丹江口水庫誘發(fā)地震研究

1、文章編號 :167125942 (2003) 0120103204丹江口水庫誘發(fā)地震研究王清云高士鈞(中國地震局地震研究所 ,武漢 430071)摘要丹江口水庫由漢江 、丹江兩個庫段組成 。在丹庫的峽谷灰?guī)r地帶 ,斷裂 、節(jié)理發(fā)育 ,利于水的滲透和循環(huán) 。1967 年 11 月蓄水后 ,隨水位的增加 ,地震活動增加 ,且震級由 m s < 2 . 5 上升到 m s = 4 . 7 ,并在丹庫的峽谷附 近形成北北西方向延伸的 3 個地震密集區(qū) 。地震頻度 、強度與水位 (庫容) 變化有一定的相關(guān)性 。預測二期工程蓄水后 ,仍將產(chǎn)生誘發(fā)地震 ,其最大強度為 m s 5 . 0 。關(guān)鍵詞丹江

2、口水庫 誘發(fā)地震 二期工程 地震預測中圖分類號 : p553文獻標識碼 :aresea rc h of i nd uced ea rthqua ke at d a nj ia ngko u reservoirwang qingyun and gao shijun( i nst i t u te of s eis m ol ogy , cs b , w u ha n 430071)abstractthe danjiangko u reservoir is co mpo sed of t wo part s , t he dan river and han river reservoirs.in

3、t he go rge dist rict of t he dan river reservoir ( t he limesto ne area) f ault s and joint s are well2developed and t heyare f avo urable to t he per meatio n and circulatio n of water . af ter impo unding in november 1967 , t he seismicity has increased wit h t he rise of water level . the eart h

4、quake magnit ude in t he past years ro se f ro m m s < 2 . 5 to m s4 . 7 and t hree eart hquake clustering areas , sp reading in t he n n w directio n fo r med near t he go rge dist rict oft he dan river reservoir . the f requency and intensit y of t he eart hquakes are co rrelated wit h t he cha

5、nge of water level in t he reservoirs. it is estimated t hat af ter impo unding in t he seco nd engineering stage t he reservoir induced eart hquake will occur again ,and maximum magnit ude may reach m s5 . 0 .key words :danjiangko u reservoir ,induced eart hquake ,t he seco nd engineering stage ,ea

6、rt hquake p redictio n111 . 6 m ; 正常蓄水位 170 m ,壩前水深 90 m ,庫容290 . 5 億 m3 , 水面積 1 050 km2 。本文依據(jù)多年來 已有資料 ,扼要地介紹庫區(qū)蓄水后引起的地震活動 特征 ,并結(jié)合庫區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造環(huán)境條件 ,探討水庫蓄 水與地震活動的相關(guān)性 ,分析二期工程蓄水后可能 誘震產(chǎn)生的場所和最大地震強度 。引言丹江口水庫是我國的大型水利樞紐工程之一 ,水庫跨越湖北 、河南兩省 3 縣 。一期工程大壩全長249 m ,壩頂高程 162 m ,大壩高 97 m ; 正常蓄水位157 m ,壩前水深 77 m ,庫容 174 . 5

7、 億 m3 ,相應水面 積 745 km2 。二期工程壩頂高程為 176 . 6 m , 壩高1收稿日期 :2002 - 10 - 03作者簡介 :王清云 ,1946 年生 ,高級工程師 ,長期從事地震地質(zhì)和水庫誘發(fā)地震研究工作襄盆地相接壤 。主要由元古界片巖 、震旦系至石炭系碳酸鹽巖類 、白堊 - 第三系碎屑巖等組成 ,形成一 系列北西西向緊密線狀褶皺和斷裂 ( 帶) ,其中主要有均鄖斷裂 (帶) 、漢江斷裂帶 、金家棚斷裂 、上寺斷裂 、陳莊 - 唐山斷裂等 。北西西向和秦嶺緯向構(gòu)造 帶 (南緣) 形成時間較早 ,主要由大型復式褶皺和斷 裂系統(tǒng)組成 (圖 1) 。以漢江和上寺斷裂為代表的具

8、 有多期活動的斷裂 ,橫貫全區(qū) ,切割和控制白堊 - 第 三系紅層 ,它們早期主要以壓性 - 壓扭性活動為主 ,晚期則多呈張性或張扭性活動 ; 垂直水平位移比較明顯 ,多為傾向滑動或走向 - 傾向滑動型 。如上寺 斷裂 ,中更新世以來 ,斷距為 4050 m ,其中以早更新世 活 動 最 強 烈 , 晚 更 新 世 以 后 斷 裂 活 動 減 弱 。而 走 向 3 0 0°的 陶 岔 第 四 紀 斷 層 , 除 切 穿 第 四 系(q2 + 3 ) 外 , 還切入下伏基巖 ( o2 + 3 ) ; 斷層的垂直和較為顯著 ,表現(xiàn)為地貌反差明顯 。丹江口以西為上升山區(qū) ,發(fā)育有兩級夷平面

9、和多級河流階地 ,漢江中 “v”形谷 、孤山多見 ; 東部南襄盆地與丹江庫段毗鄰 ,接受近 3 000 余米下第三系和 100 余米的第四系粘土層沉積 。在王崗一帶并有第四系粘土層組 成的近南北走向的“丹唐分水嶺”。第四系地層和盆地中北北東走向的隱伏褶皺 ,顯示新華夏系構(gòu)造控 制 ,反映了 近期應力作用方式以北西西向擠壓為主 。庫壩區(qū)水文地質(zhì)條件較為復雜 ,在峽谷地帶的 灰?guī)r中 ,有多組斷裂交叉 ,節(jié)理密集 ,將巖層切割成網(wǎng)格狀 。特別是在宋灣地區(qū) ,有北西 - 北北西走向 的陡傾角 、規(guī)模不等的數(shù)條平行斷裂 , 其間夾有寬50100 m 的巖石破碎帶和火成巖體 ,破壞了巖層 的完整性 ,有利

10、于庫水的滲透和循環(huán) ,可構(gòu)成地下水 循環(huán)通道 ,這些便是宋灣地震活動的基礎 。在羊山和朱連山灰?guī)r地帶 , 沿斷裂破碎帶和層面 , 巖溶發(fā)育 ,連通性好 ,形成了一系列落水洞 、漏斗和溶洞 ,這 些都是巖溶裂隙水活動的結(jié)果 。強巖溶帶厚 100 m以上 ,透水性強 ,滲透系數(shù) k = 2228 m / d ,平均吸 水量 0 . 20 . 7 l / min ,這些與林茂山和涼水河地震 活動有一定聯(lián)系 ?？傊?,庫區(qū)內(nèi)第四紀以來 ,西部大幅度上升 ,東部下降 ,丹江水庫恰位于山區(qū)與平原的轉(zhuǎn)折處 。庫 區(qū)內(nèi)發(fā)育多組斷裂 ,其地震活動主要與近南北和北西走向的破裂關(guān)系較為密切 。地震活動據(jù)歷史記載 ,

11、從公元 16 世紀到 1959 年 ,庫區(qū)所 在的淅川 、均縣 、鄖縣和鄰近的內(nèi)鄉(xiāng) 、鄧縣 、光化縣共 記錄到 ivv 度的地震 43 次 。丹江口水庫自 1967 年 11 月蓄水至 2001 年 12 月 ,丹江臺網(wǎng)共記錄到庫 區(qū)內(nèi)大小地震 800 余次 ,其中 m l 1 . 0 地震 200 余 次 , m l 2 . 0 地震 80 多次 。較大的地震活動主要 有 3 次 , 即 1972 年林茂山 3 . 5 級 ( m s) 地震 、1973 年宋灣 4 . 7 、4 . 2 、4 . 6 級 ( m s) 地震群以及 1977 年涼 水河 3 . 8 級 ( m s) 地震 (

12、 大壩強震儀被觸動) 。誘發(fā) 地震的發(fā)生除與地質(zhì)構(gòu)造環(huán)境條件有關(guān)外 ,主要與 庫水位 (庫容 、水深 、面積等) 的升降變化有明顯的正 相關(guān) ,屬典型的水庫誘發(fā)地震 。誘發(fā)地震活動主要 分布在丹江庫域 10 km 范圍內(nèi) ,震中逐漸向水邊遷 3圖 1 水庫區(qū)地質(zhì)略圖fig. 1 geological sketch of t he reservoir regio n1 . 第四紀 :沖洪積層 2 . 上第三系 :紅色碎屑巖建造 3 . 白堊至下 第三系 :紅色碎屑巖建造 4 . 泥盆至石碳系 :主為碎屑巖建造 5 . 奧陶系 :主為碳酸鹽建造 6 . 寒武至志留系 : 碳酸鹽和泥質(zhì)頁巖 建造 7

13、 . 震旦系 :主為碎屑碳酸鹽和變質(zhì)砂巖建造 8 . 寒武至奧 陶系 :主為碳酸鹽建造 9 . 震旦至寒武系 : 主為碳酸鹽建造 10 . 元古界 :變質(zhì)付片巖和變質(zhì)火山巖 11 . 基性巖脈 12 . 地層分界 線 13 . 紅層分界線 14 . 水域邊緣 ( 海拔 170 m) 15 . 推測斷層16 . 壓性為主的斷層 17 . 張性為主的斷層 18 . 剪性斷層 19 . 壓 扭性斷層 20 . 大壩高士鈞 ,陳永成. 漢江丹江口水庫地震活動性與地震地質(zhì)報告.中國地震局地震研究所 ,1974 . 12移 ,明顯形成 3 個地震密集區(qū) ( 宋灣 、林茂山 、涼水河) ,其震源深度一般 4

14、9 km ,震中最大烈度為 度 。蓄水后地震年平均發(fā)生率 ( m l 2 . 5 地震) 是 蓄水前的 3 . 6 倍 , 地 震 能 量 年 釋 放 率 為 蓄 水 前 的300 倍 ,顯然能量大的地震增多了 ,地震最高烈度 度 ,超過了蓄水前的 度 。表 2 1973 年 11 月 29 日宋灣地震ta b. 2 para meters of song wan earthqua ke on nov. 29 , 1975震源深度( km)時 間m s震中位置震中烈度11 月 29 日21 h36m39s11 月 29 日22 h15m12s11 月 30 日04 h17m53s12 月 4

15、日17 h00m30s東經(jīng) 111°31北緯 32°53東經(jīng) 111°31 北緯 32°53東經(jīng) 111°31 北緯 32°53東經(jīng) 111°31 北緯 32°534 . 79v i i地震的時空分布 蓄水后 ,地震活動大致經(jīng)歷了下面幾個階段 :(1) 1967 年 11 月蓄水至 1969 年 8 月 ,水位低 于 130 m 高程 ,庫區(qū)沒有 m s 1 . 2 的地震活動 。(2) 1969 年 9 月至 1971 年 10 月 ,當庫水位由130 m 上升到 145 m ,從 1970 年 1 月起庫區(qū)內(nèi)接

16、連 發(fā)生 m s = 1 . 23 . 1 地震 20 余次 ,開始形成蓄水后的第一次地震活動高潮 ,但震中主要集中分布在庫 區(qū)周圍 。(3) 1971 年 11 月至 1972 年 4 月 3 日 ,水位達 到 150 m ,地震震中逐漸向林茂山和宋灣兩個灰?guī)r的峽谷區(qū)收縮 ,形成兩個地震密集區(qū) ,地震在這兩個區(qū)域交替發(fā)生 ,并于 1972 年 4 月 3 日在林茂山發(fā)生 了 m s = 3 . 5 地震 。(4) 1972 年 4 月至 1973 年 9 月 ,水位由 150 m 下降到 1973 年的低水位后又急劇上升 ,地震活動主 要集中分布在林茂山峽谷區(qū)內(nèi) ,宋灣 帶比較平靜 。(5)

17、 1973 年 10 月以后 ,水位急劇上升到歷年最 高水位 157 m 高程 ,并又急劇下降 ,于 1973 年 11 月29 日在宋灣發(fā)生了 m s = 4 . 7 、4 . 2 、4 . 6 主震地震 群 ,這一時期 ,林茂山比較平靜 。(6) 1977 年 6 月以前 ,由于持續(xù)幾年的低水位 , 庫區(qū)內(nèi)地震較平靜 ; 1977 年 6 月以后水位由 134 m 左右急速上升到 143 m 時 ,速率為 6 . 52 m / 月 ,于1977 年 8 月 6 日在丹江庫區(qū)內(nèi)的涼水河發(fā)生 m s =3 . 8 地震 (距大壩僅 10 余 km) ,震中烈度 度 ,壩體 內(nèi)強震儀被觸動 ,副

18、壩受損 。以上幾次較大地震的震源深度較淺 ,一般小于10 km 。3 . 14 . 294 . 693 . 69表 3 1977 年 8 月 6 日涼水河地震ta b. 3para meters of l iangshuihe earthqua keon aug. 6 , 1977震源深度( km)時 間m s震中位置震中烈度8 月 6 日00 h01m25s東經(jīng) 111°31北緯 32°433 . 89利用 40 多個地震臺記到的 p 波初動 ,得出宋灣m s = 4 . 7 、4 . 2 、4 . 6 地震的震源機制解 ,顯示這些地震的節(jié)面和應力主軸完全相同1 ,2 (

19、 見表 4) 。宋灣 地震的節(jié)面 i 為斷層面 。表 4 宋灣地震震源機制解focal mecha mism solution of song wan earthqua keta b. 4節(jié)面沿節(jié)面的剪切力應力主軸名稱ptn走向傾向 傾角328° 50° 320°北東 北西68° 70° 20°58°99°9°196°22°2°30°60°水位 ( 庫容) 與地震頻度 、強度的相關(guān)性 當庫水位上升到 135 m 高程時 ,開始出現(xiàn)明顯 的地震活動 ,隨水位

20、的繼續(xù)增高 ,地震頻度和強度也 相應增加 , 三者具有很好的同步性2 。從 1969 年12 月到 1974 年底有 6 次高水位 , 分別與地震活動 的頻度和能量的 6 個峰值相對應 。一般頻度峰相對43 . 2主要地震的基本參數(shù)幾次較大地震的基本情況列于表 13 。表 1 1972 年 4 月 3 日林茂山地震tab . 1 parameters of linmaoshan earthquake on apri. 3 ,1972震源深度( km)時 間m s震中位置震中烈度庫容峰有明顯的滯后 ,這種滯后現(xiàn)象在蓄水增加緩4 月 3 日00 h54m04s東經(jīng) 111°38北緯 32

21、°353 . 59 高世鈞 ,陳永成. 漢江丹江口水庫地震活動性與地震地質(zhì)報告.中國地震局地震研究所 ,1974 年 12 月.吳翼麟 ,高世鈞等. 漢江丹江口水庫地震活動 ,1975 . .誘發(fā)大量的小地震 ,爾后才有較大的地震發(fā)生 。地震頻度的變化與水位 ( 庫容) 的變化密切相 關(guān) 。計算得到從 1970 年 1 月到 1974 年 12 月 m s 0 . 6 地震頻度與庫容的相關(guān)系數(shù)為 0 . 73 ,相關(guān)函數(shù)為 n = 0 . 2 v - 13 . 5 ( v 為庫容) 。斷裂帶為一壓扭性多期活動的深大斷裂 ,一般寬 1015 m ,最寬達 40 余米 ,斷裂破碎帶寬 1

22、0100 m ,沿斷裂帶廣泛分布多種火成巖 ,紅色盆地呈串狀分 布 。斷裂帶所切割的地層 ,北側(cè)主要為震旦系 - 寒武系碳酸鹽類巖石 ,而南側(cè)則為元古界武當片巖系 。由于斷裂的差異性升降活動 ,致使盆地邊緣沿斷裂帶形成許多小型的地塹和地壘 ,紅層發(fā)生大規(guī)模單 向傾斜 。在斷裂帶斷陷活動背景中 ,斷裂帶的局部地段可見到中更新世和晚更新世活動跡象 ,垂直位移達 810 m ,水平錯距 20 m 。沿斷裂帶歷史地震 記錄有感地震 40 余次 ,表明該斷裂帶具有一定的活 動性 。該區(qū)在二期工程蓄水后 ,具有誘震的必備條件 ,其強度預估為 m s < 5 . 0 。(4) 紫山凹 - 舊均縣潛在誘

23、震區(qū) 該庫段內(nèi)除了分布漢江斷裂帶外 ,在近南北向的紫山凹斷陷盆地兩側(cè) ,發(fā)育有魏家咀 - 瓦房垸斷誘震可能性預測依據(jù)丹江口水庫區(qū)地震活動特征與庫水位的相 關(guān)性以及震區(qū)內(nèi)的地質(zhì)構(gòu)造環(huán)境條件 ,認為二期工 程蓄水后 ,在庫域范圍內(nèi)仍具有誘發(fā)中等強度地震 的地質(zhì)條件 ?？赡墚a(chǎn)生誘震的強度和場所簡述如 下 :(1) 宋灣 - 關(guān)防灘潛在誘震區(qū) 區(qū)內(nèi)主要分布有北西西向和近南北向丹江斷裂帶 ,幾條斷裂在關(guān)防灘 - 殷家鼻之間交匯 ,并穿過丹 江庫域 ,如周山 - 瓦屋廠斷裂帶 ( 老牛坡 - 南溝斷 層 、淤泥坪 - 殷家鼻斷層) ; 丹江斷裂帶為地殼至上地幔的深斷裂帶 ,第四紀以來有一定活動性 ,特別是

24、 丹江口水庫蓄水后 ,發(fā)生眾多地震 ( 4 . 7 、4 . 6 、4 . 2 級 地震群) 。該庫域除東部分布的第三系地層 ( k - e) 外 ,其余地域均為古生界碳酸鹽類巖石 ,巖溶 、裂隙 較發(fā)育 ,并明顯地被各種方向的斷層切割 ,有利于地下水與庫水的動力聯(lián)系 。因此 ,該庫域具有誘震的 必備條件 ,是誘震的主要發(fā)生場所 ,二期工程蓄水后 誘震強度可能在 m s 5 . 0 范圍內(nèi) 。(2) 上寺 - 李官橋潛在誘震區(qū) 區(qū)內(nèi)主要分布有近東西向的上寺斷裂和近南北向的丹江斷裂帶 ,這些斷裂在黑桃園北部一帶相交 匯 。上寺斷裂控制白堊 - 第三系地層的發(fā)育 ,向東 延伸到李官橋盆地東緣的上寺傾伏向斜褶皺翼部 , 發(fā)育有北東 - 北東東向 、向南傾的壓扭性斷裂 。斷 層北盤為下寒武系薄層灰?guī)r , 南盤