水库诱发地震规律研究——以三峡地区为例＊

郭 轶 万 伟 张 辉 唐新功

1）“油气资源与勘探技术”教育部重点实验室（长江大学），湖北荆州 434023 2）长江大学地球物理与石油资源学院，湖北荆州 434023

引言

水库地震是诱发型地震中的一种。由于出现数量多，且通常情况下强度高于其他人类活动引发的地震强度而更为人们所关注[1]。迄今为止，全世界水库诱发的地震有上百例，对当地均造成了不同程度影响与破坏。20世纪60年代发生的4次震级大于6级的水库诱发地震，即中国的新丰江地震（6.1级，1962年3月）、赞比亚—津巴布韦边界Kariba地震（6.1级，1983年9月）、希腊Kremasta地震（6.3级，1966年）和印度Koyna地震（6.5级，1967年），使水库诱发地震成为工程界和地震界高度关注的问题。

中国是水库诱发地震较多的国家之一[1]。作为世界最大的水利枢纽工程，三峡水库存在诱发地震的可能性不容忽视。已有的研究成果表明，三峡水库经过2003年、2006年和2009年3期改造逐步提升水位，现在水位已到175 m，库容量高达393×108m3，具备了水库诱发地震潜在的条件[2]。同时，三峡库区自2003年蓄水起，就一直伴随有微震群活动。前人研究也表明三峡库区的地震与水库蓄水密切相关，属典型的水库诱发型地震[3]。

在已有研究三峡水库诱发地震的文献中，关于地震地质条件、地震序列分析、震源机制、诱发机理等方面研究程度较高[4]，对以后的三峡库区的地震研究具有重要的参考价值。对比蓄水前和蓄水后的地震特点，水库诱发型地震表现出震源浅、震级小、震中烈度偏高、衰减快等特点[5－6]。但关于水库蓄水前后发生的地震在空间移动规律、地震频度改变等方面的研究文献还不多。而研究蓄水前后地震空间移动规律和地震频度的改变对于了解水库诱发型地震至关重要。随着三峡大坝工程的开展和其他水利资源的开发，水库诱发地震及可能带来的问题将日趋显现且突出[7]，因此通过分析已有震例的资料，研究三峡水库具有诱发地震的可能性，对于了解水库诱发地震规律、减轻重大自然和人为灾害具有极其深远的意义[8]。

为了使蓄水前后地震释放的平均能量在相同年限间有较好的对比效果，且考虑到地震数据会因记录年份不同而导致相对精确程度的不同（地震台站布设数量增加和地震仪器记录精度的相对提高使时间上相对靠后的数据精度更高），同时在统计总能量时，由于微震数据在总记录数据中占有相当大比例，其所相加的总能量也会对结果产生一定影响，本文拟采用1980年1月1日至2010年12月31日的ML2级及以上地震记录资料，研究东经108.5°—112°，北纬29.5°—32°地区（包含了三峡水库及邻区）的地震蓄水前后的空间分布变化规律。主要地震数据来自重庆台网、湖北台网和一些已经发表的文献。相对已有发表文献来说，所研究的时间和空间涵盖范围对于研究三峡库区水库诱发型地震更有意义。

1 库区地质概况

据前人研究结果，三峡工程干流库段根据其地形地貌、地质构造和岩性条件可划分为3个库段（图1）[1]：结晶岩低山丘陵宽谷段（全长约16 km）、碳酸盐岩和碎屑岩中～低山峡谷段（全长约141 km）、碎屑岩低山丘陵宽谷段（全长约500 km）。经陈德基等[1]分析，在第二库段，即碳酸盐岩和碎屑岩中～低山峡谷段最有可能诱发水库地震。

本文同时将所使用的地震台站信息及位置做成图示（图2），其中包括国家测震台网、区域测震台网以及地震遥测台网的分布。

图1 长江三峡库区及周边地质构造图[2]

图2 地震台站/点分布示意图（图中边界线表示本文所用台网覆盖区域）

2 三峡水库蓄水前后诱发地震的对比研究

三峡地区地震工作开展得较早，在着手规划三峡水利工程初期就已开展了地震观测等工作[9]。并从1958年起，在三峡工程坝址及周围地区建立了工程专用的地震监测台。2001年起开始启用了由24个遥测地震台构成的新的监测台网，监测能力有了极大提高，迄今已不间断积累了近50年的宝贵测震资料[1]。

本文使用了湖北台网、重庆台网和一些已发表的文章中的30多年来三峡地区的872例ML2级及以上的地震资料，得出蓄水前后30多年来三峡库区及其周边地震震中空间迁移规律分布图（图3）。对比发现蓄水前发震较多的地区在蓄水后地震相对有所减少，而原来地震很少的库区周围则集中了大量的地震，表明区内蓄水后地震有明显向库区集中的趋势。根据研究，这种蓄水后引起地震震中迁移的现象在其他地区（如湖北丹江口水库）也有表现。丹江口水库蓄水前，其当地地震活动分布于距大坝100 km以外，蓄水后，随着水位上升，更多的地震活动逐渐迁移至水库附近[8]。研究还表明，地震空间的这种迁移变化趋势与蓄水前后库区重力场的变化也有很好的对应[10]，蓄水对库区重力场的改变在靠近库岸的地方很明显，而在远离库岸的地方较弱。这可能是大量蓄水后改变了原本相对稳定部位的应力场而导致地震发生[11]。三峡地区处于少震区和弱震区，而这些地区处于低应变状态，在有利的构造条件下[8]，水库大量蓄水形成的巨大负载容易改变其应力平衡状态而导致其产生诱发型地震。

图3 蓄水前（a）后（b）三峡水库及邻区震源的平面分布图（黑色实线表示断层）

长江三峡是举世闻名的峡谷区且峡谷地形的水库诱发地震的几率要大于其他水库[9]。胡毓良等[12]曾提出在陡峻的峡谷或基岩裸露区，基岩中已有的裂隙和由外力产生的岸边张裂隙是库水渗漏的极好通道，这是水库地震在空间上往往出现在峡谷底段或基岩裸露区的主要原因。由于水的渗入和一系列前震的发生都可以降低整个裂隙面上抗滑强度而导致整个面的错动产生大震[12]。根据图3可看出蓄水后地震大规模地向水库及周边地带集中，具有诱发较大规模的错动而导致地震的可能性，因此这种地震空间分布的迁移变化特征应引起重视。

为了更清晰地表明三峡水库蓄水前后地震空间分布和能量迁移的规律，本文还做出了三峡大坝蓄水前后水库及周边地区地震发生时间及震级大小的统计详图（图4），该图详细统计了三峡水库及邻区地震震级的大小与时间的关系。从图中可看出，蓄水前后震级大小虽然没有明显变化（最大地震仍为约4.3级），但蓄水后地震频度却明显增加，水库自蓄水后起引发了库区大量的微震群活动，且这些地震的发生与三峡水库蓄水过程呈明显的正相关关系。从蓄水后的情况来看，虽然没有发生震级大于5级的地震，但微震活动更加频繁。峡区内密集的微震亦有可能触发崖崩等地质灾害，给周边和下游人民生命财产造成严重威胁[9]。

为了更准确地研究蓄水前后地震释放能量的大小，我们把蓄水前后地震释放的总能量按照年度进行了统计和分析。图5为研究区域每0.1°范围内所发地震年平均释放能量大小的统计图。此图将三峡所在范围细分为0.1°×0.1°的网格，按每一格内所记录地震的年平均释放能量大小进行统计。可以看出蓄水前整个地区地震相对释放能量的分布比较松散，而蓄水后地震相对释放的能量则集中在三峡库区范围，并迅速增加。蓄水前地震每年释放的能量约3.44e10焦耳，约占总释放能量的40.4%，蓄水后约为5.07e10焦耳，约占总能量的59.6%，即蓄水前后能量比约为2∶3。造成年平均释放能量增加的主要原因应该是震级和频度的综合效应造成的。通过蓄水前后地震震级的比较，三峡水库的建成并没有造成地震震级的明显增加，但地震频度却大大增加，从而得出造成能量明显增大的主要因素是频度的增强。Nikolaev[13]在研究水库地震时也得出了同样的规律，即水库建成后并未改变当地最大震级，只是通过库水作用的应力调整改变地震频度和震源位置。

图4 三峡大坝蓄水前后库区及其邻区M-T图（图中标示的2003年6月为三峡水库正式蓄水时间）

图5 蓄水前（a）后（b）三峡大坝库区及其邻区每0.1°范围内所发地震年平均释放能量大小统计图

从以上各图知，三峡水库自蓄水后大量地震向库区集中，且频度明显增加。考虑到地震因震源深度不同而造成的破坏程度会相应不同，本文还做了蓄水前后地震震源深度分布的三维显示图（图6）。通过对比可以直观地看到，蓄水前后三峡库区范围所发地震均为浅源地震，基本上不超过20 km，且小震群发生后，震源也没有再向更深处迁移[2]。由以上条件可知，蓄水后诱发地震的影响在一定程度上会加剧。

图6 蓄水前（a）后（b）地震震源分布及其震级大小三维视图

3 结论

三峡库区自蓄水日起，就一直伴随有微震群活动。根据蓄水前后所诱发的地震的对比研究，发现地震有明显向库区加速集中的趋势，蓄水前发震较多的地区在蓄水后地震相对有所减少，而原来地震很少的库区周围则集中了大量的地震。蓄水后震级虽然没有明显增大，但地震频度却明显增强。从地震的年平均释放能量大小可以看出蓄水前能量分布比较松散，而蓄水后能量主要集中在三峡库区范围，并在近几年加速增加，推测使能量增大的主要因素是地震频度的增强所致。蓄水前后三峡库区范围所发地震均为浅源地震，基本上不超过20 km。且小震群发生后，震源没有再向深处迁移。认识三峡水库建成前后地震分布及迁移的规律性，对于研究国内外水库诱发型地震，减轻人民生命财产损失具有重要的科学价值和现实意义。

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