巴東Ms5.1地震——一種新的水庫地震類型*

陳蜀俊 姚運生 吳建超 陳俊華 蔡永建

1)中國地震局地震研究所(地震大地測量重點實驗室)，武漢 430071

2)中國地震局地殼應力研究所武漢科技創新基地，武漢 430071

3)武漢地震工程研究院，武漢 430071

巴東Ms5.1地震
——一種新的水庫地震類型*

陳蜀俊1)姚運生1，2)吳建超1，3)陳俊華1)蔡永建1，3)

1)中國地震局地震研究所(地震大地測量重點實驗室)，武漢 430071

2)中國地震局地殼應力研究所武漢科技創新基地，武漢 430071

3)武漢地震工程研究院，武漢 430071

為探討2013年巴東5.1級地震成因，模擬計算了不同蓄水工況下上地殼淺部構造應力場變化。地震發生在蓄水引起的巴東與牛口等效應力差值區的梯度帶上，表明地震與蓄水有關。震區具有發生中強地震的構造背景，也有沿構造面發育大規模條帶狀巖溶的條件，測震學資料顯示地震既有構造機制又有塌陷特征。綜合分析認為，巴東Ms5.1地震可能以構造機制為先導，區域構造應力場疊加蓄水引起的局部構造應力狀態調整，可能在沿構造面發育的巖溶區形成應力集中造成塌陷，繼而觸發構造失穩傾滑，兩種機制互饋、交替、疊加而成震。據此提出一種新的水庫地震類型——構造塌陷型水庫地震。

三峽水庫自2003年6月蓄水以來，發生了數千次地震，絕大多數在Ms2.0以下，多為煤礦塌陷、巖溶塌陷等外動力作用下誘發的水庫地震［1］。然而，伴隨著三峽水庫175 m蓄水進程，2013-12-16巴東縣東瀼口鎮發生與該區歷史最大震級持平的Ms5.1地震。此次地震的震源深度5 km，震中烈度Ⅶ度［2］;不同方法所得震源機制解雖有差別［2］，但利用近震臺站所得結果顯示，斷層節面Ⅰ走向107°，傾角28°，滑動角 －136°;斷層節面Ⅱ走向 337°，傾角71°，滑動角－68°，為正斷傾滑性質;主震卓越頻率、拐角頻率低，與構造地震存在差異，具有塌陷地震特征，而Ms2.0以上余震則具構造地震特征［2］。

研究表明，蓄水可引起庫區上地殼構造應力場的調整，進而影響庫區局部孕震環境［3－5］。尤其在庫水下滲、孔隙水壓作用導致斷層抗滑力下降的背景下，較低量級的應力變化對本已接近失穩或處于極限平衡狀態下的局部區域產生促滑和誘震作用是完全可能的［6］。為探討巴東5.1級地震成因，本文利用三維有限元方法，綜合考慮地形的“峽谷效應”和庫水下滲導致的“巖石弱化”影響，模擬計算了蓄水后三峽庫首區尤其是巴東庫段上地殼構造應力場，探討了蓄水綜合效應引起的庫首區上地殼表層構造應力場的調整，及其對沿構造面發育的巖溶支撐體系的影響，進而結合巴東庫段局部構造地質、水文地質條件，分析了巴東Ms5.1地震的孕震成震機理。

1 研究區有限元模型

以震中為中心，選擇的研究范圍為110 km×85 km，深度12 km(至上地殼底部)。依據研究區域的地形地貌、斷裂構造、深淺部地層巖性等特征，建立研究區的三維幾何模型(圖1)。

該模型的物性參數分為表層沉積蓋層和深部基底構造層兩類。其中，沉積蓋層厚約7 km，巖性主要為花崗巖、灰巖和砂巖;基底構造層厚約5 km，巖性主要為花崗巖。參照文獻［4－5］，斷裂帶參數分別取:彈性模量 E=1.07 ×1010Pa，泊松比 ν=0.24，密度ρ=2 570 kg/m3。有限元網格的劃分以滿足計算精度為要求，尤其對巴東庫段的網格進行細化，計算模型單元19 146個，節點23 165個。

圖1 三峽庫首區三維數值模擬模型Fig.1 3D numerical model of the head area of the Three Gorges Reservoir

依據三峽地區地震加密觀測資料［7］和現代構造應力場的研究成果［8］，加載方案為:NE-SW向的主壓應力為790 MPa，NW-SE向的主張應力為540 MPa。有限元模型采用三維線彈性模型，除約束部位外，每個節點有3個自由度。

2 計算結果分析

2.1 等效應力

等效應力用主應力表示為［9］:

朱守彪等［10］對汶川地震發生過程進行的有限元數值模擬結果顯示，等效應力在空間分布上由地震前的分散狀態逐漸向龍門山地區集聚并增大，空間上龍門山斷裂帶成為了等效應力積累單元。應力水平不斷升高，直至超過摩擦極限，最終導致汶川地震的發生。吳建超等［11］研究認為，秭歸縣屈原鎮Ms4.1地震發生在蓄水后等效應力高值區與大范圍低值區的梯度帶上，等效應力差值約為400 MPa。

2.2 數值模擬結果分析

根據巴東Ms5.1地震的震源深度，取Z=－5 km作為輸出層，得到175 m水位下地殼5 km深度處等效應力場分布如圖2。另外，為獲得不同深度上等效應力場的分布情況，計算得到175 m水位下三峽庫首區近東西向的等效應力場剖面圖(圖3)。

由圖2可知，175 m水位蓄水之后，巴東、牛口一帶的長江南北兩岸出現了較大范圍的等效應力低值區，大小約為300 MPa。在長江北岸，該低值區的展布方向為NE向，與高橋斷裂的走向基本一致。由圖3可以看出，等效應力值由地表至地殼深處逐漸增大，近似呈層狀展布。值得注意的是，在高橋斷裂、牛口斷裂和九畹溪附近，等效應力值較斷裂兩側圍巖小，等效應力等值線向地殼深部彎曲匯聚，顯示了蓄水后斷裂帶內部等效應力場較為明顯的變化。結合該等效應力低值區附近的地質構造、地層巖性及深部地球物理場，我們認為該低值區與高橋斷裂、牛口斷裂、官渡口斷裂、馬鹿池斷裂的圍限作用有關，同時還可能與該區域的庫水滲透有密切關系。

圖2 175 m水位下巴東庫段5 km深處等效應力場圖(單位:Pa)Fig.2 Equivalent stress graph under 5 km depth in head area with 175 m water level(unit:Pa)

圖3 175 m水位下三峽庫首區上地殼等效應力剖面圖(單位:Pa)Fig.3 Equivalent stress profile of the upper crust in Three Gorges head area with the 175 m water level(unit:Pa)

研究表明，對于蓄水環境下近庫岸的正斷層而言，斷層的主應力降低，表明斷層面的抗剪強度降低，等同于斷層受到了促滑的加載作用;反之，主應力增大即表明抗剪強度增強，等同于斷層受到促滑的卸載作用。值得說明的是，蓄水的加卸載效應在庫區是交替出現的，而這種加卸載作用的交替出現最易在斷層面上產生促滑誘震。

為分析等效應力場計算結果的可靠性，選擇重力實測資料［1］作為驗證，如圖4所示。蓄水達175 m水位后，重力場在巴東-牛口以及香溪-茅坪之間存在正異常區，異常幅度達(20～30)×10－8m/s2，該重力異常區展布方向與水庫走向一致。將等效應力計算結果與重力實測結果對比發現，本文計算得到的等效應力場結果與重力實測得到的異常區基本對應，且均分布于長江兩岸約10 km范圍內。另外，5 km深度處的剖面位于三維模型的中部，受底面邊界條件影響較小，模擬結果具有較高的可信度。

2.3 等效應力場變化與巴東5.1級地震

圖4 三峽庫首區流動重力場異常［1］Fig.4 Gravity contour in the head area

將計算得到的175 m水位與蓄水前的等效應力值相減，并采用局部多項式插值，得到175 m水位下相對蓄水前的等效應力差值(圖5)。

巴東Ms5.1地震的震中位于NE向高橋斷裂南東側約5 km處，該斷裂為秭歸侏羅系向斜的西北緣邊界構造，長約50 km，傾向南東，傾角50°～65°，印支期以來左旋走滑約4 km。構造巖測年表明，該斷裂第四紀早、中更新世曾有弱活動。此外，震中東側約8 km處1979年秭歸龍會觀5.1級地震的發震構造一般認為是NNE向的牛口斷裂。

圖5 175 m水位相對蓄水前的等效應力差值與巴東Ms5.1地震(紅色圓點代表巴東地震震中)Fig.5 Contour of equivalent stress difference between 175 m water level and before impounding(Red circle:the epicenter of Badong Ms5.1 earthquake)

如圖5所示，175 m水位相對于蓄水前的等效應力差值在巴東、牛口和歸州附近出現3個極大值區，其中以巴東至官渡口極值區的范圍和量級最大。該極值區大致呈NE-SW向延伸，與高橋斷裂的走向基本一致。在長江南北兩岸各有一個峰值區單獨封閉，極值區的等效應力差值由其中心處的約400 MPa向兩側逐漸減小。由圖5可見，蓄水達175 m水位后，巴東Ms5.1地震就發生在巴東極大值區與牛口極大值區的梯度帶上，該過渡地帶等效應力變化顯著，表明地震的孕育、發生與蓄水有關。

3 背景分析與成因探討

根據震區地震構造背景、近震臺站震源機制解確定的正斷傾滑機制、蓄水工況下的構造模擬結果，毋庸置疑，巴東Ms5.1地震屬構造型水庫誘發地震。但主震有卓越頻率偏低、豎向記錄含脈沖等塌陷地震特征，這就很難用庫水滲漏使斷層面摩擦力下降誘發構造型水庫地震來解釋。

3.1 構造地質及水文地質背景

巴東Ms5.1地震與1997年秭歸龍會觀5.1級地震相距僅8 km，屬同一地震構造單元，具有發生中強地震的構造背景。

地震發生于侏羅系秭歸向斜的西北緣，地層巖性主要為三疊系下統灰巖，中統微晶灰巖、泥巖，上統砂巖、泥巖-頁巖夾煤層，以及侏羅系下統泥巖、砂巖、頁巖夾煤線和中統的泥巖、砂巖等，具備沿構造面發育較大規模條帶狀巖溶的條件。一個可供類比的證據是，與巴東Ms5.1地震震區的地質構造條件極其相似的湖北長陽清江巴王洞。巴王洞位于清江巴山峽之上、巴王沱之下，洞中可見沿構造(節理)面侵蝕的現象，高寬處數米至數十米，石筍上下連接形成一道道屏簾與支撐，溶洞沿構造面呈條帶狀展布，直線延伸部分達300余m。巴東地區大部出露碳酸鹽巖地層，且構造裂隙發育，在震區東瀼口鎮下方發育如巴王洞這樣大規模的地下巖溶區是完全可能的。

此外，巴東Ms5.1地震的震中區附近發育一條自北向南的板橋河，距離巴東Ms5.1地震的微觀震中僅1 km。板橋河流域面積約120 km2，大致在NE向高橋斷裂的南東側。晚白堊紀以來，震區地殼間歇性抬升，板橋河持續下切侵蝕巴東組軟弱巖石，從而塑造了板橋河的峽谷地貌。巴東Ms5.1地震震區的地下水類型為碳酸巖裂隙溶洞水，暗河流量及泉流量較大、水位變化大，有利于巖溶發育。

由巖溶發育的一般規律可知，巖溶沿地下水流經途徑發育，而斷層往往是地下水最好的運移通道;褶皺形成的構造面及沿構造面生成含易溶物質(如膏鹽)的破碎帶，也是巖溶水流經、條帶狀巖溶區形成的理想場所。巴東主要受近EW的秭歸向斜控制和牛口、官渡口、馬鹿池等斷裂圍限，多見膏鹽出露且有較長的采礦歷史。所以，在巴東Ms5.1地震震區，斷層、構造面與巖溶存在共生、伴生關系是可能的。

3.2 成因探討

構造模擬分析表明，175 m水位下三峽庫首區地殼表層構造應力場出現了復雜的調整，主要表現為等效應力沿近庫岸斷裂帶降低，表明斷層面的抗剪強度降低，等同于斷層受到了促滑的加載作用;巴東Ms5.1地震發生在蓄水后等效應力巴東高值區與牛口高值區的梯度帶上，說明地震與蓄水有關，一定程度上解釋了地震的構造機制;但地震的塌陷機制得到震害調查與測震學分析的支持，也與震區構造地質、水文地質背景不矛盾。這樣，現有的水庫誘發地震類型很難解釋這一地震序列。

綜合以上分析研究，基于巴東Ms5.1地震的兩個特殊性，一是既有發生中強構造地震的背景又有發生較大塌陷地震的條件，二是地震既有構造機制又有塌陷機制且難分主次，提出一種新的水庫地震類型——構造塌陷型水庫地震;其以構造機制為先導，以斷層及構造面與巖溶共生伴生為基礎，構造機制與塌陷機制互為因果、交替疊加而成震。

這一機制可以對巴東Ms5.1地震序列作出推測、解釋:

1)地震以構造機制為先導，發震斷層或構造面與一定規模的條帶狀巖溶存在共生、伴生關系。

2)先存的區域構造應力場疊加蓄水引起的局部構造應力調整，可能使斷層產生小的位錯而破壞巖溶支撐體系，或在沿構造面發育的巖溶區形成應力集中而造成塌陷，繼而觸發構造失穩傾滑，兩種機制互饋、交替、疊加、共同作用而成震。

3)條帶狀巖溶對斷層或構造面傾滑的影響，初期可能表現為促滑、引導，后期則可能表現為約束、障礙;地震波表現出的低頻、松散、包絡線不規整等塌陷機制現象與此有關。

4)主震后，在震源體應力調整平衡中產生了一系列的共軛破裂，便相繼發生了16日Ms2.3和19日Ms2.5兩次余震。這就是震源機制解彼此各異的合理解釋。

4 結語

巴東Ms5.1地震與1979年秭歸龍會觀5.1級地震在許多方面存在差異，是由成震機理差異引起的。龍會觀5.1級地震是一次典型的構造地震，而巴東Ms5.1地震是構造機制、塌陷機制、水庫誘發機制的結合，在震害分布、測震學及地震序列方面表現出與構造地震不一致的特征。基于該次地震機理，我們提出一種新的水庫地震類型——構造塌陷型水庫地震類型。

1 車用太，等.地殼流體與地震活動關系及其在強震預測中的意義［J］.地震地質，1998，20(4):431 －437.(Che Yongtai，et al.The relationship between crustal fluids and major earthquake and its implications for earthquake prediction ［J］.Seismology and Geology，1998，20(4):431 －437)

2 Chen Junhua，et al.Study on the focal mechanism of the Ms5.1 Badong earthquake in Hubei［J］.Geodesy and Geodynamics，2014，5(1):47 －54.

3 陳蜀俊.三峽庫首區蓄水前后構造應力場數值模擬及地震危險性研究［D］.武漢:中國地質大學，2005.(Chen Shujun.Numerical modeling of tectonic stress field in the head area of the Three Gorges before and after reservoir impounding and studies on the seismic risk［D］.Wuhan:China University of Geoscience，2005)

4 陳蜀俊，等.三峽庫首區蓄水前后構造應力場三維數值模擬研究［J］.巖石力學與工程學報，2005，24(2):5 612－5 617.(Chen Shujun，et al.Study on numerical simulation of tectonic stress field before and after reservoir impounding in the head area of the Three Gorges［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2005，24(2):5 612 －5 617)

5 陳蜀俊，姚運生，蔡永建.三峽庫首區重點斷裂圍限區蓄水的加卸載效應［J］.大地測量與地球動力學，2006(4):97 －101.(Chen Shujun，Yao Yunsheng，Cai Yongjian.Loading and unloading of Three Gorges reservoir impounding on area defined by main faults of head area［J］.Journal of Geodesy and Geodynamics，2006(4):97 －101)

6 張秋文，王乘，李峰.長江三峽工程庫首及周緣地區水庫誘發地震危險性定量預測與評估研究［J］.水電能源科學，2005，23(4):21 － 25.(Zhang Qiuwen，Wang Cheng，Li Feng.The Yangtze river three gorges project library and peripheral area reservoir induced earthquake risk quantitative prediction and evaluation research［J］.Water Resource and Power，2005，23(4):21 －25)

7 馬文濤，等.長江三峽水庫誘發地震加密觀測及地震成因初步分析［J］.地震地質，2010，32(4):552 －560.(Ma Wentao，et al.Intensive observation of reservoir-induced earthquake and preliminary analysis on the causes of earthquakes in Three Gorges reservoir［J］.Seismology and Geology，2010，32(4):552 －560)

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9 陳明祥.彈塑性力學［M］.北京:科學出版社，2007.(Chen Mingxiang.Elastic-plastic mechanics［M］.Beijing:Science Press，2007)

10 朱守彪，張培震.2008年汶川Ms8.0地震發生過程的動力學機制研究［J］.地球物理學報，2009，52(2):418－427.(Zhu Shoubiao，Zhang Peizhen.A study on the dynamical mechanisms of the Wenchuan Ms8.0 earthquake，2008［J］.Chinese Journal of Geophysics，2009，27(3):97 －105)

11 吳建超，等.三峽水庫蓄水后等效應力場的數值模擬和胡家坪 Ms4.1地震的孕震機理［J］.地震研究，2012，35(1):42 －47.(Wu Jianchao，et al.Numerical simulation of equivalent stress field after the impoundment of the Three Gorges reservoir and the seismogenic mechanism of Hujiaping Ms4.1 earthquake［J］.Journal of Seismological Research，2012，35(1):42 －47)

致謝 僅以此文獻給恩師馬瑾先生八十華誕!

BADONG Ms5.1 EARTHQUAKE:A NEW TYPE OF RESERVOIR EARTHQUAKE

Chen Shujun1)，Yao Yunsheng1，2)，Wu Jianchao1，3)，Chen Junhua1)and Cai Yongjian1，3)
1)Key Laboratory of Earthquake Geodesy，Institute of Seismology，CEA，Wuhan 430071
2)Wuhan Base of Institute of Crustal Dynamics，CEA Wuhan 430071
3)Institute of Earthquake Engineering of Wuhan，Wuhan430071

Simulating result of tectonic stress field in the upper crust under different water storage conditions for Badong Ms5.1 earthquake occurred in 2013 shows that this earthquake occurred in the gradient zone between the Badong and Niukou equivalent stress D-value zone which means that the Earthquake is related to the impoundment.The epicenter region possesses the tectonic background of moderately strong earthquake and the condition of massive stripped karst developed along a structure plane.The seismography data show tectonic and collapsed characteristic of the Earthquake.Comprehensive analysis suggests that Badong Ms5.1 Earthquake might give priority to tectonic mechanism.Regional tectonic stress was superimposed by the local tectonic stress state’s adjustment due to the impoundment.It might form stress concentration and collapse in the karst region developing along the structural plane.The collapse then lead to structure instable and slipping.The two kinds of mechanism feedback、alternate、superimpose and then the earthquake occurred.Therefore，the Earthquake is a new type of reservoir earthquake type—tectonic subsidence type.

Three Gorges reservoir area;Badong Ms5.1 earthquake;tectonic subsidencce type;earthquake;karst

P315.1;P315.72+8

A

1671-5942(2014)03-0001-05

2014-03-28

中國長江三峽集團公司科研專項(SXSN/3354)。

陳蜀俊，男，1965年生，研究員，博士，主要研究方向為防震減災工程及防護工程。E－mail:Chen3122@126.com。