论永顺ML3.2级地震与高家坝水库的关系

童 琼，童迎世，童 敏

(1.湖南省地震局吉首地震台，湖南 吉首 416000；2.湖南省地震局，湖南 长沙 410004)

论永顺ML3.2级地震与高家坝水库的关系

童 琼1，童迎世2，童 敏2

(1.湖南省地震局吉首地震台，湖南 吉首 416000；2.湖南省地震局，湖南 长沙 410004)

从高家坝水库的基本特征出发，结合库区和坝址区的地质与构造、ML3.2级地震前后水库的水位变化情况、震时村民的反应和周边台站地震记录波形进行讨论，初步认为ML3.2级地震属水库诱发岩溶塌陷地震。同时根据水库的基本参数对可能发生的最大地震震级进行了预测，如果发生构造地震，最大震级为ML4.3。但库区经过多年载荷与排放，地层趋于稳定后，地震发生的频度和强度可能减小。

诱发地震；高家坝水库；地质构造；水位变化

引言

据湖南省地震台网测定：2010年9月16日10时13分在湖南省永顺县两岔乡（N29.1°，E109.7°）发生ML3.2级地震。地震发生时，两岔、盐井和首车3个乡镇，13个自然村部分村民有感。据现场考察，震感较强的两岔乡湖坝村个别房屋有掉瓦和轻微破坏。村民普遍反映地震发生时听到一声像桥梁塌陷的巨响，静止的人感到下沉颠簸。在考察过程中永顺县两岔乡政府工作人员向考察人员提供了一个重要情况，在离两岔乡政府不足2 km的车禾村高家坝有一座8 000万m3库容的大中型水库，2009年12月29日才关闸蓄水，2010年9月9日达到水库正常蓄水水位368.58 m（海拔）。笔者认为这次地震可能与高家坝水库有关。

1 高家坝水库基本情况

高家坝水库 （永顺县境内）位于沅水一级支流，酉水支流猛洞河中上游，坝址距永顺县城37 km，水路42.5 km。大坝高63.5 m，坝址以上控制流域面积740 km2，占猛洞河流域面积的32.5%。

该水库工程是永顺县城市防洪控制性工程，也是湖南省湘西自治州重点工程和西部开发标志性工程之一。水库正常蓄水位368 m，防洪高水位372 m，总库容8 000万m3，调节库容5 200万m3。配合县城少量堤防可使永顺县城防洪标准由3～5年提高到20年一遇，使下游15万人民生命财产安全得到保障。同时高家坝水库防洪发电并举，电站装有2台单机容量10 MW的水轮发电机组，总装机容量20 MW。

水库自2009年关闸蓄水以来，今年9月9日已达到了正常蓄水水位，从表1可以看出，9月10日开始水位连续下降，地震发生的9月16日起，库水位每天以超过1 m的速度减少。据电站记录的资料显示，每天发电排水与上游补水基本持平，因此水位的下降不排除溶洞塌陷。

表1 地震前高家坝水库水位变化情况Table 1 Gaojiaba reservoir water level before the earthquake

2 高家坝水库地质与构造

2.1 库区地貌概况

水库位于猛洞河上游中低山区，两岸山体雄厚，山顶高程在500 m以上河流由北向南，河床狭窄，岩石裸露，呈低压深压地貌。库区地层主要有：寒武系娄山关群灰白色厚层状细至粗粒白云岩；奥陶系下统南津关组、分乡组、红花园组、太湾组和宝塔组赭灰色、紫红色中-厚层状泥质灰岩、白云质灰岩瘤状泯灰岩、含生物碎屑岩、龟裂纹灰岩。奥陶系上统临湘组灰岩、泥灰岩和五峰组砂页岩。库外两侧有一套志留系龙马溪组砂页岩。库区主要有盐井-首车区域性背斜和F1区域性断裂，F2和F3断层在近坝库区左岸通向库外。库区主要地层为奥陶系碳酸盐岩，岩溶发育。

2.2 坝址区地质环境

高家坝水电站坝址左陡右缓，呈不对称的 “V”字型，左岸山体雄厚，山顶高程380～390 m，右岸坝肩山脊单薄，上游冲沟深切，沟底有落水洞，下游为溶蚀洼地，洼地西南角见一落水洞。坝址区出露地层主要为奥陶系十字铺组、宝塔组粉砂质灰岩、瘤状泥质灰岩、白云质灰岩。右岸山顶见奥陶系临湘组泥质灰岩，第四系殘坡积层零星出露，厚度3～5 m，岩层产状 N18°～22°， 倾角∠3°～8°。

地下水主要是岩溶水，接受大气降水补给，以岩溶泉或地下暗河为主要排泄方式。

图1 高家坝水库地质与构造图Fig.1 Geologic and structural map of Gaojiaba reservoir

2.3 坝址及库区构造特征

水库库区与大坝附近，地质构造相当复杂。从图1可以看出，高家坝水库坝区由强岩溶的奥陶系灰岩组成，并有断层通过。坝区基岩主要为奥陶系地层.节理裂隙较发育。坝区共发现断层14条，一般规模较小，延伸不长，破碎带宽度一般0.2～0.8 m最宽2～3.5 m，断距小的0.1～0.2 m，最大3.2 m，按其走向分为NE和NW向，并以正断层为主，且溶蚀充填泥及钙华；平移断层次之，其中规模较大的平移断层，延伸长4～5 km。大坝附近有7条断裂，库区左侧有F6平山断层向西南延伸。大坝上游附近，左岸有F5车禾断层，右肩有F4河边断层和F6平山断层通过，大坝下游F7两岔断层虽延伸不长，但由南向北穿插猛洞河。震中附近盐井首车压扭断裂F1、F2金斗卡塔断裂和F3冗迪吴家断裂主要沿袭猛洞河流展布，在两岔乡若作村附近出露，F1断裂对大坝和近坝区的地震活动起一定的的控制作用，这次ML3.2级地震就发生在F1、F2断层的附近，Ⅲ度区的长轴方向与该断层走向基本一致。整个库区，尤其是大坝附近有大量的溶蚀洼地、落水洞、暗河、漏斗和溶洞，岩溶形态各异，同时现场考察调查也发现多处溶洞出露地面，这些对水库蓄水会带来一定的影响。

3 ML3.2级地震序列

永顺县境内曾多次发生过ML3.0级左右地震，但高家坝水库区周围40 km范围内没有地震记载。2010年9月16日ML3.2级是首次地震，震中就在离水库不足2 km的两岔乡政府。这次地震发生后相继发生了ML1.6、ML2.0和ML1.7级余震 (见表2)。同时从距水库仅73 km的张家界数字台记录波形 (图2)来看，S波后出现了大面波，这种明显的长周期面波波形是塌陷地震的主要特征之一[1]，ML3.2级地震等震线长轴方向与库区的断裂构造一致,有感范围仅130 km2，相比该区域同等级构造地震，明显偏小。综合前面的调查结果，这次地震应为塌陷地震。主因为库区存在岩溶、漏斗、暗河等复杂的地质结构和库水载荷。

表2 永顺县ML3.2级地震序列（湖南省地震台网中心提供）Table 2 Yongshun ML3.2 earthquake sequences（provided by seismic network center of Hunan Province）

表2的定位结果显示震源深度在6～7 km，但岩溶等引发的塌陷地震，其震源深度一般不可能达到6～7 km这种深度，定位的深度明显偏深。地震台网中心测定的震源深度只能作为参考，因为按规范深度误差可以达±10 km。经查阅建库前的地勘资料，库区溶洞、漏斗和暗河最深只有1 050 m；结合台站记录地震波的初动和震后有感范围偏小的情况，此次地震实际震源深度应比定位结果浅也可以看出此次地震震源较浅，根据此次地震的具体情况，初步认定震源深度为1.5 km左右。

图2 永顺ML3.2级地震张家界数字地震台波形Fig.2 Waveform of Yongshun ML3.2 earthquake recorded by Zhangjiajie station

4 高家坝水库地震震级预测

水库地震一般多位于少震区及弱震区。对于少震区或弱震区，有学者解释为：无震历史是弹性应变较高的反映，愈是地震活动不明显的地区，愈可能积累较高的弹性应变能，在弹性应变能积累较高地区，水库蓄水有可能提前释放应变能，导致较大地震发生[2]。与此同时，亦应充分研究水库地区及外围地区地震活动的强度及空间分布资料，特别是小地震及微地震活动资料。因为大量小地震的发生，一方面使微小裂隙不断发展、贯通，加强了库水向深部渗透；另一方面小地震活动使应力分布更趋于不平衡，会导致更大破裂的产生[3]。

水库地震的诱发作用首先来自水库蓄水，笔者认为，库水的作用可大致分为两类：一类是因蓄水产生了诸如水库荷载作用，对水库基岩的物理、化学作用，从而改变了库区的地震活动；另一类是水库荷载改变了外力地质作用条件，导致地表和深度不等的局部岩体或岩块失稳，发生相对位移破坏而伴生的地震现象[4]。因库水作用产生岩溶塌陷或重力滑动都可引起岩块相对位移或破坏。

构造型水库地震，其诱震机制是由于库水对断裂构造的物理、化学作用，这种作用使聚集于活动断裂的构造应变能提前释放，特别是当初始应力较高的状态下，应变能更易提前释放。因此，库区内展布的具有新活动性的断裂，具有渗水性时，正是库区内具有可能诱发地震的区段[5]。

水库诱发地震的前提是库区具有一定的地质构造和水文地质条件，以及一定的原始应力积累，诱发地震数量与库区地质构造的复杂程度及水库规模有一定的相关性。

这次地震发生后，引起了库区附近，特别是库区下游的村民极大的恐慌，当地政府要求地震部门作出今后是否还有更大的地震发生的趋势判断。尽管这次地震明显表现为塌陷地震，属非构造地震，但库区有多条断裂通过，不排除发生更大构造地震的可能性。为了回答当地政府提出的问题，消除村民的恐慌，笔者根据高家坝水库的基本参数，运用常宝琦对水库地震震级预测的讨论，用水库综合影响参数推算水库诱发地震震级[6]。综合影响参数是一个和最大坝前库深 （Hmax）、相应的水库面积 （S）和相应的库容 （V）有关的参数。理论证明，震级M与它们的之间的统计回归关系式为

本关系式只适用于较大水库，库深Hmax＞50 m和相应库容为 (0.1×109)m3以上的水库，以此关系式来计算高家坝水库的最大诱发地震是满足要求的。

根据高家坝水电站水库参数 (S、V、Hmax)和S=E×V/Hmax求得高家坝水库综合影响参数E=1.295。代入关系式 （1）

根据计算结果,笔者认为：高家坝水电站水库诱发地震的最大震级为MS3.8级，即ML4.3级。

5 结论与认识

笔者通过对库区地质与构造环境、水库近期水位的变化和地震记录波形的讨论，并结合现场调查考察从村民那里了解到地震时的有感情况，初步认为：这次地震的发生主要与库区地质结构有关，属水库诱发导致溶岩塌陷地震。

（1）库区属石灰岩地区，溶岩发育，地下溶洞、溶蚀洼地、暗河、漏斗和落水洞较多，形态各异，同时有多条断裂构造通过库区及大坝附近，ML3.2地震就发生在首车压扭断裂的旁边，Ⅲ度区的长轴方向与该断层走向基本一致。

（2）水库2009年12月29日才关闸蓄水,今年9月9日达到正常蓄水水位 （368.58 m），地震是水位连续下降至365.48 m后发生的，地震发生后水位以每天1 m的速度下降；

（3）地震台站记录的波形属典型的塌陷地震，S波后出现长周期面波；

（4）地震时当地村民听到的响声与感到下沉的震感；

（5）此次地震震级ML3.2，有感范围仅130 km2，具有塌陷地震 “震级偏大，有感范围偏小”等特点。

根据水库的基本参数对高家坝水库进行最大震级预测，诱发最大地震的震级为MS3.8级。

这次地震发生在水库蓄水初期，库水改变了库区的地质构造环境，改变了蓄水前水库区地下应力的平衡状态。因此，往后，还会有一定的小震活动，即发生一些小的或相近的塌陷地震。但经过反复的蓄水和排水，库区地层逐步稳定，地下应力达到平衡后，地震的强度和频度会有所下降，如果发生构造地震，其震级可能接近或者达到预测的最大震级。但发生比预测的最大震级MS3.8级 （ML4.3）更大地震的可能性较小。

［1］童迎世，李春鹏，童 敏.湖南典型矿震震例分析与研究 ［J］.华南地震.2009,29(3)：56-63

［2］张文甫．水库地震诱震区预测与强度评估 ［J］．地震地磁观测与研究，1999，20(2)：47-51．

［3］童迎世，曹宏文，毛际香，等.江垭水电站水库诱发地震研究与震级预测 ［J］.华南地震2002,20(23)：84-90

［4］李祖武，于品清，孔凡健.中国水库地震的地质条件 ［M］.北京,地震出版社，1984

［5］吴奇良，童迎世，胡良生．论湖南水库环境地质与地震的关系 ［J］．华南地震，2002，22(1)：70-75．

［6］常宝琦，沈立英．青海共和7．0级地震与龙羊峡水库关系探讨 ［J］．华南地震，1997，17(1)：82-87．

The Relationship between the Yongshun ML3.2 Earthquake and Gaojiaba Reservoir

TONG Qiong,TONG Yingshi,TONG Min

(1 Earthquake Administration of Hunan Province，Changsha 410004,China;2 Jishou Seismologic station,Earthquake Administration of Hunan Province,Jishou 416000,China)

Based on the basic characteristics of Gaojiaba reservoir,and combining with the geologic structure of reservoir and dam site,the reservoir′s water level changes before and after earthquake,response of the villagers when the earthquake occurred and the waveforms recorded by seismic station nearby,the paper concludes that the ML3.2 earthquake is reservoir induced Karst collapse earthquake.Meanwhile,the paper predicted the maximum possible earthquake magnitude according to the basic parameters of the reservoir.If tectonic earthquakes occur,the largest magnitude of earthquake would be ML4.3.But the reservoir are discharging for years,and formation tends to be stable.Thus,the frequency and strength of earthquake occurrence maybe become small.

Induced earthquake;Gaojiaba Reservoir;Geological structure;Water level changeing

P315.728

A

1001-8662（2011）02-0103-07

2010-10-22

童琼，女，1980年生，硕士研究生.主要从事地震观测与分析.E-mail:xianxianyue@163.com.