珊溪水库地区三维构造特征与深部水库诱发地震环境研究

杨福平 赵理芳 余刚群 岑 超 周 昕

1 浙江省地震局，杭州市塘苗路7号，3100132 江苏华东八一四地球物理勘查有限公司，南京市石门坎102号，210014

珊溪水库大坝位于浙江省温州市文成县和泰顺县之间。大坝建设前，附近25 km范围内未记载到历史地震及现今地震，50 km范围内仅记载到3次3.5～4.0级历史地震及3次小于2.0级现今地震，地震活动频度低、强度小。2000-05珊溪水库蓄水，2002-07发生ML3.5震群，之后地震持续不断，2006年及2014年分别发生2次4.0级以上震群，最大震级分别达到4.6级和4.2级，最大影响烈度均达到Ⅵ度，造成很大的经济损失和社会影响[1]。

学者们对珊溪水库库区的断裂构造进行大量研究，以寻找地震发生的原因。马志江等[2]通过野外地质调查，认为双溪-焦溪垟断裂结构面利于库水下渗，破坏了应力平衡，从而诱发地震活动。钟羽云等[3]利用最小二乘法拟合发震断层面参数，认为珊溪水库地震序列是由NW向双溪-焦溪垟断裂右旋走滑的主破裂与NE向南浦-焦溪垟断裂、NW向东坑-章坑断裂、NEE向岩上断裂等多个次要破裂共同作用的结果。浙江省防震减灾“十三五”规划重点项目在珊溪水库库区布设18 km深反射测线，发现NW向双溪-焦溪垟断裂为一条规模较大的深断裂，断裂向深部延伸超过20 km进入中下地壳，是该地区主要的控制断裂，也是珊溪水库地震的发震断裂[4]。同时，项目在该位置布设长约16.2 km的大地电磁测深测线，获得该剖面的电阻率特征，进行地震构造解释，并初步分析地质构造与地震的关系[5]。

前人对珊溪水库库区断裂的研究主要集中在地表地质方面，仅能从面上对深部构造进行探测，缺少对深部构造的三维认识。地震精定位结果表明，珊溪水库地震沿双溪-焦溪垟断裂呈线状分布[6-7]，且地震的位置随时间发生变化，说明地下构造存在不均匀性。大地电磁方法对深部介质电导率变化反映最灵敏、分辨力最高，广泛应用于地震区深部孕震构造环境和断裂带内部结构探测研究[8-9]。本文在珊溪水库库区开展高密度三维大地电磁探测工作，以建立研究区的三维地质结构，确定深部构造特征并分析地下流体渗透特征，对珊溪水库地震发生的机理及深部构造孕震原因进行探讨。考虑到珊溪水库地震的震源深度均小于10 km，因此本次勘探深度确定为10 km。

1 地质构造背景及电阻率特征

1.1 地质构造背景

珊溪库区位于华南褶皱系浙东南褶皱带的温州-临海坳陷区南部，库区在太古代结晶基底上沉积巨厚的中生代火山碎屑及河湖相沉积[6]。珊溪水库地区构造以北东向和北西向断裂为主，其次为东西向和南北向断裂(图1)。库区及附近范围内共发育14条断裂，多为盖层断裂，主要位于上侏罗统火山岩及下白垩统火山沉积岩中，该区断裂以陡倾角逆断层、逆走滑断层为主[2]，断层规模较小，宽度多在10 m以内，长度均小于25 km，深度达5 km以上，切穿基底变质岩。北东向断裂带内挤压构造透镜体、劈理发育，形成于前中生代，破碎带剥蚀较浅，往往被北西向断裂切割。北西向断裂带内挤压构造透镜体、断层泥及片理发育，断裂形成于燕山晚期[3]。

1.2 电阻率特征

库区上侏罗统磨石山组火山沉积岩大面积分布；下白垩统河湖相碎屑岩及火山碎屑岩沉积分布于三维探测区东北和西南缘；第四系全新统冲积砂砾石沿飞云江河谷分布或发育在丘陵区。燕山晚期花岗岩在三维探测区东南出露，燕山晚期花岗斑岩岩脉穿插于三维探测区内外(图1)。

图1 珊溪水库地区地质构造及测点布设Fig.1 Geological structure and surveying points layout in Shanxi reservoir area

测定库区及周边地区采集的200余块岩石标本的电阻率，结果见表1。可以看出，白垩系、侏罗系和上古生界鹤溪群片岩呈低阻特征，三叠系、前震旦变质岩和花岗岩呈高阻特征。

表1 地层电阻率统计

2 数据采集与处理

2.1 野外数据采集

本次三维大地电磁探测布设范围为119.95°～120.07°E、27.61°～27.72°N，总面积70 km2，共部署21条测线，测线走向为北东向，方位角约为28°，线距500 m，点距250 m，物理点共609个(图1)。电法采用天然场源的大地电磁测深法，观测仪器为V5-2000型大地电磁仪，采集频率为320～0.000 55 Hz。电法数据共完成坐标点612个，平均观测时长为10.38 h，最长观测时长为23.3 h，最短观测时长为6.2 h，取得较高质量的数据，其中Ⅰ级品坐标点共531个，Ⅰ级品率为86.8%。

2.2 数据处理与解释

数据处理包括：1)采用多种技术试图从多方面消除资料中的干扰噪声；2)采用剖面与平面结合的方式进行静态校正。将预处理后的数据绘制成各种定性图件，结合测区地质及介质电性分布特征进行定性分析。通过多种反演方法[10]，将频率域的定性资料转换为空间域的定量地电断面，给出地下不同深度的电性参数，结合所掌握的地质资料和地质认识以及其他地球物理资料，给出合理的地质解释。

3 三维电阻率特征与地质解释

3.1 三维电阻率特征

通过数据处理和三维电法反演，获得研究区三维电阻率数据体(反演深度10 km)，三维电阻率特征显示，地下电阻率整体呈现低-高-低的3层电性结构(图2)。物性工作表明，研究区地层上白垩统、侏罗系和上古生界鹤溪群片岩分别呈现低、高、低的电阻率特征。低-高-低的3层电性结构与地层的对应关系为：浅部低电阻率层对应白垩系地层(K)及含地下水较多的侏罗系地层(J-1)；中部高电阻率层对应侏罗系火山沉积岩系(J)；下部低电阻率层对应上古生界鹤溪群片岩(Pz2hx)。

图2 三维电法数据体Fig.2 3D electrical data volume

断层在三维电法反演数据体上主要反映为因水体沿断裂带下渗，形成较两侧地质体电阻率相对更低的“低阻带”，不同特征的电阻率会出现异常分界线，即异常梯级带，此外还存在等值线扭曲和错断的现象。研究区断层延伸长，但宽度小，一般均小于10 m，因此在三维电法数据体上，断层更多地直接与“低阻带”相关。

3.2 三维构造特征

根据三维电法反演结果建立研究区地质三维模型(图3(a))。可以看出，研究区地下主要由3个地层组成，浅部为含水的侏罗系地层(J-1)，中部为侏罗系火山沉积岩系(J)，深部为上古生界地层(Pz2)。研究区东南侧被福首源花岗岩体侵入，而西山出露的辉绿岩和塘山西侧以及岩上与库岭之间的花岗斑岩由于规模较小，难以引起大规模的物探异常。因此，本文主要刻画福首源村周边花岗岩体的三维结构。福首源村北侧和西侧出露的花岗岩在研究区东南角连成一体，其上部被残留的侏罗系地层覆盖，岩体边界较陡。

图3 三维地质模型和三维断裂构造模型Fig.3 3D geological model and 3D fault structure model

结合本次大地电磁探测结果、地表构造资料[2]、地震研究结果[3]以及深反射解释结果[4]，确定研究区深部地震构造特征(图3(b))。从图3(b)中可以看出，研究区发育8条断裂(表2)，以陡倾角断裂为主，倾角一般大于60°。其中，f11-1为南西倾逆断层，f14为北西倾正断层，F3为南西西倾正断层，3条断裂组成向西南侧伏的三角形断块。

表2 研究区内主要断裂性质

4 地震活动与深部构造环境

4.1 断裂深部特征与地震活动

从地震震中与研究区断裂的位置关系来看，地震活动主要受双溪-焦溪垟断裂f11控制，与其他断裂关系较小(图4(a))。从图4(b)可以看出，地震震中从地表一直延伸至上古生界地层，但主要集中在侏罗系地层中。侏罗系岩性复杂，层次较多，根据岩性组合与接触关系可划分为4段，主要为流纹质晶屑凝灰岩夹砂岩、泥岩、炭质页岩或煤线、流纹岩、流纹斑岩等[10]。浅部侏罗系地层较为破碎，节理发育，具有较好的渗水性。中部侏罗系火山沉积岩系主要为上侏罗统c段含煤地层及下白垩统馆头组和朝川组河湖相沉积岩与火山岩，属于良好的隔水层，因此呈现高阻特征。虞永林[11]分析认为，透水层与隔水层组成阻塞的水文地质环境是诱发水库地震的重要水文地质条件。在渗水性地质体周围存在隔水层，可形成半封闭或近似封闭的阻塞系统，造成内外或两侧存在较大动水压力差，从而使积累的应变能沿断裂或其他软弱面释放而发生地震。研究区发震原理可能与此类似，地下水通过双溪-焦溪垟断裂向下渗透，形成封闭式阻塞系统，积累应变能而发生地震。

绿色等值面为J-1与J分界面，蓝色等值面为J与Pz2分界面图4 地震震中与研究区断裂位置关系Fig.4 The relationship between earthquake epicentersand fault positions in study area

钟羽云等[3]利用震源位置资料采用最小二乘法拟合得到发震断裂断层面参数为走向132°、倾向85°，与本次大地电磁法测得的双溪-焦溪垟断裂结果相当，基本可确定双溪-焦溪垟断裂为珊溪水库地震的发震断裂。综合本次研究结果及以往深地震反射结果[4]可知，双溪-焦溪垟断裂为一条规模较大的断裂，该断裂向深部切穿上地壳以及中地壳底界面直至下地壳。在断层两侧，上地壳底界面以及中地壳地层的产状特征变化明显，呈叠瓦状形式展布。双溪-焦溪垟断裂主要呈北西向，具备孕育中强地震的能力。

4.2 深部特殊构造与地震活动

从三维地质模型(图3)来看，f11-1、f14和F3断裂组成一个向西南侧伏的三角形断块，地震震中主要位于该三角形断块范围内(图5(a))，且震级较高(大于2.5级)的地震震中基本均位于其中。珊溪水库区震源深度统计结果表明，地震主要发生在-3 000 ～-5 000 m深度范围。因此本文对三维电法数据体进行水平切片，并将地震震中投影到-4 000 m水平切片上(图5(b))。由图可知，大量地震震中仍然集中在F3、f14和f11-1断裂形成的三角形断块内。

图5 地震震中与三角形断块位置关系Fig.5 The relationship between earthquake epicenters and position of triangular fault block

李祖武[12]认为，水库地震一般发生于活动断裂弧形拐点或几组构造线交会处，以及应力易于集中特别是张剪应力集中的特殊构造部位。研究区深部f11-1、f14和F3断裂形成三角形断块特殊构造，该构造位置可能为应力集中区，在沿f11“低阻通道”下渗的地下水作用下，较容易发生相对位移，这可能是研究区震级较高的地震震中基本位于其中的主要原因。

4.3 地震向东未穿过F2原因分析

从地震震中三维分布图可以看出，地震主要分布在F2断裂以西，向东不穿过F2断裂(图6)。研究区东南部为花岗岩体，该岩体具有高阻特征，裂隙较少、渗透性较差，为致密不含水岩体。该花岗岩在地表局部出露，在深部连成整体，仅在中间残留部分侏罗系地层，致密的花岗岩体会阻碍地下水沿f11断层向东渗透。另外，三维断裂构造结果显示，隐伏断裂f16和f10被F2和f7隔断。F2西侧f10为南倾正断层，而F2东侧隐伏断裂f16为北倾正断层(图6)，因此F2两侧构造体制发生了转换。

图6 地震震中与F2、f10、f16位置关系Fig.6 The relationship between earthquake epicenters and positions of F2, f10 and f16

据此分析，地震向东未穿过F2的原因可能有3点：1)飞云江向下游沿F2断裂往东北侧转向，双溪-焦溪垟断裂f11在F2以东部分地表无水体，缺乏大量水体沿断裂下渗的前提。2)由于存在致密的花岗岩体阻挡，西侧地下水无法沿断层向东渗透。3)F2两侧构造体制发生转换。F2可能起到阻隔诱发地震的地应力向东传播的作用，使得F2东侧的力学性质与西侧存在差别，因此不易发生地震。

4.4 流体渗透特征及与地震活动的关系

研究区内侏罗系地层主要表现为中高阻特征，主要流体为库水和地下水，近地表浅部由于降雨较多，地下水丰富，流体容易呈面状向四周渗透，造成浅部地层电阻较低。从三维电法数据体可知，整个研究区浅部均存在相对低阻层，岩体出露区浅部电阻率相比周边地层较高。

由于研究区内断裂宽度一般约为10 m，如无库水或地下水沿断裂下渗，则难以形成大规模的自地表向深部延续的低阻带。因此研究区地下流体的渗透特征在电阻率剖面和电法三维数据体上主要表现为在高阻体中夹持低阻带。为此，本文从三维电法数据体中提取研究区内规模最大，且自地表向深部延续的低阻带(图3(a))，即“低阻通道”，其基本可代表流体渗透通道。研究区“低阻通道”共有3处，分别为研究区西南侧程坑附近F3“低阻通道”、中部塘垄码头附近f11-3“低阻通道”和东北侧珊溪镇附近f15“低阻通道”(图3(b))。

将震中与“低阻通道”叠合发现，地震活动集中在中部f11-3“低阻通道”沿线，研究区西南侧F3“低阻通道”和东北侧f15“低阻通道”处并无地震活动(图7(b))。可见，“低阻通道”是地震活动形成的条件之一。

图7 地震活动与“低阻通道”关系Fig.7 The relationship between seismic activities and low-resistance channel

钟羽云等[13]研究发现，双溪-焦溪垟断裂在水库区塘垄码头附近出露一系列张裂隙，这些裂隙以竖向为主，基本与断层面平行，具有较好的连通性，容易导致库水向深部下渗。这与本次探测发现的f11-3“低阻通道”位置基本一致，该“低阻通道”导致地下水向深部渗透，降低了断层面上的正应力，从而诱发了地震。

对比“低阻通道”与不同期次地震震中发现，2006年地震震中基本局限在f11-3“低阻通道”及其西侧一定范围内。f11-3“低阻通道”作为现今研究区内规模最大的低阻带，是研究区内库水下渗最多的区域，也是最容易发生库水下渗的部位，早期地震应从该区域开始。前文已论述地震向东不穿过F2断裂，2006年地震基本集中在f11-3“低阻通道”及西侧，符合早期地震从最容易发生库水下渗区域开始的规律。

2006年以后，地震活动位置明显向西北侧移动，地震震中多集中在前文所述的三角形断块范围内，f11-3“低阻通道”周边的地震活动较少。2014年地震则进一步向西北侧移动，f11-3“低阻通道”周边仍有零星地震活动发生。该现象可解释为：库水从最容易下渗的f11-3“低阻通道”下渗，使岩体中孔隙达到饱和状态，增加了孔隙压力，降低了断层面强度而发生2006年震群。该次地震发生后，可能进一步产生向西的渗透通道，流体逐步向西北侧渗透迁移，地震活动也随之向西北侧移动。

5 结 语

本文首次采用三维大地电磁测深方法确定珊溪水库70 km2范围的深部精细三维地质及断裂构造，分析深部构造特征与地震的关系，研究珊溪水库诱发地震的深部构造环境，得到以下结论：

1) 利用大地电磁测深法对断裂的深部构造特征进行系统刻画，获得了研究区断裂深部的倾向、倾角、延伸方向和深度，确定了不同断裂之间的组合关系，建立了本区三维地质模型和构造模型，为研究地震与地质构造之间的关系提供了基础，同时新发现了f15、f16两条隐伏断裂。

2) 珊溪水库发生水库诱发地震的原因主要有3点：①双溪-焦溪垟断裂f11是一条规模较大的断裂，研究区具备水库诱发地震的构造条件。②研究区内存在“低阻通道”，具备渗透条件，有利于地下水向深部渗透，从而诱发地震。③库区地下存在特殊的三角形构造，该构造易发生地震。

3) 综合分析认为，地震向东未穿过F2的原因可能有3点：①飞云江向下游沿F2断裂往东北侧转向，双溪-焦溪垟断裂f11在F2以东部分地表无水体，缺乏大量水体沿断裂下渗的前提。②由于存在致密的花岗岩体阻挡，西侧地下水无法沿断层向东渗透。③F2两侧构造体制发生转换，使得F2东侧的力学性质与西侧存在差别，F2可能起到阻隔诱发地震的地应力向东传播的作用，因此不易发生地震。

4) 地下水沿“低阻通道”向西渗透是地震逐渐向西迁移的主要原因。对比2006～2014年不同期次地震震中的分布和“低阻通道”及电性结构的关系发现，早期库水沿最容易发生库水下渗的f11-3流体通道下渗，地震发生在f11-3流体通道及周边区域，随后流体自东南向西北渗透，库水下渗活动向西北侧迁移，地震活动也沿东南向西北方向呈现阶段性迁移。

从已发生的地震分布来看，地震沿f11段裂逐步向西迁移，但本次探测范围未包含f11断层西段，无法确定断层西段的地下三维构造特征，也无法确定地震是否沿着该断层继续向西扩展。如果能在西侧进一步开展三维探测，将获得整个珊溪地区三维地下地质结构及构造特征，对研究珊溪水库的深部构造环境及地震预报均具有重要意义。对于其他大型水库，如果能够在水库建成蓄水后立即开展类似探测，可为开展水库诱发地震预测预报提供重要的基础资料。