溪洛渡水庫影響區地震活動性分析*

羅建偉，李 勇，葉建慶

(云南省地震局，云南 昆明 650224)

0 引言

水庫在蓄水過程中或蓄水一段時間后，在庫水的加載、滲透作用下，區域應力場會受到一定程度的影響，失去平衡引發應力場的再次調整，引發庫區及鄰近區域頻繁的微小地震活動，甚至是中等強度的地震活動。自20世紀40年代有學者發現美國米德湖的蓄水與地震存在因果聯系以來(Carder，1945)，國內外已有140余座水庫觀測到水庫誘發地震(常廷改，胡曉，2018)。水庫區域內地震的發生、發展大多與庫區蓄水及水位周期性變化相關(Carder，1945；Simpsonetal，1988；Talwani，1997；曹穎等，2015)，水庫誘發地震在時間、空間、強度和序列特征等方面都具有特殊性，其中空間上表現為震中分布在水庫區周圍，一般距庫邊線不超過10 km，位于河谷第一分水嶺范圍內(常廷改，胡曉，2018)。

溪洛渡水電站位于四川省雷波縣與云南省永善縣交界的金沙江干流上，攔河壩為混凝土雙曲拱壩，壩高285.5 m，總裝機1 386萬kW，總庫容126.7億m3，是一座以發電為主，兼顧防洪、航運、調節下游電站水量的特大型水電站。2013年5月4日開始第一階段的下閘蓄水，2014年3月蓄水至562 m左右，2014年9月底蓄水達到600 m設計水位，這期間，庫區及鄰區發生多次中等強度地震(M≥5.0)和強烈有感地震(M4.0左右)，對庫區社會穩定和電站安全生產造成一定程度的影響。

本文利用2008—2018年云南省及鄰省區域地震臺網的地震監測資料，結合中國長江三峽集團公司工程建設管理局官方網站公布的水位資料，對溪洛渡水庫影響區內地震活動進行分析，探討庫區蓄水與地震活動的相關性，研究水位變化與地震強度、頻度變化的一般規律；利用數字地震波形資料給出M≥3.0地震的震源參數，并進行相關討論。

1 基礎資料

1.1 地震監測資料

云南省區域地震臺網自2008年數字化改擴建運行以來，對滇東北的地震監測能力范圍可達2.0級左右(秦嘉政等，2012)，為進一步增強省界區域監測能力，還引入鄰省區域臺網的測震臺站監測省界區域地震活動，如川滇交界區域四川省境內的鄉城、瀘沽湖、鹽源、攀枝花、普格、雷波、馬邊、高縣、筠連等臺站。2014年4月5日永善M5.3地震發生后，云南省地震監測中心立即在震中區附近布設了永善、務基、馬楠3個流動測震臺站，參與云南省區域測震臺網對永善地震區的監控，觀測時間約一年。因此，本文選取2008—2018年云南省及鄰省區域地震臺網的地震記錄進行分析。

1.2 水庫影響區

水庫影響區指的是水庫區及其外延10 km的范圍，水庫區即為水庫正常蓄水位淹沒的范圍(水庫誘發地震危險性評價，GB 21075—2007)。溪洛渡水庫影響區包含水庫壩區下游10 km、水庫上游庫尾段至白鶴灘壩址區10 km范圍。溪洛渡水庫區總長度約191 km，影響區面積約(211×20)km2。圖1為溪洛渡水庫影響區范圍及2008—2018年區內地震、臺站分布和利用本省、鄰省區域測震臺站、流動測震臺站測算的監測能力等測震線圖。

依據溪洛渡水庫影響區范圍，從2008—2018年云南地震目錄中篩選出1 423個地震事件。其中2008年至2013年5月3日蓄水前地震事件58次，2013年5月4日至2018年12月31日蓄水后地震事件1 365次。蓄水前監測到地震的最小震級為M1.0，最大震級為4.1。蓄水后最大地震為2014年4月5日永善M5.3地震，此次地震后，增設流動臺，監測到地震的最小震級為0.1，2014年8月17日永善再次發生M5.0地震。

1.3 區域構造資料

溪洛渡水庫影響區及附近區域的構造如圖1所示，其中斷層線數據來源于Mapsis軟件系統中鄧起東等建立的中國活動斷層數據庫。

溪洛渡水庫影響區內金沙江總體走向為WS—NE。區內及附近分布眾多第四紀活動和不活動斷裂，這些斷裂性質大多為逆斷層，兼具少量走滑性質，部分斷裂性質為走滑性質。其中，蓮峰斷裂為主要斷裂帶之一，屬于第四紀不活動的斷裂，歷史上沒有5級以上地震的記載和記錄；小江和則木河等斷裂在水庫壩址上游尾水區通過，雖是第四紀活動斷裂，但沒有5級以上地震記載；馬邊—鹽津斷裂帶是第四紀活動斷裂，在溪洛渡水庫壩址下游通過，最近距離不足20 km，由多組NW30°左右走向的斷裂組成，歷史上大部分5級以上地震均沿此斷裂分布，特別是6級以上大震均發生在此斷裂帶上，是區域附近主要發震構造，如1216年3月24日四川雷波馬湖7級地震，震中距壩址約20 km；1974年5月11日大關北7.1級，震中距壩址區約40 km(中國地震局監測預報司，2010)；西魚河—昭通斷裂(又稱昭通—魯甸斷裂)為NE走向并具走滑性質，為第四紀不活動的斷裂，沿該斷裂的附近發生了2014年8月3日云南魯甸M6.5地震，發震斷層為NW向包谷垴—小河斷裂。

2 蓄水前后水庫影響區地震活動

2.1 地震活動

水庫蓄水對庫區基底巖層及庫岸巖體的影響顯著。在溪洛渡水庫影響區內篩選出的1 423次地震事件中，0.1≤M＞1.0地震61次、1.0≤M＞2.0地震992次、2.0≤M＞3.0地震256次、3.0≤M＞4.0地震47次、4.0≤M＞5.0地震7次、5.0≤M≤5.3地震2次。

在地震活動性的統計分析中，最小完整性震級是一個重要參數，是地震目錄完整性的重要體現。蘇有錦等(2003)基于G-R關系的震級-頻度分布(FMD)方法，利用川滇地震臺網地震目錄給出了川滇區域地震監測資料的最小完整性震級，其中滇東北及溪洛渡水庫區域最小完整性震級MC為2.0。隨著時代的變遷，川滇地區地震監測臺網有了較大的變化，本文采用FMD方法，估計2008—2018年溪洛渡水庫影響區地震監測資料的最小完整性震級MC=1.1，b值為0.799 6，相關系數為0.990 7，均方差為0.049 1，G-R關系如圖2所示。

2013年5月4日水庫蓄水后，水載荷變化波動的影響，導致構造區的應力釋放。庫區內微震活動強度開始逐漸增強、頻度逐漸增大。2014年4月5日庫區內發生最大地震為M5.3，震源深度為13 km，震中距壩址區15 km；2014年8月17日庫區再次發生M5.0地震，震源深度為7 km，震中距壩址區21 km。2014年9月30日庫區水位達到設計水位600 m。圖3展示了2008—2018年溪洛渡水庫影響區地震震級時序、日頻度、月頻度、年頻度與水位時序圖。由圖可見，庫區內3級以上中小地震與水位的上升或下降關系密切。最大日頻度為2014年8月17日的99次，最大月頻度為2014年8月的221次，最大年頻度為2014年的775次。

圖2 2008—2018年溪洛渡水庫影響區地震目錄測定的G-R關系
Fig.2G-Rrelationship of the earthquake catalogue from 2008 to 2018 in the affected area of the Xiluodu Reservoir

圖3 2008—2018年溪洛渡水庫影響區地震M-T(a)、日頻度(b)、月頻度(c)、年頻度(d)與水位時序圖，圖(a)和(b)同時顯示水位日增減速度變化
Fig.3M-T(a)，daily frequency(b)，monthly frequency(c)，annual frequency(d) of the earthquake occurred in the affected area of the Xiluodu Reservoir from 2008 to 2018 With the water level timing chart， figures(a)and(b)show the daily increase and decrease of the water level

水載荷變化對區域構造應力有較大的擾動作用。由圖3a，b可見，在庫區水位處于高位時，庫水位日變化率的高低直接影響了水庫影響區內地震活動的強度和頻度。溪洛渡水庫影響區內M≥3.0地震大多發生在水位急速降低或水位快速上升時段。2014年4月5日M5.3地震發生在水位由562 m急速下降過程中，日變化幅度大于0.5 m。2014年8月17日M5.0地震則發生在水位由540 m低位快速上升過程中，水位最終于9月底上升至600 m。自2014年溪洛渡庫區達到設計水位至2018年，經歷了5個高低水位循環周期，水位年變化幅度大致在55 m，低水位大致在545 m，高水位接近600 m。每年6月底至11月為水位上升期，12月至第二年的6月為水位下降期。溪洛渡水庫影響區內地震活動的強度和頻度隨水位的年度變化而有所起伏，3～4級有感或強有感地震在水位上升或下降階段均有發生，即庫區水加載或卸載會對庫區及影響區的區域應力產生一定程度的影響。在5個水位變化周期內，水位上升時段最大日變化幅度為4.15 m，水位下降時段最大日變化幅度為-2.14 m。2014—2018年影響區內地震活動強度、頻度衰減趨勢不明顯。

2.2 震源深度

水庫影響區內由于水的作用“觸發”的地震震源深度較淺，一般在5 km左右(陳厚群等，2009)。圖4為2008—2018年溪洛渡水庫影響區地震震源深度與水位時序關系圖，以及不同震源深度統計直方圖。由圖可見，蓄水前58次地震震源深度在10 km左右，蓄水后主要集中在5 km左右。統計結果表明，震源深度在1～5 km的地震占總數的43.01%，6～10 km的地震占總數的49.54%，11～15 km的地震占總數的6.39%，16～30 km的地震占總數的1.05%，可見90%以上地震的震源深度在1～10 km，為淺源地震。

圖4 溪洛渡水庫影響區地震震源深度與水位時序關系圖(a)和不同震源深度統計直方圖(b)Fig.4 Relationship between seismic source depth and water level time serries in the affected area of the Xiluodu Reservoir(a)，statistical histogram of different source depths(b)

2.3 空間分布

2008—2018年溪洛渡水庫影響區內地震活動以2013年5月4日蓄水為節點分為2個時段。以壩址為參考零點，圖5為不同時段地震發生位置相對于壩址的距離，從圖中可以看出蓄水前后地震相對溪洛渡大壩的空間分布。

蓄水前，壩址區附近僅有少量地震記錄，58次地震在水庫各區段均有發生，最小震級1.0，最大震級4.1。地震主要發生在巧家附近的小江、蓮峰斷裂帶附近，三河口—煙峰斷裂以及與蓮峰斷裂帶交匯區域，屬于區域背景性的本底地震。

蓄水后，92%的地震發生在距壩址30 km的水庫影響區內，其中，距壩址10 km范圍內的地震約占7.7%(含壩前)，10～20 km范圍內的地震約占52%。壩址區10 km范圍內(包括壩前)最大地震為2014年12月6日發生在壩前3.7 km金沙江河段上的M2.8地震，震源深度為3 km；10～20 km范圍內最大地震為M5.3地震，發生在壩址上游15.3 km處，震源深度為13 km，震中距庫岸約為6.7 km；20～30 km范圍內最大地震為M5.0，發生在壩址上游21 km處，震源深度為7 km，震中距庫岸約為6 km；30～150 km范圍內最大地震為M3.7，發生在壩址上游約51 km處，震源深度為5 km，震中距庫岸約為0.7 km，該地震發生在三河口—煙峰斷裂與蓮峰斷裂帶交匯處；50 km以外的地震主要沿蓮峰斷裂帶以及小江斷裂帶展布，可能與區域構造活動密切相關。

圖5 以溪洛渡大壩為參考零點，蓄水前(a)、蓄水后(b)水庫影響區內地震震源深度剖面分布Fig.5 Depth profile distribution of the seismic events in the reservoir affected area taking the Xiluodu dam as the reference zero point，before the water storage(a)，after the water storage(b)

3 震源機制與震源參數

3.1 震源機制

刁桂苓等(2014)利用溪洛渡水庫地震臺網記錄的微小地震資料對水庫壩區蓄水前后微小地震震源機制進行了綜合分析(其資料截止日期為2013年10月)發現：蓄水前少量微震震源機制顯示存在正斷、逆斷傾滑和走滑等多種破裂方式；蓄水后大量微小地震震源機制也顯示了多種破裂方式并存的現象，其中，走向滑動占40%，正斷層和逆斷層性質的傾向滑動占45%，其它復合類型占15%。中國地震局滇西地震預報實驗場利用川滇區域臺網監測資料采用CAP方法求解得到2014年4月5日和8月17日云南永善M5.3，5.0地震及其較大余震的震源機制解，其結果列于表1。由表1可知，2014年4月5日M5.3地震為逆斷型，8月17日M5.0地震為走滑型，其余震以走滑型居多，并有逆斷兼走滑型，破裂類型較復雜。

表1 2014年永善M5.3，5.0地震及主要余震震源機制解參數Tab.1 Focal mechanism solution parameters of the Yongshan M5.3，M5.0 earthquake and main aftershocks in 2014

注：數據來源于中國地震局滇西地震預報實驗場計算結果.

3.2 震源參數

利用川滇地震臺網位于震中區附近的地震臺站記錄的永善地震波形數據，采用Brune圓位錯模式(Brune，1970)計算了溪洛渡水庫影響區內大部分M≥3.0地震的震源參數。應力降顯示，2014年4月5日云南永善M5.3地震應力降為2.01 MPa，8月17日的M5.0地震應力降為4.79 MPa，應力釋放量是M5.3地震的2倍。葉建慶等(2014)對云南雙震型地震序列研究表明，首次強震的應力降較低，可能是受震源區存在的障礙體的影響，構造應力未能在首次地震中得以完全釋放，再次發震其應力降值較高，表明已突破障礙體。溪洛渡水庫影響區內的2次中等強度地震具有雙震型特征。

4 討論

水庫影響區是研究水庫誘發地震的重點區域，區域內活動構造的性質、是否存在發震構造、發震構造在建庫前是否已接近臨界狀態、庫區巖體的強度、透水性等性態和水文地質背景條件等，是水庫蓄水后是否會誘發水庫地震的關鍵因素(陳厚群等，2009)。閔子群(1989)將北起永善、大關以北，南至昭通以南，長約170 km，寬約120 km的區域確定為大關—昭通地震區，區內NE向、SN向和NW向幾組斷裂交匯，規模都不大，地震類型多為雙震型或震群型，與地質構造的關系比較復雜，溪洛渡水庫影響區就位于其中，構造活動強烈。水庫蓄水前，區域內少量背景地震活動主要分布于小江斷裂帶、三河口—煙峰和蓮峰斷裂帶附近。蓄水后，微小地震活動總體控制在甘洛—竹核斷裂與蓮峰斷裂帶交匯區域和馬邊—鹽津斷裂帶以西區域內，區域構造的影響不可忽視(刁桂苓等，2014)。

由溪洛渡水庫影響區蓄水前后地震活動強度、日頻度、月頻度與蓄水水位時序關系可見，水位由440 m急速上升至550 m左右，水庫壩區及30 km水庫影響區范圍內微震活動量明顯增加，地震活動的增量與水庫處于高水位有關。刁桂苓等(2014)給出了溪洛渡水庫地震臺網監測到的蓄水初期零級左右極微震頻繁活動圖像，表明高水位對庫岸巖體的影響是顯著的。從觀測時間來看，水庫初次加載后，地震活動立即明顯增強(稱為迅速響應型水庫誘發地震)，地震活動主要為低震級的似震群型活動，局限于水庫水壩附近，與水庫水位變化密切相關(Simpsonetal，1988)。水庫影響區內地震事件的震源深度統計表明，震源深度10 km內的地震事件占總數的90%以上，主要為淺源地震事件。

刁桂苓等(2014)得出水庫蓄水初期庫水涌入溶洞，滲透到裂隙和層理，孔隙壓力增大，摩擦強度和破裂強度降低，微小破裂更易發生，破裂類型復雜多樣，微小地震的震源機制呈多樣性。本文給出的10個較大地震事件的震源機制解也顯示了一定的復雜性。2014年永善M5.3地震逆斷性質的震源機制解與區域構造斷裂性質一致，永善M5.0地震的走滑破裂性質則與水庫觸發(誘發)地震破裂性質相似，水庫蓄水作為施加在地面的載荷，在地下深處將出現有助于走向滑動斷層和正斷層運動的附加水平拉力，這與陳颙(2009)提出水庫誘發地震多是走向滑動或是正斷層型的地震這一觀點相符合。2014至2018年的5個水位變化周期與地震活動強度、頻度的變化密切相關，有感地震和強有感地震多數發生在水位下降或上升的過程中，且無明顯衰減跡象。以上特征表明溪洛渡水庫影響區的地震活動主要受到區域構造應力與庫水載荷的相互作用。

5 結論

本文基于云南省及鄰省區域地震臺網觀測資料，對2008—2018年溪洛渡水庫影響區地震活動進行分析，得到以下結論：

(1)溪洛渡水庫影響區及附近區域第四紀活動與不活動的斷裂交匯，構造環境復雜且存在應力水平較高區域。水庫蓄水前，區域內存在少量背景地震活動，且震級較??；水庫蓄水后，庫區內地震活動強度最大達M5.3。地震空間分布受區域構造控制明顯。

(2)水庫蓄水初期，水位急速上升，伴隨著微小地震活動頻度和強度逐漸增量增強，表明水庫蓄水對庫區基底巖層及庫岸巖體的影響顯著。

(3)水載荷的變化觸發了構造區的應力釋放，發生了以逆斷層性質破裂的2014年永善M5.3地震，加之構造區存在高應力背景，庫區高水位作用使該區域構造應力以雙震的形式得以釋放，再次發生以走滑性質破裂的永善M5.0地震，且其地震應力釋放是M5.3地震的2倍。由此可見，庫區加卸載明顯起到了觸發區域構造應力加速釋放的作用。

(4)溪洛渡庫區水載荷的變化對區域構造應力有較大的擾動作用。水庫自2014年達到設計水位至2018年，已歷時5個水位高低變化循環周期。水庫影響區內的3～4級有感或強有感地震多數發生在水位降低或上升過程中，表明水載荷的變化對區域構造應力有較大的擾動作用。持續的微小地震活動，無明顯的衰減跡象，表明溪洛渡庫區的庫岸再造仍在持續。