三峽庫首區(qū)斷裂構(gòu)造與地震活動特征*

王秋良 張麗芬 廖武林 李井岡 申學林

1)中國地震局地震研究所(地震與大地測量重點實驗室)，武漢 430071

2)中國地震局地球物理研究所，北京 100081

三峽庫首區(qū)斷裂構(gòu)造與地震活動特征*

王秋良1)張麗芬1，2)廖武林1)李井岡1，2)申學林1)

1)中國地震局地震研究所(地震與大地測量重點實驗室)，武漢 430071

2)中國地震局地球物理研究所，北京 100081

從地震空間分布、與庫水位變化關(guān)系以及震源深度特征等方面，探討三峽庫首區(qū)地質(zhì)構(gòu)造與地震活動的特征。結(jié)果表明，地震主要集中分布在巴東的東瀼口、火峰、秭歸泄灘、高橋斷裂以及仙女山斷裂附近。東瀼口、火峰地區(qū)巖溶發(fā)育，地震多為巖溶塌陷型水庫地震;泄灘附近多滑坡和煤礦采空區(qū)，屬礦塌和淺表卸荷型地震;高橋斷裂和仙女山斷裂附近的地震則主要與斷裂構(gòu)造相關(guān)，屬構(gòu)造型地震。

高橋斷裂;仙女山斷裂;水庫誘發(fā)地震;震源深度;地質(zhì)構(gòu)造

1 引言

前人對三峽地區(qū)有過很多研究，一般認為，在現(xiàn)今區(qū)域構(gòu)造應力場的作用下，地震成因主要與NNW向仙女山斷裂、NNE向新華斷裂和九灣溪斷裂、NE向高橋斷裂和牛口斷裂有關(guān)［1］。自2001年10月三峽數(shù)字遙測地震臺網(wǎng)正式運行以來記錄了大量的地震活動。本文將利用這些數(shù)字地震波形資料，從地震學角度，對三峽地震活動特征及成因類型進行分析，探討地質(zhì)構(gòu)造與地震活動的關(guān)系。

2 庫區(qū)地質(zhì)構(gòu)造特征

長江三峽由于地層巖性和地質(zhì)構(gòu)造的影響，河谷以奉節(jié)白帝城為界，分東西兩段。東段河谷長160余千米，屬川鄂褶皺山地，為三峽峽谷區(qū)。除壩址至廟河為結(jié)晶巖組成的低山丘陵寬谷外，絕大部分河段是以古生代、中生代碳酸巖地層為主組成的中低山峽谷與砂巖、粘土巖組成的較寬緩河段相間出現(xiàn)［2］。由于河谷深切侵蝕，三峽峽谷區(qū)地形高差達800～1 000 m，江面寬約200～300 m。

地震多為巖溶塌陷型水庫地震;而庫區(qū)內(nèi)地層從前震旦系至第四系，除缺失志留系上統(tǒng)、泥盆系下統(tǒng)及石炭系上統(tǒng)外，其他各系地層均有出露［3－7］。從三斗坪壩址至奉節(jié)以上庫段出露地層巖性具有明顯的分帶性:三斗坪至廟河庫段屬黃陵穹窿核部及兩冀，出露前震旦系變質(zhì)巖和侵入其間的花崗閃長巖體，巖石致密堅硬，滲透性不好;廟河西至香溪庫段主要分布上寒武統(tǒng)三游洞組、下奧陶系南津關(guān)組、二疊系棲霞組、茅口組、長興組和三疊系大冶組、嘉陵江組等碳酸鹽巖，該庫段河谷深切，兩岸陡峭，巖溶發(fā)育，滲透性良好;香溪至奉節(jié)基本上以碎屑巖類為主，但沙鎮(zhèn)溪以上至官渡口則兼有碳酸鹽巖類和碎屑巖類。奉節(jié)以上庫段，以中生代紅層砂巖、頁巖、泥巖為主，透水性差。

三峽庫首區(qū)區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造特征是以黃陵背斜為中心，周圍被一些弧形褶皺及斷裂所圍限。庫區(qū)褶皺構(gòu)造比較發(fā)育。斷裂則主要分布于奉節(jié)以東的峽東地區(qū)，大致可以分為北北東至北東向斷裂、北北西向斷裂和北西向斷裂三組。

北北東至北東向斷裂主要展布于黃陵背斜西側(cè)，斷裂走向15～45°，長度為數(shù)十千米至150千米。北北東向斷裂與寒武系-三疊系褶皺同生，它們的走向常與褶皺軸一起同向轉(zhuǎn)為北東向。這些斷裂成生于印支-燕山運動早期，切割深度達結(jié)晶基底面以下。斷裂發(fā)育成生時，主要表現(xiàn)為壓性、壓扭性錯動，之后經(jīng)歷了喜馬拉雅運動至新構(gòu)造運動早期的張扭性活動，中更新世以后又表現(xiàn)為壓扭性活動。對該組斷裂的新構(gòu)造巖進行熱釋光和石英電鏡掃描的年代測定結(jié)果，說明多數(shù)斷裂在上新世-早更新世時活動顯著［6］。在庫首區(qū)內(nèi)主要有新華斷裂、牛口斷裂和高橋斷裂等。

高橋斷裂總體走向45°，主要發(fā)育于嘉陵江組與巴東組接觸帶上以及兩組的內(nèi)部，北起興山古夫，向西南經(jīng)南陽、高橋、曾家?guī)X至張家坡一帶，全長約40 km。地表上該斷裂帶由多條規(guī)模不大、方向相近的斷層組成。單條小斷層的分帶明顯且具普遍性和對稱性，一般斷層中央帶為寬幾厘米～幾十厘米的斷層泥，兩側(cè)為劈理帶，外側(cè)為揉皺帶。斷裂帶在地表上標志清楚，形成嶺埡、凹槽或溝谷;帶上地貌反差明顯，崩積物發(fā)育。地質(zhì)測年資料顯示，該斷裂帶上新世至中更新世普遍發(fā)生過一次構(gòu)造活動，其中長沖-涼風埡段最新一次明顯活動時期為晚更新世早期。跨斷層水準監(jiān)測表明，斷裂兩盤現(xiàn)今仍有不同幅度的變形，說明其至今仍有一定的活動性。

北北西向斷裂穿切黃陵背斜并往西延伸，斷裂總體走向為340～350°，錯斷震旦系-三疊系，并控制著白堊紀-早第三紀盆地的發(fā)育，切割深度達結(jié)晶基底面以下。此斷裂系統(tǒng)中以黃陵背斜東側(cè)的遠安斷裂和西南側(cè)的仙女山斷裂規(guī)模較大。仙女山斷裂帶北起長江南岸秭歸縣的荒口，向南經(jīng)周坪、都鎮(zhèn)灣，直至漁洋關(guān)，全長90余千米，走向340°～355°，向東或西陡傾。據(jù)斷裂帶變形結(jié)構(gòu)、運動方式的不同，以花橋場、都鎮(zhèn)灣為界，將其分為3段:北段即狹義的仙女山斷裂、中段都鎮(zhèn)灣斷裂、南段橋溝斷裂，北段緊鄰長江三峽工程。仙女山斷裂自燕山運動形成以來，經(jīng)歷了多次活動，但由于斷裂所處的構(gòu)造部位和邊界條件不同，各段力學性質(zhì)有明顯差異，北段以壓扭性為主，南段以張扭性為主。該斷裂帶新構(gòu)造期以來的活動較明顯，對斷層活動年代測試結(jié)果表明［8，9］，仙女山斷裂最后一次強烈活動時代為早、中更新世，最新活動年齡為15萬年左右。跨斷層水準監(jiān)測表明，斷裂現(xiàn)今仍有活動［10］。

北西向斷裂比較少，且穿插于上述各組斷裂之中。黃陵背斜及其以東，霧渡河、天陽坪等斷裂規(guī)模較大。新構(gòu)造運動時期，其主要表現(xiàn)為左旋的張扭性活動。總體來說，斷裂在新構(gòu)造運動早期活動比較明顯，晚期活動比較微弱。對構(gòu)造巖進行熱釋光和石英電鏡掃描的年齡鑒定結(jié)果，天陽坪斷裂在上新世和早更新世時曾有過明顯的活動，中更新世及其以后活動顯著減弱。

就各組斷裂的總體活動水平而言，以北北西向斷裂活動最強，其次為北北東至北東向斷裂，北西向斷裂的活動相對較弱。

3 三峽庫首區(qū)地震活動

三峽水庫自2003年5月蓄水以來，在庫首區(qū)發(fā)生了大量的小震、微震活動，部分地段震感明顯。在前期預測可能誘發(fā)水庫地震的幾個重點監(jiān)視區(qū)中，仙女山斷裂帶附近以及高橋斷裂帶和神龍溪交切部位的地震活動變化較為明顯。

3.1 高橋斷裂地區(qū)地震活動特征

3.1.1 蓄水前后地震活動空間分布

自2001-10—2003-05月水庫一期蓄水前，高橋斷裂帶及鄰近地區(qū)共記錄到地震4次，其中ML0.0～1.9地震2次，1.0～1.9地震2次(圖1(a))。一期135 m蓄水期間，共記錄到地震619次，其中ML0.0～0.9 地震353 次，1.0 ～1.9地震245 次，2.0～2.9地震20 次，3.0～3.9 地震 1 次(圖 1(b))。二期156 m蓄水期間，共記錄到地震479次，其中ML0.0～0.9 地震258 次，1.0 ～1.9地震206 次，2.0～2.9 地震 14 次，3.0～3.9 地震 1次(圖 1(c))。三期175 m試驗性蓄水期間，共記錄到地震227次，其中ML0.0～0.9 地震309 次，1.0 ～1.9 地震190次，2.0 ～2.9 地震13 次(圖1(d))。

圖1 高橋斷裂地區(qū)震中分布Fig.1 Epicenter distributions in Gaoqiao fault area

根據(jù)圖1可以看到4個分區(qū)，即東瀼口附近、火峰地區(qū)、泄灘以及高橋斷裂沿線。三峽水庫蓄水前，高橋斷裂地區(qū)的地震活動背景很弱，僅有4次微小震。但135 m一期蓄水后，地震活動明顯增強，主要集中分布在巴東東瀼口附近和火峰地區(qū)，部分沿著高橋斷裂分布，還有一部分沿著長江庫岸5 km范圍內(nèi)分布。156 m二期和175 m三期試驗性蓄水后，東瀼口地區(qū)震中位置并沒有太大變化，而泄灘鎮(zhèn)附近的地震活動增強，呈團簇分布。根據(jù)高橋斷裂附近的震中空間分布特征，我們發(fā)現(xiàn)蓄水后地震的活動程度較之前增強，可見地震的發(fā)生與庫水位的變化存在一定關(guān)系(圖2)。

圖2 高橋斷裂地區(qū)地震頻度與庫水位變化關(guān)系Fig.2 Relationship between earthquake frequency and water level changes in Gaoqiao fault area

水庫蓄水前，整個區(qū)域地震活動頻度很低。2003年5月水庫135 m蓄水一開始，地震活動頻次則迅速增加，在巴東地區(qū)誘發(fā)了大量的微震活動，為“快速響應型”。庫水位平穩(wěn)變化過程中，地震活動頻次迅速降低。2004年5月至2005年11月，地震活動頻次相對較高。2006年9月至2008年9月156 m二期蓄水過程中，庫水位變化較大，地震活動頻次較高。二期蓄水開始，地震活動頻次并沒有像一期蓄水迅速增強，而是在156 m高水位運行期間，活動頻次逐漸增加，在高低水位變化過程中，頻次最高。三期175 m試驗性蓄水分為三次，分別為2008-09-28—2009-09-09日、2009-09-10—2010-09-09日和2010-09-10—2011-09-09日。三次試驗性蓄水，庫水位上升過程中地震頻次增強。

為定量了解庫水位變化與地震活動的相關(guān)性，利用三峽蓄水庫水位的月均變化值與相應時段內(nèi)不同分區(qū)內(nèi)的地震月頻度值進行皮爾遜相關(guān)系數(shù)計算。結(jié)果表明:火峰地區(qū)，三峽水庫一期蓄水期間，地震頻度與庫水位變化的相關(guān)系數(shù)為0.53;第二、三期蓄水期間，二者的相關(guān)系數(shù)分別為0.43和0.25。泄灘地區(qū)，三期蓄水期間，地震頻度與庫水位變化的相關(guān)系數(shù)分別為 0.05、0.10 和 0.44。東瀼口地區(qū)，三期蓄水期間的相關(guān)系數(shù)分別為0.51、0.11和0.50。而沿高橋斷裂附近，相關(guān)系數(shù)分別為0.12、0.28 和0.22。基于相關(guān)系數(shù)可以認為:|r|＜0.4為低度線性相關(guān);0.4≤|r|＜0.7為顯著性相關(guān);0.7≤|r|＜1為高度線性相關(guān)。分析可知，火峰地區(qū)的地震活動與首次蓄水顯著性相關(guān)，與第二期和第三期蓄水均為低度線性相關(guān)。東瀼口地區(qū)的地震活動與第三期蓄水相關(guān)性較顯著;泄灘地區(qū)的地震活動與第三期蓄水顯著性相關(guān)，而沿高橋斷裂附近的地震活動與蓄水則呈低度線性相關(guān)。

3.1.2 震源深度分區(qū)特征

分別對這幾個地區(qū)的地震震源深度的統(tǒng)計結(jié)果表明:東瀼口、火峰以及泄灘地區(qū)地震震源深度較淺，平均震源深度分別為5 km;沿高橋斷裂的地震震源深度相對較深，平均深度為7.1 km。

3.2 仙女山斷裂附近地震活動特征

蓄水前，仙女山斷裂地區(qū)共記錄到地震8次，其中ML1.0～1.9 地震 6 次，2.0 ～2.9 地震 1 次，3.0～3.9地震1次(圖3(a))。一期135 m蓄水期間，共記錄到地震54次，其中ML0.0～0.9地震28次，1.0～1.9地震 26 次(圖3(b))。二期156 m 蓄水期間，共記錄到地震64次，其中ML0.0～0.9地震36次，1.0～1.9地震26次，2.0 ～2.9 地震 2 次(圖3(c))。三期175 m試驗性蓄水期間，共記錄到地震227次，其中ML0.0 ～0.9 地震 133 次，1.0 ～1.9地震83次，2.0 ～2.9 地震 10 次，3.0 ～3.9 地震 1次(圖3(d))。

圖3 仙女山斷裂附近震中分布Fig.3 Epicenter distributions in Xiannvshan fault area

由圖3不難發(fā)現(xiàn)，三峽水庫蓄水前，仙女山斷裂地區(qū)的地震活動背景也較弱，3.0級以上地震僅有1次。135 m蓄水后，地震活動較蓄水前增強，主要集中分布在仙女山斷裂北段與九灣溪斷裂交匯部位的北西部。156 m和175 m試驗性蓄水后，震中位置沒有太大變化，但地震與仙女山斷裂北段和九灣溪斷裂的相關(guān)性看似增強(圖4)。

圖4 仙女山斷裂地區(qū)地震頻度與庫水位變化關(guān)系Fig.4 Relationship between earthquake frequency and water level changes in Xiannvshan fault

水庫蓄水前，地震活動頻度很低。水庫135 m蓄水開始，地震活動頻次略有增加，但不明顯。156 m蓄水期間，地震活動頻次雖較蓄水前高，但基本上與一期蓄水頻次相當。175 m試驗性蓄水期間，地震活動頻次增強，主要體現(xiàn)在2008-09—2009-09月175 m試驗性蓄水期間。之后地震頻次又降低回較低水平。利用Pearson相關(guān)系數(shù)計算發(fā)現(xiàn)，三峽三期蓄水期間，仙女山斷裂附近地震頻度與庫水位變化的相關(guān)系數(shù)分別為 0.10、0.12 和 0.30。可見，地震活動與水庫蓄水活動的相關(guān)性均屬低度線性相關(guān)。

4 結(jié)論

高橋斷裂地區(qū)的地震活動可以粗略分為火峰、東瀼口、泄灘及斷裂沿線地區(qū)等4個地區(qū)。巴東東瀼口和火峰地區(qū)震源深度較淺，多為微小震，與水庫蓄水相關(guān)，可以判斷多為水庫誘發(fā)型地震。從pearson系數(shù)計算結(jié)果來看，東瀼口和火峰地區(qū)地震頻度與庫水位的相關(guān)性程度，在135 m蓄水期有很好的一致性，均為顯著相關(guān)。但東瀼口地區(qū)在175 m蓄水期較火峰地區(qū)相關(guān)性顯著，其原因可能是東瀼口地區(qū)溶洞洞口分布除了與火峰地區(qū)存在相同高程(135 m左右)外，還在高程175 m左右區(qū)域分布。泄灘地區(qū)地震震源深度亦較淺，與水庫蓄水有一定的相關(guān)性，該地區(qū)主要為侏羅系紫紅色泥、砂巖和三疊系巴東組紫紅色泥巖砂巖夾微晶灰?guī)r。據(jù)野外考察資料，泄灘地區(qū)發(fā)育順層滑坡和一些采空區(qū)煤礦，因此，發(fā)生礦塌型和淺表卸荷型地震的可能性較大。地震頻度與庫水位的相關(guān)性隨水位的抬升而顯著增強，可能與礦坑洞口的高程分布及庫水長時間的浸泡，引起礦坑塌陷有關(guān)。而對于高橋斷裂沿線的地震，震源深度較巴東火峰、東瀼口等地區(qū)的非構(gòu)造型地震深，且根據(jù)相關(guān)系數(shù)計算發(fā)現(xiàn)，水庫蓄水直接影響較小，呈低度線性相關(guān)但呈現(xiàn)出二期高于三期、三期高于一期的態(tài)勢，說明高橋斷裂沿線雖然可能以構(gòu)造型地震為主，但隨著蓄水時間的延長，其地震活動性有減弱的趨勢。仙女山斷裂附近的地震，震源深度亦較深，平均震源深度為7 km。小震震源機制解的研究結(jié)果也表明［13］，該區(qū)主壓和主張應力軸方位分別為NE57°和NW327°，這與仙女山斷裂的幾何性質(zhì)相吻合，斷裂構(gòu)造活動可能為主要發(fā)震原因。從相關(guān)系數(shù)計算結(jié)果來看，仙女山斷裂附近三期較二期和一期有增強的趨勢，這可能與隨著庫水位的抬高，庫水的滲透加強有關(guān)，在高水位運行期該地區(qū)發(fā)生構(gòu)造型地震的可能性較大。

1 李強，等.三峽水庫庫首區(qū)地殼深部構(gòu)造環(huán)境與地震成因研究［J］.大地測量與地球動力學，2010，(5):1 －8.(Li Qiang，et al.Study on tectonic environment of deep crust and seismogenesis of earthquakes beneath main Three Gorges area［J］.Journal of Geodesy and Geodynamics，2010，(5):1 －8)

2 劉傳正.長江三峽庫區(qū)地質(zhì)災害成因與評價研究［M］.北京:地質(zhì)出版社，2007.(Liu Chuanzheng.Research on the geo-hazards genesis and assessment in the Three Gorges reservoir of Yangtze River［M］.Beijing:Geological Publishing House，2007)

3 李安然，等.峽東工程地震［M］.北京:地震出版社，1996.(Li Anran，et al.Engineering earthquake in the eastern Yangtze Gorges area［M］.Beijing:Seismological Press，1996)

4 董建輝.高橋斷裂的地震活動性分析［J］.大地測量與地球動力學，2004，(2):83 － 87.(Dong Jianhui.Analysis of seismic activity in Gaoqiao fault［J］.Journal of Geodesy and Geodynamics，2004，(2):83 －87)

5 夏金梧，等.三峽工程庫首區(qū)高橋斷裂特征與地震活動性研究［J］，大地測量與地球動力學，2008，(2):8 －16.(Xia Jinwu，et al.Study on characteristics and seismic activity of Gaoqiao fault in the head area of Three Gorges Reservoir［J］.Journal of Geodesy and Geodynamics，2008，(2):8 －16)

6 陳蜀俊，蘇愛軍，羅登貴.長江三峽水庫誘發(fā)地震的成因類型［J］.大地測量與地球動力學，2004，(2):70－74.(Chen Shujun，Su Aijun and Luo Denggui.Genesis and type of induced earthquake in Three Gorges reservoir［J］.Journal of Geodesy and Geodynamics，2004，(2):70 －74)

7 李細光.三峽庫首區(qū)活動斷層及現(xiàn)今構(gòu)造應力場研究［D］.中國地質(zhì)大學，2004.(Li Xiguang.Studies on the active faults and the current tectonic stress field in the head area of the Three Gorges reservoir［D］.China University of Geosciences，2004)

致謝 衷心感謝姚運生研究員和劉鎖旺研究員提出的寶貴意見與建議!

FAULT TECTONICS AND SEISMIC ACTIVITY CHARACTERISTICS OF THREE GORGES RESERVOIR

Wang Qiuliang1)，Zhang Lifen1，2)，Liao Wulin1)，Li Jinggang1，2)and Shen Xuelin1)
1)Key Laboratory of Earthquake Geodesy，Institute of Seismology，CEA，Wuhan430071
2)Institute of Geophysics，China Earthquake Administration，Beijing100081

The tectonic structure and seismicity were analyzed by the space distribution of earthquake，the water level changes and focal depths of seismicity.The result shows that the earthquakes are mainly distributed in the Dongrangkou，Huofeng，Xietan area，and along the Gaoqiao fault and Xiannüshan fault.In the Dongrangkou and Huofeng areas，the earthquakes are mainly caused by Karst collapse.And for the earthquakes in the Xietan area，they are closely related with landslid and coal mine，and the genesis can be contributed to the mine collapse and superficial unloading.Whereas，those earthquakes along the Gaoqiao fault and Xiannüshan fault are mainly caused by the structures.

Gaoqiao fault;Xiannüshan fault;reservoir-induced earthquake;focal depth;geological structure

P315.72+8

A

1671-5942(2013)05-0029-05

2012-10-23

中國長江三峽集團公司專項基金(SXSN/3354);中國地震局地震研究所所長基金(IS201216023)

王秋良，男，1972年生，博士，副研究員.主要從事水庫誘發(fā)地震研究.E－mail:wql0703@163.com