舟坝水库诱发地震震级预测

刘家豪,朱国维,周俊杰

(中国矿业大学，北京 100083)

1 引 言

水库诱发地震是水库蓄水后，引起库坝区及周围邻近的空间范围内的地震活动性显著改变的现象。据秦嘉政等在2009年的初步统计，已观测到的全球水库诱发地震的确切震例不超过150例[1]。在我国水库诱发地震历史上，影响最大的是1962年3月19日新丰江大坝附近发生的6.1级的地震，其震中离大坝仅1.1 km，震中烈度高达Ⅷ度[2]。水库诱发地震造成的破坏，使人民生命财产受到威胁。因此，有必要对水库诱发地震的危险性进行评估。

目前预测方法主要有定性和定量两大类。其中定性方法主要有地质环境类比法、震级上限方法[3]以及梁劳等用水库前震序列的高、低震级b值比值变化的异常，预测可能发生的地震的方法[4]。定量的预测方法主要有1982年G.B.Beacher提出的概率预测法[5]、模糊综合评判法[6]和综合影响参数法[7]。

综上所述，针对舟坝水库，采用类比法、概率统计检验法、综合影响参数预测法和两级模糊综合评判法，对水库诱发地震的震级进行了预测。

2 舟坝水库区地质环境

舟坝水库面积9.26 km2，最大坝高73 m，总库容2.02亿 m3，主要由马边河主库与支流洋溪河和凤村沟2个支库组成，库首最大水深62.4 m，库区以沉积岩为主。

与舟坝水库关系密切的褶皱主要为：新繁向斜、大窝顶—炭库场背斜、白果坝—榨鼓场向斜，见图1。①新繁向斜：发育于库区南段，为一略呈北东东向延伸向南弯曲的弧形褶皱。总长度大于43 km，产状平缓，倾角15～35°。②大窝顶—炭库场背斜：发育于库区中段，总体呈近东西向延伸，西端略向南西弯曲呈向北凸出的弧形，总长大于30 km。轴部地层产状平缓，倾角在5～10°。③白果坝—榨鼓场向斜：发育于坝址区附近，总体呈近东西向延伸，总长大于30 km。核部地层产状平缓，倾角在10～20°，翼部地层倾角多在10°左右，局部可达20°。

库坝区附近范围内发育的断层只有利店断层直接于库尾处切过马边河，与诱发地震有关。该断层北起峨边的五渡，向南经沐川的凤村、利店，至老鹰岩以南消失，总长度约50 km。五渡至风村段走向北西，凤村以南利店段平面呈舒展的反“S”形、走向近南北，断面西倾，倾角30～70°。断层北段发育在震旦纪一古生代地层中，南段发育在中生代地层内。该断层垂直断距100～200 m，水平断距400～600 m，显示左旋逆冲性质。破碎带宽数米至数十米，断层以脆性破裂为主，断面上有纤维状矿物生长，反映了低应力稳态剪切滑动特征，属于压性逆断层。

图1 区域构造纲要及诱震分区

3 诱震环境分区

诱震环境分区主要根据库坝区的岩性、断裂构造、水文地质结构面、与库水连通情况、岩溶是否发育等条件的差异性。根据这些诱震因素，舟坝水库库区可以划分为两个诱震环境区，即库首—罗锅滩区和罗锅滩—库尾区两个分区。

3.1 库首—罗锅滩区

该区以存在地表岩溶系统为主要特征，地质构造主要包括白果坝向斜及大窝顶—炭库场背斜，断裂构造不发育。地表出露三叠系须家河组含煤碎屑岩系、雷口坡组白云岩、白云质灰岩夹膏盐、碎屑岩层。该区主要的水文地质结构面为节理、裂隙、层间挤压带和地表岩溶系统，均为浅表水文地质结构面，导水深度不超过500 m。但由于洋溪河支库雷口坡组(T2l)灰岩分布区距坝址最近距离约2 km，水库蓄水后，最大水深约30 m，在水库正常蓄水位以下，洋溪河两岸尚发育有水平洞穴、溶井等。因此，该区浅表岩溶为主要诱震因素，诱震类型为岩溶型，而且岩溶发育深度浅，震级应当偏弱。

利店断层虽然通过库尾段，但向北切过洋溪河支库雷口坡组(T2l)灰岩分布区，正常蓄水位时，库水可沿岩溶管道向利店断裂带渗透，因此该区与利店断层破碎带间接沟通。

3.2 罗锅滩—库尾区

该区以发育利店断层，不发育岩溶，主要地质构造为新繁向斜和利店断层。地表出露侏罗系沙溪庙组—蓬莱镇组层状的砂岩、粉砂岩和泥岩，三叠系碳酸盐岩层大约在2 000 m以下，但岩溶不发育，无岩溶通道，可作为层状岩体对待。库尾处发育利店断层，其破碎带导水深度可达5 km，为主要诱震因素，诱震类型为构造型，发震深度在2 000 m以下的碳酸盐岩地层中，发震深度浅，震级应偏弱。

4 震级预测方法

4.1 地质环境类比法

将上述诱震分区分别与夏其发和汪雍熙[8]总结的地质环境类型进行比较。结合表1和各库段到大坝的距离、蓄水深度等因素综合考虑，从而定性评估各区段诱发地震的可能强度。

表1 水库诱发地震的地质环境类型

据表1，库首—罗锅滩区存在裂隙层状岩体裂隙岩溶岩体两种地质环境类型，故判定该区的发震强度为微震(M<3级)或弱震(3≤M≤4.5级)；罗锅滩—库尾区以断裂层状岩体为特征，发震强度为弱震(3≤M≤4.5级)或中等强度地震(4.5≤M<6级)。

4.2 概率统计检验法

采用八因子方案[9]对水库进行概率统计预测，八因子方案及其量化指标见表2。该方案选取了251座大型水库作为先验概率统计样本，其中未发震的是205座，占81.67%，发震的是46座，占18.33%。而各诱震因子的先验概率的取值，按五档预测目标，统计参数结果见表3。

表2 水库诱发地震因素及量化指标

表3 诱震因子不同状态发震概率统计

状态M1为强烈水库诱发地震(M≥6.0级)，对应的先验概率P (M1)=0.02；

状态M2为中等强度水库诱发地震(6.0>M≥4.5级)，对应的先验概率P(M2)=0.04；

状态M3为弱震(4.5>M≥3.0级)，对应的先验概率P(M3)=0.05；

状态M4为微震(M<3.0级)，对应的先验概率P(M4)=0.07。

该方案使用的统计检验模型为贝叶斯模型，其公式为：

(1)

式中，PMi/A表示预测对象水库或诱震环境区的一种诱震因素组合A条件下发生某一震级档Mi的概率；

Mi表示预测的震级档的类别(i=0，1，2，3，4)；

A表示各诱震因素的组合状态；

PA/Mi表示各不同震级档的的先验概率；

PA表示对应于某一诱震因素组合状态下的发震全概率，由下式计算：

(2)

在用统计检验法进行预测时，确定水库的各个诱震因子所属的状态，构成该预测的诱震因子状态组合。

库首—罗锅滩区的最大水深62.4 m，库水深度属D3，断层不发育，库区构造应力状况属走滑型属S3。岩石类型以层状岩体为主属G2，存在碳酸盐岩体，故属G3。地震活动频度较高，可将地震活动考虑为强烈，即E1。主要水文地质结构面的导水深度在500 m以内属FD3，深水地质结构面的导水深度大于0.5 km属FD1。但洋溪河支库可能与利店断层破碎带通过岩溶管道间接沟通，因此可考虑浅表水文地质结构面与库水直接接触属FC1和深水文地质结构面与库水间接接触属FC2这两种组合。岩溶发育程度强烈，属SK1，组合状态见表4。

表4 舟坝水库各诱震环境区诱震因素状态组合

罗锅滩—库尾区的库水深度属D3，库区构造应力状况属走滑型属S3。断层活动性为活动属F1，岩石类型存在层状岩体和碳酸盐岩岩体，属G2和G3两种类型。地震活动频度高，为E1类型。断层破碎带的导水深度可达5 km，水文地质结构面发育情况为>2 km属FD1。水文地质结构面与库水接触关系为直接沟通属FC1。岩溶不发育，属SK3，组合状态见表4。

根据上述八因子分类方案及其先验概率、统计模型和分区组合状态，分别计算各区每种诱震因素组合发生M0～M4五个震级档的诱震概率，结果见表5。

表5 水库统计预测检验计算结果

由于每个诱震因素组合都有五个震级档预测结果。确定哪一个震级档为该组合的预测值时，首先，确定发震与不发震。按保守原则，如果M0>0.8，判为不发震，取M0为预测值；如果M0≤0.8，判为发震，也就是保守地认为有20%的发震可能性，即认为该水库可能诱发地震，则取M1～M4中概率最大的一档为预测值。然后，在诱震区诱震因素组合的预测值中，取最高震级档为该区的预测值。

按上述原则判定库首—罗锅滩区可能诱震的最大震级为弱震M3(3≤M<4.5级)，为A3岩溶管道间接沟通利店断层并于碳酸盐岩中发震的组合条件，因此，仍属岩溶型地震。

罗锅滩—库尾区可能诱发的最大震级为中等强度水库诱发地震M2(4.5≤M<6级)，为B2碳酸盐岩层岩溶不发育及活动断层深水文地质结构面组合条件，故应属构造型地震。

4.3 综合影响参数预测法

常宝琦和梁纪彬[7]把E以及最大库深Hmax都视为随机量，用37个震例经过模式识别的分类判别后分为两组(第一组M≥4.5的21个震例，第二组全部37个震例)，对六种不同关系进行了的回归分析，采用

Ms=-4.725 1+1.196 2E+1.242 0 lnHmax±0.511

(3)

式中E=S·Hmax/V，式中S、H和V分别为水库水域面积(km2)、最大水深(m)和库容(106 m3)。

上式在正态分布假设下，有84%的把握使预测震级的精度在半级左右，其精度也是工程要求的。

根据水库资料可得，S为9.26 km2，Hmax为62.4 m，V为2.02×108 m3。得E等于2.861，ln(Hmax)=ln62.4=4.134。代入上式后得Ms=3.83，考虑回归标准偏差为0.511，可知Ms为3.3至4.3级。

4.4 两级模糊综合评判法

两级模糊综合评判法[10]是把水库诱发地震的有关因素视为不等权，各因素的状态见表6。

表6 诱发地震因素及其状态

此法的评判模式表示为:

(4)

式中，M大表示诱震震级M>5级，M小表示诱震震级M≤5级，M0表示不诱震。b1、b2、b3分别表示发生5级以上、小于5级和不产生诱发地震的隶属度。E为综合影响参数(即代替D和V)。A为4个诱震因素的权。Ae、As、Af、Ag为因素的权向量，Re、Rs、Rf、Rg为各因素状态的关系矩阵。

根据有关专家的测算确定的各诱震因素及其状态的权[10]，并利用提供的数据，即:

A=(0.4,0.25,0.15,0.2)

水库综合影响参数E值分2种状态，即E1≥3.7，E2<3.7。本次研究的水库综合影响参数E=2.86，应取E2。两个诱震分区的各个诱发因素状态为库首至罗锅滩区是e2(d3，v3)、s3、g1，罗锅滩至库尾为e2(d3，v3)、s3、f1、g1。

按式(4)，经计算库首至罗锅滩区得:

按式(4)，经计算罗锅滩至库尾得:

注:以上+号和÷号表示查德记号，o号表示复合运算，取(×，+)一对算子。

经过计算两个诱震分区发M小(≤5级)的隶属度最高，而不发震(M0)的隶属度最低。

5 结 论

综上所述，4种预测方法所得结果如下：采用地质环境类比法预测得出库首-罗锅滩区发震强度为微震(M<3级)或弱震(3≤M≤4.5级)；罗锅滩—库尾区发震强度为弱震(3≤M≤4.5级)或中等强度地震(4.5≤M<6级)。用概率统计检验法得出库首—罗锅滩可能诱震的最大震级为弱震M3(3≤M<4.5级)；罗锅滩—库尾区可能诱发的最大震级为中等强度水库诱发地震M2(4.5≤M<6级)。综合影响参数E预测最大震级为Ms3.3～4.3。根据两级模糊综合评判法发生M≤5级的隶属度最高。为得出两个分区的整体水平情况采用平均值为预测的最大震级。考虑到库首—罗锅滩区的诱震类型为岩溶型，而且岩溶发育深度浅，震级应当偏弱，为3.0～4.3级之间较为恰当，取3.7级做为预测的最大震级；罗锅滩—库尾区诱震类型为构造型，发震深度浅，震级应偏弱，在4.0～5.0级之间，取4.5级为预测最大震级。