福建水口水庫地震活動趨勢討論

許振棟 方傳極 姚濟棽

（1、福建省地震局平潭地震臺，福建 平潭350400 2、福建省地震局南平地震臺，福建 南平353000）

水口水庫總庫容2.6×109m3，面積約99.6[km]2壩高101m，壩前水深65m ，巖性為火山巖和花崗巖，斷裂主要分布在水庫地震集中區及其附近，有北東向灣口斷裂，南北向的下雙坑斷裂，北西向閩江斷裂等，水庫于1993 年3 月31 日蓄水后誘發了頻繁的地震活動，至2020 年9 月15 日共發生了ML≥0 級以上地震6021 次，其中ML≥4.0 地震4 次。1996 年4 月21 日震級為ML4.1 的地震是首次超過4 級的地震，2008 年3 月6 日震級為ML4.8 的地震是目前發生的最大地震，如圖1 所示。

圖1 閩江水口水庫及鄰近地區地震地質圖

1 水口水庫地震活動情況

據福建臺網測定，水口水庫自1993 年3 月31 日蓄水以來至今共發生0.0-0.9 級地震4221 次，1.0-1.9 級地震1546 次,2.0-2.9 級地震211 次，3.0-3.9 級地震39 次，4.0-4.9 級地震4次，最大地震為2008 年3 月6 日的ML4.8 級地震,如表1 所示。

表1 震級-頻度關系（1993.3-2018.09）

地震活動大致可分為四個時段（圖2）：

圖2 水口庫區ML≥0 級地震M-T 圖

第1 時段為1993 年5 月至1996 年10 月；在該時段內共發生754 次地震，地震的頻度和強度時起時落，以1993 年10 月12 日、1994 年1 月12 日、2 月23 日、3 月2 日和1995 年3 月12日、1996 年4 月21 日等所發生的地震為主要地震，均以群發型方式相對集中釋放應變能，每次活動都伴有3 級以上地震發生。

第2 時段：經過兩年半的平靜期后，1999 年3 月至2000 年9 月為第2 時段的地震活躍期，發震形式與第1 時段相同，均以群發型方式相對集中釋放應變能，在該時段內共發生440 次地震，其中3 級以上地震僅1 次，為1999 年11 月2 日發生的ML3.2 級地震。

第3 時段：2003 年3 月至2005 年12 月為水口庫區地震的正常活動時段，在該時段共發生64 次地震，最大震級為ML2.7級，地震活動強度和頻度明顯低于第一和第二時段。利用b、U、K、ρ、h 等指標進行綜合判斷，第1、2、3 時段的地震活動均為前兆震群。

第4 時段：從2007 年9 月至2020 年9 月15 日，在該時段共發生4733 次地震，其中3 級以上地震24 次，最大為ML4.8級，次大的為2 次ML4.1 級，這一時段的地震的發震方式與第一時段地震的發震方式有些相似，由于庫區地震不同于天然地震，它是因其局部應力調整而誘發地震，而水口庫區又位于小震活動相對頻繁的政和——海豐地震帶中段，該段上具有發生中小震群的地質背景，因此庫區第4時段的地震活動既可能是水庫地震的發展，也可能是向構造地震的轉變。

2007 年～2009 年水口庫區ML4.0級以上地震活躍，地震能量得到了較大釋放，之后水口庫區地震強度水平和活動頻次逐漸下降（圖3、圖4）。2010 年以來多次出現地震能量釋放低值異常，目前雖有所會升，但低值異常有利于能量積累釋放（圖5）。2020 年7 月21 日，水口庫區發生ML2.5 級地震，距離2017 年12 月4 日ML2.0 級地震已經平靜快3 年（圖6）。

圖3 水口庫區ML≥0.0 地震M-T 圖

圖4 水口庫區ML≥0.0 地震年頻次

圖5 水口庫區地震能量圖

在2017 年度內該地區僅發生2.0 級地震1 次，出現該地區地震的異常平靜，可以認為是該地區為未來發生較強地震而進行應力調整；從2007-2020 年度震級頻度曲線顯示該區域ML4.0 級缺震（圖7）。

圖7 水口庫區震級頻度曲線圖

2 水口水庫地震序列性質

本文引用研究構造地震震群性質的方法，采用多項指標探索性地對水庫地震序列性質進行綜合判斷。根據能量釋放均勻度U 值公式

U=T0.9∑/E/T

式中T0.9∑/E/T為一個震群序列中釋放90%的應變能所需要的最短時間，T 為全序列所持續的時間,單位為d。

根據地震空間Wei bull 分布參數ρ值f（τ）=uτρ-1exp(-uτρ/ρ)

式中τ 為震群系列的地震時間間隔。根據地震歸一化信息熵值公式

用最大似然法估算b 值

式中Mmin 為起算震級，M 為平均震級，△M 為震級的統計步長，通常為0.1，Mmin=M1-0.05。

根據上述4 個公式應用攻關軟件對水口水庫地震序列進行分時段（4 個活躍期）和全序列（見圖2）計算，得出結果如表2。

表2 水口水庫地震序列參數計算表

表中b-古登堡-里克特公式中的b 值；u-震群能量釋放均勻度；ρ-地震空間Weibull 分布參數；K-震群歸一化熵值；△M-最大與次大震級差值；E主/E總-最大地震（假定主震）能量與地震序列總釋放能量之比。水口水庫地震在二次地震活躍時段和正常活動時段以及全序列△M、E主/E總兩個指標判斷都表現為典型的震群序列性質。

根據表2 中b-u-ρ-k 組合參數判斷，目前水庫地震序列不論是分時段還是全序列（至2006 年10 月）都具有前兆性質，即到目前為止水口水庫地震屬前兆震群序列性質（但2002 年3 月至今這時段b 值上升較大，ρ 值下降較多）。

3 跨斷層段水準場地數據分析

通過對水口庫區周邊的跨斷層段水準場地數據進行分析，發現水庫在發生4.0 級及以上地震時，場地數據變化幅度相對其它時段有較明顯的高值現象，如2008 年3 月6 日古田4.8 級地震前在斜溪4-2、西塘5-2 和西瓜洲3-4 等場地出現高幅值現象，目前在斜溪4-2 和西塘5-2 兩個場地又出現該項，認為后期應關注場地數及水口周邊其它觀測前兆觀測資料的分析（圖9）。

圖8 水口庫區跨斷層場地分布圖

圖9 水口庫區跨斷層場地分布圖

4 最大誘發地震時間的預測

水庫從開始蓄水到初發震的時間與蓄水的速率有一定的關系[7]，最大的誘發地震一般在滿庫水位之后發生。楊清源等（1996）給出了Mmax＞3.0 級地震的水庫蓄水、初發地震和發生最大地震的時間[8]。蓄水即發震的水庫可能主要是巖溶引起地震，震源淺，所以蓄水即發震。蓄水后較長時間發震的水庫地震震源深度較深，象斯林那卡水庫地震震源深度為10km，這種地震可能是巖溶與斷層構造等作用引起的。震中位于變質巖的水庫從蓄水到發震時間較長，一般為6-7 年。而震中在火成巖的水庫從蓄水到發震的時間介于可溶巖與變質巖之間。

關于從初發震到誘發最大地震的時間，有4 個6.0 級以上的水庫震例：克里馬斯塔水庫為0.5 年、新豐江水庫為3 年、柯依那和卡里巴水庫均為4 年。克里馬斯塔水庫間隔時間短，一方面是因為它位于地震活動區，另一方面震中所在地區的介質是灰巖。在灰巖地區的水庫，從初發震到誘發最大地震的時間只有廣西大化水庫和貴州烏江渡水庫分別是11 年和12 年，震級分別是4.5 級和3.5 級，均屬正常的弱地震活動背景范圍之內。其余在灰巖地區發震的水庫均不超過3 年。在花崗巖地區發震的水庫最長為6 年,如阿斯旺水庫。玄武巖地區最長是4 年,如柯依那水庫。片麻巖地區的水庫最長為6 年，象克拉克山水庫。卡尤魯水庫蓄水后17 年發生最大地震，普卡基水庫蓄水后21 年誘發最大地震，而從初發震到發生最大地震的時間均不超過6 年。因此，從初發震到最大誘發地震的時間在可溶巖地區一般最長時間為2-3 年。其它巖性地區的水庫從初發震到發生最大地震時間最長是5-7 年。以上是以震中所在地區巖性不同的水庫為例，研究了從水庫蓄水到初發地震和誘發最大地震的時間，實際上這些時間間隔是庫區內各種地質構造、斷層、應力條件等綜合作用的結果，以巖性區分只是使問題更為直觀簡明。根據上述分析可以得出：水口水庫1993 年3 月開始蓄水，初發地震為1993 年5 月23 日，而庫區的介質為火成巖與黑云母花崗巖，從初發地震到誘發最大地震的時間不會超過17 年。因此2008 年3 月6 日發生的ML4.8 地震即為最大的誘發地震。

5 結論

根據以上分析可以得出：水口水庫所能誘發的地震最大震級在5 級以下，從初發震到最大地震的發生不超過17 年,也就是在2010 年5 月之前主震就應該發生，從已發生的地震序列顯而易見，2008 年3 月6 日發生的ML4.1 級地震就是主震，主震已經過去了。

根據水口水庫地震序列性質為前兆震群序列和地震活動特征可以得出：

水口水庫地震活動將持續較長時間，地震活動水平仍會有起伏，但未來誘發大于4 級地震的可能性不大，從2002 年以來所發生的3 級以下地震活動屬于水庫誘發地震的正常活動。