摘要以三峡库区区域地质构造.docx

水库诱发地震（工程地质学基础）关于三峡库区诱发地震的简单孕震机制周杰（051103班，学号：20101002068）摘要 以三峡库区区域地质构造、活动断裂及库区水文地质特点为基础, 借鉴老一辈地震工作者对三峡地区地震地质活动的勘察与科研成果, 阐述了蓄水后岩石的库水与地质相互作用对该区水文地质及构造的影响, 浅释了三峡库区水库地震孕震机理；资料显示：库区地震活动的时空强频随着库区水体的变化而增强, 并与活动断层空间分布呈一致性, 具备水库地震的明显特征。预测认为: 未来三峡宜昌库区的巴东- 黔江与高桥断裂带、仙女山、九湾溪及天阳坪断裂交汇带,是诱发ML 4. 0 4. 5 水库地震的危险区。引言：水库诱发地震是由于人类拦河筑坝，在坝前壅高河水，形成水库引发的地震活动。实际上，人们发现，不仅是修建水库，人类的许多工程活动都可能诱发(触发)地震。最典型的是向深井中注水而引发地震。1922年美国科罗拉多州丹佛市向一口废液处理井中注水，就曾记录到本区从未有过的地震活动llJ。1972年，湖北省武汉市小洪山地区向深井中注水，也诱发了22级的小型21。采矿中废矿井的塌陷、地下工程开挖中的岩爆，都可以引起岩体的震动。只是由于水库诱发地震出现的数量多，通常情况下，强度比其他类型人类活动引发的地震强度要高，所以更为人们所关注。11水库诱发地震活动的若干特点和规律水库诱发地震是一个十分复杂的自然现象，对其形成机制和发震条件、尤其是对它发生的时间、地点和强度的预测预报，仍然是一个远未解决的问题。但是经过全世界尤其是中国有关科学技术人员几十年的不断探索研究，对水库诱发地震的活动特点和规律6-8】已经有了一些基本的认识，概括起来有以下几点：(1)空间分布上主要集中在库盆和距离库岸边35 km范围内，少有超过10 km者。(2)主震发震时间和水库蓄水过程密切相关。在水库蓄水早期阶段，地震活动与库水位升降变化有较好的相关性。较强的地震活动高潮多出现在前几个蓄水期的高水位季节，且有一定的滞后，并与水位的增长速率、高水位的持续时间有一定关系。(3)水库蓄水所引起的岩体内外条件的改变，随着时间的推移，逐步调整而趋于平衡，因而水库诱发地震的频度和强度，随时间的延长呈明显的下降趋势。根据对55个水库的统计分析发现，主震在水库蓄水后l 内发生的有37个，占673；23 a发震的12个，占218；5 a发震的2个，占36；5 a以上发震的4个，占73。(4)水库诱发地震的震级绝大部分是微震和弱震。一般都在4级以下。据统计，M4级的水库诱发地震占总数的7080，震级在61-65级的强震仅占总数的3。(5)震源深度极浅，绝大部分震源深度在35km范围，直至近地表。(6)由于震源较浅，与天然地震相比，具有较高的地震动频率、地面峰值加速度和震中烈度。但极震区范围很小，烈度衰减快。(7)总体上水库诱发地震产生的概率大约只占工程总数的0102，但随着坝高和库容的增大，比例明显增高。中国坝高在100 m以上的和库容在lOOx 108 m3以上的高坝大库，发震比例均在30左右。(8)较强的水库诱发地震有可能超过当地发生过的最大历史地震，也可能会超过当地的基本地震烈度。因此不能以这二者作为判断一个地区可能发生水库诱发地震最大强度的依据。12水库诱发地震的类型划分从不同的认知角度，对水库诱发地震的类型可以有多种划分方案【71 21。通过大量震例的分析和工程实践，下列3种类型可以包括大部分最常见的水库诱发地震，也便于在工作中应用：（1）构造型。由于库水触发库区某些敏感断裂构造的薄弱部位而引发的地震，发震部位在空间上与相关断的展布相一致。这种类型的水库诱发地震强度较高，对水利工程的影响较大，也是世界各国研究最多的主要类型。(2)喀斯特(岩溶)型。发生在碳酸盐岩分布区喀斯特发育的地段，通常是由于库水升高突然涌入喀斯特洞穴，高水压在洞穴中形成气爆、水锤效应及大规模岩溶塌陷等引起的地震活动。这是最常见的一种类型的水库诱发地震，中国的水库诱发地震70属于这一类型。但这类型地震震级不高，多为23级。最大也只在级左右。(3)浅表微破裂型，又称浅表卸荷型。在库水作用下引起浅表部岩体调整性破裂、位移或变形而引起的地震多发生在坚硬性脆的岩体中或河谷下部的所谓卸荷不足区。这一类型地震震级一般很小，多小于3级，持续时间不长。近些年的资料表明，该类型的诱发地震比原先预想的更为常见。此外，库水抬升淹没废弃矿井造成的矿井塌陷、库水抬升导致库岸边坡失稳变形等，也都可能引起浅表部岩体振动成为“地震”，且很多地区成为常见的一种类型。上述特点的归纳和类型的划分，虽不足以对水库诱发地震的成因机制做出本质的揭示但是对于认识其活动规律和判断其危害性却有很大的作用。正是由于有了上述的一些基本认识，人们才逐步克服了对水库诱发地震开初时的恐惧心理，比较能够恰当地估价它的影响，并采取合理的工程和非工程对策。2 库区地质概况2. 1 地质构造三峡水库库区位于长江上游尾端, 辖区内江南属宁武陵山区, 江北跨奉巴山区, 地处我国地势第二级阶梯东缘, 总体地势西高东低, 分东西两段, 西段从西津至奉节段为四川盆地东缘,主要为砂岩、泥岩组成的侵蚀低山丘陵区。东段从奉节至南津关为长江三峡河段, 属川鄂褶皱山地, 主要由碳酸岩组成的低山峡谷区。区域岩溶发育, 东部鄂西岩溶大面积分布( 陈德基等,1997; 丁原章等, 1989; 高士均等, 1992) 。地 震 地 磁 观 测 与 研 究26 卷库首地区属黄陵穹窿核部及其两冀, 出露前震旦系结晶体及震旦- 白垩系, 沉积盖层主要由碳酸岩类的地层。白垩系地层分布于黄陵穹窿西南侧仙女山一带。秭归盆地西缘高桥断裂及奉节以下地区多为石灰岩分布区, 尤其巫峡地区支流河段岩溶发育。库首区大坝位于三斗坪镇, 总长3 035 m, 坝高175 m, 库容防洪221. 5 m3 , 是混凝土重力坝, 坝基为前震旦纪花岗岩。根据规划, 三峡工程自1993 年施工准备至2009 年枢纽全部建成, 建设周期为17 年。1997 年大江截流, 2003 年135 m 围堰挡水发电, 2006 年坝前水位蓄至156 m, 2009 年蓄水至最终水位175 m。2. 2 断裂及活动本区断裂主要分布在八面山台褶带, 东段有黄陵背斜西南侧和秭归向斜东部的北北西和北北东向断裂系; 西段为八面山弧形褶皱带, 东西走向段与长江中下游东西向构造重接复合带的近东西向断裂组。图1 长江三峡地区主要断裂构造和历史地震震中分布( 陈德基等, 1997)1 岩石圈断裂; 2 地壳断裂; 3 基底断裂( 型) ; 4 基底断裂( 型) ; 5 一般断裂; 6 晚近活动的断裂;7 推测及隐伏断裂; 8 历史地震; 9 7. 0 MS 6. 0; 10 6. 0 MS 4 ; 11 4 MS 3. 0; 12 断裂编号穿越水库较大的重要断裂有: 九湾溪断裂: 位于黄陵背斜西南侧, 距坝址约17 km, 在路口子斜穿水库; 巴东- 黔江断裂: 包括建始、恩施、黔江断裂, 在黄陵背斜核部以西, 呈北北东走向, 主要有压碎断层角砾岩碎块岩; 仙女山断裂: 位于黄陵穹窿西南侧, 距坝址19 km, 呈北北西向展布, 长近100 km, 由仙女山断裂、都镇湾断裂、桥沟断裂组成, 呈斜列式分布, 主要由角砾岩、碎裂岩组成; 远安断裂: 是远安东、西两断裂总称, 且特征相似, 两侧岩层强烈破碎, 均呈北北西向展布, 断层角砾岩相当发育; 新华断裂: 位于神农架断穹与黄陵背斜之间, 全长50 km, 内为角砾岩、碎粉岩及发育的断层泥, 断裂呈北北西向展布, 两侧岩层强烈挤压破碎; 天阳坪断裂: 位于长阳背斜北翼, 发育在古生带地层中, 长60 km, 其西段被仙女山断裂切断。所有这些断裂中以北西- 北北西和北东、北北东向活动构造明显, 反映了本区域统一构造应力场- 北东向挤压, 以及新构造期的继承性活动, 仙女山、远安断裂主要为右旋剪压性质, 九湾溪、新华断裂主要为张剪性质错动, 这些断裂为本区的主要发震构造( 高士均等, 1992) 。从1959 年以来的地震活动与构造关系看, 震中多数分布在北北西( 或北西) 和北东向断裂带上。如1969 年马良坪4. 8 极地震发生在远安与新华断裂带, 1961 年宜都潘湾4. 9 级地震发生在仙女山与渔洋关- 土门断裂带交汇部位, 1979 年秭归龙会关5. 1 级地震发生在巴东-黔江与新华断裂延伸的端部附近。这些地段显然是活动断裂的特殊部位。2 库水作用影响库区为亚热带季风区, 夏季炎热, 雨水充沛, 降水量受地形影响, 山区多于河谷, 迎风坡多于背风坡, 从长江两岸河谷盆地向两侧高山递增, 年降水量900 2 000 mm, 区域内年平均降水量1 199 mm, 75%集中在5 10 月, 年际变化很大, 降水时空不均, 夏秋暴雨成灾。库区水资源丰富, 地质结构复杂, 库区岩崩、滑波等大量次生地质灾害时有发生, 蓄水后库水的作用将加剧本区域的地质活动。2. 1 地下水水力联系与渗透三峡库区水文地质条件受地貌、岩性、构造等因素的控制, 这些因素决定了含水层特征和地下水的运移作用和排泄方式的不同特征。地下水赋存于包气带、潜水层、承压含水层。包气带是地表至地下潜水面间, 含量少、不流动, 不受重力, 不能传递静水压力。包水带是透水岩土体孔隙裂隙中充满水部分, 在水位达静力平衡时其孔隙压力即地下水面静水压力。包气带与潜水层之间为过渡带, 两隔水层之间充满地下水的含水层即层压含水层传递孔隙压力。地下水作用在包气带与潜水层岩石间的系统中, 赋存于地质体中的地下水从四周流向河沟, 并在其谷底或谷沟下部溢于地表。库区蓄水改变地下水位, 使包气带为饱水带, 水在地壳中具有渗透性和毛细作用, 造成流体压力改变岩石应力状态, 使液体在岩石中流动造成裂隙变形, 其渗透性随着孔隙水压的增大显著增强。库水造成孔隙压力, 沟通潜水含水层与岩体向深部导水通道, 岩体局部形成高孔隙增压区。2. 2 受库水作用的岩石应力与腐蚀水体对库区岩体强迫荷载造成库基弹性应力明显增强。断裂作用理论认为, 当孔隙水压增大, 断层面有效应变力降低, 当剪切应力( St ) 达到断层静摩擦阻力S( f , s) 时, 断裂面即滑动,形成地震。S( f , s) = f s (Rn - P)式中f s 为断层面静摩擦系数( 0. 85 左右) , Rn为垂直断层面的正应力, P 为静水压力水库库坝区存在断层、不均匀节理密集带等, 在张性断裂发育地段的岩体易产生滑动, 水库诱发地震是水库下地壳对负加荷载的响应( 丁原章等, 1989) 。库区大体应力作用的方向反映了北东方向的挤压, 北北西向、北东向断裂分别产生右旋左旋错动。其最大剪应力方向与其断裂作用一致, 库岸边缘呈拉张性, 库心为压应力, 利于库水渗透, 岩石孔隙压力的增加, 有效降低应力, 使岩体在综合应力作用下产生滑动破裂。地下水具有溶解碳酸岩类物质的特性, 对于断层裂隙面产生泥化、软化、润滑、腐蚀等作用。特别是在碳酸岩类岩石中, 由于库水的渗入, 使裂隙发生扩展, 水库的边缘地段产生倾斜性滑动, 岩溶地区的水库蓄水加在动水压力局部放大, 加快岩溶溶解或崩塌; 水库蓄水使库基岩体原不连续的微裂隙被贯通, 并逐步向深部发展, 应力腐蚀和库基弹性变形使库区局部出现应力不平衡, 库区中有的岩体的地热梯度明显差异, 溶解热应力作用加速孔隙压力增大, 导致库区微震活动不断增强。2. 3 库区受库水影响的重点分布区根据库区断裂的分布和产状、断裂岩石的性质, 以及断裂的发育程度, 库水的影响及发震条件各异。平行于库岸或斜穿库区的活动断裂将是诱发较强地震的重要条件。库区仍在活动的仙女山、九湾溪及天阳坪断裂交汇呈/ K0型地段, 构造应力集中, 微震活动较多, 九湾溪断裂活动较仙女山活动新, 且错断仙女山断裂, 具备孕震条件; 穿过库区的高桥断裂有微活动, 平行库岸并与水库相连的巴东断裂岩石破碎, 透水性强, 并有蠕变现象, 受库水腐蚀影响显著, 具有发震条件。三峡坝址及库首断位于结晶岩分布区, 断裂构造不甚发育, 岩体透水性弱, 地下水以孔隙、裂隙潜水为主, 黄陵穹隆西翼古生界碳酸岩分布区地下水以岩溶裂隙为主, 地层横向分布, 倾角中等, 受上下碎屑岩层限制, 岩溶发育中等至不发育, 不具发震条件。三峡水库为典型的河谷型水库, 库区所处地貌单元为我国大地貌. 三大阶梯 的第二阶3.三峡库区地震活动特征三峡水库为典型的河谷型水库, 库区所处地貌单元为我国大地貌 三大阶梯 的第二阶梯东缘, 总体地势东高西低, 东部深嵌于巫山山脉中, 以中山为主, 中间以低山的三峡峡谷, 属鄂西侵蚀溶蚀地貌; 奉节以西为四川盆地东部低山丘陵区, 属侵蚀平行岭后地貌, 长江河谷宽狭相间, 以宽谷为主。三峡水库蓄水后, 我国对其地震活动进行了大量的观测与研究, 总结出库区地震活动特征8 , 其特征如下:3.1 三峡水库于2003 年6 月10 日蓄水到135 m, 在2003年共发生地震541 次, 地震频次较1996- 2002 年年均值增加近8 倍; 2004 年与2005 年共发生地震1 062 次和905 次, 地震频次比2003 年增加近1 倍, 强度也有所增强, 这肯定与2003年6 月后水库蓄水与运行有关, 但大多数地震为2 级以下微震, 如2004 年和2005 年发生2 级以下微震1 003 次和836 次,约占全年的95%和93%。2004 年和2005 年库区最大地震为巴东的3. 8 级和3. 5 级, 但小于蓄水前1997 年在万县发生的最大地震4. 4 级, 这说明三峡水库蓄水运行后, 地震频次与强度虽有所增加, 但地震活动仍保持在三峡地区原有弱地震活动状态。3.2 截止到2007 年, 在三峡库区及周边地区内已收集到1级左右地震5 000 余次, 大多数地震的震源深度较浅,其震源深度一般为5 15 km 9 。3.3 2008 年11 月, 库区水位逐步提高到175 m, 随着水库蓄水深度、新增水头及库容的增加, 从水库地震监测报告来看,地震频次与强度较前几年有所增加, 但地震强度一般在5 级以下。3.4 三峡库区内有NE.NNE、NNW.NW、NWW 向3 组较大的区域性断裂带