巴东Ms5.1地震——一种新的水库地震类型*

陈蜀俊 姚运生 吴建超 陈俊华 蔡永建

1)中国地震局地震研究所(地震大地测量重点实验室)，武汉 430071

2)中国地震局地壳应力研究所武汉科技创新基地，武汉 430071

3)武汉地震工程研究院，武汉 430071

巴东Ms5.1地震
——一种新的水库地震类型*

陈蜀俊1)姚运生1，2)吴建超1，3)陈俊华1)蔡永建1，3)

1)中国地震局地震研究所(地震大地测量重点实验室)，武汉 430071

2)中国地震局地壳应力研究所武汉科技创新基地，武汉 430071

3)武汉地震工程研究院，武汉 430071

为探讨2013年巴东5.1级地震成因，模拟计算了不同蓄水工况下上地壳浅部构造应力场变化。地震发生在蓄水引起的巴东与牛口等效应力差值区的梯度带上，表明地震与蓄水有关。震区具有发生中强地震的构造背景，也有沿构造面发育大规模条带状岩溶的条件，测震学资料显示地震既有构造机制又有塌陷特征。综合分析认为，巴东Ms5.1地震可能以构造机制为先导，区域构造应力场叠加蓄水引起的局部构造应力状态调整，可能在沿构造面发育的岩溶区形成应力集中造成塌陷，继而触发构造失稳倾滑，两种机制互馈、交替、叠加而成震。据此提出一种新的水库地震类型——构造塌陷型水库地震。

三峡水库自2003年6月蓄水以来，发生了数千次地震，绝大多数在Ms2.0以下，多为煤矿塌陷、岩溶塌陷等外动力作用下诱发的水库地震［1］。然而，伴随着三峡水库175 m蓄水进程，2013-12-16巴东县东瀼口镇发生与该区历史最大震级持平的Ms5.1地震。此次地震的震源深度5 km，震中烈度Ⅶ度［2］;不同方法所得震源机制解虽有差别［2］，但利用近震台站所得结果显示，断层节面Ⅰ走向107°，倾角28°，滑动角 －136°;断层节面Ⅱ走向 337°，倾角71°，滑动角－68°，为正断倾滑性质;主震卓越频率、拐角频率低，与构造地震存在差异，具有塌陷地震特征，而Ms2.0以上余震则具构造地震特征［2］。

研究表明，蓄水可引起库区上地壳构造应力场的调整，进而影响库区局部孕震环境［3－5］。尤其在库水下渗、孔隙水压作用导致断层抗滑力下降的背景下，较低量级的应力变化对本已接近失稳或处于极限平衡状态下的局部区域产生促滑和诱震作用是完全可能的［6］。为探讨巴东5.1级地震成因，本文利用三维有限元方法，综合考虑地形的“峡谷效应”和库水下渗导致的“岩石弱化”影响，模拟计算了蓄水后三峡库首区尤其是巴东库段上地壳构造应力场，探讨了蓄水综合效应引起的库首区上地壳表层构造应力场的调整，及其对沿构造面发育的岩溶支撑体系的影响，进而结合巴东库段局部构造地质、水文地质条件，分析了巴东Ms5.1地震的孕震成震机理。

1 研究区有限元模型

以震中为中心，选择的研究范围为110 km×85 km，深度12 km(至上地壳底部)。依据研究区域的地形地貌、断裂构造、深浅部地层岩性等特征，建立研究区的三维几何模型(图1)。

该模型的物性参数分为表层沉积盖层和深部基底构造层两类。其中，沉积盖层厚约7 km，岩性主要为花岗岩、灰岩和砂岩;基底构造层厚约5 km，岩性主要为花岗岩。参照文献［4－5］，断裂带参数分别取:弹性模量 E=1.07 ×1010Pa，泊松比 ν=0.24，密度ρ=2 570 kg/m3。有限元网格的划分以满足计算精度为要求，尤其对巴东库段的网格进行细化，计算模型单元19 146个，节点23 165个。

图1 三峡库首区三维数值模拟模型Fig.1 3D numerical model of the head area of the Three Gorges Reservoir

依据三峡地区地震加密观测资料［7］和现代构造应力场的研究成果［8］，加载方案为:NE-SW向的主压应力为790 MPa，NW-SE向的主张应力为540 MPa。有限元模型采用三维线弹性模型，除约束部位外，每个节点有3个自由度。

2 计算结果分析

2.1 等效应力

等效应力用主应力表示为［9］:

朱守彪等［10］对汶川地震发生过程进行的有限元数值模拟结果显示，等效应力在空间分布上由地震前的分散状态逐渐向龙门山地区集聚并增大，空间上龙门山断裂带成为了等效应力积累单元。应力水平不断升高，直至超过摩擦极限，最终导致汶川地震的发生。吴建超等［11］研究认为，秭归县屈原镇Ms4.1地震发生在蓄水后等效应力高值区与大范围低值区的梯度带上，等效应力差值约为400 MPa。

2.2 数值模拟结果分析

根据巴东Ms5.1地震的震源深度，取Z=－5 km作为输出层，得到175 m水位下地壳5 km深度处等效应力场分布如图2。另外，为获得不同深度上等效应力场的分布情况，计算得到175 m水位下三峡库首区近东西向的等效应力场剖面图(图3)。

由图2可知，175 m水位蓄水之后，巴东、牛口一带的长江南北两岸出现了较大范围的等效应力低值区，大小约为300 MPa。在长江北岸，该低值区的展布方向为NE向，与高桥断裂的走向基本一致。由图3可以看出，等效应力值由地表至地壳深处逐渐增大，近似呈层状展布。值得注意的是，在高桥断裂、牛口断裂和九畹溪附近，等效应力值较断裂两侧围岩小，等效应力等值线向地壳深部弯曲汇聚，显示了蓄水后断裂带内部等效应力场较为明显的变化。结合该等效应力低值区附近的地质构造、地层岩性及深部地球物理场，我们认为该低值区与高桥断裂、牛口断裂、官渡口断裂、马鹿池断裂的围限作用有关，同时还可能与该区域的库水渗透有密切关系。

图2 175 m水位下巴东库段5 km深处等效应力场图(单位:Pa)Fig.2 Equivalent stress graph under 5 km depth in head area with 175 m water level(unit:Pa)

图3 175 m水位下三峡库首区上地壳等效应力剖面图(单位:Pa)Fig.3 Equivalent stress profile of the upper crust in Three Gorges head area with the 175 m water level(unit:Pa)

研究表明，对于蓄水环境下近库岸的正断层而言，断层的主应力降低，表明断层面的抗剪强度降低，等同于断层受到了促滑的加载作用;反之，主应力增大即表明抗剪强度增强，等同于断层受到促滑的卸载作用。值得说明的是，蓄水的加卸载效应在库区是交替出现的，而这种加卸载作用的交替出现最易在断层面上产生促滑诱震。

为分析等效应力场计算结果的可靠性，选择重力实测资料［1］作为验证，如图4所示。蓄水达175 m水位后，重力场在巴东-牛口以及香溪-茅坪之间存在正异常区，异常幅度达(20～30)×10－8m/s2，该重力异常区展布方向与水库走向一致。将等效应力计算结果与重力实测结果对比发现，本文计算得到的等效应力场结果与重力实测得到的异常区基本对应，且均分布于长江两岸约10 km范围内。另外，5 km深度处的剖面位于三维模型的中部，受底面边界条件影响较小，模拟结果具有较高的可信度。

2.3 等效应力场变化与巴东5.1级地震

图4 三峡库首区流动重力场异常［1］Fig.4 Gravity contour in the head area

将计算得到的175 m水位与蓄水前的等效应力值相减，并采用局部多项式插值，得到175 m水位下相对蓄水前的等效应力差值(图5)。

巴东Ms5.1地震的震中位于NE向高桥断裂南东侧约5 km处，该断裂为秭归侏罗系向斜的西北缘边界构造，长约50 km，倾向南东，倾角50°～65°，印支期以来左旋走滑约4 km。构造岩测年表明，该断裂第四纪早、中更新世曾有弱活动。此外，震中东侧约8 km处1979年秭归龙会观5.1级地震的发震构造一般认为是NNE向的牛口断裂。

图5 175 m水位相对蓄水前的等效应力差值与巴东Ms5.1地震(红色圆点代表巴东地震震中)Fig.5 Contour of equivalent stress difference between 175 m water level and before impounding(Red circle:the epicenter of Badong Ms5.1 earthquake)

如图5所示，175 m水位相对于蓄水前的等效应力差值在巴东、牛口和归州附近出现3个极大值区，其中以巴东至官渡口极值区的范围和量级最大。该极值区大致呈NE-SW向延伸，与高桥断裂的走向基本一致。在长江南北两岸各有一个峰值区单独封闭，极值区的等效应力差值由其中心处的约400 MPa向两侧逐渐减小。由图5可见，蓄水达175 m水位后，巴东Ms5.1地震就发生在巴东极大值区与牛口极大值区的梯度带上，该过渡地带等效应力变化显著，表明地震的孕育、发生与蓄水有关。

3 背景分析与成因探讨

根据震区地震构造背景、近震台站震源机制解确定的正断倾滑机制、蓄水工况下的构造模拟结果，毋庸置疑，巴东Ms5.1地震属构造型水库诱发地震。但主震有卓越频率偏低、竖向记录含脉冲等塌陷地震特征，这就很难用库水渗漏使断层面摩擦力下降诱发构造型水库地震来解释。

3.1 构造地质及水文地质背景

巴东Ms5.1地震与1997年秭归龙会观5.1级地震相距仅8 km，属同一地震构造单元，具有发生中强地震的构造背景。

地震发生于侏罗系秭归向斜的西北缘，地层岩性主要为三叠系下统灰岩，中统微晶灰岩、泥岩，上统砂岩、泥岩-页岩夹煤层，以及侏罗系下统泥岩、砂岩、页岩夹煤线和中统的泥岩、砂岩等，具备沿构造面发育较大规模条带状岩溶的条件。一个可供类比的证据是，与巴东Ms5.1地震震区的地质构造条件极其相似的湖北长阳清江巴王洞。巴王洞位于清江巴山峡之上、巴王沱之下，洞中可见沿构造(节理)面侵蚀的现象，高宽处数米至数十米，石笋上下连接形成一道道屏帘与支撑，溶洞沿构造面呈条带状展布，直线延伸部分达300余m。巴东地区大部出露碳酸盐岩地层，且构造裂隙发育，在震区东瀼口镇下方发育如巴王洞这样大规模的地下岩溶区是完全可能的。

此外，巴东Ms5.1地震的震中区附近发育一条自北向南的板桥河，距离巴东Ms5.1地震的微观震中仅1 km。板桥河流域面积约120 km2，大致在NE向高桥断裂的南东侧。晚白垩纪以来，震区地壳间歇性抬升，板桥河持续下切侵蚀巴东组软弱岩石，从而塑造了板桥河的峡谷地貌。巴东Ms5.1地震震区的地下水类型为碳酸岩裂隙溶洞水，暗河流量及泉流量较大、水位变化大，有利于岩溶发育。

由岩溶发育的一般规律可知，岩溶沿地下水流经途径发育，而断层往往是地下水最好的运移通道;褶皱形成的构造面及沿构造面生成含易溶物质(如膏盐)的破碎带，也是岩溶水流经、条带状岩溶区形成的理想场所。巴东主要受近EW的秭归向斜控制和牛口、官渡口、马鹿池等断裂围限，多见膏盐出露且有较长的采矿历史。所以，在巴东Ms5.1地震震区，断层、构造面与岩溶存在共生、伴生关系是可能的。

3.2 成因探讨

构造模拟分析表明，175 m水位下三峡库首区地壳表层构造应力场出现了复杂的调整，主要表现为等效应力沿近库岸断裂带降低，表明断层面的抗剪强度降低，等同于断层受到了促滑的加载作用;巴东Ms5.1地震发生在蓄水后等效应力巴东高值区与牛口高值区的梯度带上，说明地震与蓄水有关，一定程度上解释了地震的构造机制;但地震的塌陷机制得到震害调查与测震学分析的支持，也与震区构造地质、水文地质背景不矛盾。这样，现有的水库诱发地震类型很难解释这一地震序列。

综合以上分析研究，基于巴东Ms5.1地震的两个特殊性，一是既有发生中强构造地震的背景又有发生较大塌陷地震的条件，二是地震既有构造机制又有塌陷机制且难分主次，提出一种新的水库地震类型——构造塌陷型水库地震;其以构造机制为先导，以断层及构造面与岩溶共生伴生为基础，构造机制与塌陷机制互为因果、交替叠加而成震。

这一机制可以对巴东Ms5.1地震序列作出推测、解释:

1)地震以构造机制为先导，发震断层或构造面与一定规模的条带状岩溶存在共生、伴生关系。

2)先存的区域构造应力场叠加蓄水引起的局部构造应力调整，可能使断层产生小的位错而破坏岩溶支撑体系，或在沿构造面发育的岩溶区形成应力集中而造成塌陷，继而触发构造失稳倾滑，两种机制互馈、交替、叠加、共同作用而成震。

3)条带状岩溶对断层或构造面倾滑的影响，初期可能表现为促滑、引导，后期则可能表现为约束、障碍;地震波表现出的低频、松散、包络线不规整等塌陷机制现象与此有关。

4)主震后，在震源体应力调整平衡中产生了一系列的共轭破裂，便相继发生了16日Ms2.3和19日Ms2.5两次余震。这就是震源机制解彼此各异的合理解释。

4 结语

巴东Ms5.1地震与1979年秭归龙会观5.1级地震在许多方面存在差异，是由成震机理差异引起的。龙会观5.1级地震是一次典型的构造地震，而巴东Ms5.1地震是构造机制、塌陷机制、水库诱发机制的结合，在震害分布、测震学及地震序列方面表现出与构造地震不一致的特征。基于该次地震机理，我们提出一种新的水库地震类型——构造塌陷型水库地震类型。

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2 Chen Junhua，et al.Study on the focal mechanism of the Ms5.1 Badong earthquake in Hubei［J］.Geodesy and Geodynamics，2014，5(1):47 －54.

3 陈蜀俊.三峡库首区蓄水前后构造应力场数值模拟及地震危险性研究［D］.武汉:中国地质大学，2005.(Chen Shujun.Numerical modeling of tectonic stress field in the head area of the Three Gorges before and after reservoir impounding and studies on the seismic risk［D］.Wuhan:China University of Geoscience，2005)

4 陈蜀俊，等.三峡库首区蓄水前后构造应力场三维数值模拟研究［J］.岩石力学与工程学报，2005，24(2):5 612－5 617.(Chen Shujun，et al.Study on numerical simulation of tectonic stress field before and after reservoir impounding in the head area of the Three Gorges［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2005，24(2):5 612 －5 617)

5 陈蜀俊，姚运生，蔡永建.三峡库首区重点断裂围限区蓄水的加卸载效应［J］.大地测量与地球动力学，2006(4):97 －101.(Chen Shujun，Yao Yunsheng，Cai Yongjian.Loading and unloading of Three Gorges reservoir impounding on area defined by main faults of head area［J］.Journal of Geodesy and Geodynamics，2006(4):97 －101)

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10 朱守彪，张培震.2008年汶川Ms8.0地震发生过程的动力学机制研究［J］.地球物理学报，2009，52(2):418－427.(Zhu Shoubiao，Zhang Peizhen.A study on the dynamical mechanisms of the Wenchuan Ms8.0 earthquake，2008［J］.Chinese Journal of Geophysics，2009，27(3):97 －105)

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致谢 仅以此文献给恩师马瑾先生八十华诞!

BADONG Ms5.1 EARTHQUAKE:A NEW TYPE OF RESERVOIR EARTHQUAKE

Chen Shujun1)，Yao Yunsheng1，2)，Wu Jianchao1，3)，Chen Junhua1)and Cai Yongjian1，3)
1)Key Laboratory of Earthquake Geodesy，Institute of Seismology，CEA，Wuhan 430071
2)Wuhan Base of Institute of Crustal Dynamics，CEA Wuhan 430071
3)Institute of Earthquake Engineering of Wuhan，Wuhan430071

Simulating result of tectonic stress field in the upper crust under different water storage conditions for Badong Ms5.1 earthquake occurred in 2013 shows that this earthquake occurred in the gradient zone between the Badong and Niukou equivalent stress D-value zone which means that the Earthquake is related to the impoundment.The epicenter region possesses the tectonic background of moderately strong earthquake and the condition of massive stripped karst developed along a structure plane.The seismography data show tectonic and collapsed characteristic of the Earthquake.Comprehensive analysis suggests that Badong Ms5.1 Earthquake might give priority to tectonic mechanism.Regional tectonic stress was superimposed by the local tectonic stress state’s adjustment due to the impoundment.It might form stress concentration and collapse in the karst region developing along the structural plane.The collapse then lead to structure instable and slipping.The two kinds of mechanism feedback、alternate、superimpose and then the earthquake occurred.Therefore，the Earthquake is a new type of reservoir earthquake type—tectonic subsidence type.

Three Gorges reservoir area;Badong Ms5.1 earthquake;tectonic subsidencce type;earthquake;karst

P315.1;P315.72+8

A

1671-5942(2014)03-0001-05

2014-03-28

中国长江三峡集团公司科研专项(SXSN/3354)。

陈蜀俊，男，1965年生，研究员，博士，主要研究方向为防震减灾工程及防护工程。E－mail:Chen3122@126.com。