三峡水库水体荷载变化对地壳形变的影响

孙伶俐,姚运生,蒋玲霞,魏贵春,王 慧,罗俊秋

（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.湖北省地震局,武汉 430071；3.宜昌地震台,湖北宜昌 443100）

三峡水库水体荷载变化对地壳形变的影响

孙伶俐1,2,姚运生1,2,蒋玲霞1,2,魏贵春1,2,王 慧2,3,罗俊秋1,2

（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.湖北省地震局,武汉 430071；3.宜昌地震台,湖北宜昌 443100）

为研究三峡水库水体荷载变化对地壳形变的影响,选取2001—2014年宜昌地震台的地壳形变潮汐与非潮汐参数进行分析,结果显示：原始数据分钟值、长趋势、潮汐因子、潮汐相位滞后等参数在三峡水库水体荷载变化过程中出现明显异常。地震前观测资料分钟值、长趋势出现异常：水管倾斜仪分钟值在秭归县屈原镇ML4.6级地震前4 h出现明显下降,N和S端下降量分别达23×10－3角秒、10×10－3角秒；洞体应变仪EW分量在巴东MS5.1地震前3月出现破年变转折,由压变张；潮汐分析结果显示异常：洞体应变NS分量潮汐因子在2001—2014年间出现阶段下降,2009年9月后,NS和EW分量潮汐因子发生同步异常变化（NS继续下降、EW小幅上升）。应变、倾斜的潮汐相位滞后在水位下降期和ML≥4.0级以上地震前均出现转向变化。

地壳形变；宜昌地震台；三峡水库；水体荷载；震前异常；潮汐分析

2015,32（12）：46－50

1 研究背景

长江三峡水库二期工程于2003年6月1日开始蓄水至今已有11 a历史[1］,蓄水期内水位短时迅速抬升,水体荷载快速增加。自初次蓄水至今,三峡水库重点监视区内发生ML≥4.0级地震5次,其中最大地震为2013年12月16日湖北省恩施土家族苗族自治州巴东县MS5.1地震。

2003年蓄水初期,微震活动对水位的快速上升具有及时响应的特点[2］,属于“迅速响应”型；随着库水的持续渗透,微震活动减弱,地震活动与水位的相关性变得不明显,区域应力作用凸显[3］,地震破裂方式有可能受控于已有断层构造的继续活动,局部孕震环境趋向复杂。

本文作者选取距三峡库区较近的宜昌地震台（简称宜昌台）2001—2014年形变观测时间序列,从连续、高灵敏度的倾斜和应变观测数据解算出能够反映局部介质变化与应力积累的潮汐因子等参数,结合几次中强地震前观测数据的异常表现,对水库蓄水过程中潮汐参数的异常变化进行归纳与总结,以期发现水库地震发生前定点形变学科中具有预测意义的方法和指标。

2 三峡库区水位及地震活动变化过程

2.1 三峡库区水位变化过程

2003—2013年间三峡水库水位消涨均有一定的时间规律。2000—2003年,蓄水前水位值保持在65.6～76.6 m范围内变化；2003—2006年在135 m以下变化；2006—2008年达到156 m,2008—2009年达到173 m；2010—2014年间完成175 m蓄水目标,后每年均于8—9月间开始蓄水,次年6月降至145 m。

2.2 地震活动情况

2001年至今,三峡水库重点监视区内发生中强地震5次（ML≥4.0）,蓄水前发生过的最大地震为2001年12月13日秭归ML4.1,蓄水后最大地震为2013年12月16日巴东MS5.1地震。2001—2014年三峡地区数次中强地震地理位置分布如图1所示。

将地震（ML≥2.0级）M-t图与水位变化对比,结果可以得到水库蓄水各时段最大发震震级、发震频次与水位变化[4］的相关规律,如图2所示。

（1）中强地震在水位下降时段较易发生,如2008年秭归屈原镇ML4.6级、2013年巴东MS5.1级地震、2014年秭归ML4.7,4.9级地震均发生在水位升至最高水位后的下降时段。

图1 2001—2014年三峡地区数次中强地震地理位置分布图（ML≥4.0）Fig.1 Layout of moderately strong earthquakes in the Three Georges reservoir area（ML≥4.0）from 2001 to 2014

图2 地震等级与水位随时间的变化（2000－01－01—2014－05－31,ML≥2.0）Fig.2 Variations of earthquake magnitude and water level with time

（2）地震发生频次随库水位升高而增强,高频次较为集中时段为2006年9—10月、2008年11月—次年6月,当时水位高度分别为156,173 m,地震活动受高水位控制明显。

（3）2010—2013年间,随着库水的持续渗透,地震活动水平较低,震中也比较分散,地震活动与水位的相关性变得不明显。

3 观测台址概况及仪器参数

宜昌台距黄柏河0.6 km,距葛洲坝6.4 km,距三峡大坝30 km。地质构造上位于上扬子褶皱带黄陵断块南缘,东南距北东向新场一古老背斜断裂带约20 km,西南距北西向天阳坪断裂30 km。北东距NW向雾都河断裂和NNW向远安断裂带分别为20 km和30 km。

宜昌地震台1983年建台,台站山洞进深200 m,台基为白垩系下统石门砾岩,岩石坚硬,胶结完整,洞顶覆盖厚度为29 m,洞温18.02℃,年变化小于0.2℃。宜昌台形变观测仪器2001—2013年以来持续观测时间长、运行稳定、产出资料质量高,连续率一直保持在99.9%以上；观测曲线固体潮形态良好,潮汐因子变化稳定,观测内精度持续保持在全国先进水平[5］；进行蓄水前后潮汐观测指标的量化对比分析,参与计算的数据为DSQ型水管倾斜仪、SSY洞体应变仪连续产出的分钟值和整时值,计算时间段为2001年6月1日至2014年5月31日。宜昌台现有形变观测仪器包括重力、水管倾斜、摆式倾斜、洞体应变、钻孔应变等多类仪器,如表1所示。水管倾斜、洞体应变类形变仪器的主要技术指标及参数如表2所示。

表1 宜昌台形变固定观测点在网仪器统计Table 1 Conditions of the operation instruments for measuring deformation at Yichang station

表2 宜昌台DSQ水管仪、SS-Y洞体应变仪主要技术指标及参数Table 2 Main technical indexes and parameters of water tube tiltmeter DSQ and strain gauge SS-Y used in caverns at Yichang station

4 宜昌台定点形变观测异常变化

蓄水期间,三峡重点监视区内的5次中强地震震时,宜昌台定点形变观测有明显同震响应,在2008年秭归ML4.6级、2013年巴东MS5.1级这2次地震震时出现阶跃、突跳,震前出现观测资料分钟值和长趋势破年变异常。

4.1 地震前分钟值异常变化

2008年11月22日秭归县屈原镇ML4.6级地震震前4 h,宜昌台水管仪的N和S单端值在12时40分出现同步下降,下降量分别为23×10－3角秒、10×10－3角秒,NS分量高差值－10×10－3角秒左右,如图3所示。据核实,此间无周边环境、人为干扰、仪器故障等因素干扰。异常出现时间与省台网宜都、兴山台的地震波形记录保持一致,地振动情况真实。此次异常现象与台点S端的仙女山、天阳坪断裂活动较为密切。

4.2 地震前长趋势异常变化

2013年巴东MS5.1地震前近3月,宜昌台洞体应变仪EW分量观测曲线于2013年9—11月出现破年变异常,从2013年9月1日出现转折,由原来的压缩变为拉张,背离以往的年变转折规律,如图4所示。台站其他仪器未出现同步趋势异常。异常核实后发现周边存在山体开挖施工影响,是否是地震前兆表现还需进一步深入研究。

图3 2008年秭归县屈原镇ML4.6地震前、后宜昌台形变观测曲线Fig.3 Curve of deformation observation at Yichang station before and after the earthquake（ML4.6）at Zigui county in 2008

4.3 原始观测曲线异常变化

图4 2013年巴东县MS5.1地震前后宜昌台形变观测曲线Fig.4 Curve of deformation observation at Yichang station before and after the earthquake（MS5.1）at Badong county in 2013

从洞体应变和水管倾斜原始观测曲线的长趋势变化可以发现（如图5所示）,洞体应变长趋势观测在水位上升期呈压性、下降期呈张性,与水体加卸载应力变化一致；水管倾斜在2003—2004年出现S-W负倾、2006—2007年N-E正倾变化。区域块体受三峡水库荷载影响引起的应力变化在曲线上有所反应。

图5 2001—2014年三峡水位与宜昌台形变观测年变曲线对比Fig.5 Deformations observed vs.time and reservoir water level vs.time at Yichang station：2001—2014

4.4 潮汐参数异常变化

采用Vinedikov调和分析方法,计算2001—2014年宜昌台倾斜、应变整时值观测数据,得到潮汐因子、潮汐相位滞后、潮汐速率变化时间序列,分析结果显示：线应变潮汐因子出现明显异常。

从图6可看出。洞体应变潮汐因子参数以2003年139 m、2008年173 m高水位为分界出现阶段式变化,NS分量潮汐因子值出现低值异常；在2008年秭归县屈原镇ML4.6级地震至2013年巴东MS5.1地震期间表现突出,均值从2009年9月前后发生变化,由原来的0.860 5降至0.660 0,减小23.3%；EW分量同步上升,增加3.6%。

图6 2003—2014宜昌台洞体应变仪年潮汐因子变化曲线Fig.6 Curve of variation of tidal factor measured by strain gauge at Yichang station：2003—2014

5 结论与讨论

三峡水库蓄水循环加卸载过程中,宜昌台定点形变长趋势观测与蓄水的阶段性加卸载具有对应变化；潮汐分析中潮汐因子值出现异常,应变δ值NS分量下降、EW分量上升；应变、倾斜潮汐相位滞后在水位下降期和中强地震前出现转向。水载荷效应对水管倾斜类潮汐参数影响不明显,两类仪器的采样频段、测量参数计算方法等指标的不同造成了这种差异[6］。

地球固体潮响应函数的变化往往是震源区及其邻近地区的地壳弹性特征发生变化的反映。潮汐因子值在震前出现低值异常变化的情况有很多,对固定台站来说,在正常情况下,实测与理论潮幅之比γ＝应保持稳定或2倍均方差范围内有限波动,而γ＝1＋k－h,k和h为表征地球物理特性的参数（勒夫数）,因此潮汐因子是具有物理意义且与震源各参数存在内在联系[6］。假设区域固体潮理论值σi0保持不变,有洞体应变NS的σi增大,EW的σi减小,则可推断变化方向上NS表现为张,而EW为压；量级上,以张性为主。

蓄水初期,在水渗透作用下,库区地下介质、裂隙、断层中的孔隙压持续增大[7］,微震活动受库水渗透影响明显,库水荷载产生的附加应力强度及作用范围有限,产生的变形为非永久形变,水的渗透作用改变了区域浅部介质密度分布。2005年11月后应变NS分量潮汐因子出现第1次下降、EW分量上升；2009年9月水库173 m二次蓄水期过后,出现了“地震活动平静”现象,微震活动并未随水位升高而增强,库区的孕震环境悄悄发生变化[8］,渗透的库水与断层构造、地应力环境结合,产生大范围的耦合作用,库水载荷局部作用通过断层、水头压力的变化逐步放大,区域受力发生改变,洞体应变NS和EW分量的潮汐因子同步出现异常。因此,宜昌台洞体应变的潮汐因子异常现象,是区域的内部介质密度分布和弹性特征发生变化的体现。随着蓄水过程的持续,还需密切跟踪分析库水对地壳形变和断层活动的影响。

[1]陈俊华,魏贵春,申学林,等.三峡水库蓄水前后三峡库区地震监测简介[J］.长江科学院院报,2010,27（5）：85－87.（CHEN Jun-hua,WEI Gui-chun,SHEN Xue-lin,et al.Introduction on Earthquake monitoring in Three Gorges Area before and after Impoundment of Three Gorges Reservoir[J］.Journal of Yangtze River Scientific Research Institute,2010,27（5）：85－87.（in Chinese））

[2]申学林,陈俊华,魏贵春,等.三峡水库巴东地区的介质变化分析[J］.长江科学院院报,2010,27（5）：92－94.（SHEN Xue-lin,CHEN Jun-hua,WEI Gui-chun,et al.Analysis of Media Variation in Badong Area of Three Gorges Reservoir[J］.Journal of Yangtze River Scientific Research Institute,2010,27（5）：92－94.（in Chinese））

[3]周 斌.水库诱发地震时空演化特征及其动态响应机制研究[D］.北京：中国地震局地质研究所,2010：17－21.（ZHOU Bin.Temporal and Spatial Evolution Characteristics of Reservoir-induced Seismicity and Its Dynamic Response Mechanism：A Case Study of the Zipingpu Reservoir[D］.Beijing：Institute of Geology,China Earthquake Administration,2010：17－21.（in Chinese））

[4]廖武林,张丽芬,姚运生.三峡水库地震活动特征研究[J］.地震地质,2009,31（4）：707－714.（LIAO Wulin,ZHANG Li-fen,YAO Yun-sheng.Characteristics of Seismicity in the Three Gorges Reservoir Area[J］.Seis-mology and Geology,2009,31（4）：707－714.（in Chinese））

[5]王 慧,孙伶俐,黄 仲,等.宜昌台观测资料质量与映震效果对比研究[J］.大地测量与地球动力学,2013,33（增）：85－90.（WANG Hui,SUN Ling-li,HUANG Zhong,et al.Comparative Study on Quality and Coseismic Effect on Digital Observations at Yichang Seismic Station[J］.Journal of Geodesy and Geodynamics,2013,33（Sup.）：85－90.（in Chinese））

[6]张 晶,牛安福,高福旺,等.固体潮汐参数变化与地震关系研究[J］.大地测量与地球动力学,2005,25（3）：86－90.（ZHANG Jing,NIU An-fu,GAO Fuwang,et al.Study on Relationship Between Earth Tide Parameters and Earthquake[J］.Journal of Geodesy and Geodynamics,2005,25（3）：86－90.（in Chinese））

[7]车用太,陈俊华,张丽芬,等.长江三峡工程库首区胡家坪MS4.1水库诱发地震研究[J］.地震,2009,29（4）：1－13.（CHE Yong-tai,CHEN Jun-hua,ZHANG Li-feng,et al.Study of the Reservoir-induced Hujiaping MS4.1 Earthquake in the Three Gorges Dam Area[J］.Earthquake,2009,29（4）：1－13.（in Chinese））

[8]陈蜀俊,姚运生,吴建超,等.巴东MS5.1地震——一种新的水库地震类型[J］.大地测量与地球动力学,2014,34（3）：1－5.（CHEN Shu-jun,YAO Yun-sheng,WU Jian-chao,et al.Badong MS5.1 Earthquake：A New Type of Reservoir Earthquake[J］.Journal of Geodesy and Geodynamics,2014,34（3）：1－5.（in Chinese））

（编辑：曾小汉）

Effect of Water Load Variation in the Three Gorge Reservoir on the Crustal Deformation

SUN Ling-li1,2,YAO Yun-sheng1,2,JIANG Ling-xia1,2,WEI Gui-chun1,2,WANG Hui2,3,LUO Jun-qiu1,2
（1.Key Laboratory of Earthquake Geodesy,Institute of Seismology of China Earthquake Administration,Wuhan 430071,China；2.Hubei Earthquake Administration,Wuhan 430071,China；3.Yichang Seismic Station,Yichang 443100,China）

In order to study the effect of water load variation in the Three Gorge reservoir on the crustal deformation,we used the observation data of crustal deformation of tidal analysis and none-tidal analysis at Yichang seismic station from 2001 to 2014,and there was clear evidence that original parameters such as the minute value,the long trend,tide factor and phase lag showed anomaly during the process of the variation of water load in the Three Georges reservoir.Anomalies of the minute value and the long trend data were observed before the earthquake；moreover,4 hours before the earthquake（ML4.6）in Quyuan town of Zigui county,the minute value of water tube tiltmeter declined significantly,and the amount of drop in north end and south end is up to 23×10－3,10×10－3angular seconds,respectively；at the time of 3 months before the earthquake（MS5.1）in Badong town,the EW component of hole strain gauge appeared to break the law of annual variation and changed from compression to tension；finally,tidal analysis results showed abnormal：the tidal factors of NS component of hole strain declined in phases from 2001 to 2014,and the change of synchronous anomalies of the tidal factors of NS and EW components took place in September,2009,in other words,data of NS component continued to fall and data of EW component rose slightly；adverse change of the tide phase lag of strain and tilt appeared in the period of water level's drop and before earthquakes（ML≥4.0）.

crustal deformation；Yichang seismic station；Three Gorges Reservoir；water load；anomaly before earthquake；tidal analysis

P315.725

A

1001－5485（2015）12－0046－05

10.11988/ckyyb.20140525

2014－06－27；

2014－09－15

中国长江三峡集团公司科研专项（SXSN/3354,3511）；中国地震局地震研究所所长基金（IS201546227,IS201226074）；中国地震局三结合课题（22004041804－6）；武汉市科技计划项目（2013060501010166）

孙伶俐（1977－）,女,湖北孝感人,工程师,硕士,主要从事地壳形变观测资料的分析研究、地震分析预测工作,（电话）027－65390352（电子信箱）sunll777＠sina.com。