長江三峽工程庫區地震活動性規律

王明振, 李 珊, 高 霖*

(1.重慶文理學院土木工程學院, 重慶 402160；2.重慶文理學院土木工程防災減災研究所, 重慶 402160)

長江三峽工程位于長江西陵峽中段，壩址在湖北宜昌三斗坪，是當今世界上最大的綜合性水利樞紐工程，也是具有防洪、供水和航運等長江水資源開發利用及治理功能的長江水流控制性工程。

根據相關資料可知，長江三峽工程庫區(以下簡稱庫區)及其附近存在仙女山斷裂、黔江斷裂、高橋斷裂、巫山-金佛山斷裂、九畹溪斷裂、都勻-豐都斷裂、大茅田-建始斷裂、長壽-遵義斷裂和華鎣山斷裂等斷裂帶。歷史上距長江三峽工程大壩壩址300 km 范圍內共計發生4次6級左右地震，最大地震記錄為1856年黔江6.25級地震，震中烈度8度，地震形成7 600萬平方米堰塞湖。且開工前近40年內，長江三峽工程及鄰區共記錄到2 000余次地震。綜合歷史震例數據表明，庫區是中國中等強度地震活動區[1]。

在長江三峽工程建設和運行的不同階段，庫區范圍內地震發生頻次具有明顯變化。并且，觀測數據表明庫區水位高度變化亦會對地震發生頻次產生影響。圖1表示了長江三峽工程開建以來的歷年最高水位、各級地震發生年頻次變化情況[2]。

圖1 庫區歷年最高水位及地震發生年頻次Fig.1 The highest water level and earthquake frequency per year of reservoir region

由圖1可知，庫區地震主要表現為微震、極微震的活動形式，庫區范圍內所發生最大震級地震為2013年12月16日湖北省恩施土家族苗族自治州巴東縣5.1級地震，震源深度5 km。雖然庫區強烈地震發生頻次不高，因地震災害所產生的直接經濟損失相對較小，但由于庫區存在大量條狀突出的山嘴、高聳孤立的山丘、非巖石和強風化巖的陡坡、河岸和邊坡邊緣等不利地形，且上述不利地形在地震動作用下易產生地震動放大效應，繼而易間接引起滑坡、崩塌、庫岸失穩等地質災害。因此，有必要對長江三峽工程庫區范圍內的地震活動性模型進行研究，以期對當地防災減災規劃、地震地質災害預防和預測提供參考和指導。

丁仁杰等[1]根據歷史震害資料對庫區地震災害孕育條件、地震危險性、地震監測預報以及震害預防等問題進行分析研究，提出了庫區蓄水對水庫地震、地質災害的潛在危險性等具體問題。王儒述[3-4]基于中外水庫誘發地震資料研究了水庫誘發地震的分布范圍、發震時間、發震趨勢、發震特點、誘發條件以及地震分類等問題，并根據長江三峽工程水庫的具體情況研究了庫區地震發生的危險性情況。戴苗等[5]針對長江三峽工程壩前水位變化情況與庫區地震活動性規律之間因果關系研究這一科學問題，結合壩前水位、壩前水位變化速率、地震活動性等監測數據和地震現場調查資料，分析了庫區斷層滲透結構與地震發生之間的聯系，總結分析出水庫地震發生頻次與壩前水位變化速率相關的結論，確定蓄水后庫區誘發地震多為礦山塌陷、滑坡型地震和巖溶型地震，構造性地震占比不占主要地位。張燕等[6]通過分析三峽大壩壩址附近斷層活動性與庫區水位變化之間的關系，發現長江三峽水庫蓄水對周圍斷層活動具有較為明顯的影響，但這種影響主要是由水載荷產生的應力場與斷層性狀耦合作用所致。楊陽等[7]利用遙感影像數據采用負荷格林函數積分對長江三峽工程庫區地面重力雖蓄水高度變化而變化情況進行了模擬計算，計算結果表明隨著水位上升大壩上游地面重力增大而下游呈減小趨勢。魏東等[8]從區域地質背景、震中位置分布規律、庫區蓄水水位與地震發生頻次關系等角度入手，研究了三峽庫區巴東庫岸段地震震源機制解與震級-頻度關系系數。綜上可知，現有研究多集中在庫區水庫地震與蓄水水位的關系、庫首區域地震變遷規律、庫區地震的震源機制分析等方面，但對水庫范圍內地震活動性規律等問題缺乏深入研究。

選取1996年1月—2017年12月期間發生在庫區范圍內的地震為研究樣本，采用概率地震危險性評估理論，對庫區地震發生規律進行了分析研究。以期對庫區進行地震危險性分析和防震減災工作提供指導和參考。

1 地震活動性模型

1968年Cornell提出了以概率來評價和表達一個地區或區域未來可能遭遇地震活動性大小的概率地震危險性方法(probabilistic seismic hazard analysis，PSHA方法)。PSHA方法自提出以來被廣泛應用于地震小區劃、地震區劃圖以及工程地震易損性分析等研究工作[9]。

由于地震是隨機事件，即未來地震的發生時間、震中位置和震級大小等因素都具有不確定性，而PSHA方法建立地震危險性分析模型是須考慮地震發生時間、震中位置和震級大小的聯合概率分布，在建立聯合概率分布過程中，PSHA方法設定有三個基本假定：①潛在震源區內地震發生時間服從泊松分布，且地震年平均發生率是常數；②潛在震源區內地震發生的空間分布(震中位置)為均勻分布；③潛在震源區內不同震級的發生頻度服從古登堡-里克特(Gutenberg-Richter，G-R)關系[9]。采用PSHA方法分析一個地區地震活動性時，需要用到的物理參數有：震級-頻度關系系數b、起算震級M0、震級上限Mu、地震年平均發生率ν等。由于本文所研究的地震活動區為長江三峽工程庫區，故在進行地震危險性分析過程中不考慮地震空間分布函數及其相關系數。

對于震級-頻度關系系數b的計算，根據G-R關系可按式(1)求得。

lgN=a-bM

(1)

式(1)中，M為震級；N為震級大于或等于M的地震次數；a和b為經過統計分析得到的經驗常數。其中b稱為震級-頻度關系系數，該系數與地震區帶內的巖層應力狀態和地殼巖石破裂強度有關。

起算震級M0是指潛在震源區內可能發生的對工程場地產生影響的最小震級。根據研究目標和潛在震源區的不同，M0應根據實際情況確定。

震級上限Mu是指潛在震源區內未來可能發生最大地震的震級。對于水庫區域內最大震級Mu，本文的確定原則如下：取按式(2)計算確定出的數值[10]和區域范圍內歷史最大地震震級向上取整所確定數值的較大值。

(2)

式(2)中，S為庫水面積，km2；H為最大庫深，m；V為庫容，106m3。

地震年平均發生率ν是指潛在震源區內平均每年發生地震的次數，一般情況下為等于或大于起算震級M0的地震次數。

依據上述4個地震活動性參數，可計算得到潛在震源區震級分布概率、地震發生次數概率，計算公式如下：

(3)

式(3)中，β=bln10；ΔM為震級分檔間隔；Mj為第j個震級分檔。

(4)

式(4)中，n為一年內地震發生次數。

2 庫區地震活動性概況

根據長江三峽工程誘發地震監測系統連續監測數據，《長江三峽工程生態與環境監測公報1997—2018》[11]和《長江三峽工程運行實錄2003—2017》[12]分年度對庫區范圍內不同震級分檔的地震發生次數進行了統計和分析，文獻[11-12]所公布庫區地震數據的震級分檔為0.0～0.9、1.0～1.9、2.0～2.9、3.0～3.9、4.0～4.9、5.0～5.9，1996年以來庫區內各震級分檔的地震發生次數如圖2所示。

圖2 1996—2017年庫區不同級別地震年頻次圖Fig.2 Different levels earthquake frequency diagram of reservoir region in 1996—2017

由圖2可知，三峽工程庫區近期發生的地震主要以微震、極微震為主，最大地震為2013年12月16日13時4分發生在湖北省巴東縣的M5.1級地震。自2003年正式蓄水以來庫區地震發生頻次明顯升高，且2008年汛后開始175 m實驗性蓄水后地震活動年度總頻次達到峰值。

3 庫區地震震級-頻度關系模型

根據1996年1月1日—2017年12月31日地震震級與地震次數監測數據樣本，按照式(1)可擬合得到震級-頻度關系系數b=0.795，系數a=4.304。擬合結果表明，擬合所得公式的計算結果與樣本數據的相關系數和均方差分別為0.999 999 999 6和0.097，結果表明所得參數具有較高可信度。

當震級-頻度關系系數b=0.795時，則說明長江三峽工程庫區地震震級每增加一級，則地震發生次數約減少84%。

此外，從1996—2017年23年間的長江三峽庫區震級-頻度關系系數b=0.795來看，庫區內地震的地震特征介于構造地震與水庫誘發地震之間[13-15]，可定義為構造“觸發型”水庫地震[8,16]。

4 庫區地震活動性規律初探

在建立長江三峽庫區地震活動性規律研究的過程中，需要確定起算震級、震級上限、震級分檔、地震年平均發生率。

起算震級M0取值為0級。

針對長江三峽工程庫區，S=1 084 km2、H=175 m、V=393 000×106 m3，則按式(2)進行計算可得Mu=3.47，而庫區近23年來發生最大地震震級為5.1級，按照前文所定原則最終確定Mu=6.0。

本文取震級分檔為0.2級。

根據圖2所示的地震統計數據可得庫區0、1.0、2.0、3.0、4.0、5.0級等不同震級分檔及以上地震年平均發生率ν0=681.5，ν1=146.8，ν2=41.6，ν3=3.7，ν4=0.5，ν5=0.087。

根據式(3)可得長江三峽工程庫區震級分布概率曲線，如圖3所示。

圖3 震級概率分布曲線Fig.3 Magnitude probability distribution curve

由圖3可知，長江三峽工程庫區M1級、M2級、M3級等震級分檔的地震發生概率分別為5.9%、0.95%、0.15%。

根據式(4)可得長江三峽工程庫區地震發生次數概率，如圖4所示。

圖4 地震年發生次數概率分布Fig.4 The distribution of earthquake occurrence probability per year

由圖4可知，對于長江三峽庫區不同震級1年發生頻次的概率估計結果如下：M5級及以上地震1年發生1次的概率為8.2%，實際平均每年發生0.087次；M4級及以上地震年發生1、2、3次的概率分別為30.3%、7.5%、1.3%，實際平均每年發生0.5次；M3級及以上地震1年發生3次的概率為20.9%，實際平均每年發生3.7次；M2級及以上地震1年發生41次的概率為6.2%，實際平均每年發生41.6次；M1級及以上地震1年發生146次的概率為3.3%，實際平均每年發生146.8次；M0級及以上地震1年發生681次的概率為1.5%，實際平均每年發生681.5次。

由以上結果可知，使用式(4)進行地震發生次數估計時，當震級處于M5級及以上、M4級及以上和M3級及以上時，估計結果與實際統計結果較為吻合，但震級較小時估計結果與實際結果差別較大。因此，針對M2級及以下震級的地震發生頻率估計，不宜采用式(4)的泊松模型。

5 結論

針對長江三峽工程庫區地震發生規律，得到以下研究結論。

(1)總結了長江三峽工程自1996年開工以來至2017年12月31日之間庫區范圍內地震發生情況，根據歷史地震記錄可知長江三峽工程庫區地震震級以微震與極微震為主，且庫區地震發生頻次與庫區蓄水水位的變化具有一定的正相關關系，因此未來應注重監測和研究庫區水位變化與庫區地震以及地質災害發生頻次變化之間的關系。

(2)采用古登堡-里克特關系模型估計出長江三峽工程庫區震級-頻度關系系數b=0.795，并根據參數b初步判斷長江三峽工程庫區地震以構造“觸發型”水庫地震為主，構造“觸發型”水庫地震的誘發與庫區消落區工程地質條件和水位變化規律等因素相關。

(3)使用概率地震危險性方法，對長江三峽工程庫區的震級分布概率、地震發生次數概率等地震發生規律進行了研究，結果表明當震級稍大時地震發生次數基本服從泊松分布，但極微震條件下地震發生次數不宜使用泊松分布進行概率估算。