溪洛渡库首区蓄水后震源机制分析

刁桂苓王曰风冯向东王晓山冯志仁张洪智程万正李 悦王利兵

1）河北省地震局，石家庄 050021

2）中国地震局工程力学研究所，哈尔滨 150080

溪洛渡库首区蓄水后震源机制分析

刁桂苓1）王曰风1）冯向东1）王晓山1）冯志仁2）张洪智2）程万正2）李 悦2）王利兵1）

1）河北省地震局，石家庄 050021

2）中国地震局工程力学研究所，哈尔滨 150080

目前世界第三大水库溪洛渡的库首区遍布碳酸盐岩、灰岩，存在溶洞，蓄水后水位升高140m左右，随之发生6 000多次地震，但绝大多数是1级以下微震，最大震级仅仅ML3；集中在库岸两侧10km、深度5km、从大坝向上游沿库盆40km长度的范围内。微小地震对于水库、大坝的安全没有产生影响。使用较为密集的水库数字地震台网资料反演得到蓄水前后700多次地震的震源机制，并进一步反演了全区和分区的应力场，发现：震源机制空间取向复杂、破裂类型多样，应力状态不均匀、不稳定。与他人使用大量天然地震资料反演的区域应力场不一致，表明水库诱发地震没有受到区域应力场的严格控制。分析认为库水涌入溶洞、渗透到裂隙、节理，原来存在的小断层面或者间断面的孔隙压力增加，摩擦强度、岩石破裂强度降低以及库水载荷加大造成弹性变形等共同作用是地震的成因。并且首先主要释放的是已经积累的区域应力、局部应力，然后才表现出以库水载荷产生的附加应力为主。库首区没有较大的活动断层，2014年库水位将再度升高数十m，伴随裂隙的贯通，应力场的调整，回流的库水淹没库盆上游，还会发生中小地震乃至中等强度地震。溪洛渡水库大坝抗震设防水准较高，不会造成安全问题。建议在诱发地震继续活动期间，尽早实施详细的水文地质、地球物理探测，提供精细的科学资料，为确定诱发地震的成因、寻找控制诱发地震的技术条件，以减轻突发事件的影响，为其他类似水库发挥示范作用。

溪洛渡水库 诱发地震 震源机制 应力场

0 引言

溪洛渡水电站位于四川省雷波县和云南省永善县境内金沙江干流上，是一座以发电为主，兼有防洪、拦沙和改善下游航运条件等巨大综合效益的工程。溪洛渡电站装机容量位居世界第三。溪洛渡水电站具有高拱坝、高地震烈度区、高边坡、高水头、大流量、大尺度的地下电站洞室群等特点（http：∥www.ctg.com.cn／jsjsdkf／xld／sxzlg01／06sxzlg01.htm l）。

溪洛渡水库位于由西面SN向的峨边-金阳断裂、东南面NW向的华莹山-莲峰断裂和东北面NW向的马边-盐津隐伏断裂围限的雷波-永善三角形块体构造。属于区域地质构造不稳定地区，地质条件复杂、构造活动性强；区域范围内全新世和晚更新世活动断裂发育，分布范围广、规模巨大、方向变化大且活动水平较高。曾经发生的1216年马湖7级地震震中离坝址约23km，1936年雷波西宁级地震距坝址约28km，附近最大的地震为1974年大关北7.1级地震，震中距坝址约40km。根据国家电力公司成都勘测设计研院（2013）①国家电力公司成都勘测设计研院，2003，金沙江溪洛渡水电站工程区建设用地地质灾害危险性评估报告。、国家地震局地质研究所和四川省地震局（1990）②国家地震局地质研究所和四川省地震局，1990，金沙江溪洛渡水电站工程地震综合研究报告。、中国水利水电科学研究院工程抗震研究中心和国家电力公司成都勘测设计研究院（2001）③中国水利水电科学研究院工程抗震研究中心和国家电力公司成都勘测设计研究院，2001，金沙江溪洛渡水电站可行性研究报告专题报告十一，水库诱发地震危险性预测研究报告。、中国水电顾问集团中南勘测设计研究院等的资料（2008）④中国水电顾问集团中南勘测设计研究院，2008，溪洛渡工程防震抗震研究复核报告提纲。，划分出4个水库地震危险区，震级上限不高，即便发生地震，也不会影响大坝的安全。

2012年11月16日溪洛渡水电站大坝挡水，导流洞过水，库区水位升高28m。自2013年5月4日开始蓄水，到7月29日早8时，水位由440m提升到554.6m，抬升100m左右，此后维持在此水平上下。

在溪洛渡水库以及下游的向家坝水库区布设了小孔径的数字地震台网（图5），有35台仪器连续记录，能够很好控制库区和周围地区的地震（樊启祥等，2010），已经记录到高质量的数字地震波形。由于都是近震源记录，只有直达的P，S波，震相简单，易于辨识，这为水库诱发地震研究提供了宝贵的基础资料。溪洛渡水库地震台网2008年9月开始记录，至2012年6月库尾区记录1级以上地震共计95次，平均每月发生2.06次。蓄水后仅2003年5—10月的6个月记录ML≥1.0地震953次，活动水平大大超出以往，同期还记录1级以下地震5 300次。在强震背景区发生大量小地震已经引起反响，况且溪洛渡是中国第二大水库，大坝高、蓄水量大，需要高度重视地震安全问题。

以往，国内外建设的大型水库都分布在地震风险小的区域，坐落在高烈度区划区的溪洛渡水库，没有诱发地震研究的经验可资借鉴（程万正，2013）。西部地区是中国水能资源最丰富的地区，主要集中在岷江、大渡河、雅砻江、金沙江、澜沧江、怒江等流域，这些地区为强烈地震和地质灾害高发区。目前在建和拟建一系列200m至300m级的世界级高坝，工程规模巨大且少有先例、坝址地震烈度高且缺乏工程震害实例，面临一系列世界级技术难题。大坝的抗震防灾研究已经成为当前水电领域前沿性的重要研究课题（陈厚群等，2009）。因此更有必要结合溪洛渡水库的诱发地震开展深入的研究，分析这些地震与水库蓄水的关系，探讨成因。2014年8月水库水位将进一步提升蓄至580m和600m正常水位，争取抢在突发事件之前开展必要的观测、研究，进一步评估发展趋势，提出必要的工程措施和建议，为其他类似水库提供能够借鉴的经验。

1 水库地震活动

图1是溪洛渡库首区地震震级随时间分布和月频度统计。自2007年9月1日—2013年10月31日，溪洛渡库首区记录到ML≥3地震3次，最大地震ML=3.5，ML≥2地震37次，ML≥1地震1 075次，ML＜1地震5 553次，都属于微小地震。其中2013年5月1日—10月31日，ML3以上地震1次，ML2以上地震34次，ML1以上地震918次，ML＜1地震5 300次。绝大多数微小地震发生在这半年时间内。

图1 溪洛渡库首区地震震级随时间分布（a）和地震月频度（b）Fig.1 The distribution of M-t（a）and monthly frequency of earthquakes（b）in the reservoir head region of Xiluodu Reservoir.

溪洛渡水库2008年1月开始测量水位，图2为日水位曲线。到2012年汛期以前存在稳定的季节变化，主要受夏季降水影响，高、低水位差别在20m以内。从2012年6月起变幅增大，尤其是2012年11月16日溪洛渡水电站大坝挡水，导流洞过水，库区水位升高28m。2013年5月4日开始蓄水，到7月29日，水位由440m提升至554.6m，抬升110m左右。对比图1，库首区的地震活动水平也是从2012年下半年开始升高，尤其是2013年5月开始微小地震大量发生，显然和水库水位迅速抬升，进入高水位状态有关。

赵翠萍等（2011）①国家科技支撑计划项目“水库地震发生条件探测技术研究”（2008BAC38B02）。研究认为：存在水库地震监测台网的水库进行地震精确定位结果显示，蓄水后的地震活动均表现出明显的丛集活动特征，且大都发生在在距离库岸区10km范围内，深度也大多数＜10km。即水库地震空间分布呈现出“双十”特征，即2个10km的尺度。公认度较高的100多个水库，蓄水后的最大地震震源位置也符合“双十”特征，这具有一定普适性。蒋海昆等（2011）②国家科技支撑计划项目“水库地震预测方法研究”（2008BAC38B03）。统计，截至于20世纪90年代，世界上报道的具有较大影响的水库诱发地震约有120例，分布在29国家。国内明确报道的水库地震震例已达43例，其中有4次水库诱发地震超过6.0级，它们是中国新丰江（1962年3月19日，M 6.1）、赞比亚-津巴布韦边界Kari-ba（1963年9月23日，M6.1）、希腊Kremasta（1962年2月5日，M6.2）和印度Koyna（1967年12月10日，M 6.3），＜5.0级的中小地震约占水库诱发地震的90%。

图2 溪洛渡水库日水位Fig.2 The daily water level of Xiluodu Reservoir.

溪洛渡库首区2007年9月至2012年3月，发生的天然地震震级-频度关系中的b值为0.744（相关系数r=-0.981 9）；而2012年4月至2013年10月，发生地震的b值为1.344 8（相关系数r=-0.989 5）。而且地震密集分布集中在库岸两侧10km范围之内；采用三维速度模型重新修订震源位置，地震的震源深度有98%发生在0～5km；虽然地震数目多，但是最大震级仅为ML3.0，可见都属于小震和微震。根据（杨国宪，汪雍熙，2003）提出的水库诱发地震的判别依据，库水影响区ML≥1.0的地震超过月平均发生频次的6倍即可判别为诱发地震；天然地震值b低，诱发地震b值高；以及赵翠萍等（2011）①同646页①。归纳的水库诱发地震分布在库岸10km、深度10km范围的“双十”特征；蒋海昆等（2011）②同646页②。归纳的诱发地震大多数震级小的特征来辨识，溪洛渡库首大量的微小地震属于诱发地震。

2 震源机制和应力场

地下深处的应力状态难以直接获得，通常可由震源机制解来确定。本文采用层状介质点源位错模型，利用水库地震台网的观测资料，取垂直向记录直达P、S波的最大振幅，以观测资料与理论地震图拟合反演震源机制的方法（梁尚鸿等，1984），得到库首区蓄水之前37个、蓄水后674个中小地震的震源机制。

选用Gephart等（1984）的应力场参数网格搜索的震源机制应力反演（简称FMSI）程序确定应力场的主应力轴方位。震源机制应力反演程序有3个基本假定（Gephart et al.，1984；Gephart，1990）：1）断层面上的滑动方向和计算的剪切应力方向一致；2）研究区域内应力场方向是一致的；3）地震是剪切位错并且可以发生在先前已经存在的断层上。震源机制应力反演程序使用的是网格搜索法，即在应力场参数的模型空间中找到应力模型与实际地震数据间平均残差最小的最佳应力模型。

在震源机制应力反演程序中，每个地震与应力模型间残差定义为使应力模型和观测到的滑动角方向相一致的关于任意方位旋转轴的最小旋转角。该方法可以获得最佳应力模型3个主应力轴σ1，σ2和σ3（σ1≥σ2≥σ3）的方位角和倾角，同时还可以得到相对应力大小值R，R值的定义为R=（σ2-σ1）／（σ3-σ1）（0≤R≤1），R值有助于我们区分应力场的类型。

溪洛渡库首及附近地区蓄水之前37次地震的震源机制投影于图3a①刁桂苓等，2012，向家坝水库蓄水前地震本底分析报告。。蓄水后674个震源机制解投影于图3b。图3a右上角是这些震源机制反演的局部应力场3个应力轴的投影。最大压应力主轴（红色方块）方位141°、倾伏俯角3°；中等压应力主轴（蓝色圆点）方位231°、倾伏角12°；最小压应力主轴（绿色三角形）方位37°、倾伏角78°。最大和中等压应力主轴水平，最小压应力主轴垂直。在局部应力场作用下，地震应当以逆冲断层为主，而随机发生的小地震有一部分可能是走向滑动，或者为正断层。

图3 溪洛渡库首附近震源机制和区域应力场（a蓄水前；b蓄水后）Fig.3 The distribution of focalmechanisms and stress field around the reservoir head region of Xiluodu reservoir before（a）and after（b）impoundment.

溪洛渡库首区蓄水后反演得到了674个震源机制（图3b），各个分区都有数目相当的震源机制。采用三角形分类方法（Frohlich，1992）将它们划分为4类，1类为走向滑动，有252个解，占全部解的37.4%，是4种类型中比例最高的，在图3b中用黑色绘出；2类为逆冲断层，有148个解，占全部解的22.0%，在图3b中用红色绘出；3类为正断层，有173个解，占全部解的25.7%，比例与逆冲断层相当，在图3b中用蓝色绘出；4类为复合断层，即走向滑动兼有倾向滑动分量（或正、或逆），有101个解，占全部解的15%，在4种类型中比例最小，在图3b中用灰色绘出。复合类型具有走向滑动分量，连同走向滑动类型包含的震源机制比例共同分析，与蓄水前的应力场有利于逆冲错动比较，显然发生了改变。

图4 溪洛渡库首区674个震源机制各个参数归一化角域分布Fig.4 Normalized frequency distribution per 10°for parameters of 674 focalmechanisms in the reservoir head area of Xiluodu Reservoir.

图4为674个震源机制各个参数每10度归一化频数分布。图4中的strike为节面走向，都是小地震无法判断2个节面中哪个是断层面，因此将2个节面合并分析，总体来看，取向非常乱，难以确定优势方向。rake是滑动角分布，以0°和180°附近最多，表明以走向滑动为主；± 90°也有，倾向滑动没有形成优势，逆冲断层和正断层是独立存在的；夹在二者之间的斜滑对应符合类型。dip为2个节面的倾角，高倾角最多，节面直立占优，倾斜居次，水平极少。走向滑动可对应直立节面，纯粹倾向滑动对应倾斜节面，只有个别复合类型的震源机制的一个节面有可能是水平的。这与上文4种震源机制类型的比例一致。Paz，Taz，Baz分别表示3个应力轴方位分布，其中T轴很难判别优势；P轴存在NWW向优势，此段落水库沿NE方向延伸，那么可以理解为NW向的拉张在起作用，或许和蓄水对库岸的侧向推挤有关；b轴存在NE向优势，可以判断破裂延伸方向，考虑震源机制大量集中在2区和3区，恰好他们的长轴方向也是NE，推测多数地震的破裂以及它们的连通方向与江水流向一致。图4下方90°角域的p，t，b分别表示3个应力轴的倾角，P，T轴倾角水平最多，倾斜其次，直立甚少，表明还是以走向滑动为主，单纯的倾向滑动甚少；B轴倾角在各个角域都有，除了80°～90°最少之外，0°～50°存在优势，60°～80°其次，同样说明震源机制分布的复杂性。

使用溪洛渡库首区蓄水后全部674个震源机制解反演应力场3个应力轴的投影结果如

图5 溪洛渡库首蓄水前和蓄水后各个分区以及2区5个时间段的应力场投影Fig.5 The distribution ofmaximum（inward arrows）and minimum（outward arrows）compressive stress axis in different sub-regions and 5 periods in sub-region 2 in the reservoir head region of Xiluodu Reservoir.The line is longest when stress axis is horizontal，and the line is shortest when stress axis is perpendicular.

图5左上，最大压应力主轴（红色方块）方位279°、倾伏俯角6°；中等压应力主轴（蓝色圆点）方位19°、倾伏角58°；最小压应力主轴（绿色三角形）方位185°、倾伏角31°。最大压应力主轴水平，最小压应力主轴和中等压应力主轴倾斜。应力比R=0.5，拟合残差角16.2°。反演的应力场（图5）有利于发生走向滑动和逆冲类型地震。库水载荷又有利于正断层地震发生，所以导致破裂类型的多样性。

图5是溪洛渡库首蓄水前和蓄水后各个分区以及2区5个时间段的应力轴投影。小黑点是截至2013年10月底溪洛渡库首区地震震中分布，从大坝到上田坝密集区NE-SW方向约40km，宽度不足10km。按照聚集程度和金沙江的流向大体划分为6个区，在图中由黑色椭圆圈出，其中的数字标示各个分区的编号。1区包括大坝及下游4km范围，椭圆长轴方向NW；2区是豆沙溪到油坊沟金沙江江段，椭圆长轴方向NE，长11.5km，该区地震最多，而且向SE凸出，向NW凹进；3区是油坊沟到西苏角河之间中下游金沙江段，椭圆长轴方向NE，长10.5km；4区是油坊沟到西苏角河之间上游金沙江江段，椭圆长轴方向NW，长7.5km，横切金沙江；5区夹持在3区和4区之间，稍稍离开金沙江，椭圆长轴方向NW，长9km；6区跨越紧邻4区上游的江段，处于西苏角河与溜筒河之间金沙江江段的中部，椭圆长轴方向NWW，长6km。前3个密集区长轴与江水流向一致，后3个区长轴与金沙江流向正交。

取各个分区范围内的震源机制反演应力场，标示于各个分区；数据及应力场参数示于表1，由于2区震源机制过多，又按照时间先后划分出5个阶段分别反演应力场，应力场标示于图5上方。表1给出应力场的参数。图5右下角是蓄水前震源机制反演应力场的应力场投影。

表1 震源机制划分区域和时间段反演的应力场应力轴参数Table 1 The stress axis parameters of stress field based on different sub-regions and periods of focalmechanisms

青藏高原向东移运动，推挤华南块体，在接触部位发生逆冲类型地震，如2008年汶川地震、2013年芦山地震。即便是距离溪洛渡水库最近的2012年云南彝良双震也是逆冲兼具走向滑动。金沙江下游水库位于青藏高原与华南块体接触部位附近，同样存在挤压应力，溪洛渡水库蓄水前的37个中小地震震源机制所反演的应力场就是以水平挤压为主。许忠淮等（1987）利用大量小地震的P波初动求得西南地区各个小区的应力场，压应力轴方位NWW—SEE和张应力轴方位NNE—SSW，二者均近水平。阚荣举等（1977）由大量震源机制讨论中国西南地区现代构造应力场与板内断块相对运动，给出库区附近的震源机制解的一个节面走向为NW—SE，另一个节面走向为NE—SW，二节面均接近直立。主压应力P轴方位近EW向，主张应力T轴方位近SN，二轴基本呈水平，中等应力轴B近于直立。刘正荣等（1977）作出1974年5月11日云南永善大关7.1级地震震源机制与此相同。区域应力场的张、压应力轴都近于水平，有利于走向滑动断层错动。

图5右下角给出溪洛渡库首蓄水前的震源机制反演的局部应力场投影，最大压应力主轴方位SE—NW，最小压应力主轴接近直立，表明溪洛渡库首蓄水前处于SE—NW水平挤压状态，局部应力场与区域应力场的NW向挤压相同，但是区域应力场的SE向拉张没有体现。大坝及附近下游（1区）的应力场，以近EW向水平挤压为主，虽然大坝下游没有受到高水位的影响，但是大坝上游的水位最高，大坝两侧巨大的水位差，使得大坝及相邻岩体受到强烈挤压，这种作用也传递到大坝相邻的下游。位于库首的2区，受到强烈的EW向水平张应力作用，压应力近于垂直。2区地震最多，水位增加最多，重力作用产生的附加拉张应力最强。由于震源机制多达325个，我们又划分出5个阶段，图5中的2.1阶段是先于蓄水的导流洞引水，库首水位增加28m的条件下的效应，以走向滑动为主。其余的2.2、2.3、2.4处于水位迅速增加阶段，2.5是蓄水增加的末期，3个阶段都是拉张强于挤压，也就是说正断层占优势。伴随库水位升高，水体向库岸外围渗透，2区处于不稳定的状态，如2.4为水位增加的尾段，挤压稍强于拉张。2.5阶段的拉张方向也和前几个阶段不一致，更接近于区域应力场的应力状态，可能是蓄水的影响已经过了顶峰，已经开始逐渐恢复以往的状态。

因为3区以NNW向的压应力为主、EW向张应力为次，4区NNW向的压应力和NEE向的张应力大致相等。与区域应力场的作用方式最接近，所以走向滑动和逆冲地震最多。5区主体已经离开库岸，和大坝下游的1区情况类似，以挤压的逆冲地震为主。6区NWW向的张应力强于NE向的压应力，和诱发地震主体的2区类似，以正断层地震最多。

考虑大尺度的构造运动，也容易引发逆冲错动。溪洛渡库首区蓄水后，库水淹没地方分布碳酸盐岩、灰岩，水体容易渗入岩体，增大了小断裂面的孔隙压力，降低其摩擦强度，断裂容易错动。首先释放的是区域应力场原来承受的应力，即以走向滑动和逆冲错动响应。只有当水位大大增高，重力作用产生的附加应力场开始体现，才集中出现正断层地震，发生岩溶塌陷型地震。紧邻大坝的2区地震最多，现象也最为典型。邻近的3区各种类型震源机制出现的次序、类型的比例也是如此，只不过库水位比2区低，逆冲错动和正断层在后期存在类型交替出现的过程。无论是溪洛渡水库蓄水前后，各个分区的应力场都不同于区域应力场，所发生的大量微小地震多数和蓄水有关，属于诱发地震。其中2区划分时间段结果显示，始终处于不稳定的变化形态。

表1给出应力场各个参数及其时间、空间范围。起始时间是区域震源机制最早的地震发生时间，水库蓄水影响最早的当然是库首2区；其次是相邻的3区；4区和5区相同，5区稍稍离开库盆；然后是末尾的6区；大坝下游最后。2～6区地震发生时间的顺序和蓄水淹没库岸的位置一致，也和水的渗透有关。大坝下游则是另外的成因，可能和大量出水发电有关，因为出水量最大时达到万吨／s，出水的冲击和变化必然影响大坝相邻处。

拟合残差角m isfit很小时表示研究区域具有均匀的应力场。反之，则表示研究区域应力场的不均匀性（万永革，2010）。表1中misfit栏多数在9°～17°之间，反映研究区域应力场存在一定程度的不均匀性。尤其是2区和2区3时段misfit＞20°，其应力场结果不可信，反映应力场处于紊乱的状态。

3 讨论和结论

由震源机制分析应力场成为水库地震研究的重要组成部分，借助所总结的经验，进一步开展了大量数值模拟，以求区分诸多影响因素的轻重，遗憾的是尚未取得一致的规律性认识。真正取得蓄水前后大量震源机制的实例并不多见。对于水库地震的成因存在2种不同的认识：一方面，着眼于水体载荷增加和孔隙压力对水库地震诱发的贡献，强调了水库重力与孔隙压力的作用（Carder，1945；Beck，1976；Simpson et al．，1988；高士钧等，1990；Talwani，1997，2000；Gupta，2002；Nascimento et al．，2005；Hainzl et al．，2006）；另一方面，以水库的地质背景为基础，研究诱发水库地震的构造条件、岩性条件及应力背景，强调了区域地质背景各因素对诱发水库地震的作用（胡毓良等，1979；丁原章等，1983；夏其发等，1988；Talwani，1997；车用太等，2009）。

根据前人的研究，水库地震具有2个基本特征：1）岩溶对诱发水库地震有重要作用（胡毓良等，1979）；2）从水库诱发地震的发生时间来看，存在快速响应型和滞后响应型地震（Simpson et al．，1988），快速响应型地震是地壳在水压力作用下产生弹性形变而诱发的，而滞后响应型地震是在水的渗透过程中，孔隙压力增加，有效应力降低而诱发的。水库区是否会出现诱发地震与可能产生什么样的地震类型，必须结合具体地区的应力条件和地质条件来分析（马瑾，1987）。

以往的研究给出的溪洛渡水库诱发地震危险区中有2个位于库首附近。其中的一个危险区相当于图5的2区范围。出露地层为志留系泥页岩、二叠系下统阳新灰岩和上统的峨眉山玄武岩，岩层平缓。阳新灰岩质纯，单层厚度大，是库区岩溶较发育的层位，该段豆沙溪沟两岸、油房沟及孔家岩一带600m蓄水位以下均有岩溶洞穴发育。但该高程以下处于地表强烈抬升期，河谷下切强烈，岩溶仅发育在近岸坡浅表数百m范围内。较大的有豆沙溪沟的八仙洞、芭蕉洞、何家洞和油房沟上游的木场洞等。另一个是吴家田坝-黄华危险区，库段长42km，图5的4区和6区位于其中，5区稍稍偏离。库段蓄水位以下主要为寒武系、奥陶系碳酸盐岩。河谷从吴家田坝-抓抓岩为横向谷，抓抓岩以上为纵向谷。库内构造比较发育，有上田坝断层、硝滩断层和马颈子断层，属峨边-金阳断裂的分支，沿断层有温泉出露，说明断层具有向深层导水的能力。SN向断层多处与水库交切，沿马颈子断层和硝滩断层有温泉出露，说明具备地下水深循环水文地质条件，且断裂带现今有微弱的活动。在2个危险区之间存在空段，恰好是3区的位置。看来前人做出的预测基本正确，只是保守地在2个危险区之间留出安全的空段，现在也有大量微小的诱发地震。

溪洛渡水库自2007年9月数字地震台网开始运行，到蓄水前已经积累5年的宝贵资料，况且台网密度较高，记录最小的震级ML达到-0.6级。在溪洛渡水库库首区能够震源定位者达到6 000多个地震，我们反演了700多次小地震的震源机制。通过大样本数据分析得到如下认识：

（1）溪洛渡库首蓄水后，发生大量微小地震集中在库岸两侧10km、深度5km、沿库盆40km长度的范围内。地震覆盖区域存在易溶的碳酸盐岩、灰岩，岩溶洞穴发育，有温泉出露，具备地下水深循环水文地质条件。但是当地没有大型的活动断层。

（2）由于诱发地震微小，所基于的预存裂隙、节理方向多样，破裂面空间取向、错动方式表现出强烈的随机性。反演得到的674个震源机制空间取向散乱，没有受区域应力场严格控制。划分不同分区反演的应力场差异大，地震多的2分区随时间变化强烈。2区总体和2区3时段甚至没有得到可信的结果，表明区域处于不稳定的应力状态。暂态的区域应力扰动，既与当时区域应力状态有关，又与当地存在的构造裂隙的取向、裂隙的摩擦强度和岩石的破裂强度等有关（程万正，2006）。

（3）应力状态不稳定必然要调整；裂隙会相互沟通，裂隙尖端扩展可以产生分叉，导致破裂方向复杂多样；库水涌入溶洞、渗透到裂隙和层理，大大提高了孔隙压力，降低了摩擦强度和破裂强度，微小破裂更容易发生，破裂类型也是复杂多样。将震源机制划分的4种类型，走向滑动占40%，倾向滑动占45%（正断层和逆断层相当），复合类型占15%。虽然水库蓄水使得水位增量超过130m，水体重力作用产生的附加应力场，并没有决定以正断层地震为主。而是以释放区域应力（有利于水平剪切的走向滑动）、释放局部应力（挤压作用下的逆冲错动）占很大比例。表明在首次蓄水之后，库水渗透提高孔隙压力，降低摩擦强度和破裂强度，所产生的作用强于重力作用。并且首先释放以往已经积累的应力如区域应力、局部应力，然后才释放水压力形成的附加应力（重力作用下的正断层、岩溶塌陷）。当然，岩体的剩余应力释放比较充分之后，重力作用将增强，正断层地震会占优势，如新丰江水库的情况（中国科学院地质研究所破裂与震源力学组等，1974）。

（4）从溪洛渡库首蓄水后立即发生诱发地震判断，该地震属于快速响应型。诱发地震发生的位置和大坝距离相关，从大坝向上游逐渐扩展。只要库水回流到达淹没的地方就诱发地震，也可以归并为快速响应类型。快速响应型和滞后响应型地震（Simpson et al．，1988）是否存在不同的成因，或者说快速响应类型地震仅仅是地壳在水压力作用下产生弹性形变而诱发的？从破裂面空间取向的多样性和破裂类型的多样性来看，答案是否定的。虽然库首蓄水后水位升高130m左右，但是水体重力作用并不是惟一的诱震因素。

（5）尽管诱发地震数目众多，但是最大地震仅仅为ML3.0。随着时间延续，微裂隙会相互贯通、扩展；不同部位的应力相应调整。况且2014年库区水位还将进一步升高，江水会回流淹没水库的上游，那里曾经发生过强震，属于高烈度区划区，不能排除发生中等强度地震的可能性。下游的向家坝水库在库首很少地震发生，当水位上升淹没到接近库尾段时发生了大量诱发地震，应当引以为鉴。考虑溪洛渡水库大坝抗震设防水准较高，诱发地震不会对水库的安全产生影响。

（6）在溪洛渡水库区已开展过大量的前期工作，建议在诱发地震活动期间，如果同时进行详细的水文地质、地球物理探测，必将提供精细的科学资料，确定诱发地震的成因、寻找控制诱发地震的技术条件，对进一步减轻突发事件的影响发挥重要作用。

致谢 中国长江三峡集团公司工程建设管理局提供了前期研究报告；金沙江下游梯级水电站水库地震监测系统成都中心提供了地震目录、数字地震波形文件，河北省地震局张家口中心台人员（朱振兴、张秀萍、王瑞锋、宁海雯、李锋、张晓刚、郑毅）反演1 100个震源机制；中国长江三峡集团公司工程建设管理局官方网站公布水位和出、入水量；审稿人提出建设性的审稿意见；在此一并表示感谢。

中国从1962年广东新丰江水库发生的6.2级地震之后开始研究水库地震。1972年初马瑾先生带队，在现场布设了9个单分向流动地震仪。利用固定台和流动台的P波初动资料，得到了207个微震（ML0.5～3.3）震源机制解，划分出5种错动类型，正断层错动型约占62%。执笔发表了《新丰江水库微震震源力学的初步研究》论文（中国科学院地质研究所破裂与震源力学组等，1974）。马先生开创性地应用水库微震震源机制，研究水库地震的成因。今天我们学习先生的研究思路和方法，分析目前世界第三大水库溪洛渡的诱发地震，撰写此文庆贺马先生80寿诞。

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ANALYSIS OF CHARACTERISTICS OF FOCAL M ECHANISM IN RESERVOIR HEAD REGION OF XILUODU RESERVOIR AFTER IM POUNDM ENT

DIAO Gui-ling1）WANG Yue-feng1）FENG Xiang-dong1）WANG Xiao-shan1）FENG Zhi-ren2）ZHANG Hong-zhi2）CHENGWan-zheng2）LIYue2）WANG Li-bing1）

1）Earthquake Administration of Hebei Province，Shijiazhuang 050021，China
2）Institute of Engineering Mechanics，China Earthquake Administration，Harbin 150080，China

There are carbonate rock，limestone and caves in the reservoir head area of Xiluodu Reservoir，which is the third largest reservoir in the world.A fter the impoundment，the water level has risen to about 140 meters，and consequently，more than 6 000 m icro-earthquakes occurred on the reservoir head region，with magnitude of the vastmajority being less than 1 and the maximum magnitude ML3. Thesemicro-earthquakes concentrated within an area of 10km in width from the reservoir banks，5km in depth，and 40km in length along the reservoir basin.These earthquakes did not affect the safety of the reservoir and dam.We inverted 700 focal mechanisms by using the waveforms recorded by the reservoir's digital seismic network before and after the impoundment，and further inverted the stress field of the whole reservoir head region and the sub-regions.The results show a complex orientation of focal mechanism，different rupture types，and uneven and unstable stress state，which is not in consistency with other regional stress fields obtained by a lot of natural earthquakes，indicating the reservoir induced seismicity is not strictly controlled by the regional stress field.According to the analysis，the reservoir water flows into caves，penetrating into cracks and joints，leading to increase of pore pressure，reducing the friction and fracture strength of rocks，and generating elastic deformation caused by the increased load of reservoir water.The joint actions of these may be the cause of the earthquakes.The accumulated regional stress and local stress were released first，then，the additional stress produced by the reservoir water loading was dominating.There are nomajor active faults in the reservoir head area.Reservoir water level will rise again by tens of meters in 2014.With the penetration of cracks，the adjustment of stress field，and the backflow ofwaterwhich will inundate the upstream region of the reservoir basin，the possibility of occurrence ofmoderate earthquakes cannot be ruled out.The seism ic fortification criteria are high for the dam of Xiluodu Reservoir，so these earthquakes will not cause safety problems.We suggest carrying out detailed hydro-geological，geophysical explorations during the continuous active period of the reservoir-induced seismicity to obtain accurate scientific data for determining the causes of induced seismicity and searching for the technical approaches for controlling the induced seismicity.These measurements will mitigate the impact of emergencies and p lay an exemp lary role for the other sim ilar reservoirs.

Xiluodu reservoir，induced earthquake，focalmechanism，stress field

P135.2

A

0253-4967（2014）03-0644-14

刁桂苓，男，1951年生，1975年在河北师范大学毕业，研究员，现主要研究方向为地震活动、震源机制和应力场、震源断层及水库地震研究，电话：13933069679，E-mail：diaogl2013＠163.com。

10.3969／j.issn.0253-4967.2014.03.008

2013-12-25收稿，2014-07-15改回。

国家自然科学基金（41172180）资助。