錦屏一級水電站庫區中小地震震源機制解與局部應力場特征

祁玉萍, 孟令媛, 龍鋒, 宿君, 孔令喆, 肖本夫, 路茜, 冉喜陽

1 四川省地震局, 成都 610041 2 中國地震臺網中心, 北京 100045

0 引言

水庫地震是由于水庫蓄/放水過程,所引發的在一定時間內庫區及周邊發生的地震.20世紀60年代開始,隨著大型水電站的不斷興建,全球范圍水庫所在區域相繼發生6級以上的破壞性地震,尤其是發生在我國廣東新豐江的6.1級地震(秦嘉政等,2009)、印度的柯伊納6.5級地震(Gupta, 2002)均造成了不同程度的建筑物破壞和人員傷亡,2010年貴州水庫觸發4.4級地震導致山崩,致使4人遇難6人受傷(Ma, 2012),2008年汶川8.0級地震是否由當地紫坪鋪水庫蓄水觸發仍處于激烈的爭論中(雷興林等,2008;陳颙,2009;張貝和石耀霖,2010;Klose, 2012).水庫觸發地震不僅可能造成庫區及附近建筑物的破壞和人員傷亡,還可能引起滑坡、崩塌等次生災害而危及下游的安全(周斌等,2010).因此,研究人員從不同角度探究水庫與地震活動之間的聯系,分析水庫地震的可能成因,持續探索如何減輕水庫觸發地震所造成的災害與風險.

前人研究成果中,根據水庫地震的時空分布特征、震級、介質參數等物理量與蓄放水過程進行對比,歸納出水庫加卸載對地殼造成的各種效應.如受水庫載荷和流體作用、水庫蓄水或水位的較大變化都會對地震活動水平和活動特征造成影響(Raleigh et al., 1976;鐘羽云等,2013;Al-Saigh, 2015;He et al., 2018;羅建偉等,2020),同時也可能引起周圍應力場的改變(Bell and Nur, 1978;陳翰林等,2009;黃浩和付虹,2019;蘇珊等,2020),產生這種變化的原因主要是相比天然地震,水庫地震的發生不僅受水庫蓄水的影響,還受到庫區構造應力環境和地質構造條件、水庫特征等因素的共同作用(Carder, 1970;Simpson, 1976;Packer, 1979;周斌等,2010;李碧雄等,2014).從介質屬性來看,蓄水會改變橫波中快慢波的到時差以及偏振方向(張永久等,2010;邵玉平等,2017;劉莎和吳朋,2018),也會對波速比造成明顯影響(王妙月等,1976;趙敏等,2016),基于震源參數的研究結果明確指出,水庫區域地震的應力降水平整體偏低(華衛等,2012;吳微微,2020 ;王宇璽和宮悅,2021).

錦屏水電站是四川雅礱江上的一座大型水利樞紐,由錦屏一級和二級水電站組成,其中一級水電站位于四川省涼山州木里縣和鹽源縣交界,壩高為305 m,正常蓄水水位高程海拔為1880 m,水庫庫容達77.6億m3,是雅礱江下游河段的控制性“龍頭”梯級電站(https:∥jpyjsdz.dlzb.com/introduce).水庫自2012年11月30日開始蓄水,2014年8月24日庫水位到達1879.87m滿庫狀態后,2015年5月17日起進入正常運行期(杜瑤等,2020),蓄水前庫區及其附近以微小地震活動為主,1970年以來僅發生ML2.0以上地震12次,最高震級為ML2.5, 2013年7月開始在蓄水區庫尾的四川木里縣項腳鄉一帶中小震活動明顯增加,截止到2021年12月31日四川數字地震臺網記錄到的小震活動達7萬余次,最大為2017年9月12日MS4.4地震(圖1).

圖1 錦屏水庫小震空間分布(2012-11-30—2021-12-31)

頻發的地震活動對錦屏水電站及附近區域群眾生產生活造成較大的影響,前人主要在蓄水早期階段開展了以介質參數屬性為主的研究,本文針對錦屏水庫從快速蓄水過渡至平穩階段長期蓄水這一過程,應用CAP(Cut And Paste)波形反演方法(Zhao and Helemberger, 1994;Zhu and Helemberger, 1996)和P 波初動極性及振幅比(HASH)方法(Hardebeck and Shearer, 2002;Shearer et al., 2003)計算得到庫區及周邊地區2013—2018年335個ML2.5以上地震的震源機制解和庫區局部應力場信息,分析不同錯動類型的觸發地震活動特征,結合水庫加卸載過程進一步分析水庫載荷及流體滲透作用對庫區及周邊應力場變化的影響,探討大地動力學背景下錦屏水庫蓄水伴隨中小地震活動的機理和成因.

1 區域地質構造與背景地震活動

錦屏水庫位于斜切川滇菱形塊體的麗江—小金河斷裂帶,該斷裂帶是在中新生代龍門山—錦屏山—玉龍雪山推覆構造帶南西段基礎上形成的一條大型活動斷裂帶(向宏發等,2002;徐錫偉等, 2003),整體走向 NE,傾向 NW,傾角約60°～80°,由多條斜列的次級斷層組成,庫區附近的錦屏山斷裂、麗江斷裂、麗江—小金河斷裂及下甲米斷裂等斷裂均屬于該斷裂帶的次級斷裂(圖1).其中錦屏山斷裂是庫區蓄水影響區內主要斷裂構造,它大致沿雅礱江、小金河和錦屏山東南緣展布,區內延伸約150 km,斷裂總體走向由NE向逐漸變為近 EW向,呈SE凸出的弧形斷裂帶,傾角較陡約 70°～85°,在列瓦山一帶以弧形推覆構造形式出露,傾角變緩至45°～70°,斷裂性質主要以走滑為主兼有擠壓分量(鄭靈芝,2003;周江平等,2008).研究區歷史上記錄到2次5級以上地震,分別為1954年鹽源MS5.2和1980年木里MS5.8地震,基于大地測量分析結果認為麗江—小金河斷裂帶以木里為界NE段存在強閉鎖段(劉曉霞和邵志剛,2020),野外調查和古地震研究顯示該斷裂帶及附近區域具有發生6級以上地震的能力(徐錫偉等,2017;丁銳等,2018).

2 資料與方法

計算震源機制解的數據來自于以木里為中心250 km范圍內、臺站方位角分布均勻、三分量波形完整的寬頻帶地震事件波形記錄,涉及四川省和云南省地震臺站共37個,其中12個臺站分布在木里中心的150 km內(圖2).考慮錦屏水庫位于川西地區,速度結構選用趙珠和張潤生(1987)提出的西部模型,該模型在地震定位和震源機制解反演過程中更穩健(楊智嫻等,2004;易桂喜等,2017).

圖2 反演所用的臺站分布

震源機制解直觀地反映了震源區的受力狀態和地震破裂的幾何特征,是探討地震成因機制、分析發震構造條件的有效途徑(鄭勇等,2009;閻春恒等,2015).求解震源機制解的常用方法包括初動極性法和波形反演法,前者主要利用垂直向初動方向數據,其結果的可靠性依賴于足夠密集的臺站分布、恰當的速度模型以及準確的初動拾取等因素,而后者則充分利用了波形中的所有信息,計算條件相對寬松(Li et al., 2011;祁玉萍等,2015;Wang et al., 2017;Willacy et al., 2019).

采用CAP方法對ML≥3.5地震震源機制解反演過程中,首先對選擇好的觀測數據做扣除儀器響應、坐標旋轉、濾波等數據處理,其中Pnl和面波的濾波范圍分別為0.05～0.2 Hz和0.05～0.1 Hz;同時,基于F-k方法(Zhu and Rivera, 2002),利用選取的速度模型計算相應震中距的格林函數;最后通過格點搜索法在走向、傾角、滑動角、震級、深度5個維度內查找理論和實際波形最佳擬合系數.CAP方法充分提取了波形資料中的有效信息,對地震深度和機制解參數的計算都起到很好的約束作用(呂堅等,2013;Long et al., 2019;吳微微等,2020;李金等,2021).

此外,采用HASH方法計算了研究區內312個ML2.5～3.5地震的震源機制解,HASH方法主要利用P波和S波引起的輻射花樣對節面位置進行約束,再利用P波初動極性確定象限力軸性質,該方法主要優點是不受能量分布限定,在中小地震求解震源機制解中得到了廣泛的應用(郭祥云等,2014;祁玉萍等,2018).為保證結果的可靠性,首先選取了150 km以內信噪比大于5、震相清晰的波形記錄,并對震相清晰的地震事件手動標注P波初動,再量取P波和S波震相到達后第一個周期的振幅值,參與反演震源機制解的臺站記錄不少于7個,臺站分布張角不大于180°.

線性阻尼應力場反演法(DRSSI)是Hardebeck和Michael(2006)在自助線性應力反演的基礎上,引入了阻尼最小二乘反演方法,有效解決了應力張量解可能依賴于輸入數據造成的應力偏轉假象問題.Martínez-Garzón等(2014)將該算法移植到MATLAB環境中,在各區域的應力場反演中得到了廣泛應用(Tian et al., 2019;楊宜海等,2021;崔華偉等,2022).由于無法提前確定地震發生的實際破裂面,在反演過程中本文隨機選擇一個節面反演應力場,計算中采用2000次自助重采樣得到95%置信度下3個應力軸的不確定范圍.

經過計算得到最優狀態下的3個應力軸的方向和相對應力大小值R(Gephart and Forsyth,1984),即R=(σ2-σ1)/(σ3-σ1),其中σ1、σ2、σ3分別表示最大、中間、最小主應力.R值是對中等應力軸σ2接近最大主應力軸σ1或者接近最小主應力軸σ3的度量,范圍為0～1,當R=0.5時,σ1、σ2、σ3均表現穩定狀態,3個應力軸方位完全可辨;當R=0時,σ3不確定范圍最小,σ2和σ1表現出擠壓性質,在與σ3垂直的平面內自由旋轉;當R值=1時,σ2和σ3表現的應力狀態一致,表明σ2和σ3在與σ1垂直的平面內自由旋轉;一般認為R值小于0.5時,獲得的應力狀態偏拉張性質,R值越小越明顯;當R值大于0.5時,應力狀態出的擠壓性質更突出(萬永革等,2011).

3 結果分析

3.1 震源機制解

為保證結果的可靠性,采用CAP方法反演震源機制解時,反演過程中選取不少于10個臺站參與反演,保證Pn波、面波的大部分互相關系數分別大于70%和75%.應用HASH方法反演時,利用觀測資料的不確定性對震源進行擾動,獲得一系列“可接受解”和一個“優選解”,并在此基礎上進行機制解的質量評價,即用字母從A到D代表質量從高到低,文中選用的結果中以質量在B以上的結果為主.

圖3是以2013年11月22日ML4.4地震為例,分別用CAP方法、HASH方法進行反演的結果,發現所得地震結果的走向、傾角和滑動角最大差異分別為4°、7°和6°,從圖3c臺站極性分布來看,象限分布特征明顯.

本文共反演得到335個庫區中小地震的震源機制解,其中CAP方法反演得到23個ML≥3.5地震的震源機制解(表1),HASH方法共獲得312個ML2.5～3.5地震的震源機制解.按照Zoback(1992)提出的劃分原則對研究區的震源機制類型進行統計,結果顯示走滑型地震共有221個,占總體的65.9%,正斷和正走滑型地震71個,占21.2%,逆斷和逆走滑型地震27個,占8.1%,不確定型地震16個,占4.8%,與前人提出的水庫地震主要以走滑和正斷型地震為主的觀點相符合(陳颙,2009;刁桂苓等,2014).

表1 研究區周邊ML≥3.5地震震源機制解

圖4給出研究區ML≥2.5地震的震源機制解的空間分布,結果顯示錦屏水庫地震活動在錦屏山斷裂附近呈叢集分布的特征.統計所有地震震源機制解的節面和力軸方位分布(圖5),發現節面走向在NE-SW和NW-SE具有一定優勢,其中NE-SW走向與旁側的錦屏山斷裂走向一致,節面傾角以分布在90°附近的高傾角居多,滑動角大多分布在0°和±180°附近,與1980年木里MS5.8地震的震源性質一致,震源機制P軸和T軸分別在近N-S和E-W向呈優勢分布(圖5).

圖4 錦屏水庫庫區及周邊震源機制解空間分布

圖5 錦屏水庫庫區震源機制解的節面參數和力軸方位分布統計

圖5對比了不同震級檔的地震震源參數分布狀態:小震級段(ML2.5～3.0)地震節面走向除了NW-SE和NE-SW向優勢分布外,在NNE-SSW向也有一定比例;所有地震節面傾角集中在60°～90°,ML≥3.5地震的傾角更陡;滑動角總體呈現出明顯的走滑特性,小震級段震源機制類型表現出多樣性特征,除走滑型地震外,兼有正斷、逆沖等類型(表2).各震級段都顯示P軸和T軸分別在近N-S和E-W向呈優勢分布,俯角近水平,這也是走滑型地震的主要特點.從節面參數來看,不同震級檔節面參數統計結果與庫區周邊的錦屏山斷裂的斷裂性質大體吻合,可能由于流體侵入導致介質強度弱化而引起滑動斷裂上應力的釋放(蔣海昆等,2014b),較低震級地震震源機制解的復雜性則可能是庫區蓄/放水造成的應力擾動觸發了細小斷層的微破裂導致(程萬正等,2021).

表2 研究區震源機制類型統計

3.2 矩心深度的變化分析

圖6給出了本文反演獲得的23個ML≥3.5地震矩心深度分布,主要集中分布在10 km以內,于川滇塊體地殼脆性發震層內(羅鈞等,2014),同時也符合周斌等(2014)所提的水庫地震深度分布.進一步分析發現,走滑型地震主要分布在深于5 km的區域,而帶有逆沖性質的4次地震均分布在深度3 km的區域,考慮矩心深度一定程度上代表地震發生過程主要能量釋放的深度,并在一定程度上反映了震源區的孕震環境,認為這種深淺機制解類型的差異可能反映了水庫加卸載引發的應力場在不同深度處存在差異,也反映了庫區深淺發震構造的差異.

圖6 錦屏水庫庫區周邊ML3.5以上地震矩心深度分布

4 討論

4.1 震源機制類型的階段性特征

錦屏水庫水位的變化與觸發地震活動表現出明顯的相關性(圖7(a,b)),滿足Simpson等(1988)提出的水庫快速響應范疇.隨著不同階段庫水位變化,庫區周邊的地震活動表現出明顯的分階段特征,結合水位變化、地震活動程度將錦屏水庫的蓄水過程分為蓄水早期、前期和后期.

圖7 研究區蓄水前后M-t圖(a),月頻次和水位(b)、震源機制類型(c)隨時間演化圖

2012年11月30日水庫開始蓄水后,水位從1648 m開始蓄水上升至1735 m,研究過程中將該階段稱為蓄水早期,該階段以微小地震活動為主,地震活動總體與蓄水前相當,表明庫水的作用對觸發地震的影響較弱,與新豐江水庫即時響應存在差異,由于未出現ML2.5以上的地震活動,因此未對震源機制解特征進行分析.

2013年6月30日開啟了第二次蓄水,水位變化與地震活動之間顯出較好的正相關對應關系,特別是在前2個蓄水周期內,水位從1760 m開始上升至最高水位的快速過程中,各級地震活動頻次迅速增多,并且在高水位都伴隨著ML3.0以上地震活動, 2013年11月22日MS4.1(ML4.4)和2014年12月21日MS4.0地震都發生在高水位階段,因此,將前2個蓄水周期定義為蓄水前期.該階段由于水位快速抬升造成的庫水滲透使周邊巖層和層理微破裂擴展,震源類型總體表現出多樣特征,其中走滑型地震161個(63.6%),正斷性質地震58個(22.9%),逆沖性質地震有23個(9.1%),不確定型地震11個(4.4%)(圖7c),這種現象在我國的新豐江、水口、溪洛渡、龍灘等水庫蓄水過程中也曾出現(郭貴安等,2004;林松建等,2010;刁桂苓等,2014;閻春恒等,2015).

2015年5月17日水庫進入正常運行期后,屬于年調節性能的錦屏水庫蓄水過程逐漸趨于穩定,庫水每年在1800～1880 m之間規律變化,可將其確定為蓄水后期,隨著完整的蓄/放水循環過程,小震活動仍與水位保持一定的相關性,頻次較前期逐漸下降,但強度并未減弱,2017年9月12日在庫區再次發生MS4.4地震,也是錦屏水庫蓄水以來記錄的最大地震,震源機制類型仍以走滑型地震為主(57個),但較上一階段比例明顯升高,占所有地震的76%,正斷、逆沖性質地震分別發生13和5個,比例分別為17.3%、6.7%(圖7c).

值得注意的是,2018年5月后在新一輪蓄水中,走滑型地震占有主導地位,與之前存在差異,進一步將蓄水后期劃分出2個階段,結果顯示時段I的震源機制類型仍表現為震源類型多樣的特征,但正斷和逆沖性質的地震數量明顯少于蓄水前期,時段II的地震破裂方式主要表現為走滑性質,唯一的一次逆沖型地震也具備更大的走滑分量,與錦屏山斷裂的運動形式趨于一致,在這一階段庫水滲透的影響逐漸降低,地震活動的破裂方式似乎受庫區周邊活動斷裂的控制作用相比較前期更加明顯(圖7c).2019年以后地震頻次和強度明顯下降,在蓄水過程不變的條件下,地震活動與水庫蓄水之間的關系已基本消失,這可能反映了錦屏庫區積累的能量隨著觸發地震發生,能量不斷釋放而達到了新的平衡.

4.2 局部應力場的變化特征

錦屏水庫蓄水前,研究資料結果顯示庫區及周邊最大主應力方向為NW-SW向,傾角表現平緩,徐文龍(1992)給出的四川錦屏山地區主應力方位為310°,崔效鋒等(2006)在川滇地區現代構造應力場分析中,采用的水壓致裂原地應力測量數據顯示,錦屏地區的水平最大主應力方位角為311°,王曉山等(2015)基于南北地震帶1970—2014年4.0級以上地震的震源機制解,給出了錦屏水庫周邊最大主壓應力軸方位角為135°,俯角4°,最大主張應力軸方位角為225°,俯角6°.

本文計算給出的庫區局部應力場結果顯示,最大主壓應力軸σ1在NNW-SSE向(349°)低俯角(6°)擠壓,最大主張應力軸σ3表現為NEE-SWW方向(80°)低俯角(5°)拉張,為典型的走滑應力機制,R值為0.28,反映出該區域在蓄水后總體以NEE-SWW向的水平拉張作用為主導(圖8).此外,不同研究時段震源區的應力場隨時間也存在偏轉現象(表3),蓄水前期σ1方向以NNW-SSE向為主,而蓄水后期σ1方向出現逆時針偏轉,從NNW-SSE向逐漸旋轉至NW-SE向,俯角更趨于平緩,σ3的方向也由NWW-SEE向旋轉至NE-SW向,俯角逐步由4°增加至21°,更接近蓄水前區域應力場的狀態,剪切波分裂參數顯示,錦屏水庫周邊臺站的快波優勢偏振方向在蓄水前期發生了明顯變化(邵玉平等,2017;劉莎和吳朋,2018).這種水庫蓄水后導致的應力場方向改變在其他水庫地區也有所發現,可能是局部應力擾動所致(蔣海昆等,2014b;Rao and Shashidhar, 2016;黃浩和付虹,2019;Kwak et al., 2022).

表3 不同時間段內應力場反演結果

圖8 錦屏水庫庫區周邊應力場反演結果

4.3 錦屏水庫觸發地震的影響因素

錦屏水庫從第二次蓄水開始,水位從1760 m開始快速上升,水位變化與地震活動之間表現出明顯相關,表明水庫的加卸載過程是觸發該區域地震活動的重要因素之一.隨著蓄水過程的發展,水體下滲致使孔隙壓力增強,并弱化斷層面,造成局部巖體破裂,這個過程造成中小地震活動增強,震源機制呈現多種機制類型,局部應力狀態發生變化.

蓄水后期隨著庫水位呈有規律的“蓄水-放水”周期性變化,流體環境達到了新的平衡,庫水下滲趨于“飽和”,中小地震受流體觸發的作用偏弱,水庫的地震活動頻次降低,中小地震震源機制具有錦屏山斷裂的繼承性活動特征,在一定程度上區域應力場的控制與影響更可能成為地震發生的主要因素(Talwani, 1997;潘穎等,2015;Yao et al., 2017).

水庫蓄/放水造成的應力場改變是觸發地震活動的重要因素,但震中周邊的斷層、巖溶、水文等多種環境也對水庫觸發地震有影響(蔣海昆等,2014a;

劉笑飛,2017).基于數值模擬研究則認為,流體滲透及庫水重力載荷的聯合作用造成了巖體斷層面庫侖應力的變化而觸發了地震活動(周斌等,2010;程惠紅等,2012).

地質構造和巖性條件同樣是影響水庫觸發地震的另一重要因素,先存的裂隙是水庫觸發地震的先決條件(Carder, 1945).錦屏水庫庫區及周邊地區多條NE、NW向斷裂分布,深部脆性巖體構造高傾角節理,裂隙多隨構造線發育,在兩組節理交匯處具張開性質,為庫水的滲透提供了良好的地質條件.野外地質考察顯示,庫區周邊砂、板巖地層中裂隙較發育,表層巖石風化破碎,多被泥質充填,壩區巖體以大理巖、變質砂、板巖以及煌斑巖脈為主,其中大理巖發育有裂隙和巖溶而具有含水性能,變質砂、板巖屬于裂隙含水巖體,發育了不同規模巖溶管道和儲水空間,受斷裂構造作用破碎成為地下水活動通道,為水庫庫水的滲透創造了有利條件(鄭靈芝,2003;薛翊國,2006;Yang et al.,2022).

錦屏水庫在水庫蓄水、錦屏山斷裂發育以及周邊巖性等多種誘發因子共同作用下,對應力場產生了影響,而隨著水位的穩定,應力環境也逐漸變得穩定,地震活動更受控于區域應力場.錦屏水庫蓄水至今已近10年,期間發生的最大地震為MS4.4地震,但考慮到庫區周邊構造復雜,分布有如麗江—小金河斷裂、麗江斷裂、理塘斷裂南段等具備發生強震的構造,還需密切關注該區域在晚后期發生構造性中強地震的可能風險.

5 結論

本文利用四川數字地震臺網波形資料,反演得到錦屏水庫庫區2013—2018年ML≥2.5地震的震源機制解和局部應力場,分析錦屏水庫庫區地震震源機制解特征及水庫蓄水后應力場演化特征,獲得認識如下:

(1)2013—2018年水庫庫區ML≥2.5以上地震的震源機制解以走滑型地震為主,與水庫所在的錦屏山斷裂乃至更大尺度上的麗江—小金河斷裂帶以走滑性質為主的構造背景吻合,但在蓄水不同階段震源機制類型存在一定差異,蓄水前期震源機制類型總體呈多樣性,走滑型地震為主,正斷、逆沖性質地震占有一定比例,隨著水庫蓄水穩定,震源機制類型以走滑為主,正斷、逆沖性質地震數量顯著下降,表明水庫蓄水對該區域地震活動產生影響,庫水滲透對庫區環境改變造成震源機制類型多樣性,而隨著流體環境逐漸穩定,震源機制類型也趨于一致.

(2)應力場結果顯示,蓄水后最大主應力軸方向為NNE-SSE向,應力類型仍表現為走滑機制.蓄水不同階段,最大主壓應力軸方向由蓄水初期的NNW-SSE向逐漸轉變為NW-SE向,表明在區域構造應力作用下,蓄水前期水庫水位的急劇變化致使中小震活動密集發生,應力方向出現偏轉,并不能反映真實的區域構造運動的特征,隨著流體影響減弱,中小地震的破裂方式更可能是由于水庫附近的錦屏山斷裂運動所致,地震活動更可能受區域構造應力作用.

(3)水庫庫區及周邊地區的地質構造和巖性條件為水庫觸發地震提供了有利的條件,庫水滲透和重力載荷的共同作用引起孔隙壓增強,導致中小震活動顯著增強.在蓄水不同階段影響因素存在一定差異,蓄水前期庫水滲透起主導作用導致中小震頻繁發生,隨著庫水持續變化,滲透及重力載荷聯合作用導致裂隙或斷層面上的應力作用增強,蓄水后期隨著流體環境達到了新的平衡,區域應力在地震活動中更可能起主導作用.

致謝本文大多數圖件采用GMT繪圖軟件繪制(Wessel and Smith, 1991),四川省地震局杜方研究員、山東省地震局崔華偉博士為本文的撰寫工作提供了諸多建議和幫助,三位匿名審稿專家對本文提出的中肯意見和建議,作者在此一并表示感謝.