水庫誘發地震規律研究——以三峽地區為例＊

郭 軼 萬 偉 張 輝 唐新功

1）“油氣資源與勘探技術”教育部重點實驗室（長江大學），湖北荊州 434023 2）長江大學地球物理與石油資源學院，湖北荊州 434023

引言

水庫地震是誘發型地震中的一種。由于出現數量多，且通常情況下強度高于其他人類活動引發的地震強度而更為人們所關注[1]。迄今為止，全世界水庫誘發的地震有上百例，對當地均造成了不同程度影響與破壞。20世紀60年代發生的4次震級大于6級的水庫誘發地震，即中國的新豐江地震（6.1級，1962年3月）、贊比亞—津巴布韋邊界Kariba地震（6.1級，1983年9月）、希臘Kremasta地震（6.3級，1966年）和印度Koyna地震（6.5級，1967年），使水庫誘發地震成為工程界和地震界高度關注的問題。

中國是水庫誘發地震較多的國家之一[1]。作為世界最大的水利樞紐工程，三峽水庫存在誘發地震的可能性不容忽視。已有的研究成果表明，三峽水庫經過2003年、2006年和2009年3期改造逐步提升水位，現在水位已到175 m，庫容量高達393×108m3，具備了水庫誘發地震潛在的條件[2]。同時，三峽庫區自2003年蓄水起，就一直伴隨有微震群活動。前人研究也表明三峽庫區的地震與水庫蓄水密切相關，屬典型的水庫誘發型地震[3]。

在已有研究三峽水庫誘發地震的文獻中，關于地震地質條件、地震序列分析、震源機制、誘發機理等方面研究程度較高[4]，對以后的三峽庫區的地震研究具有重要的參考價值。對比蓄水前和蓄水后的地震特點，水庫誘發型地震表現出震源淺、震級小、震中烈度偏高、衰減快等特點[5－6]。但關于水庫蓄水前后發生的地震在空間移動規律、地震頻度改變等方面的研究文獻還不多。而研究蓄水前后地震空間移動規律和地震頻度的改變對于了解水庫誘發型地震至關重要。隨著三峽大壩工程的開展和其他水利資源的開發，水庫誘發地震及可能帶來的問題將日趨顯現且突出[7]，因此通過分析已有震例的資料，研究三峽水庫具有誘發地震的可能性，對于了解水庫誘發地震規律、減輕重大自然和人為災害具有極其深遠的意義[8]。

為了使蓄水前后地震釋放的平均能量在相同年限間有較好的對比效果，且考慮到地震數據會因記錄年份不同而導致相對精確程度的不同（地震臺站布設數量增加和地震儀器記錄精度的相對提高使時間上相對靠后的數據精度更高），同時在統計總能量時，由于微震數據在總記錄數據中占有相當大比例，其所相加的總能量也會對結果產生一定影響，本文擬采用1980年1月1日至2010年12月31日的ML2級及以上地震記錄資料，研究東經108.5°—112°，北緯29.5°—32°地區（包含了三峽水庫及鄰區）的地震蓄水前后的空間分布變化規律。主要地震數據來自重慶臺網、湖北臺網和一些已經發表的文獻。相對已有發表文獻來說，所研究的時間和空間涵蓋范圍對于研究三峽庫區水庫誘發型地震更有意義。

1 庫區地質概況

據前人研究結果，三峽工程干流庫段根據其地形地貌、地質構造和巖性條件可劃分為3個庫段（圖1）[1]：結晶巖低山丘陵寬谷段（全長約16 km）、碳酸鹽巖和碎屑巖中～低山峽谷段（全長約141 km）、碎屑巖低山丘陵寬谷段（全長約500 km）。經陳德基等[1]分析，在第二庫段，即碳酸鹽巖和碎屑巖中～低山峽谷段最有可能誘發水庫地震。

本文同時將所使用的地震臺站信息及位置做成圖示（圖2），其中包括國家測震臺網、區域測震臺網以及地震遙測臺網的分布。

圖1 長江三峽庫區及周邊地質構造圖[2]

圖2 地震臺站/點分布示意圖（圖中邊界線表示本文所用臺網覆蓋區域）

2 三峽水庫蓄水前后誘發地震的對比研究

三峽地區地震工作開展得較早，在著手規劃三峽水利工程初期就已開展了地震觀測等工作[9]。并從1958年起，在三峽工程壩址及周圍地區建立了工程專用的地震監測臺。2001年起開始啟用了由24個遙測地震臺構成的新的監測臺網，監測能力有了極大提高，迄今已不間斷積累了近50年的寶貴測震資料[1]。

本文使用了湖北臺網、重慶臺網和一些已發表的文章中的30多年來三峽地區的872例ML2級及以上的地震資料，得出蓄水前后30多年來三峽庫區及其周邊地震震中空間遷移規律分布圖（圖3）。對比發現蓄水前發震較多的地區在蓄水后地震相對有所減少，而原來地震很少的庫區周圍則集中了大量的地震，表明區內蓄水后地震有明顯向庫區集中的趨勢。根據研究，這種蓄水后引起地震震中遷移的現象在其他地區（如湖北丹江口水庫）也有表現。丹江口水庫蓄水前，其當地地震活動分布于距大壩100 km以外，蓄水后，隨著水位上升，更多的地震活動逐漸遷移至水庫附近[8]。研究還表明，地震空間的這種遷移變化趨勢與蓄水前后庫區重力場的變化也有很好的對應[10]，蓄水對庫區重力場的改變在靠近庫岸的地方很明顯，而在遠離庫岸的地方較弱。這可能是大量蓄水后改變了原本相對穩定部位的應力場而導致地震發生[11]。三峽地區處于少震區和弱震區，而這些地區處于低應變狀態，在有利的構造條件下[8]，水庫大量蓄水形成的巨大負載容易改變其應力平衡狀態而導致其產生誘發型地震。

圖3 蓄水前（a）后（b）三峽水庫及鄰區震源的平面分布圖（黑色實線表示斷層）

長江三峽是舉世聞名的峽谷區且峽谷地形的水庫誘發地震的幾率要大于其他水庫[9]。胡毓良等[12]曾提出在陡峻的峽谷或基巖裸露區，基巖中已有的裂隙和由外力產生的岸邊張裂隙是庫水滲漏的極好通道，這是水庫地震在空間上往往出現在峽谷底段或基巖裸露區的主要原因。由于水的滲入和一系列前震的發生都可以降低整個裂隙面上抗滑強度而導致整個面的錯動產生大震[12]。根據圖3可看出蓄水后地震大規模地向水庫及周邊地帶集中，具有誘發較大規模的錯動而導致地震的可能性，因此這種地震空間分布的遷移變化特征應引起重視。

為了更清晰地表明三峽水庫蓄水前后地震空間分布和能量遷移的規律，本文還做出了三峽大壩蓄水前后水庫及周邊地區地震發生時間及震級大小的統計詳圖（圖4），該圖詳細統計了三峽水庫及鄰區地震震級的大小與時間的關系。從圖中可看出，蓄水前后震級大小雖然沒有明顯變化（最大地震仍為約4.3級），但蓄水后地震頻度卻明顯增加，水庫自蓄水后起引發了庫區大量的微震群活動，且這些地震的發生與三峽水庫蓄水過程呈明顯的正相關關系。從蓄水后的情況來看，雖然沒有發生震級大于5級的地震，但微震活動更加頻繁。峽區內密集的微震亦有可能觸發崖崩等地質災害，給周邊和下游人民生命財產造成嚴重威脅[9]。

為了更準確地研究蓄水前后地震釋放能量的大小，我們把蓄水前后地震釋放的總能量按照年度進行了統計和分析。圖5為研究區域每0.1°范圍內所發地震年平均釋放能量大小的統計圖。此圖將三峽所在范圍細分為0.1°×0.1°的網格，按每一格內所記錄地震的年平均釋放能量大小進行統計。可以看出蓄水前整個地區地震相對釋放能量的分布比較松散，而蓄水后地震相對釋放的能量則集中在三峽庫區范圍，并迅速增加。蓄水前地震每年釋放的能量約3.44e10焦耳，約占總釋放能量的40.4%，蓄水后約為5.07e10焦耳，約占總能量的59.6%，即蓄水前后能量比約為2∶3。造成年平均釋放能量增加的主要原因應該是震級和頻度的綜合效應造成的。通過蓄水前后地震震級的比較，三峽水庫的建成并沒有造成地震震級的明顯增加，但地震頻度卻大大增加，從而得出造成能量明顯增大的主要因素是頻度的增強。Nikolaev[13]在研究水庫地震時也得出了同樣的規律，即水庫建成后并未改變當地最大震級，只是通過庫水作用的應力調整改變地震頻度和震源位置。

圖4 三峽大壩蓄水前后庫區及其鄰區M-T圖（圖中標示的2003年6月為三峽水庫正式蓄水時間）

圖5 蓄水前（a）后（b）三峽大壩庫區及其鄰區每0.1°范圍內所發地震年平均釋放能量大小統計圖

從以上各圖知，三峽水庫自蓄水后大量地震向庫區集中，且頻度明顯增加。考慮到地震因震源深度不同而造成的破壞程度會相應不同，本文還做了蓄水前后地震震源深度分布的三維顯示圖（圖6）。通過對比可以直觀地看到，蓄水前后三峽庫區范圍所發地震均為淺源地震，基本上不超過20 km，且小震群發生后，震源也沒有再向更深處遷移[2]。由以上條件可知，蓄水后誘發地震的影響在一定程度上會加劇。

圖6 蓄水前（a）后（b）地震震源分布及其震級大小三維視圖

3 結論

三峽庫區自蓄水日起，就一直伴隨有微震群活動。根據蓄水前后所誘發的地震的對比研究，發現地震有明顯向庫區加速集中的趨勢，蓄水前發震較多的地區在蓄水后地震相對有所減少，而原來地震很少的庫區周圍則集中了大量的地震。蓄水后震級雖然沒有明顯增大，但地震頻度卻明顯增強。從地震的年平均釋放能量大小可以看出蓄水前能量分布比較松散，而蓄水后能量主要集中在三峽庫區范圍，并在近幾年加速增加，推測使能量增大的主要因素是地震頻度的增強所致。蓄水前后三峽庫區范圍所發地震均為淺源地震，基本上不超過20 km。且小震群發生后，震源沒有再向深處遷移。認識三峽水庫建成前后地震分布及遷移的規律性，對于研究國內外水庫誘發型地震，減輕人民生命財產損失具有重要的科學價值和現實意義。

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[13]Nikolaev N I.Tectonic conditions favorable for causing earthquakes occurring in connection with reservoir filling.Engineering Geology，1974，8：171-189