郭 軼 萬 偉 張 輝 唐新功

1）“油氣資源與勘探技術(shù)”教育部重點實驗室（長江大學(xué)），湖北荊州 434023 2）長江大學(xué)地球物理與石油資源學(xué)院，湖北荊州 434023

引言

水庫地震是誘發(fā)型地震中的一種。由于出現(xiàn)數(shù)量多，且通常情況下強度高于其他人類活動引發(fā)的地震強度而更為人們所關(guān)注[1]。迄今為止，全世界水庫誘發(fā)的地震有上百例，對當(dāng)?shù)鼐斐闪瞬煌潭扔绊懪c破壞。20世紀(jì)60年代發(fā)生的4次震級大于6級的水庫誘發(fā)地震，即中國的新豐江地震（6.1級，1962年3月）、贊比亞—津巴布韋邊界Kariba地震（6.1級，1983年9月）、希臘Kremasta地震（6.3級，1966年）和印度Koyna地震（6.5級，1967年），使水庫誘發(fā)地震成為工程界和地震界高度關(guān)注的問題。

中國是水庫誘發(fā)地震較多的國家之一[1]。作為世界最大的水利樞紐工程，三峽水庫存在誘發(fā)地震的可能性不容忽視。已有的研究成果表明，三峽水庫經(jīng)過2003年、2006年和2009年3期改造逐步提升水位，現(xiàn)在水位已到175 m，庫容量高達(dá)393×108m3，具備了水庫誘發(fā)地震潛在的條件[2]。同時，三峽庫區(qū)自2003年蓄水起，就一直伴隨有微震群活動。前人研究也表明三峽庫區(qū)的地震與水庫蓄水密切相關(guān)，屬典型的水庫誘發(fā)型地震[3]。

在已有研究三峽水庫誘發(fā)地震的文獻(xiàn)中，關(guān)于地震地質(zhì)條件、地震序列分析、震源機(jī)制、誘發(fā)機(jī)理等方面研究程度較高[4]，對以后的三峽庫區(qū)的地震研究具有重要的參考價值。對比蓄水前和蓄水后的地震特點，水庫誘發(fā)型地震表現(xiàn)出震源淺、震級小、震中烈度偏高、衰減快等特點[5－6]。但關(guān)于水庫蓄水前后發(fā)生的地震在空間移動規(guī)律、地震頻度改變等方面的研究文獻(xiàn)還不多。而研究蓄水前后地震空間移動規(guī)律和地震頻度的改變對于了解水庫誘發(fā)型地震至關(guān)重要。隨著三峽大壩工程的開展和其他水利資源的開發(fā)，水庫誘發(fā)地震及可能帶來的問題將日趨顯現(xiàn)且突出[7]，因此通過分析已有震例的資料，研究三峽水庫具有誘發(fā)地震的可能性，對于了解水庫誘發(fā)地震規(guī)律、減輕重大自然和人為災(zāi)害具有極其深遠(yuǎn)的意義[8]。

為了使蓄水前后地震釋放的平均能量在相同年限間有較好的對比效果，且考慮到地震數(shù)據(jù)會因記錄年份不同而導(dǎo)致相對精確程度的不同（地震臺站布設(shè)數(shù)量增加和地震儀器記錄精度的相對提高使時間上相對靠后的數(shù)據(jù)精度更高），同時在統(tǒng)計總能量時，由于微震數(shù)據(jù)在總記錄數(shù)據(jù)中占有相當(dāng)大比例，其所相加的總能量也會對結(jié)果產(chǎn)生一定影響，本文擬采用1980年1月1日至2010年12月31日的ML2級及以上地震記錄資料，研究東經(jīng)108.5°—112°，北緯29.5°—32°地區(qū)（包含了三峽水庫及鄰區(qū)）的地震蓄水前后的空間分布變化規(guī)律。主要地震數(shù)據(jù)來自重慶臺網(wǎng)、湖北臺網(wǎng)和一些已經(jīng)發(fā)表的文獻(xiàn)。相對已有發(fā)表文獻(xiàn)來說，所研究的時間和空間涵蓋范圍對于研究三峽庫區(qū)水庫誘發(fā)型地震更有意義。

1 庫區(qū)地質(zhì)概況

據(jù)前人研究結(jié)果，三峽工程干流庫段根據(jù)其地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造和巖性條件可劃分為3個庫段（圖1）[1]：結(jié)晶巖低山丘陵寬谷段（全長約16 km）、碳酸鹽巖和碎屑巖中～低山峽谷段（全長約141 km）、碎屑巖低山丘陵寬谷段（全長約500 km）。經(jīng)陳德基等[1]分析，在第二庫段，即碳酸鹽巖和碎屑巖中～低山峽谷段最有可能誘發(fā)水庫地震。

本文同時將所使用的地震臺站信息及位置做成圖示（圖2），其中包括國家測震臺網(wǎng)、區(qū)域測震臺網(wǎng)以及地震遙測臺網(wǎng)的分布。

圖1 長江三峽庫區(qū)及周邊地質(zhì)構(gòu)造圖[2]

圖2 地震臺站/點分布示意圖（圖中邊界線表示本文所用臺網(wǎng)覆蓋區(qū)域）

2 三峽水庫蓄水前后誘發(fā)地震的對比研究

三峽地區(qū)地震工作開展得較早，在著手規(guī)劃三峽水利工程初期就已開展了地震觀測等工作[9]。并從1958年起，在三峽工程壩址及周圍地區(qū)建立了工程專用的地震監(jiān)測臺。2001年起開始啟用了由24個遙測地震臺構(gòu)成的新的監(jiān)測臺網(wǎng)，監(jiān)測能力有了極大提高，迄今已不間斷積累了近50年的寶貴測震資料[1]。

本文使用了湖北臺網(wǎng)、重慶臺網(wǎng)和一些已發(fā)表的文章中的30多年來三峽地區(qū)的872例ML2級及以上的地震資料，得出蓄水前后30多年來三峽庫區(qū)及其周邊地震震中空間遷移規(guī)律分布圖（圖3）。對比發(fā)現(xiàn)蓄水前發(fā)震較多的地區(qū)在蓄水后地震相對有所減少，而原來地震很少的庫區(qū)周圍則集中了大量的地震，表明區(qū)內(nèi)蓄水后地震有明顯向庫區(qū)集中的趨勢。根據(jù)研究，這種蓄水后引起地震震中遷移的現(xiàn)象在其他地區(qū)（如湖北丹江口水庫）也有表現(xiàn)。丹江口水庫蓄水前，其當(dāng)?shù)氐卣鸹顒臃植加诰啻髩?00 km以外，蓄水后，隨著水位上升，更多的地震活動逐漸遷移至水庫附近[8]。研究還表明，地震空間的這種遷移變化趨勢與蓄水前后庫區(qū)重力場的變化也有很好的對應(yīng)[10]，蓄水對庫區(qū)重力場的改變在靠近庫岸的地方很明顯，而在遠(yuǎn)離庫岸的地方較弱。這可能是大量蓄水后改變了原本相對穩(wěn)定部位的應(yīng)力場而導(dǎo)致地震發(fā)生[11]。三峽地區(qū)處于少震區(qū)和弱震區(qū)，而這些地區(qū)處于低應(yīng)變狀態(tài)，在有利的構(gòu)造條件下[8]，水庫大量蓄水形成的巨大負(fù)載容易改變其應(yīng)力平衡狀態(tài)而導(dǎo)致其產(chǎn)生誘發(fā)型地震。

圖3 蓄水前（a）后（b）三峽水庫及鄰區(qū)震源的平面分布圖（黑色實線表示斷層）

長江三峽是舉世聞名的峽谷區(qū)且峽谷地形的水庫誘發(fā)地震的幾率要大于其他水庫[9]。胡毓良等[12]曾提出在陡峻的峽谷或基巖裸露區(qū)，基巖中已有的裂隙和由外力產(chǎn)生的岸邊張裂隙是庫水滲漏的極好通道，這是水庫地震在空間上往往出現(xiàn)在峽谷底段或基巖裸露區(qū)的主要原因。由于水的滲入和一系列前震的發(fā)生都可以降低整個裂隙面上抗滑強度而導(dǎo)致整個面的錯動產(chǎn)生大震[12]。根據(jù)圖3可看出蓄水后地震大規(guī)模地向水庫及周邊地帶集中，具有誘發(fā)較大規(guī)模的錯動而導(dǎo)致地震的可能性，因此這種地震空間分布的遷移變化特征應(yīng)引起重視。

為了更清晰地表明三峽水庫蓄水前后地震空間分布和能量遷移的規(guī)律，本文還做出了三峽大壩蓄水前后水庫及周邊地區(qū)地震發(fā)生時間及震級大小的統(tǒng)計詳圖（圖4），該圖詳細(xì)統(tǒng)計了三峽水庫及鄰區(qū)地震震級的大小與時間的關(guān)系。從圖中可看出，蓄水前后震級大小雖然沒有明顯變化（最大地震仍為約4.3級），但蓄水后地震頻度卻明顯增加，水庫自蓄水后起引發(fā)了庫區(qū)大量的微震群活動，且這些地震的發(fā)生與三峽水庫蓄水過程呈明顯的正相關(guān)關(guān)系。從蓄水后的情況來看，雖然沒有發(fā)生震級大于5級的地震，但微震活動更加頻繁。峽區(qū)內(nèi)密集的微震亦有可能觸發(fā)崖崩等地質(zhì)災(zāi)害，給周邊和下游人民生命財產(chǎn)造成嚴(yán)重威脅[9]。

為了更準(zhǔn)確地研究蓄水前后地震釋放能量的大小，我們把蓄水前后地震釋放的總能量按照年度進(jìn)行了統(tǒng)計和分析。圖5為研究區(qū)域每0.1°范圍內(nèi)所發(fā)地震年平均釋放能量大小的統(tǒng)計圖。此圖將三峽所在范圍細(xì)分為0.1°×0.1°的網(wǎng)格，按每一格內(nèi)所記錄地震的年平均釋放能量大小進(jìn)行統(tǒng)計?？梢钥闯鲂钏罢麄€地區(qū)地震相對釋放能量的分布比較松散，而蓄水后地震相對釋放的能量則集中在三峽庫區(qū)范圍，并迅速增加。蓄水前地震每年釋放的能量約3.44e10焦耳，約占總釋放能量的40.4%，蓄水后約為5.07e10焦耳，約占總能量的59.6%，即蓄水前后能量比約為2∶3。造成年平均釋放能量增加的主要原因應(yīng)該是震級和頻度的綜合效應(yīng)造成的。通過蓄水前后地震震級的比較，三峽水庫的建成并沒有造成地震震級的明顯增加，但地震頻度卻大大增加，從而得出造成能量明顯增大的主要因素是頻度的增強。Nikolaev[13]在研究水庫地震時也得出了同樣的規(guī)律，即水庫建成后并未改變當(dāng)?shù)刈畲笳鸺?，只是通過庫水作用的應(yīng)力調(diào)整改變地震頻度和震源位置。

圖4 三峽大壩蓄水前后庫區(qū)及其鄰區(qū)M-T圖（圖中標(biāo)示的2003年6月為三峽水庫正式蓄水時間）

圖5 蓄水前（a）后（b）三峽大壩庫區(qū)及其鄰區(qū)每0.1°范圍內(nèi)所發(fā)地震年平均釋放能量大小統(tǒng)計圖

從以上各圖知，三峽水庫自蓄水后大量地震向庫區(qū)集中，且頻度明顯增加?？紤]到地震因震源深度不同而造成的破壞程度會相應(yīng)不同，本文還做了蓄水前后地震震源深度分布的三維顯示圖（圖6）。通過對比可以直觀地看到，蓄水前后三峽庫區(qū)范圍所發(fā)地震均為淺源地震，基本上不超過20 km，且小震群發(fā)生后，震源也沒有再向更深處遷移[2]。由以上條件可知，蓄水后誘發(fā)地震的影響在一定程度上會加劇。

圖6 蓄水前（a）后（b）地震震源分布及其震級大小三維視圖

3 結(jié)論

三峽庫區(qū)自蓄水日起，就一直伴隨有微震群活動。根據(jù)蓄水前后所誘發(fā)的地震的對比研究，發(fā)現(xiàn)地震有明顯向庫區(qū)加速集中的趨勢，蓄水前發(fā)震較多的地區(qū)在蓄水后地震相對有所減少，而原來地震很少的庫區(qū)周圍則集中了大量的地震。蓄水后震級雖然沒有明顯增大，但地震頻度卻明顯增強。從地震的年平均釋放能量大小可以看出蓄水前能量分布比較松散，而蓄水后能量主要集中在三峽庫區(qū)范圍，并在近幾年加速增加，推測使能量增大的主要因素是地震頻度的增強所致。蓄水前后三峽庫區(qū)范圍所發(fā)地震均為淺源地震，基本上不超過20 km。且小震群發(fā)生后，震源沒有再向深處遷移。認(rèn)識三峽水庫建成前后地震分布及遷移的規(guī)律性，對于研究國內(nèi)外水庫誘發(fā)型地震，減輕人民生命財產(chǎn)損失具有重要的科學(xué)價值和現(xiàn)實意義。

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