丹江口水库诱发地震研究

1、文章编号 :167125942 (2003) 0120103204丹江口水库诱发地震研究王清云高士钧(中国地震局地震研究所 ,武汉 430071)摘要丹江口水库由汉江 、丹江两个库段组成 。在丹库的峡谷灰岩地带 ,断裂 、节理发育 ,利于水的渗透和循环 。1967 年 11 月蓄水后 ,随水位的增加 ,地震活动增加 ,且震级由 m s < 2 . 5 上升到 m s = 4 . 7 ,并在丹库的峡谷附 近形成北北西方向延伸的 3 个地震密集区 。地震频度 、强度与水位 (库容) 变化有一定的相关性 。预测二期工程蓄水后 ,仍将产生诱发地震 ,其最大强度为 m s 5 . 0 。关键词丹江

2、口水库 诱发地震 二期工程 地震预测中图分类号 : p553文献标识码 :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 ,坝前水深 90 m ,库容290 . 5 亿 m3 , 水面积 1 050 km2 。本文依据多年来 已有资料 ,扼要地介绍库区蓄水后引起的地震活动 特征 ,并结合库区内地质构造环境条件 ,探讨水库蓄 水与地震活动的相关性 ,分析二期工程蓄水后可能 诱震产生的场所和最大地震强度 。引言丹江口水库是我国的大型水利枢纽工程之一 ,水库跨越湖北 、河南两省 3 县 。一期工程大坝全长249 m ,坝顶高程 162 m ,大坝高 97 m ; 正常蓄水位157 m ,坝前水深 77 m ,库容 174 . 5

7、 亿 m3 ,相应水面 积 745 km2 。二期工程坝顶高程为 176 . 6 m , 坝高1收稿日期 :2002 - 10 - 03作者简介 :王清云 ,1946 年生 ,高级工程师 ,长期从事地震地质和水库诱发地震研究工作襄盆地相接壤 。主要由元古界片岩 、震旦系至石炭系碳酸盐岩类 、白垩 - 第三系碎屑岩等组成 ,形成一 系列北西西向紧密线状褶皱和断裂 ( 带) ,其中主要有均郧断裂 (带) 、汉江断裂带 、金家棚断裂 、上寺断裂 、陈庄 - 唐山断裂等 。北西西向和秦岭纬向构造 带 (南缘) 形成时间较早 ,主要由大型复式褶皱和断 裂系统组成 (图 1) 。以汉江和上寺断裂为代表的具

8、 有多期活动的断裂 ,横贯全区 ,切割和控制白垩 - 第 三系红层 ,它们早期主要以压性 - 压扭性活动为主 ,晚期则多呈张性或张扭性活动 ; 垂直水平位移比较明显 ,多为倾向滑动或走向 - 倾向滑动型 。如上寺 断裂 ,中更新世以来 ,断距为 4050 m ,其中以早更新世 活 动 最 强 烈 , 晚 更 新 世 以 后 断 裂 活 动 减 弱 。而 走 向 3 0 0°的 陶 岔 第 四 纪 断 层 , 除 切 穿 第 四 系(q2 + 3 ) 外 , 还切入下伏基岩 ( o2 + 3 ) ; 断层的垂直和较为显著 ,表现为地貌反差明显 。丹江口以西为上升山区 ,发育有两级夷平面

9、和多级河流阶地 ,汉江中 “v”形谷 、孤山多见 ; 东部南襄盆地与丹江库段毗邻 ,接受近 3 000 余米下第三系和 100 余米的第四系粘土层沉积 。在王岗一带并有第四系粘土层组 成的近南北走向的“丹唐分水岭”。第四系地层和盆地中北北东走向的隐伏褶皱 ,显示新华夏系构造控 制 ,反映了 近期应力作用方式以北西西向挤压为主 。库坝区水文地质条件较为复杂 ,在峡谷地带的 灰岩中 ,有多组断裂交叉 ,节理密集 ,将岩层切割成网格状 。特别是在宋湾地区 ,有北西 - 北北西走向 的陡倾角 、规模不等的数条平行断裂 , 其间夹有宽50100 m 的岩石破碎带和火成岩体 ,破坏了岩层 的完整性 ,有利

10、于库水的渗透和循环 ,可构成地下水 循环通道 ,这些便是宋湾地震活动的基础 。在羊山和朱连山灰岩地带 , 沿断裂破碎带和层面 , 岩溶发育 ,连通性好 ,形成了一系列落水洞 、漏斗和溶洞 ,这 些都是岩溶裂隙水活动的结果 。强岩溶带厚 100 m以上 ,透水性强 ,渗透系数 k = 2228 m / d ,平均吸 水量 0 . 20 . 7 l / min ,这些与林茂山和凉水河地震 活动有一定联系 。总之 ,库区内第四纪以来 ,西部大幅度上升 ,东部下降 ,丹江水库恰位于山区与平原的转折处 。库 区内发育多组断裂 ,其地震活动主要与近南北和北西走向的破裂关系较为密切 。地震活动据历史记载 ,

11、从公元 16 世纪到 1959 年 ,库区所 在的淅川 、均县 、郧县和邻近的内乡 、邓县 、光化县共 记录到 ivv 度的地震 43 次 。丹江口水库自 1967 年 11 月蓄水至 2001 年 12 月 ,丹江台网共记录到库 区内大小地震 800 余次 ,其中 m l 1 . 0 地震 200 余 次 , m l 2 . 0 地震 80 多次 。较大的地震活动主要 有 3 次 , 即 1972 年林茂山 3 . 5 级 ( m s) 地震 、1973 年宋湾 4 . 7 、4 . 2 、4 . 6 级 ( m s) 地震群以及 1977 年凉 水河 3 . 8 级 ( m s) 地震 (

12、 大坝强震仪被触动) 。诱发 地震的发生除与地质构造环境条件有关外 ,主要与 库水位 (库容 、水深 、面积等) 的升降变化有明显的正 相关 ,属典型的水库诱发地震 。诱发地震活动主要 分布在丹江库域 10 km 范围内 ,震中逐渐向水边迁 3图 1 水库区地质略图fig. 1 geological sketch of t he reservoir regio n1 . 第四纪 :冲洪积层 2 . 上第三系 :红色碎屑岩建造 3 . 白垩至下 第三系 :红色碎屑岩建造 4 . 泥盆至石碳系 :主为碎屑岩建造 5 . 奥陶系 :主为碳酸盐建造 6 . 寒武至志留系 : 碳酸盐和泥质页岩 建造 7

13、 . 震旦系 :主为碎屑碳酸盐和变质砂岩建造 8 . 寒武至奥 陶系 :主为碳酸盐建造 9 . 震旦至寒武系 : 主为碳酸盐建造 10 . 元古界 :变质付片岩和变质火山岩 11 . 基性岩脉 12 . 地层分界 线 13 . 红层分界线 14 . 水域边缘 ( 海拔 170 m) 15 . 推测断层16 . 压性为主的断层 17 . 张性为主的断层 18 . 剪性断层 19 . 压 扭性断层 20 . 大坝高士钧 ,陈永成. 汉江丹江口水库地震活动性与地震地质报告.中国地震局地震研究所 ,1974 . 12移 ,明显形成 3 个地震密集区 ( 宋湾 、林茂山 、凉水河) ,其震源深度一般 4

14、9 km ,震中最大烈度为 度 。蓄水后地震年平均发生率 ( m l 2 . 5 地震) 是 蓄水前的 3 . 6 倍 , 地 震 能 量 年 释 放 率 为 蓄 水 前 的300 倍 ,显然能量大的地震增多了 ,地震最高烈度 度 ,超过了蓄水前的 度 。表 2 1973 年 11 月 29 日宋湾地震ta b. 2 para meters of song wan earthqua ke on nov. 29 , 1975震源深度( km)时 间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东经 111°31北纬 32°53东经 111°31 北纬 32°53东经 111°31 北纬 32°53东经 111°31 北纬 32°534 . 79v i i地震的时空分布 蓄水后 ,地震活动大致经历了下面几个阶段 :(1) 1967 年 11 月蓄水至 1969 年 8 月 ,水位低 于 130 m 高程 ,库区没有 m s 1 . 2 的地震活动 。(2) 1969 年 9 月至 1971 年 10 月 ,当库水位由130 m 上升到 145 m ,从 1970 年 1 月起库区内接

16、连 发生 m s = 1 . 23 . 1 地震 20 余次 ,开始形成蓄水后的第一次地震活动高潮 ,但震中主要集中分布在库 区周围 。(3) 1971 年 11 月至 1972 年 4 月 3 日 ,水位达 到 150 m ,地震震中逐渐向林茂山和宋湾两个灰岩的峡谷区收缩 ,形成两个地震密集区 ,地震在这两个区域交替发生 ,并于 1972 年 4 月 3 日在林茂山发生 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 年的低水位后又急剧上升 ,地震活动主 要集中分布在林茂山峡谷区内 ,宋湾 带比较平静 。(5)

17、 1973 年 10 月以后 ,水位急剧上升到历年最 高水位 157 m 高程 ,并又急剧下降 ,于 1973 年 11 月29 日在宋湾发生了 m s = 4 . 7 、4 . 2 、4 . 6 主震地震 群 ,这一时期 ,林茂山比较平静 。(6) 1977 年 6 月以前 ,由于持续几年的低水位 , 库区内地震较平静 ; 1977 年 6 月以后水位由 134 m 左右急速上升到 143 m 时 ,速率为 6 . 52 m / 月 ,于1977 年 8 月 6 日在丹江库区内的凉水河发生 m s =3 . 8 地震 (距大坝仅 10 余 km) ,震中烈度 度 ,坝体 内强震仪被触动 ,副

18、坝受损 。以上几次较大地震的震源深度较浅 ,一般小于10 km 。3 . 14 . 294 . 693 . 69表 3 1977 年 8 月 6 日凉水河地震ta b. 3para meters of l iangshuihe earthqua keon aug. 6 , 1977震源深度( km)时 间m s震中位置震中烈度8 月 6 日00 h01m25s东经 111°31北纬 32°433 . 89利用 40 多个地震台记到的 p 波初动 ,得出宋湾m s = 4 . 7 、4 . 2 、4 . 6 地震的震源机制解 ,显示这些地震的节面和应力主轴完全相同1 ,2 (

19、 见表 4) 。宋湾 地震的节面 i 为断层面 。表 4 宋湾地震震源机制解focal mecha mism solution of song wan earthqua keta b. 4节面沿节面的剪切力应力主轴名称ptn走向倾向 倾角328° 50° 320°北东 北西68° 70° 20°58°99°9°196°22°2°30°60°水位 ( 库容) 与地震频度 、强度的相关性 当库水位上升到 135 m 高程时 ,开始出现明显 的地震活动 ,随水位

20、的继续增高 ,地震频度和强度也 相应增加 , 三者具有很好的同步性2 。从 1969 年12 月到 1974 年底有 6 次高水位 , 分别与地震活动 的频度和能量的 6 个峰值相对应 。一般频度峰相对43 . 2主要地震的基本参数几次较大地震的基本情况列于表 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)时 间m s震中位置震中烈度库容峰有明显的滞后 ,这种滞后现象在蓄水增加缓4 月 3 日00 h54m04s东经 111°38北纬 32

21、°353 . 59 高世钧 ,陈永成. 汉江丹江口水库地震活动性与地震地质报告.中国地震局地震研究所 ,1974 年 12 月.吴翼麟 ,高世钧等. 汉江丹江口水库地震活动 ,1975 . .诱发大量的小地震 ,尔后才有较大的地震发生 。地震频度的变化与水位 ( 库容) 的变化密切相 关 。计算得到从 1970 年 1 月到 1974 年 12 月 m s 0 . 6 地震频度与库容的相关系数为 0 . 73 ,相关函数为 n = 0 . 2 v - 13 . 5 ( v 为库容) 。断裂带为一压扭性多期活动的深大断裂 ,一般宽 1015 m ,最宽达 40 余米 ,断裂破碎带宽 1

22、0100 m ,沿断裂带广泛分布多种火成岩 ,红色盆地呈串状分 布 。断裂带所切割的地层 ,北侧主要为震旦系 - 寒武系碳酸盐类岩石 ,而南侧则为元古界武当片岩系 。由于断裂的差异性升降活动 ,致使盆地边缘沿断裂带形成许多小型的地堑和地垒 ,红层发生大规模单 向倾斜 。在断裂带断陷活动背景中 ,断裂带的局部地段可见到中更新世和晚更新世活动迹象 ,垂直位移达 810 m ,水平错距 20 m 。沿断裂带历史地震 记录有感地震 40 余次 ,表明该断裂带具有一定的活 动性 。该区在二期工程蓄水后 ,具有诱震的必备条件 ,其强度预估为 m s < 5 . 0 。(4) 紫山凹 - 旧均县潜在诱

23、震区 该库段内除了分布汉江断裂带外 ,在近南北向的紫山凹断陷盆地两侧 ,发育有魏家咀 - 瓦房垸断诱震可能性预测依据丹江口水库区地震活动特征与库水位的相 关性以及震区内的地质构造环境条件 ,认为二期工 程蓄水后 ,在库域范围内仍具有诱发中等强度地震 的地质条件 。可能产生诱震的强度和场所简述如 下 :(1) 宋湾 - 关防滩潜在诱震区 区内主要分布有北西西向和近南北向丹江断裂带 ,几条断裂在关防滩 - 殷家鼻之间交汇 ,并穿过丹 江库域 ,如周山 - 瓦屋厂断裂带 ( 老牛坡 - 南沟断 层 、淤泥坪 - 殷家鼻断层) ; 丹江断裂带为地壳至上地幔的深断裂带 ,第四纪以来有一定活动性 ,特别是

24、 丹江口水库蓄水后 ,发生众多地震 ( 4 . 7 、4 . 6 、4 . 2 级 地震群) 。该库域除东部分布的第三系地层 ( k - e) 外 ,其余地域均为古生界碳酸盐类岩石 ,岩溶 、裂隙 较发育 ,并明显地被各种方向的断层切割 ,有利于地下水与库水的动力联系 。因此 ,该库域具有诱震的 必备条件 ,是诱震的主要发生场所 ,二期工程蓄水后 诱震强度可能在 m s 5 . 0 范围内 。(2) 上寺 - 李官桥潜在诱震区 区内主要分布有近东西向的上寺断裂和近南北向的丹江断裂带 ,这些断裂在黑桃园北部一带相交 汇 。上寺断裂控制白垩 - 第三系地层的发育 ,向东 延伸到李官桥盆地东缘的上寺倾伏向斜褶皱翼部 , 发育有北东 - 北东东向 、向南倾的压扭性断裂 。断 层北盘为下寒武系薄层灰岩 , 南盘