摘要:大渡河瀑布沟水电站水库是大渡河流域典型的高山峡谷型高坝大库,大坝处于相对稳定的瓦山断块,水库库尾则位于龙门山断裂带、鲜水河断裂带、安宁河断裂带的交汇处,地震活动相对强烈,因此,为保证工程及周边地区社会生产生活安全,掌握水库蓄水前后地震活动情况,建立了一套完整的水库诱发地震监测系统,对该区域水库地震活动进行及时准确的监测。通过对近十年的地震观测资料进行统计,分析地震活动特征,总体上水库蓄水后库区附近地震活动水平较低,以微震和小震为主,震级较小,地震频度与水库水位升降无关,水库蓄水后没有造成明显的水库诱发地震情况,为水库地震监测评价和工程安全稳定运行提供了有用的科学依据。
关键词:瀑布沟水库;地震活动;地震特征;相关性
0引言
水库诱发地震是由于水库蓄水或水位变化而引发的一种独特的地震类型,主要有水库蓄水而引起的地震和在水库邻近地区的地震。水库诱发地震问题始于1940年,特别是1962年中国新丰收稿日期:2021-07-20江水库6.1级、1963年赞比亚-津巴布韦卡里巴(Kariba)水库6.25级、1966年希腊克里玛斯塔(Kremasta)水库6.3级和1967年印度柯依纳(Koyna)水库6.5级地震,引起了人们足够的重视[1]。水库诱发地震研究至今已有80年,不少地震研究学者对水库诱发地震研究结果也有不同见解,对地震是否与水库蓄水有关的数据统计也有差异,但对部分水库蓄水后会诱发地震活动的事实达成了共识[2]。在分析水库诱发地震机理时,学者认为库水对环境的载荷作用、孔隙压力扩散作用以及水的润滑作用是库区附近发生地震的主要因素,揭示了地震与水库蓄水的内在联系,提出在实际水库诱发地震监测和判识中应分析水库地震活动特征。
1工程及地质背景
1.1瀑布沟水电工程
大渡河瀑布沟水电站位于四川省汉源和甘洛两县交界处,为大渡河下游控制性水电工程。电站以发电为主,兼有防洪、拦沙等综合利用的一等大(I)型工程,工程主要由砾石土心墙堆石坝,引水发电建筑物、溢洪道、泄洪洞,放空洞和尼日河引水建筑物组成。大坝最大坝高186m,坝顶长540.5m,坝顶宽度14m,水库回水长度72km,正常蓄水位850.00m,死水位790.00m,消落深度60m,总库容53.37亿m3,为不完全年调节水库,电站装机容量3600MW,大坝设防烈度8度。
1.2库区地质构造
水库地处青藏高原与四川盆地的过渡地带,位于扬子地台西部古老的康滇地轴北段东侧,与现代强烈活动的川滇菱形地块毗邻。水库周围分布了多条大型活动断裂带,包括水库以北的龙门山断裂带(2008年5月12发生了汶川8.0级地震),水库西北的鲜水河断裂带(包括1955年康定7.5级和1973年炉霍7.6级在内的多次7级以上地震)以及水库以南的安宁河-则木河断裂和大凉山断裂,古地震考察显示安宁河-则木河断裂承载了多次7级地震的平均位错量[3],大凉山断裂带的古地震震级也在7级以上[4]。从近场看库区附近主要发育NW、NE向断裂构造,主要在第四系沉积区上,金坪断裂穿过水库蓄水区域,附近区域分布有美罗断裂、顺河断裂、锣锅坪断裂、红花断裂、黑马乡断裂、乌斯河断裂等多条小规模断裂,自有记录以来未发生过中等以上地震。
1.3水库地震监测设施
水库地震遥测台网分布在北纬29.0°~29.6°N,东经102.3°~103.1°E区域内,共设置13个子台和1个台网中心。目前采用短周期速度地震计和高分辨率的数据采集器,通过CDMA路由器传输至台网中心。本台网监测震级下限为ML0.5,台站分布及台网监测能力、重点监视区见图1。
2地震活动特征
分析水库蓄水区域约10km范围内地震情况,资料来源于水库地震遥测台网地震信息和地震活动事件,其中蓄水前是2008~2009年水库蓄水期间;蓄水后是指2009~2017年底的地震信息。
2.1蓄水前的地震活动特征
水库蓄水前共记录到地震事件1077次,主要发生在库区中段汉源县城附近,地震事件统计见表1。库区中段汉源县城附近在蓄水前已经存在密集小震活动,主要集中在0.0
2.2蓄水后的地震活动特征
2.2.1地震活动强度特征
库2009年11月1日下闸蓄水以来,共记录到地震事件3290次,平均日发生地震1.1次,最高日发生地震13次,年均发生地震事件数量较蓄水前有明显减少,蓄水后地震事件统计见表2。
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地震活动主要集中在ML≤2.9级范围,占全部地震总数的96.44%,ML≥3.5级地震分别在2011年初、2012年中和2015年共发生3次,4.0≤ML≤4.9级地震仅发生1次,最大地震为2015年4月15日水库库尾以西的石棉ML4.0地震。根据地震强度分析,水库地震多属微震,震级小,少数中等地震,地震强度呈现随机变化特征,没有明显的周期性规律。
2.2.2地震活动空间特征
水库蓄水后地震活动频次不高,主要分布以库尾的鲜水河断裂带、安宁河断裂带、大凉山断裂带交汇部位以及库区中段汉源县城附近,对库区地震分布密度做空间分布统计(见图3),两个地震密度相对较高的丛集区域满足完整性震级条件的地震每km2约3~10次,其中地震密度相对较高的石棉县附近,沿安宁河断裂带呈NNW-SSE向展布,整体与断裂带走向一致;在汉源县城附近地震分布集中且基本在县城区域,疑似人工生产活动的可能性较高,地震分布见图3。
对水库地震SW-NE和NW-SE两个垂直剖面(见图4)进行深度分析,地震深度基本小于30km范围内。其中SW-NE向剖面将两个丛集区地震分离开来,明显看出深度差异,水库库尾附近丛集地震活动深度在0~30km范围内,相对于其他区域明显较深;库中段汉源县城丛集地震深度在小于15km范围内,水库以东零散地震活动大部分地震深度在5~25km范围内。
2.2.3地震活动的时间特征
根据水库地震活动分布特征,对于库尾鲜水河断裂带、安宁河断裂带、大凉山断裂带交汇部位的地震活动处于台网监测边缘,该区域理论监测水平覆盖能力为1.0级。为更客观地研究地震活动规律,利用前期学者研究的ZMAP程序[5]中“拟合优度检验法(GoodnessofFitTest,简写为GFT法)”,按最大似然法原理求解b值(震级频度关系),通过理论地震个数和实际地震个数进行拟合,认为拟合优度值越大地震目录完整性越高,并据此分析地震目录的最小完整震级Mc,尽可能地使用最多的地震记录进行分析。
拟合优度检验法(GFT法)是在地震的震级-频度在较大范围内满足古登堡-里克特(GR)震级频率关系分析方法(lgN=a-bM)的基础上提出的[6],通过对实际震级-频度分布曲线与理论震级-频度分布曲线的比较,发现当震级不完整时,小震拟合效果存在着较大的差异。而GFT法正是通过对这些差异的分析,来判别地震目录的完整性。首先假设地震目录自Mi是完整的,采用G-R公式拟合出该震级Mi所对应的ai和bi值,将理论值与实际值进行对比得出各个震级所对应的拟合优度值
通过计算,实际产出监测目录的最小完整性震级Mc为0.9级,b值为0.872(图5)。以最小完整性震级Mc为0.9级作为震级统计下限,可以看到地震累计发生频度呈现均匀变化(图6),没有明显的加速上升或减速变缓的趋势,表明水库蓄水后对地震数量没有明显的影响,地震与库水位变化没有直接相关的关系。
2.2.4地震震源机理特征
水库诱发地震主要有正倾错动和走滑错动两种类型,近年来学者对高烈度地区水库诱发地震的研究显示逆冲型地震也占据了一定比例,因此,水库地震错动类型主要取决于库区附近已有断裂或裂隙的构造特征。
瀑布沟水库附近地震活动频次呈均匀变化,水库水位周期性升降变化与地震活动频次无明显相关性,地震活动集中区域主要为石棉县城附近,该区域中小地震以走滑地震为主,正倾和逆冲型地震稀少,与该区域主要断裂构造特征一致。利用该区域中小地震反演的应力张量显示主压应力为进水平的NWW-SEE向,与大区域应力场一致。因此,综合分析认为,水库蓄水后主要为区域应力场扰动造成的中小型构造地震,并非水库蓄水引起的诱发地震。
2.3地震活动总体情况
水库蓄水且水位快速上升至死水位期间,地震频次较后续时段偏高(见图7),出现地震能量释放阶段,但震级均小于ML1.5,地震均为微小地震,后续地震频次有所减少,各震级分布较为均匀,无突出高震集中分布,总体上水库周边地震活动水平很低。
3结语
通过对瀑布沟水库蓄水前地震情况的了解,重点对水库蓄水后地震观测记录数据进行地震活动特性分析,发现水库库尾为天然构造地震活动为主,地震强度多以小震微震为主,能量释放过程平稳,且与库水位升降无相关性;水库库中段汉源县城附近因县城重建等生产作业影响,地震事件与断裂或裂隙活动产生的地震活动事件存在明显的特性差异,认为主要是人类活动所致;水库其他区域地震活动总体处于较低水平。通过地震频度、震级、库水位关系分析,发现水库蓄水初期地震频度相对较高,但响应地震震级均在ML1.5以下,地震活动水平较低,水库正常运行期地震活动明显降低,未发现与水位变化的对应关系,因此认为,水库蓄水没有造成明显的诱发地震活动。
虽然水库蓄水后没有明显的诱发地震现象,但附近存在大型构造断裂带存在发生中强地震威胁的可能,仍需加强地震监测工作,密切关注地震活动状态,及时整理分析地震监测成果,同时加大地震监测预测技术研究,为水库地震监控和工程安全稳定运行提供技术保障。——论文作者：黄会宝1,3,庄园旭2,江德军1,宋澄2
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