三峡工程水库诱发地震研究概况

2020-08-13夏全梧

水利水电快报 2020年1期

夏全梧

摘要：长江三峡工程是当今世界上最大的水利枢纽工程，其库区地震研究一直受到有关各方的高度重视。在选坝勘测工作同时，即开展了工程区及外围的地震地质研究工作。1958年建立三峽地震监测台网并监测至今，1972年起开展综合性地震研究，20世纪80年代开展水库诱发地震专题研究，运用多种先进理论和方法对三峡水库诱发地震潜在危险性进行了预测。预测结果表明，三峡水库可能诱发的最大地震震级不超过5.5级，低于该地区本底地震水平。施工期进一步开展了地震、地形变、地下流体、主要断层活动性等方面的强化观测工作。三峡水库蓄水运行后地震活动的实际状况证明，水库诱发地震级别保持在前期预测的水平范围之内。

关键词：水库诱发地震;地震监测;三峡工程

中图法分类号：P315.28 文献标志码：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2020.01.006

文章编号：1006-0081（2020）01一0028一08

1 研究背景

水库诱发地震（Reservoir-Induced Seismicity，RIS）是指由于水库蓄水或水位变化而引发的地震[i-27。迄今为止，全世界发生水库诱发地震150余例，其中震级大于6.0级的有4起，分别为中国新丰江水库（1962年3月19日，M6.1）、位于赞比亚和津巴布韦边界的卡里巴（Kariba）水库（1963年9月23日，M6.1）、希腊克里马斯塔（Kremasta）水库（1965年2月5日，M6.2）和印度科伊纳（Koyna）水库（1967年12月10日，M6.3）。大于5.0级地震仅15例，大部分水库诱发地震是小于5.0级的中等地震和中小地震及微震，约占90%。在所有报道的水库诱发地震震例中，在地震地质条件、地震序列、震源机制、诱震机理等方面研究程度较高的，除了上述4个强震震例外，还有阿斯旺（Aswan）、马尼克（Manic-3）、努列克（Nurek）、奥罗维尔（Oroville）、蒙地赛罗（Monticello）、胡佛（Hoove）、乔卡西（Jocasse）等。通过研究以上震例，可对现行水库诱发地震危险性评价方法、水库诱发地震特征的认识、诱震机制理论及水库诱发地震预报方法和理论研究起推动作用[3-8]。

对水库诱发地震的研究，是从回答修建水库是否会诱发地震开始的，早期的文献主要集中于建库前后库区地震活动性与水位相关性方面，后续的研究基本上分为4方面：①水库诱发地震的地质学研究。主要研究库区及周围地质构造、断层、地震带以及水文地质、岩性、地应力场等，以期总结出易于诱发地震的库区环境条件;②地震学研究。主要为地震序列分析、震源机制，是目前研究最为深入、结果最为可靠的研究方向;③水库诱发地震的物理机制研究。包括概念模型、数学模型和数值模拟研究;④水库诱发地震危险性评价和预测方法研究[，“口。

2 三峡工程水库诱发地震研究历史

三峡水库诱发地震问题一直受到各界高度关注。在“积极准备、充分可靠、加强科研”的方针指导下，开展了工程区及外围的区域构造稳定性与地震活动性研究工作[11-17]。

2.1 建立三峡工程地震监测台网

在三峡工程选坝勘测工作的同时，对地震的研究也在同步进行。1958年9月，中国科学院地球物理研究所在三峡地区建立地震观测台网，这是我国首次为一项工程专门设立的观测台网。1959年9月，该台网移交三峡工程设计总成单位长江水利委员会（以下简称“长江委”）。长江委成立了三峡区勘测大队地震队，继续进行三峡地区弱震监测，为工程抗震设计和水库诱发地震研究搜集了大量的基础资料。三峡地震监测台网建立后，观测工作一直正常进行，每年均形成地震目录、分析报告、震中分布图等。图1为长江三峡工程数字遥测台网分布图。

2.2 综合性地震监测研究

20世纪70年代初以来，长江委地震研究部门除了继续进行地震观测外，还对库坝区及外围的一些主要断裂构造，特别是对坝址周围300km范围内的一些较重要的地震事件，以及地貌第四纪地质问题进行了研究考察。逐步开展了库坝区和邻近地区一些主要断裂的定点形变监测，对一些主要断裂的最新活动年龄进行测定（如仙女山断裂、九湾溪断裂、高桥断裂等）以及地形变监测研究。这些工作为三峡工程论证、可行性研究、初步设计提供了详实的基础资料，对区域构造稳定性和地震危险性提供了阶段性的认识和结论。

2.3 水库诱发地震专题研究

在三峡工程可行性研究报告和初设报告的审查过程中，区域构造稳定、水库诱发地震问题是专家们关注和争论较大的问题之一，因此国家组织了国家重点科技攻关项目，设立“长江三峡工程水库诱发地震问题研究”专题，由多家科研院所、大专院校联合攻关[18]。

为了监测坝址及库首区的地震活动，1987年5月至1989年11月，在三斗坪至香溪沿江和仙女山断裂上建立地震台网进行强化观测。观测台网由库首区沿江台网、仙女山断裂带监测台网和盐关小孔径台网3部分组成，经近2a的观测表明：

（1）坝址附近结晶岩体内，沿江段未记录到微震和极微震;

（2）1a半时间内，除周坪怀抱石煤矿附近出现地震外，未记录到沿仙女山断裂带发生地震;

（3）1a内在香溪北5km的盐关煤矿记录到2.5～1.3级微震和极微震1090次;

（4）在龙马溪至香溪一带记录到M_L0～2.5级地震120次，多数为小于1.0级地震。

调查分析认为：

（1）结合三峡台网近30a测震资料和强化观测资料，证明坝址附近确实未发现微震活动。

（2）周坪一带出现地震，可能是怀抱石煤矿开采所致。仙女山断裂带可能不存在构造地震带，强化观测未记录到断裂带内的地震。

（3）盐关附近有大量微震和极微震，局限在矿山附近1km²范围内，应为矿山开采诱发地震。

（4）龙马溪-香溪一带地震，亦与矿山开采、矿洞塌陷有关。

（5）过去记录的雨季在碳酸盐岩区发生的一些小震，可能与岩溶塌陷等有关。

为了解三峽工程库坝区的现今区域应力场，1989年在坝址区附近茅坪镇花岗岩体内，施钻深800m的钻孔，在该钻孔中进行了16段原地应力测量，同时还进行了孔隙压力、岩石渗透率、井径、井温等测量。数据显示其量级均较小，为与其他震例进行对比提供了资料。

2.4 水库诱发地震的深化研究

国家“八五”重点科技攻关项目中，再一次设立“长江三峡工程地壳稳定性与水库诱发地震问题的深化研究”专题，对奉节以下至坝址区库段地震潜在震源区进行了进一步厘定（见图2），对可能产生水库诱发地震的地段和强度进行了进一步研究预测（见图3）。针对三峡工程地震地质研究中存在的一些疑点，采用概率论方法对水库诱发地震的潜在危险进行预测和极近场地面运动研究，同时对深孔地应力测量进行了补充分析。

（1）通过穿越三斗坪坝址区长约330km的南北向人工地震剖面探测，并结合其他资料分析认为，沿长江一带分布的NNE和NW向重、磁异常是基底至上地慢拗陷与隆起的反应，不存在规模较大的NNE、NW-NWW向断裂。

（2）采用模糊聚类法和灰色聚类法，以全球71个资料较全的水库诱发地震震例为样本，得出结论：三峡库区花岗岩体内诱发地震的上限震级不超过4.0级，庙河一香溪河碳酸盐岩峡谷段和香溪一巴东碎屑岩库段不超过5.0级（见图3）。水库诱发地震对工程的综合影响烈度约为Ⅵ度[19-20]。

2.5 施工期地震强化观测和水库诱发地震专题研究

在对三峡工程遥控地震台网进行改造完善的同时，进行了三峡水库库首区小孔径强化地震观测。建立和完善了地形变GPS监测网、精密重力测量监测网和地下流体监测网络，并在水库初期蓄水前后进行了多次观测，取得了大量观测资料;同时，在施工期进一步开展了地震本底和水库地震预测研究工作，发布了《长江三峡三斗坪一奉节库段水库诱发地震报告》。夏金梧[21]综合地震地质条件、蓄水初期地震活动表现以及人工神经网络模型，预测秭归盆地高桥断裂附近诱发最大（极限）地震的震级为5.5级，较前人预测的5.0级增加了0.5级。

总体来说，我国对三峡水库地震问题已进行了大量的研究工作，与目前世界的研究水平基本同步。在工程还未开建之前建立地震监测台网用于长时间地震观测，这在全球范围较为罕见。

3 三峡水库蓄水初期的地震活动

根据水库诱发地震规律和长江干流及支流的分布情况，取奉节至三斗坪库段两岸约25km（φ30°40′～31°20′，λ109°30′～111°15′）的范围来研究三峡库区在水库蓄水后的地震活动情况。

3.1 地震活动与水库蓄水位的关系

三峡工程自2002年11月6日第二次截流后至2003年4月9日，坝前水位控制在69～70m范围内。2003年4月10日开始，水位缓慢上升，至5月24日达到80m。5月25日水库开始正式蓄水，至6月10日22：00蓄至135.00m，日均升幅3.24m。2003年6月11日至10月25日，水位在135m上下波动。2003年10月26日至11月5日，水位由135.5m上升至138.7m，之后水位在138～139m之间波动。在整个蓄水过程中，坝前水深增加约69m（见图4）。

由图4可见，在水库蓄水前，库首及邻区地震活动微弱、强度不大、频次较低，0.5级和1.5级以上地震活动年频次分别仅为25次和5次。随着水库水位的上升，地震活动频次也急剧上升，具体表现形式为：2003年5月25日至6月7日，库水位由80m上升至124m，长江两岸10km以内无地震活动;6月7日15：00在距长江库岸约1km的巴东火焰石发生一次ML2.1级地震：6月8日20：00水位上升至128.8m，当日无震;至6月9日05：00，巴东长江北岸的东瀼口一带突发密集性小震群，当天共记录到能定位的微震巧次，同时巴东地震台记录到M_L0级左右的极微震高达562次。之后，在库区水位上升到135m或在135m（初期4个月）和139m上下波动的过程中，库区地震活动频次也出现了起伏变化（见图5）。由此可见，水库蓄水后库区出现的高频次地震活动异常是由于水库水位抬升造成的，属于典型的水库诱发地震现象。

3.2 地震活动频度分析

表1为水库蓄水前3a和蓄水后3a库区地震活动频次统计。图5为月频次N-T图。从表1和图5可见，三峡水库蓄水后，库区地震活动频次有明显提高，但3级以上地震的频次与蓄水前相同。由此说明三峡水库诱发的地震活动均为3级以下的微小地震。

3.3 地震活动空间分析

蓄水前3a地震主要分布在3个地区（见图6）：①黄陵背斜与秭归盆地接壤的香溪河两岸（三间-香溪一带），虽然该区只有4次地震，但强度最大（2001年12月13日秭归贾家店MAO级）;②秭归的肖家坪至野花坪一带;③巫山的两河至双龙一带。水库蓄水后3a，地震活动除了保持在蓄水前的3个分布范围外，还增加了仙女山一九湾溪断裂展布区、长江沿岸的巴东宝塔河一巫山培石库段和兴山黄粮坪地区等3个新的地震活动区（见图7）。其主要特点是：①黄陵背斜与秭归盆地接壤的三闾-香溪一带，地震活动频次比蓄水前有显著提高，并与新形成的仙女山-九湾溪地震密集区构成了一个明显的北西向地震密集条带。②在蓄水前，巴东宝塔河-巫山培石库段地震活动较少，但在水库蓄水位由80m上升至128.8m以后，该区地震活动频发，该库段在约6个月内形成了宝塔河一麂子岩、东瀼口雷家坪、信陵镇火焰石、官渡口楠木园-培石等4个地震活动密集区（见图8）。随着地震活动的频次不断增加和各震区空间的逐步扩展，4个震区空间基本相连，形成了一个较大的地震活动密集库段，构成了三峡水库蓄水后地震活动的主体空间，其地震活动频次约占整个研究区的50%。③巫山两河-双龙一带，地震活动频次除了较蓄水前有所增加外，比较突出的一个特点是地震活动在空间上较以前集中，形成了一个密集成团的小区域。

根据上述地震区地震活动与水库蓄水过程的对应关系和各地区的地震活动特点分析，三峡水库蓄水后，引起地震活动有明显异常变化的地区是巴东宝塔河一巫山培石库段（含高桥断裂南西段）和香溪河的三闾-香溪库段两处。因此，可以判定这两个地区的异常地震活动，属于水库诱发地震活动。其他几个地震密集区还不能判定是水库诱发地震活动的原因是：仙女山一九湾溪断裂带附近在水库蓄水前就是三峡库区天然微震活动相对较多的地区，虽然在水库蓄水后出现过几次小震群，并在断裂带附近形成震中密集现象，但其震中均在蓄水前（20世纪80～90年代）已发生过矿震的矿区范围内，而且这些矿区不在库水影响范围内。因此，可以认为仙女山一九湾溪断裂附近出现的几次小震群可能属于采矿洞塌陷地震，不能判定是水库诱发的地震活动异常;巫山两河一双龙一带和兴山黄粮坪震区不在三峡工程水库影响范围以内，这两个地区出现的地震活动应属正常的天然地震。

3.4 地震活动强度分析

从图4和表1可以看出，三峡水库蓄水初期，地震活动绝大多数为M_L1.5级以下的微弱地震，自三峡水库蓄水至2006年3月31日止，在库首及邻区，共记录到能确定震中位置的地震事件有2223次，其中1.5级以下的地震有1954次，占总数的87.8%;3级以上地震仅3次;最大震级为2005年9月22日巴东东瀼口镇北M_L3.3级。蓄水初期4个地震集中地区见图8。

另外，三峡水库蓄水前天然地震本底的多年平均释放能量1.075×10⁶J;蓄水后3a共释放应变能9.0999×10⁶J，年均释放3.033×10⁶J，蓄水以来至今，年均释放能量为2.048×10⁶J。由此可见，三峡水库蓄水后，虽然在蓄水初期库区诱发了大量的地震活动，但绝大多数为M_L1.5级以下的微震。自2009年以来，虽然库区发生过几次规模较大的地震，最大为5.1级，但总体来看，三峡水库蓄水前后，地震活动的强度和年平均释放应变能量均处于同一水平。

4 三峡水库蓄水以来震级较大地震活动

自三峡水库蓄水以来，发生大于M4.0级以上地震共7次，其中最大5.1级，其特点见表2。

5 结论

（1）三峡工程历经了前期深入的区域地质构造背景和地震地质条件研究和长达50a的地震监测，积累了丰富的地震活动资料和信息，蓄水后地震活动实际状况证明，三峡水库诱发地震震级保持在前期预测的水平范围之内。

（2）三峡大坝处于黄陵背斜地质构造稳定、地震活动极其微弱的古老结晶岩地块内，大坝及主要水工建筑物抗震设防能力高，即使发生任何超出预测范围的水库诱发地震，也不会对大坝及主要水工建筑物的安全造成危害。

（3）经过几十年的不断研究，对三峡水库诱发地震活动特点和规律有如下基本认识：①在空间分布上，三峡水库诱发地震主要集中在库盆和距离库岸边3～5km范围内，少有超过10km。②主震发震时间和水库蓄水过程密切相关。③水库蓄水所引起的岩体内外条件的改变，随着时间的推移逐步调整趋于平静，因而水库诱发地震的频度随时间的延长呈明显的下降趋势;地震活动的强度和年平均释放应变能量在水库蓄水前后基本处于同一水平。④在水库蓄水初期，三峡水库诱发地震震级绝大部分是微震和弱震，监测和实地调查表明，其主要由浅表应力调整、岩溶及矿坑塌陷所引起。大于3.0的地震极少且明显滞后。大于3.0级的地震一般发生于断裂带附近，多由水库蓄水引发断裂构造活动引起。⑤震源深度极浅，绝大部分震源深度在3～5km，直至近地表。⑥三峡水库地震与天然地震相比，具有较高的地震动频率、地面峰值加速度和震中烈度，但极震区范围很小，烈度衰减快。

（4）对三峡水库诱发地震的持续监测和研究表明，其水库诱发地震的类型主要有构造型、喀斯特（岩溶）型、矿坑塌陷型及浅表微破裂型（浅表卸荷型）。

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（编辑：李晓壕）