丹江庫區二期工程蓄水誘發地震研究

方斌 張錦川

（南陽市防震減災中心，河南南陽 473000）

0.概述

丹江口水庫大壩位于湖北省北部均縣境內的漢江上，庫區主要在河南省淅川縣境內，漢江與丹江匯合處下游800m處。一期工程壩頂高程162m，最大壩高97m。正常蓄水位157m，相應庫容174.5億m3，水面面積745km2。二期工程壩頂高程175m，最大壩高110m。正常蓄水位170m，相應庫容290.5億m3，水面面積1050km2。

1.丹江庫區地質構造

丹江庫區位于東部平原和鄂西北山區中間，它的西面都是中低山區，漢江的北面屬秦嶺東段，漢江的南面是武當山區，一般高度1600m～2000m，一般高度1500m～1800m。丹江口的東面便是南襄盆地，高程從西向東從300m慢慢減少到100m左右。區內地層除二疊～侏羅系缺失外，從元古界到新生界分布的都有，前震旦系是一套變質巖系。巖漿巖主要分布于前震旦系地層中，多呈巖床或巖墻產生，從酸性類到基性巖類均有分布，區內所見最新巖漿巖是燕山期花崗巖[1]。地質構造上，庫區處于秦嶺褶皺系的東南邊緣，向北跨南秦嶺冒地槽褶皺帶和大巴山褶皺帶，向東緊挨南陽－襄樊坳陷。丹江水庫地區和鄰區的斷裂走向以北西西向為主，主要斷裂有金家棚斷裂、兩鄖斷裂、白河－石花街斷裂（公路斷裂）等9條。

2.丹江庫區地震活動背景

丹江庫區處于我國華南地震區以內江漢地震帶內，地震活動比較弱。壩址及它周邊50km區域內，強破壞性地震最近2000年以來沒有發生過，從公元1520年至1960年的400多年間，僅僅記錄到43次有感地震以及2次引起建筑物損壞或破壞的情況。距離壩址170km區域內，從公元前143年至2008年，共記錄到Ms≥4.6級的地震16次，46年南陽附近和788年竹山附近的61/2級地震就是記錄最大的地震。歷史上地震對丹江壩址的最大影響烈度是Ⅴ度。

從蓄水前丹江庫區地震的空間分布看，地震主要受丹江斷裂及均隕斷裂兩條活動性構造帶所控制，恰恰和容易誘發水庫地震的地震活動背景相對應。在1959年儀器記錄地震資料以前，水庫所在的湖北省均縣、鄖縣和河南淅川縣內，僅記載地震29次，影響最強者烈度為Ⅴ度，而且地震主要分布在距大壩100km以外的漢水北側。

1959年1月至1967年10月共記錄到地震78次：1.0≤M＜2.0級地震5次，2.0≤M＜3.0級地震54次，3.0≤M＜4.0級地震16次；4.0≤M＜5.0級地震1次；M≥5.0級地震1次，最大地震為湖北鄖縣大竹園ML5.3級地震。

3.庫區地震活動規律

2013年10月開始正式蓄水至今，庫區水位上升，地震活動明顯加強（如圖1所示），尤其是微震和小震較為頻繁。說明庫容增大，水位上升會使庫區地下應力進一步增強，產生庫水地下應力（水體荷載產生的超孔隙水壓力、剪應力和附加主應力）的波動和庫水水底地面的物理化學作用（溶蝕、氣化、泥化、膨脹、軟化），將當前庫區地下應力狀態打破，一方面在一期工程庫區內新的地震活動被誘發，另一方面在二期工程庫區具備誘發地震條件新增淹沒區內的一些地區出現水庫地震活動。

圖1 2013―2021年丹江庫區震中分布圖

空間規律：丹江庫區在空間上顯示地震集中分布，主要受丹江庫區的活動斷裂構造帶、地貌形態（石灰巖峽谷地段）、巖石特性和斷塊構造特征所控制。

時間規律：庫區蓄水與水庫地震活動有著明顯的關系。地震頻次地增減與水位的高低存在同步變化，主震存在明顯的滯后性（如圖2所示）。

圖2 丹江庫區地震與水位的關系

2017年9月丹江庫區從162m左右開始快速上升，10月29日丹江口水位升至167m，隨后緩慢回落，2018年2月9日，在丹江庫區發生ML4.6地震及余震活動。

2019年10月丹江庫區水位上升到164m，隨后回落，2019年11月30日在庫區發生ML4.2級及微震活動。

強度和活動規律：丹江庫區2018年2月9日發生ML4.6級地震，震中區烈度為V度，震源深度為10km，截止2018年2月27日共發生余震58次，最大余震震級為ML2.7，持續時間長是余震活動的最顯著特征，該類型地震空間密集分布，不向四周擴展；在對余震序列的地震進行精確定位，結果顯示震源深度主要集中在6km～8km，震中位置均位于丹江口水庫庫區范圍內；這類地震的活動規律及強度，表明其屬于構造型的水庫誘發地震[2]。

4.研究表明

丹江庫區二期工程壩體加高15.6m，水位抬升13.0m，蓄水總量比一期工程增加了116億m3庫容，庫容大幅度增加，改變庫區現有的應力平衡狀態。丹江水庫二期工程大幅度蓄水有助于庫岸應力加強和沿北北西或北東東向地震斷層錯動。丹江庫區2018年、2019年相繼蓄水在高位后下降過程中誘發了ML4.6、ML4.2兩次地震，丹江口水庫地震的發生，除了構造條件外，還與庫水荷載產生的附加應力場、位移場有關；荷載產生的附加應力場、位移場在庫岸邊緣造成應力差和位移差，利于庫水向外滲透和擴散，導致孔隙壓力改變，提供了地震發生的場所[3]。

水庫內地震與大地構造、活動性斷層、斷塊之間差異運動最強烈的地段有關；與庫、壩區巖石種類和特性有某些關系；與區域構造控制下的特定水文地質條件有關。

近年來，庫區西部大幅提升，東部下降，庫區恰巧位于峽谷地區和山區與平原的轉折處，庫區內發育多組斷裂，利于水庫誘發地震的發生。宋灣、倉房、馬蹬一帶巖石屬于古生界碳酸鹽類巖石，裂隙、巖溶發育，并被各種方向的斷層明顯地切割，有利于地下水和庫水的動力聯系，丹江庫區屬于易誘發地震地區。