垂直于結構面時易形成逆斷層最不利于水的滲透。但在地貌、地形的特殊部位，在水的作用下也能產生逆斷層的活動，發震應力狀態、斷層活動和天然地震活動背景等的關系見表3，4，5。

1.3.3 巖性條件

除了構造應力能產生斷裂、裂縫等不連續結構面外，長期的溫度變化、水溶蝕作用等都能產生裂縫或者溶洞，特別是在灰巖區的背斜軸部往往存在一些張性裂隙，蓄水后非常利于水的滲透，同時，也是應力軟弱面(表6)。

根據上述的庫深、庫容、區域應力狀態、斷層活動性、巖性介質條件和地震活動背景等6個因素與震級的統計關系，我們可以建立水庫地震預測指標表(表7)。

表3 地應力狀態與震級關系表Table 3 The crustal stress state versus earthquake magnitude

表4 水庫斷裂活動性與震級關系表Table 4 The fault activity in reservoir versus earthquake magnitude

表5 天然地震活動背景與震級關系表Table 5 The background of natural seismic activity versus earthquake magnitude

表6 水庫巖性與震級關系表Table 6 Reservoir lithology and earthquake magnitude

2 長江三峽水庫的水庫誘發地震危險性分析

長江三峽水庫的庫首區地處鄂西地區，在天然地震區劃上屬華南弱震區。地貌上地處第二級臺階的過渡帶上，區域內構造以黃陵背斜和秭歸盆地為中心，四周圍繞著這2個構造單元主要分布了NNW向仙女山斷裂、NE向高橋斷裂、NNE向牛口斷裂、EW向畝田灣斷裂、NNE向九灣溪斷裂、NE向興山-水田壩斷裂。黃陵背斜是以花崗巖為主的結晶巖類，為結晶基底;其他區域是沉積蓋層;在秭歸盆地內分布著砂板頁巖為主的碎屑巖，而黃陵背斜和秭歸盆地周邊則為灰巖區(圖1，2)。

表7 水庫地震預測指標表Table 7 The predictors for reservoir-induced earthquake

按照誘震因數的震級劃分(楊清源等，l996)，MS≥5.0為第Ⅰ類，5.0≥MS＞4.0為第Ⅱ類，4.0≥MS＞3.0為第Ⅲ類，MS＜3.0為第Ⅳ類，無震為Ⅴ類。我們可以用灰色聚類分析估計出新豐江水庫、三峽水庫和龍灘水庫最高震級和用概率法估計水庫誘發地震的可能性。

長江三峽水庫構造分成4個區域:壩址區、香溪河口-仙女山斷裂帶過江段、泄灘西、巴東神龍溪段。本文分別對它們進行灰色聚類分析。

圖1 三峽庫區湖北段主要構造和2003年蓄水以來MS＞1.8水庫地震分布Fig.1 Distribution of major faults and earthquakes of MS≥1.8 in the Hubei section of Three Gorges Reservoir since its impoundment in June，2003.

2.1 長江三峽水庫壩址區

長江三峽水庫壩址區位于黃陵背斜軸部，水深＞140m，巖性為花崗巖，區域應力狀態為擠壓狀態，為無震區，無活動斷裂存在，只有NW向的太平溪斷裂。按照水庫地震預測指標，分別計算出Ⅰ類、Ⅱ類、Ⅲ類、Ⅳ類和Ⅴ類的白化函數值(表8)。

其結果表明Ⅳ類(MS＜3.0)的白化函數值1.58最大。因此，由灰色聚類分析預測結果是長江三峽水庫壩址區地震震級＜3級。實際上，2009年2月6日在距離三峽水庫大壩4km的小溪口村發生最大震級ML2的水庫地震。

2.2 長江三峽水庫九灣溪—香溪河口段

九灣溪—香溪河口段水深＞140m，巖性為灰巖，區域應力狀態為擠壓狀態，地震活動背景為弱震區，無活動斷裂通過，存在NNW向仙女山斷裂和NNE向德九灣溪斷裂。按照水庫地震預測指標，分別計算出Ⅰ類、Ⅱ類、Ⅲ類、Ⅳ類和Ⅴ類的白化函數值(表9)。

其結果表明Ⅱ類(5.0≥MS＞4.0)的白化函數值1.69最大。因此，由灰色聚類分析預測結果是長江三峽水庫地震震級為4～5級。實際上，2008年11月22日在香溪河口發生最大震級4.1級的水庫地震。

2.3 長江三峽水庫泄灘段

圖2 2009年3—12月三峽庫區湖北段加密觀測水庫地震分布(馬文濤等，2010)Fig.2 Distribution of earthquakes in the Hubei section of Three Gorges Reservoir during March to December in 2009 by intensive observation(after MA Wen-tao et al.，2010).

表8 長江三峽水庫壩址白化函數計算表Table 8 The whitening functions calculated at the dam in Three Gorges Reservoir

泄灘段水深＜140m，巖性為沉積碎屑巖，區域應力狀態為擠壓，地震活動背景為弱震區，無活動斷裂通過，存在NE向的龍口斷裂。按照水庫地震預測指標，分別計算出Ⅰ類、Ⅱ類、Ⅲ類、Ⅳ類和Ⅴ類的白化函數值(表10)。

其結果表明Ⅳ類(MS＜3.0)的白化函數值1.44最大。因此，由灰色聚類分析預測結果是長江三峽水庫地震震級＜3級。實際上，2008年11月在泄灘段發生最大震級2.6級的水庫地震。

2.4 長江三峽水庫巴東神龍溪河段

巴東神龍溪河段水深＜90m，巖性為灰巖，區域應力狀態為擠壓，地震活動背景為弱震區，無活動斷裂通過，存在著NE向的高橋斷裂。按照水庫地震預測指標，分別計算出Ⅰ類、Ⅱ類、Ⅲ類、Ⅳ類和Ⅴ類的白化函數值(表11)。

表9 長江三峽水庫九灣溪—香溪河口段白化函數計算表Table 9 The whitening functions calculated at Jiuwanxi-Xiangxi segment in Three Gorges Reservoir

表10 長江三峽水庫泄灘段白化函數計算表Table 10 The whitening functions calculated at Xietan segment in Three Gorges Reservoir

表11 長江三峽水庫巴東神龍溪河段白化函數計算表Table 11 The whitening functions calculated at Shenlong River segment in Three Gorges Reservoir

其結果表明Ⅳ類(MS＜3.0)的白化函數值1.66最大。因此，由灰色聚類分析預測結果為長江三峽水庫地震震級4＞MS≥3。實際上，2008年11月在巴東神龍溪河段發生最大震級ML3.5水庫地震。

3 討論

三峽庫區蓄水之前地震活動性弱，成因復雜，既有天然地震發生，又有開采煤礦等產生的采礦誘發地震(薛軍蓉等，1992)，還存在著降雨引發的地震，以及塌陷引起的塌陷地震。天然地震最高震級為1979年秭歸龍會觀5.1級地震，地震平均月頻次在6次左右(馬文濤等，2010)。

2003年5月26日長江三峽水庫蓄水后，地震活動性明顯增強，地震平均月頻次在40次左右。水庫蓄水經歷了145m(2003年6月)、156m(2006年9月)和175m(2010年9月)3期蓄水過程，地震活動與水位變化存在明顯的相關性。2009年2月6日在距壩址5km的太平溪鎮小溪口村發生最高震級ML2震群;在2008年11月22日，香溪河口附近發生了MS4.1水庫誘發地震，這是長江三峽水庫的最高震級;在泄灘西，最高震級2.6級;而在巴東及神龍溪兩岸，水庫誘發地震最高震級ML3.5。

在“七五”國家科技攻關專題長江三峽水庫工程論證時，對長江三峽水庫進行了評估，認為壩址—廟河結晶巖庫段水庫誘發地震＜4級，廟河—白帝城庫段水庫誘發地震最高震級5.5級，白帝城以上庫段一般不具備水庫誘發地震的發震條件(胡毓良等，1979;楊清源等，2001)。

我們按庫深、庫容、區域應力狀態、斷層活動性、巖性介質條件和地震活動背景等6個誘震因素(胡毓良等，1979)和灰色聚類定量評價方法(楊清源等，l996)，使用了150余例誘發地震震例和532座中國大型水庫資料，建立了水庫地震預測指標，分析了長江三峽水庫的水庫誘發地震震級上限，預測結果表明長江三峽水庫的震級上限都在4～5級之間或3級以下(表12)。這些地震的發生與我們的預測結果相符合(圖1)，它說明灰色聚類方法是一個很好的水庫誘發地震危險性評定方法。

表12 三峽水庫灰色聚類分析評估結果表Table 12 The assessment results of gray clustering in Three Gorges Reservoir

4 小結

(1)使用灰色聚類方法，按庫深、庫容、區域應力狀態、斷層活動性、巖性介質條件和地震活動背景等6個誘震因素，利用150例水庫誘發地震震例和532個國內大型水庫資料，統計出相應的發震比例數，以此作為水庫地震預測指標，可以作為水庫誘發地震危險性評定方法。

(2)本文根據長江三峽水庫壩址區、香溪河口及仙女山斷裂帶過江段、泄灘西和巴東及神龍溪兩岸的6個誘震因素，評估各段的水庫誘發地震震級上限。計算結果表明，長江三峽水庫壩址區震級上限＜3級，香溪河口及仙女山斷裂帶過江段4～5級，泄灘西＜3級，巴東北岸及神龍溪兩岸震級3～4級。并得到了長江三峽水庫蓄水后實際地震情況的驗證。

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