小浪底水庫(kù)區(qū)地震活動(dòng)特征分析

王 潔 張永貴 楊智峰 張培華 谷志飛

(洛陽(yáng)市地震局，河南 洛陽(yáng) 471000）

小浪底水庫(kù)區(qū)地震活動(dòng)特征分析

王 潔 張永貴 楊智峰 張培華 谷志飛

(洛陽(yáng)市地震局，河南 洛陽(yáng) 471000）

本文通過(guò)對(duì)小浪底庫(kù)區(qū)歷史地震資料，根據(jù)小浪底水庫(kù)區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造背景，結(jié)合庫(kù)區(qū)地震時(shí)、空、強(qiáng)分布特點(diǎn)，綜合小震定量描述方法和數(shù)理統(tǒng)計(jì)法對(duì)庫(kù)區(qū)的震級(jí)-頻度關(guān)系b值、年平均發(fā)生率、平均震級(jí)變化趨勢(shì)和能量釋放的時(shí)間分布等進(jìn)行新的統(tǒng)計(jì)分析，用以作為水庫(kù)區(qū)域地震活動(dòng)特征的量化表達(dá)參數(shù)，總結(jié)出1970年以來(lái)庫(kù)區(qū)地震活動(dòng)變化的規(guī)律特征。

小浪底庫(kù)區(qū)；地震；特征分析

黃河小浪底水庫(kù)位于河南省洛陽(yáng)市以北40km的黃河干流上，總庫(kù)容126.5億m3，該水庫(kù)面積約297.4km2，最大水深140m，是一座以防洪、防凌、減淤為主，兼顧供水、灌溉、發(fā)電的特大型水利工程。小浪底水庫(kù)蓄水后小震活動(dòng)明顯增加，大多是危害性不大的微震和弱震，通過(guò)對(duì)地震參數(shù)的分析研究，探索其發(fā)展規(guī)律。

1 區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造背景

小浪底水庫(kù)西接渭河盆地，東臨華北平原，屬典型的華北型地層區(qū)。區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定性主要受豫皖斷塊西北邊界的汾渭斷陷帶以及太行斷塊與冀魯斷塊分界的太行山前斷裂帶控制。在庫(kù)區(qū)及其周邊地區(qū)分布的一系列第四紀(jì)活動(dòng)斷層,除架桑斷層與焦洛斷層歷史上曾有過(guò)5級(jí)左右的地震外，其他大多無(wú)震或僅有小震級(jí)地震。根據(jù)對(duì)歷史地震資料統(tǒng)計(jì)，對(duì)庫(kù)區(qū)影響最大的地震烈度為Ⅶ度。

2 庫(kù)區(qū)地震空間分布特征

我們把研究區(qū)確定為東經(jīng)111.1°~113°，北緯34.5°~ 35.2°的矩形區(qū)域。該區(qū)域位于山西地震帶與許昌——淮南地震帶的交界部位，地震活動(dòng)強(qiáng)度弱，頻度低。震中分布明顯受第四紀(jì)活動(dòng)斷層控制，在庫(kù)壩區(qū)淹沒(méi)區(qū)內(nèi),主要受塔底、石井河、城崖地、石家溝等斷層控制。

自小浪底水庫(kù)1999年蓄水以來(lái)，3.0級(jí)以上地震頻次明顯增多。蓄水前10年ML≥3級(jí)地震只有兩次，而蓄水后10年ML≥3級(jí)地震增加到16次。從上圖看出水庫(kù)蓄水前的地震分布規(guī)律不十分明顯，地震活動(dòng)水平較低，而蓄水后地震分布更集中于小浪底水庫(kù)的中段和西段區(qū)域。

3 庫(kù)區(qū)b值的計(jì)算方法

根據(jù)古登堡—李斯特地震頻度N與地震震級(jí)M關(guān)系式：LgN=a-bM，其中a、b為待定常數(shù)。首先根據(jù)不同震級(jí)檔地震基本完整的時(shí)段,換算成年平均發(fā)生率作 b值擬合。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，1970年以來(lái)小浪底庫(kù)區(qū)發(fā)生ML≥2.0地震共有294次，其中ML3.0-3.9級(jí)地震45次，ML4.0~4.9級(jí)地震4次。ML≥4級(jí)地震44年(1970-2014年)內(nèi)的年平均發(fā)生率為0.09，ML2.0~2.4級(jí)為3.81，ML2.5~2.9級(jí)為1.75，ML3.0~3.4級(jí)為0.79，ML3.5~3.9級(jí)為0.22。

3.1 b值擬合圖

根據(jù)表2的各震級(jí)檔年平均發(fā)生率統(tǒng)計(jì)結(jié)果，利用最小二乘法進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，起算震級(jí)為M2.0震級(jí)，分檔為0.5級(jí)的擬合結(jié)果(圖中直線)與原數(shù)據(jù)(黑圓點(diǎn))的離散程度如下圖所示。LgN=4.09~0.8865M，小浪底庫(kù)區(qū)的b值統(tǒng)計(jì)結(jié)果為0.8865，代表地震區(qū)地震活動(dòng)水平的a值為4.09。

3.2 滑動(dòng)b值計(jì)算法

b值是震級(jí)和頻度關(guān)系式中的比例系數(shù),它代表一定區(qū)域內(nèi)不同大小地震頻數(shù)的比例關(guān)系，其物理意義可以反映區(qū)域地震地質(zhì)的特征。如果能掌握某區(qū)域內(nèi)不同時(shí)期b值的變化規(guī)律，就可以對(duì)即將發(fā)生的地震進(jìn)行一定程度的預(yù)測(cè)，研究地震前兆與地震的相關(guān)性，從而獲取可靠的地震前兆。根據(jù)關(guān)系式LgN=a-bM，用最小二乘法可以得出如下b值計(jì)算公式：

以小浪底庫(kù)區(qū)及鄰區(qū)地震目錄為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，依照目錄順序，取其1號(hào)-20號(hào)地震為第1組，用b值計(jì)算公式計(jì)算出該組的1個(gè)b值來(lái)；以20個(gè)震為滑動(dòng)區(qū)間（n=20），1個(gè)震為滑動(dòng)步長(zhǎng)（Δn=1），每步1個(gè)震滑動(dòng)1次，計(jì)算出后面各組的b值來(lái)（第2-21號(hào)震為第2組，第3-22號(hào)震為第3組，等等）。

按地震目錄進(jìn)行編組排序。取n為20，對(duì)上表數(shù)據(jù)進(jìn)行求和，再根據(jù)b值計(jì)算公式，可計(jì)算出第1組的b值為0.464。以發(fā)震時(shí)間為橫坐標(biāo)、b值為縱坐標(biāo)，繪制出滑動(dòng)b值曲線圖，分析b值曲線變化情況，可對(duì)未來(lái)震情作出一些趨勢(shì)判斷。

巖石壓力實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，應(yīng)力增加時(shí)，b值下降；當(dāng)應(yīng)力接近巖石破裂強(qiáng)度時(shí)，b值下降加速。從上圖b值滑動(dòng)曲線與震級(jí)變化對(duì)照放大圖中看出，b值與震級(jí)呈現(xiàn)出近似于反相關(guān)的關(guān)系，當(dāng)b值處于低值時(shí)震級(jí)卻達(dá)到一個(gè)相對(duì)階段高值，當(dāng)發(fā)生ML≥4.0級(jí)地震后，b值會(huì)迅速下降；或者是b值變化持續(xù)一段時(shí)間高位，這樣就會(huì)集聚較大能量，當(dāng)快速下降時(shí)，此時(shí)發(fā)生3-4級(jí)地震的可能性會(huì)增加。

4 庫(kù)區(qū)地震時(shí)間序列

4.1小浪底庫(kù)區(qū)地震時(shí)序圖

小浪底庫(kù)區(qū)地震活動(dòng)從1971-1986年是一個(gè)活躍期，1986-1998年是相對(duì)平靜期，1999-2003年又進(jìn)入活躍期，平靜4年左右，從2007年到目前地震又相對(duì)密集。第一個(gè)活躍期與大華北地震活動(dòng)水平相一致。根據(jù)河南省及鄰省區(qū)32次地震的震源機(jī)制解分析，小浪底庫(kù)區(qū)的斷層以走滑型為主，主壓應(yīng)力方向?yàn)楸睎|東，與華北地區(qū)的主壓應(yīng)力方向一致。這一特征也印證了小浪底庫(kù)區(qū)蓄水前地震活動(dòng)與大華北地震活動(dòng)規(guī)律相一致的有效性，顯示了區(qū)域主壓應(yīng)力場(chǎng)在發(fā)震過(guò)程中的主導(dǎo)地位。而水庫(kù)自99年蓄水后，出現(xiàn)地震活躍期卻是大華北地震的平靜期，因此認(rèn)為蓄水后小震活動(dòng)明顯增加而出現(xiàn)的活躍期與水庫(kù)蓄水有很強(qiáng)的相關(guān)性。

4.2 地震頻次

我們利用excel中回歸分析法畫出1970年以來(lái)地震頻次和平均震級(jí)變化趨勢(shì)圖。通過(guò)使用回歸法，趨勢(shì)線擬合數(shù)據(jù)計(jì)算趨勢(shì)線的R平方值來(lái)驗(yàn)證趨勢(shì)線的可靠性，R平方值越大說(shuō)明擬合的趨勢(shì)線越精確。

由圖9看出水庫(kù)蓄水后地震活動(dòng)特征呈現(xiàn)出明顯的高頻特征，活動(dòng)頻次超出平均水平，呈現(xiàn)出曲線上升狀態(tài)，（R2=0.517）。但能量釋放相對(duì)第一活躍期仍處于較低水平。

4.3 平均震級(jí)變化趨勢(shì)

平均震級(jí)變化趨勢(shì)分析是用1970年以來(lái)地震活動(dòng)的年平均值、均方差等統(tǒng)計(jì)特征量，研究地震平均震級(jí)變化趨勢(shì)的異常形態(tài)。從上圖看出1970年以來(lái)小浪底庫(kù)區(qū)的平均震級(jí)變化趨勢(shì)呈現(xiàn)出緩慢下降狀態(tài)。（R2= 0.3959），但在水庫(kù)蓄水后平均震級(jí)出現(xiàn)一個(gè)相對(duì)高值。

4.4 能量釋放

由上圖看出，自小浪底1999年蓄水以來(lái)，地震活動(dòng)進(jìn)入一個(gè)新的活躍時(shí)段，水庫(kù)蓄水后能量釋放相對(duì)蓄水前較強(qiáng)。

5 討論

根據(jù)現(xiàn)有的文獻(xiàn)資料查閱可知，小浪底水庫(kù)蓄水后對(duì)地殼造成的壓力變化，從而使小震活動(dòng)明顯增加，地震主要集中于水庫(kù)的中段和西段區(qū)域。由于水庫(kù)中部和西部區(qū)域分布較廣的灰?guī)r地層，這些巖體強(qiáng)度較高，能夠積累較大的應(yīng)變能量，受力后易產(chǎn)生脆性破裂變形，且?guī)靺^(qū)中部分布著寒武系、奧陶系碳酸鹽巖類地層,出露面積雖然不大，但巖溶作用的結(jié)果會(huì)導(dǎo)致巖體的總體完整性和強(qiáng)度降低,從而加大巖體的滲透性，這些因素都決定了本區(qū)域存在水庫(kù)地震的可能性。所以小震活動(dòng)的增加是與水庫(kù)蓄水有很大的相關(guān)性。

在本區(qū)范圍內(nèi)，從b值與震級(jí)的對(duì)應(yīng)形態(tài)上看，3.0級(jí)地震前滑動(dòng)b值曲線可能會(huì)出現(xiàn)峰形異常，或者是b值持續(xù)高位變化。一旦b值出現(xiàn)快速下降時(shí)，發(fā)生3~4級(jí)地震的可能性會(huì)增大。因此，如果發(fā)現(xiàn)滑動(dòng)b值超過(guò)0.8，且曲線形態(tài)呈現(xiàn)峰形或持續(xù)較高值一段時(shí)間，則應(yīng)注意加強(qiáng)震情監(jiān)測(cè)。

［1］王世昌，劉耀煒，張培華.小浪底水庫(kù)誘發(fā)地震的危險(xiǎn)性分析［J］.地震地磁觀測(cè)與研究，2006（2）：9-15.

［2］吳兆營(yíng)，簿景山，劉志平，等.東北地震區(qū)b值和地震年平均發(fā)生率的統(tǒng)計(jì)分析［J］.東北地震研究，2005（3）：27-32＋72.

［3］賀為民，劉明軍，李智毅，等.小浪底水庫(kù)斷裂構(gòu)造分析與誘發(fā)地震預(yù)測(cè)［J］.華南地震，2001（1）：63-68.

［4］鄭兆，劉東旺，沈小七，等.華北b值全時(shí)空掃描結(jié)果的可靠性及與地震的相關(guān)性［J］.地震，2001（3）：8-14.

［5］楊國(guó)憲，汪雍熙.小浪底水庫(kù)區(qū)天然地震本底特征分析［J］.水利學(xué)報(bào)，2003（6）：89-94.

Analysison Seism ic Activity Characteristicsof XiaolangdiDam Reservoir Area

Wang Jie Zhang Yonggui Yang Zhifeng Zhang Peihua Gu Zhifei
（Luoyang SeismologicalBureau,LuoyangHenan 471000）

Based on the historical seismic data,geological structure backgroundand the distribution characteristics of seismic time,space and intensity of Xiaolangdireservoirarea,the paper carried outanew statisticalanalysisonthemag?nitude-frequency relationship b value,the average incidence rate,the averagemagnitude changing trendand the time distribution ofenergy releasein the reservoirarea by using thequantitative descriptionmethod of smallearthquakesand mathematicalstatisticmethod.They areused as thequantitative parametersofseismic activity characteristics in the res?ervoirarea.The changing lawsand characteristicsofseismic activity in the reservoirsince1970wasalsosummarized.

XiaolangdiDam reservoir;earthquake;characteristic analysis

P315.9

A

1003-5168(2015）06-0150-4

2015-5-28

鄭鴻煜(1986.12-）女，本科，助理工程師，研究方向：產(chǎn)品檢驗(yàn)及安全管理。