阿尔塔什水利枢纽工程水库诱发地震预测

陈 晓,李万逵

(新疆水利水电勘测设计研究院,新疆乌鲁木齐830091)

1 工程概况

拟建阿尔塔什水利枢纽工程位于新疆莎车县城南西约130 km的叶尔羌河中游河段上。枢纽建筑物有:拦河坝、排沙泄洪洞、发电引水洞、导流洞、电站厂房及开关站等。最大坝高 162.8 m,总库容22.4×108m3。属大(1)型Ⅰ等工程。该工程目前正在进行可研阶段的工程地质勘测工作,需要初步研究并预测水库诱发地震的可能性、发震位置及强度[2]。

2 库坝区诱震环境分区

水库回水长度45 km左右。库区分布的地层主要为元古界和古生界的地层,分布较稳定,岩性有石英岩、砾岩、片岩、板岩、花岗岩及片麻岩组成。岩层产状 310°～ 355°SW ∠40°～ 70°,与河谷走向夹角 30°～55°。在坝址和坝址上游5 km附近,分布有灰岩、白云质灰岩等,总体岩溶不发育。

库坝区通过的规模较大的断层有乌孜鲁克断裂(F45)、克什拉塔木断裂(F46)、米亚断裂(F39)、卡拉塔克断裂(F38)、希依安阿格孜断裂(F32)、阿尔塔什断裂(F28)等。工程区基本地震烈度Ⅷ度,设防烈度Ⅸ度。

阿尔塔什水利枢纽为高坝(162.8 m)大库(库容22.40×108m3),水库区存在超深水文地质结构面;深水文地质结构面;浅水文地质结构面和表层水文地质结构面。因而存在水库诱发地震的可能性。

根据库坝区的岩性、断裂构造、地震活动、构造应力、水文地质结构面及与库水连通情况,岩溶发育情况、预测可能诱发地震的库段等条件,把库区分成三个库段进行水库诱发地震评价。即坝址至坝上游达斯塔尔背斜核部为第一库段;达斯塔尔背斜核部至库斯拉甫盆地上游边缘为第二库段,库斯拉甫盆地以上为第三库段(见图1)。

图1 水库区构造简图

3 阿尔塔什水利枢纽水库诱发地震预测

我国水库诱发地震研究[3]的成果较为丰富,对水库诱发地震的潜在危险性初步预测[4]和评价方面,主要的方法可分为定性或半定量的类比法和应用各种模型进行量化预测的方法两大类。前者是指地震地质类比分析法,后者用得较多的是水库综合参数判别法、概率统计检验法以及灰色聚类分析等方法。

3.1 定性法预测

3.1.1 第一库段

库段长度约5 km,属中山峡谷区,正常蓄水位1 840 m时,河谷宽600 m～900 m。出露的岩性为粉砂岩、砂岩、泥质粉砂岩、灰岩、白云岩等,灰岩岩溶不发育。岩体透水性微弱。库岸不存在大规模的滑坡体,库岸稳定情况较好。出露的规模较大的断裂为希依安阿格孜断裂(F32),其余断层规模较小。希依安阿格孜断裂(F32)Q3以来未发现有活动迹象,亦未记录到该断层有地震活动。阿尔塔什断裂(F28)虽然为区域性活动断裂,但其位于坝址下游2 km,与库水不存在水力联系。近场区历史上未记录到M≥4.7级地震,说明地震活动水平较低。

1970年以来,近场区共记录M≥3.0级地震37次,其中3.0～3.9级地震35次,4.0～4.9级地震2次,最大地震为1978年6月 11日及1989年1月16日两次4.0级地震,近场区小震活动较活跃,地震呈面状分布在场地周围。在坝址5 km范围内各记录到2次3级地震。综合分析,该库段不具备诱发中等强度以上构造水库地震和岩溶气爆型地震的条件,但存在诱发弱～微震的可能性。

3.1.2 第二库段

为库斯拉甫盆地,长度约3 km,岩性为侏罗系砂岩、砾岩、页岩和煤层等。该盆地的形成与米亚断裂(F39)和卡拉塔克断裂(F38)有关,为一断陷盆地。

米亚断裂(F39):位于坝址区以西约12 km,是塔里木地台与西昆仑褶皱带的分界断裂,在库斯拉甫断陷盆地的西部斜跨叶尔羌河,断裂带在区域内延伸长300 km左右,断层带宽100 m左右,影响带宽200m 左右,断层产状:340°SW∠70°,断距1 500 m以上。根据实地调查,并未发现有错断低阶地的迹象,在断裂南北两端有小震分布,因此从断裂的规模及活动特点上看,该断裂应为晚更新世早期的活动断裂。是该库段水库诱发地震的控制断裂。

卡拉塔克断裂(F38):为铁克里克断隆内次级构造单元的分界断裂,总体走向北北西向,倾向多为南西 ,倾角 60°～ 70°,区内延伸长 26 km 左右,断裂对地层分布有一定控制作用,破碎带宽70 m～80m,为逆断层。库斯拉甫乡东,可见泥盆系灰色砾岩逆冲于侏罗系地层之上。该断裂全新世以来未见活动迹象。

米亚断裂(F39)作为区域性活动断裂,延伸长,宽度大,切穿岩石圈,是塔里木地台与西昆仑褶皱带的分界断裂,属超深水文地质结构面,具备诱发中～强水库地震的条件。综合分析,近场区地震活动水平相对较低,以小震为主,最大震级为4.0级。米亚断裂虽有历史地震记录,但发震震级为小震。因此,水库蓄水后,该断裂存在诱发水库地震的可能性大,震级在5.0级左右。

3.1.3 第三库段

该段库区为高山峡谷区,山体高程2 500 m～3 500 m,河谷下切急剧,岸坡陡峻。河谷底宽约200 m,正常蓄水位1 840 m时河谷宽约600 m～900 m。库区出露的岩性主要为元古界变质岩和后期侵入的花岗岩。

该段库区出露的断层较多,但规模均较小,未发现断层晚更新世以来有活动迹象。库区的地震活动以小震为主。综合分析,该库段不具备诱发弱震以上水库地震的条件,但诱发弱～微震的可能性是存在的。

3.2 概率统计检验法

3.2.1 水库诱发地震影响因素的选取

水库诱发地震具有多种成因机制和众多的影响因素,对水库诱震因素的选择与量化是建立统计预测模型的关键和重要内容。

影响水库诱发地震的因素主要归纳为八个因素,分别是:库深(D)、构造应力环境(S)、断层活动性(F)、岩体类型(G)、地震活动背景(E)、水文地质结构面发育规模和导水深度(FD)、水文地质结构面与库水沟通关系(FC)、岩溶发育程度(SK)。

3.2.2 水库诱发地震因素的确定

诱震因子集确定之后,就要对模型中的各因子进行一定的量化。苏锦星、汪壅熙等提出水库诱发地震影响因素八因子及分类标准。结合阿尔塔什枢纽库坝区的地质条件,第一库段库区存在岩溶问题,考虑岩溶发育程度(SK)因素,第二、第三库段不考虑岩溶发育程度(SK)因素。每种因子分为三种状态,断层活动性(F)因子分为两种状态(见表1)。

根据选取的样本集的统计,发生强震、中强震、弱震、微震和不发震五个状态的概率分别为:

状态1:强烈水库地震(M≥6.0级) P(M1)=0.02;

状态2:中等强度水库地震(4.5≤M＜6.0级)P(M2)=0.04;

状态3:弱震(3.0≤M ＜4.5级) P(M3)=0.05;

状态4:微震(M＜3.0级) P(M4)=0.07;

状态5:不发生水库地震 P(M0)=0.82。

表1 水库诱发地震影响因素及分类标准

3.2.3 概率统计检验法预测

水库诱发地震预测的统计检验模型可表达为:

式中:P(Mi|A)为所需预测的水库诱发地震的概率;Mi为震级类别(i=0,1,2,3,4),即预测目标(地震震级上限所属状态);A代表各诱震因子及其相应的状态;P(Mi)为各不同震级地震类别的先验概率;P(A|Mi)为不同诱震因子组合条件下不同震级的条件概率;P(A)为水库诱发地震的全概率,由下式计算:

根据阿尔塔什水利枢纽库坝区的坝高、地层岩性、地质构造、地震背景、水文地质条件等因素,确定各诱震因子的状态。

(1)第一库段

①库深(D):库水深度大于150 m,即D1。

②构造应力(S):断裂性质为逆断层,说明坝址处于逆断层环境,即S1。

③断层活动性(F):希依安格孜断裂(F32)为非活动断裂,即F2。

④岩石类型(G):库坝区岩体为砂岩、砂砾岩等,属层状岩体,即 G2。

⑤地震活动背景(E):近场区地震活动微弱,历史上未发生强震,近场区以小震为主。主要受外围地震影响,对库坝区最大影响烈度为 Ⅶ度,未来地震活动性参数以中等水平估计,即E2。

⑥水文地质结构面发育情况(FD):希依安格孜断裂(F32)延伸长度16 km,导水深度按小于2 km,即 FD2。

⑦水文地质结构面与库水接触关系(FC):希依安格孜断裂(F32在水库内通过,在下与库水直接接触 ,即FC1。

⑧岩溶发育程度(SK):灰岩虽有岩溶,但不发育,未形成渗透通道,发育程度弱,即SK2。

因此,阿尔塔什水利枢纽第一库段水库诱发地震预测的诱震因子状态组合情况为:D1、S1、F2、G2、E2、FD2、FC1、SK2。不考虑岩溶情况 ,水库诱发地震预测的诱震因子状态组合情况为:D1、S1、F2、G2、E2 、FD2 、FC1 。

(2)第二库段

①库深(D):库水深度92 m ～150 m,即D2。

②构造应力(S):断裂性质为逆断层,说明处于逆断层环境,即 S1。

③断层活动性(F):米亚断裂(F39)为区域性活动断裂,但在工程区范围内未发现该断裂影响到全新世地层,因此分两种情况进行考虑,即 F1和F2。

④岩石类型(G):库区岩体为砂岩、砂砾岩等,属层状岩体,即 G2。

⑤地震活动背景(E):近场区地震活动微弱,历史上未发生强震,近场区以小震为主。主要受外围地震影响,对库坝区最大影响烈度为 Ⅶ度,未来地震活动性参数以中等水平估计,即E2。

⑥水文地质结构面发育情况(FD):米亚断裂(F39)延伸长度300 km,属岩石圈断裂,导水深度按大于 2 km,即 FD1。

⑦水文地质结构面与库水接触关系(FC):米亚断裂(F39)在水库内通过,与库水直接接触,即FC1。

⑧岩溶发育程度(SK):不存在岩溶问题,取消此诱震因子。

因此,阿尔塔什水利枢纽第二库段水库诱发地震预测的诱震因子状态组合情况为:D2、S1、F1、G2、E2、FD1、FC1;D2、S1、F2、G2、E2、FD1、FC1。

(3)第三库段

①库深(D):库水深度小于92 m,即D3。

②构造应力(S):断裂性质为逆断层,说明处于逆断层环境,即S1。

③断层活动性(F):克什塔可塔木断裂(F46)为非活动断裂,即 F2。

④岩石类型(G):库区岩性主要为元古界变质岩和后期侵入的花岗岩。属块层状岩体,即G2。

⑤地震活动背景(E):近场区地震活动微弱,历史上未发生强震,近场区以小震为主。主要受外围地震影响,对库坝区最大影响烈度为 Ⅶ度,未来地震活动性参数以中等水平估计,即E2。

⑥水文地质结构面发育情况(FD):克什塔可塔木断裂(F46)延伸长度12 km,导水深度按小于2 km,即 FD2。

⑦水文地质结构面与库水接触关系(FC):克什塔可塔木断裂(F46)在水库内通过,与库水直接接触,即 FC1。

⑧岩溶发育程度(SK):不存在岩溶问题,取消此诱震因子。

因此,阿尔塔什水利枢纽第一库段水库诱发地震预测的诱震因子状态组合情况为:D3、S1、F2、G2、E2、FD2、FC1。

3.2.4 计算结果

根据统计检验模型的数学表达,代入上面统计获得的不同诱震状态的条件概率和先验概率,对卡拉贝利水利枢纽库坝区水库诱发地震因子组合进行统计检验。计算各单元所属预测目标对应的五个状态的概率,取其中概率预测值最大的那个预测状态,作为该单元被预测的可能最大发震强度。统计检验计算结果列于表2。

从统计检验分析计算结果(见表2),对阿尔塔什水利枢纽三个库段的预测结果进行分析。第一库段发生 M0和M4的概率远大于M1、M2、M3的概率,即不发生水库诱发地震或微震的概率最大。第二库段发生 M4、M0的概率基本相同,远大于M1、M2、M3的概率,即不发生水库诱发地震或微震的概率最大。第三库段发生 M0的概率远大于发生 M1、M2、M3、M4的概率,即不发生水库诱发地震概率最大。因此,可以据此判定阿尔塔什水利枢纽库坝区极可能不会诱发水库地震或诱发微震。

表2 统计检验计算成果

3.3 灰色聚类法[5]预测

3.3.1 方法简介

小浪底水库诱发地震预测中应用了灰色聚类[6],该方法是目前水库诱发地震预测的方法之一。水库诱发地震可以看作是一个灰色系统,其中部分信息为已知,而部分信息未知,可用灰色聚类分析方法来预测水库诱发地震的可能性。将要预测的水库(聚类对象)按不同聚类指标(即诱震因子)分别归入不同的聚类类别(按水库诱发地震震级分类)。模型表达式为:

式中:i为聚类对象,即要预测的水库(或同一水库不同聚类指标的组合);j为聚类指标,即诱震因子;K 为聚类类别,即预测目标,K ∈ (M1、M2、M3、M4、M0);Xij是 Ⅰ类聚类对象对j个聚类指标所拥有的白化函数;YKj(Xij)为Xij属于第K类地震的权重,即功效函数;σiK为第i个预测单元关于K种类别的灰色聚类系数;ηKi为标准聚类权。

预测结果 σi:σi=max(σi1,σi2,σi3,σi4,σi5),取聚类系数最大的那一类,即为所判断的预测单元及各组合方案所属的类型。

3.3.2 预测结果

对研究区按分区组合进行灰色聚类分析,各诱震因子组合方案的功效函数从表2中得来,λKj值统计列入表3,标准权ηKi列入表4。灰色聚类分析计算的结果见表5。对每1个预测单元,取5个聚类类别中聚类系数最大者,即认为是该单元预测的可能发震强度。

从表5灰色聚类分析结果来看,第一库段和第三库段发生M4的概率最大,其次为M0,第二库段发生水库诱发地震的震级大小决定米亚断裂的活动与否,其相应的可能发震概率分别为M1和M4。

综合分析,库坝区发生水库诱发地震的可能性是存在的,第一和第三库段以微震为主,第二库段具有发生中 ～强水库地震的可能。

表3 块状层状岩体库段λKj值统计

表4 块状层状岩体库段标准权ηKi

表5 灰色聚类分析计算结果

4 水库诱发地震综合评价[7]

4.1 水库诱发地震预测结果分析

通过前面的地震地质类比分析,概率统计检验法和灰色聚类分析等方法的预测,可以看出,三种不同方法预测的结果具有一定的差别,需要进行综合评价。

地震地质类比分析方法预测水库的第一库段、第三库段具有诱发弱～微震的可能,概率统计检验法预测水库不发生水库诱发地震的概率最大,而灰色聚类分析方法预测水库诱发微震的概率最大。地震地质类比分析方法预测第二库段发生中～强水库地震,统计检验预测水库发生微震的概率最大,灰色聚类分析方法预测发生水库诱发地震强震的概率最大。现对三种结果进行综合分析。

对于第一、第三库段,三种方法预测结果差别不大,基本是不发震或发生弱震,按发生弱震考虑是合适的。

第二库段按着地震地质类比分析,米亚特断裂属区域性活动断裂,该断裂在水库区出露,按着超深水文地质结构面孕震等级考虑,是具有诱发强烈地震可能的。考虑该断裂历史上虽发生过地震,但震级为小震,说明该断裂的孕震水平较低。工程区附近地震活动水平微弱,以小震为主,最大为4.0级。因此,考虑一定的安全裕度,最大可能的发震等级不会超过4.5级。统计检验法预测发生微震的概率最大,和目前该断裂的发震情况是吻合的。灰色聚类分析方法预测发生强震的概率最大,是基于该断裂的活动性判断的。如果该断裂在工程区内活动性不强,则预测结果为发生微震的概率最大。综合以上分析,判断该断裂存在诱发水库地震的可能,最大震级不会超过4.5级。

4.2 最大可能震级和发震地点

根据以上分析,水库蓄水后,初步判断第一库段和第三库段发生微震的地点可能和断层有关,具有一定的随机性。第二库段发生水库地震的地点为米亚断裂带附近。

4.3 衰减规律

近年来,地震部门对新疆地区地震衰减关系取得了较多的研究成果,建立了地震烈度衰减关系,提出了中国西部烈度衰减公式如下:

根据上述公式计算,在水库可能诱发4.5级地震时,对坝址区的影响烈度不会超过6度。低于本区的地震基本烈度8度。

5 结 论

阿尔塔什水利枢纽为高坝大库,水库区存在超深水文地质结构面;深水文地质结构面;浅水文地质结构面和表层水文地质结构面。因而存在水库诱发地震的可能性。

根据水库区的地层岩性和地质构造情况,将库区划分三个库段。第一库段和第三库段岩性和构造情况基本类似,发生水库诱发地震的可能等级为微震,对工程没有影响。第二库段受米亚断裂是阿尔塔什水利枢纽水库诱发地震的控制因素。通过采用地震地质类比分析、概率同级检验法和灰色聚类分析,水库存在诱发地震的可能,最大震级不会超过4.5级,可能的发震地点在断裂附近,对坝址区的影响烈度小于6度,低于坝址区的基本烈度,对水工建筑物不会产生不利影响。

[1] 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局,中国国家标准化管理委员会.GB21075-2007.水库诱发地震危险性评价[S].北京:中国标准出版社,2007:1.

[2] 中华人民共和国住房和城乡建设部,中华人民共和国水利部.GB50487-2008.水利水电工程地质勘察规范[S].北京:中国计划出版社,2009:18.

[3] 杜运连,王洪涛,袁丽文.我国水库诱发地震研究[J].地震,2008,28(4):39-51.

[4] 中华人民共和国建设部,中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.GB50287-2006.水力发电工程地质勘察规范[S].北京:中国计划出版社,2008:17.

[5] 于远祥,杨勇,叶万军.灰色聚类分析在地质灾害综合区划中的应用[J].煤田地质与勘探,2009,(3):11.

[6] 贺为民,李智毅,刘敏,等.应用灰色聚类法预测小浪底水库诱发地震最大震级[J].华北地震科学,2000,(1):26-30.

[7] 邹乐乐,金菊良,周玉良.基于遗传模糊层次分析法的水库诱发地震综合风险评价指标体系筛选模型[J].地震地质,2010,(4):30-35.