福建水口水库地震活动趋势讨论

许振栋 方传极 姚济棽

（1、福建省地震局平潭地震台，福建 平潭350400 2、福建省地震局南平地震台，福建 南平353000）

水口水库总库容2.6×109m3，面积约99.6[km]2坝高101m，坝前水深65m ，岩性为火山岩和花岗岩，断裂主要分布在水库地震集中区及其附近，有北东向湾口断裂，南北向的下双坑断裂，北西向闽江断裂等，水库于1993 年3 月31 日蓄水后诱发了频繁的地震活动，至2020 年9 月15 日共发生了ML≥0 级以上地震6021 次，其中ML≥4.0 地震4 次。1996 年4 月21 日震级为ML4.1 的地震是首次超过4 级的地震，2008 年3 月6 日震级为ML4.8 的地震是目前发生的最大地震，如图1 所示。

图1 闽江水口水库及邻近地区地震地质图

1 水口水库地震活动情况

据福建台网测定，水口水库自1993 年3 月31 日蓄水以来至今共发生0.0-0.9 级地震4221 次，1.0-1.9 级地震1546 次,2.0-2.9 级地震211 次，3.0-3.9 级地震39 次，4.0-4.9 级地震4次，最大地震为2008 年3 月6 日的ML4.8 级地震,如表1 所示。

表1 震级-频度关系（1993.3-2018.09）

地震活动大致可分为四个时段（图2）：

图2 水口库区ML≥0 级地震M-T 图

第1 时段为1993 年5 月至1996 年10 月；在该时段内共发生754 次地震，地震的频度和强度时起时落，以1993 年10 月12 日、1994 年1 月12 日、2 月23 日、3 月2 日和1995 年3 月12日、1996 年4 月21 日等所发生的地震为主要地震，均以群发型方式相对集中释放应变能，每次活动都伴有3 级以上地震发生。

第2 时段：经过两年半的平静期后，1999 年3 月至2000 年9 月为第2 时段的地震活跃期，发震形式与第1 时段相同，均以群发型方式相对集中释放应变能，在该时段内共发生440 次地震，其中3 级以上地震仅1 次，为1999 年11 月2 日发生的ML3.2 级地震。

第3 时段：2003 年3 月至2005 年12 月为水口库区地震的正常活动时段，在该时段共发生64 次地震，最大震级为ML2.7级，地震活动强度和频度明显低于第一和第二时段。利用b、U、K、ρ、h 等指标进行综合判断，第1、2、3 时段的地震活动均为前兆震群。

第4 时段：从2007 年9 月至2020 年9 月15 日，在该时段共发生4733 次地震，其中3 级以上地震24 次，最大为ML4.8级，次大的为2 次ML4.1 级，这一时段的地震的发震方式与第一时段地震的发震方式有些相似，由于库区地震不同于天然地震，它是因其局部应力调整而诱发地震，而水口库区又位于小震活动相对频繁的政和——海丰地震带中段，该段上具有发生中小震群的地质背景，因此库区第4时段的地震活动既可能是水库地震的发展，也可能是向构造地震的转变。

2007 年～2009 年水口库区ML4.0级以上地震活跃，地震能量得到了较大释放，之后水口库区地震强度水平和活动频次逐渐下降（图3、图4）。2010 年以来多次出现地震能量释放低值异常，目前虽有所会升，但低值异常有利于能量积累释放（图5）。2020 年7 月21 日，水口库区发生ML2.5 级地震，距离2017 年12 月4 日ML2.0 级地震已经平静快3 年（图6）。

图3 水口库区ML≥0.0 地震M-T 图

图4 水口库区ML≥0.0 地震年频次

图5 水口库区地震能量图

在2017 年度内该地区仅发生2.0 级地震1 次，出现该地区地震的异常平静，可以认为是该地区为未来发生较强地震而进行应力调整；从2007-2020 年度震级频度曲线显示该区域ML4.0 级缺震（图7）。

图7 水口库区震级频度曲线图

2 水口水库地震序列性质

本文引用研究构造地震震群性质的方法，采用多项指标探索性地对水库地震序列性质进行综合判断。根据能量释放均匀度U 值公式

U=T0.9∑/E/T

式中T0.9∑/E/T为一个震群序列中释放90%的应变能所需要的最短时间，T 为全序列所持续的时间,单位为d。

根据地震空间Wei bull 分布参数ρ值f（τ）=uτρ-1exp(-uτρ/ρ)

式中τ 为震群系列的地震时间间隔。根据地震归一化信息熵值公式

用最大似然法估算b 值

式中Mmin 为起算震级，M 为平均震级，△M 为震级的统计步长，通常为0.1，Mmin=M1-0.05。

根据上述4 个公式应用攻关软件对水口水库地震序列进行分时段（4 个活跃期）和全序列（见图2）计算，得出结果如表2。

表2 水口水库地震序列参数计算表

表中b-古登堡-里克特公式中的b 值；u-震群能量释放均匀度；ρ-地震空间Weibull 分布参数；K-震群归一化熵值；△M-最大与次大震级差值；E主/E总-最大地震（假定主震）能量与地震序列总释放能量之比。水口水库地震在二次地震活跃时段和正常活动时段以及全序列△M、E主/E总两个指标判断都表现为典型的震群序列性质。

根据表2 中b-u-ρ-k 组合参数判断，目前水库地震序列不论是分时段还是全序列（至2006 年10 月）都具有前兆性质，即到目前为止水口水库地震属前兆震群序列性质（但2002 年3 月至今这时段b 值上升较大，ρ 值下降较多）。

3 跨断层段水准场地数据分析

通过对水口库区周边的跨断层段水准场地数据进行分析，发现水库在发生4.0 级及以上地震时，场地数据变化幅度相对其它时段有较明显的高值现象，如2008 年3 月6 日古田4.8 级地震前在斜溪4-2、西塘5-2 和西瓜洲3-4 等场地出现高幅值现象，目前在斜溪4-2 和西塘5-2 两个场地又出现该项，认为后期应关注场地数及水口周边其它观测前兆观测资料的分析（图9）。

图8 水口库区跨断层场地分布图

图9 水口库区跨断层场地分布图

4 最大诱发地震时间的预测

水库从开始蓄水到初发震的时间与蓄水的速率有一定的关系[7]，最大的诱发地震一般在满库水位之后发生。杨清源等（1996）给出了Mmax＞3.0 级地震的水库蓄水、初发地震和发生最大地震的时间[8]。蓄水即发震的水库可能主要是岩溶引起地震，震源浅，所以蓄水即发震。蓄水后较长时间发震的水库地震震源深度较深，象斯林那卡水库地震震源深度为10km，这种地震可能是岩溶与断层构造等作用引起的。震中位于变质岩的水库从蓄水到发震时间较长，一般为6-7 年。而震中在火成岩的水库从蓄水到发震的时间介于可溶岩与变质岩之间。

关于从初发震到诱发最大地震的时间，有4 个6.0 级以上的水库震例：克里马斯塔水库为0.5 年、新丰江水库为3 年、柯依那和卡里巴水库均为4 年。克里马斯塔水库间隔时间短，一方面是因为它位于地震活动区，另一方面震中所在地区的介质是灰岩。在灰岩地区的水库，从初发震到诱发最大地震的时间只有广西大化水库和贵州乌江渡水库分别是11 年和12 年，震级分别是4.5 级和3.5 级，均属正常的弱地震活动背景范围之内。其余在灰岩地区发震的水库均不超过3 年。在花岗岩地区发震的水库最长为6 年,如阿斯旺水库。玄武岩地区最长是4 年,如柯依那水库。片麻岩地区的水库最长为6 年，象克拉克山水库。卡尤鲁水库蓄水后17 年发生最大地震，普卡基水库蓄水后21 年诱发最大地震，而从初发震到发生最大地震的时间均不超过6 年。因此，从初发震到最大诱发地震的时间在可溶岩地区一般最长时间为2-3 年。其它岩性地区的水库从初发震到发生最大地震时间最长是5-7 年。以上是以震中所在地区岩性不同的水库为例，研究了从水库蓄水到初发地震和诱发最大地震的时间，实际上这些时间间隔是库区内各种地质构造、断层、应力条件等综合作用的结果，以岩性区分只是使问题更为直观简明。根据上述分析可以得出：水口水库1993 年3 月开始蓄水，初发地震为1993 年5 月23 日，而库区的介质为火成岩与黑云母花岗岩，从初发地震到诱发最大地震的时间不会超过17 年。因此2008 年3 月6 日发生的ML4.8 地震即为最大的诱发地震。

5 结论

根据以上分析可以得出：水口水库所能诱发的地震最大震级在5 级以下，从初发震到最大地震的发生不超过17 年,也就是在2010 年5 月之前主震就应该发生，从已发生的地震序列显而易见，2008 年3 月6 日发生的ML4.1 级地震就是主震，主震已经过去了。

根据水口水库地震序列性质为前兆震群序列和地震活动特征可以得出：

水口水库地震活动将持续较长时间，地震活动水平仍会有起伏，但未来诱发大于4 级地震的可能性不大，从2002 年以来所发生的3 级以下地震活动属于水库诱发地震的正常活动。