福建省长泰上存水库诱发地震可能性分析

林松建，林锦华

(福建省地震局，福建 福州 350005）

0 引言

长泰县枋洋水利枢纽工程是由上存多年调节水库、溪口水闸、上存-溪口引水隧洞及溪口-许庄跨流域引水隧洞等建筑物组成，应用溪口水闸挡水，经溪口-许庄引水隧洞自流引水至石兜（坂头）水库，再由坂头水库输往厦门市区。上存水库坝址集雨面积214 km2，正常蓄水位201 m，相应库容11 388万m3，库水面积3.5 km2，最大坝高89.3 m。

我们在针对上存水库开展地震安全性评价工作过程中，收集并分析了库区地质背景、构造应力场、地震活动，对上存水库与周边水库的类比及对上存水库最大诱发地震及地震发生的概率进行预测，最终给出了上存水库诱发地震可能性和危险性的结论，对工程设防设计具有参考意义。

1 库区地质背景

1.1 地形地貌

工程区位于福建省东南部长泰县境内，区内地貌受地质构造和岩性控制，属于中低山剥蚀地貌，山顶多呈浑园状或尖顶状，山坡较陡，一般山峰在100～500 m之间，河谷深切，植被发育良好。

水库属于山区狭长河谷型水库，河床底高程在134～180 m之间，两岸山峰高程在300～650 m之间，山坡坡度一般为30°～50°。库周植被发育。正常蓄水位201 m时，水库长约8.3 km，水库宽300～700 m。

1.2 地层岩性

国内外大型水库震例资料的统计分析表明，库区岩性条件是水库诱发地震最明显的相关因素之一。碳酸盐岩类是有利于诱发地震的岩性之一，其次是花岗岩类，亦有震例发生于玄武岩区，而松散岩、碎屑岩没有发现水库诱发地震的震例[1]。因此库区岩性条件的分析是水库诱发地震研究的重要方面之一。

由于每一水库的岩性组合、出露情况都各具特点，即使同属于一类岩石，其岩石力学性质、水文地质特性等多方面的性质都有一定的差异，具体确定某一水库在某类地层岩性区将是否发震也是非常困难的。以往的研究进一步发现，岩溶的发育程度，是决定碳酸盐岩区是否发震的关键因素之一，此外岩层的发育规模与库水的接触面积也都是重要的影响因素。

库区内出露的地层主要有：侏罗系上统南园组第二段（J3nb），流纹质晶屑凝灰岩、熔结凝灰岩、凝灰熔岩，侏罗系次花岗斑岩（γπJ3）等，燕山晚期第二次侵入的二长花岗岩（ηγ53(1)b），以及第四系坡残积和冲洪积堆积。

在水库的未来淹没地段主要地层有侏罗系上统南园组第二段凝灰岩（J3nb）和侏罗系次花岗斑岩（γπJ3）（图1）。其中南园组第二段凝灰岩（J3nb）为火山碎屑岩，不容易发生水库诱发地震，而次花岗斑岩 （γπJ3）为花岗岩类岩性，存在发生水库诱发地震的可能。

图1 库区及附近地质构造图Fig.1 Tectonic map in the ShangCun reservoir area and its adjacent area

1.3 库区断裂构造

库区附近经过多次构造运动，构造形迹复杂，但多被中生代火山岩覆盖。中生代，特别是晚侏罗世中晚期火山岩和燕山期侵入岩广泛发育，基底岩石出露较少，主要表现为继承性的断裂活动和小规模的岩浆侵入。自白垩世以来，本区构造相对稳定。库区所处的新构造分区为闽中断块掀斜隆升区内，该区断块由西向东掀斜上升，反映在戴云山脉两坡的不对称性，西坡陡峻，东坡和缓，地势呈阶梯状下降。场地所处的断块以掀斜作用为主，新构造运动表现为垂直的升降运动。

库区内共发现7条断层，断层以NW向为主，NE向只有一条F11（图1），这些断层破碎带宽一般1～2 m，F4、F11断层破碎宽度达5～20 m，破碎带充填构造角砾岩，带中构造透镜体发育，并见有岩脉侵入，带内岩石破碎，详见表1。

位于库首附近的上存断裂（F26）和南坑断裂（F9）活动年代相对较新，为第四纪早期断裂，库区其余断裂活动年代较老，均为前第四纪活动断裂。因此，库首附近的上存断裂 （F26）和南坑断裂（F9），以及通过次花岗斑岩的高带岭断裂（F2）和望对山断裂（F3）存在发生水库诱发地震的可能。可以排除天竺岩断裂（F11）和崎山寨断裂（F25）发生诱发地震的可能。

表1 上存库区断层一览表Table 1 Fault list of the ShangCun Reservoir area

1.4 水文地质条件

根据福建省水利水电勘测设计研究院提供的工程地质报告，库区地下水类型主要为孔隙潜水和裂隙潜水两种。孔隙潜水主要赋存于第四系地层中、裂隙潜水主要赋存于断裂带中。地下水受大气降水补给，向河流冲沟排泄。

水库四周山脉连绵，山体雄厚。组成库盆的岩性主要为侏罗系上统南园组凝灰岩、凝灰熔岩，次花岗斑岩等坚硬致密的块状岩石，岩石透水率小。未发现通向库外的断裂破碎带，水库无永久性渗漏问题。

根据钻孔的水文资料，地下水位埋深：左岸10～30 m，右岸15～39 m。

岩体透水性随裂隙发育程度和风化状态而异。断层破碎带及裂隙密集带为弱-中等透水性，弱-微风化岩体透水率大部分小于1 Lu，属微透水性。根据上存坝区32个钻孔的压水试验 （共315段）统计，其中微透水性 （q≤1 Lu）有165段，占52.4%；弱透水性 （1 Lu＜q≤10 Lu）有102段，占32.4%；中等透水层 （10 Lu＜q≤100 Lu）有48段，占15.2%。

相对隔水层 （q≤3 Lu）顶板埋深：左岸一般20～30 m，最深可达42.5 m；河床8～20 m；右岸一般10～35 m，最深可达56.55 m。

地表水类型为重碳酸钙钠钾水和重碳酸氯化钠钾钙水，地下水为重碳酸氯化钠钾水。

2 库区现代构造应力场

现代构造应力场是驱动地壳断裂构造活动并孕育发生地震的基本原因，不同方向的断裂活动的性质及其发生的震源力学特征，反映了区域构造应力场的特征。因此，根据地震的震源机制解分析反推地震发生地区的现代构造应力场。

2.1 单个地震的震源机制解

本次工作收集了21个小震地震震源机制解结果列于表2[2]①黄向荣，刘玉森，龙清风，等.福建省地震现场调查报告汇编.福建地震，2000.。表2中的结果绘于图2中。由于震级小，单个结果并不等同于构造应力场的最大、中等、主张应力轴方向，但地震应是在区域构造应力场作用下发生的，大量的单个地震震源机制解结果，可以描绘出现代构造应力场的轮廓，这些地震的断层错动方式在反映应力场作用方面就具有一定的代表性。

表2 单个地震的震源机制解参数Table 2 Parameters of the focal mechanism solution of a single earthquake

表2中所列数据及图2显示，区内21个震源机制解应力主轴P、T轴方向较离散，但也存在优势方向，水平最大主应力方位优势方位为NW－SE方向。P轴与水平夹角较离散，而T轴与水平夹角一般小于30°。断层运动性质主要以走滑和正断层活动为主，走滑型地震为10次，正断层型地震7次，还有3次正走滑运动性质和1次地震断层运动性质无法确定。因此本区断层活动主要以走滑和正断层活动为主。

2.2 小震综合节面解分析

由多个地震求得的综合节面解，可以判断地震所发生有构造应力场特征。作者在不同项目所作的3组小震综合节面解结果列于表3[2]。从表中可见本区平均P轴和T轴均为水平方向，P轴方位为NW-SE向，T轴方位为NE-SW向。P轴可能取向的空间方位投影图见图3。

表3 小震综合节面解Table 3 Parameter of composite mechanism solutions

图2 地震构造应力场水平向主压应力轴方位分布图Fig.2 Distribution of the maximum principal stress axis of the tectonic stress field

从图3P轴可能取向看，P轴方向取向大致为N306°W至N325°W，P轴仰角较小，为近水平方向，仰角也存在近垂直的可能，说明本区应力场主要以挤压走滑运动为主，也存在正断层运动性质地震。

图3 3个中小地震综合震源机制解P轴可能取向（顺序同表3）Fig.3 TP-axis possible direction of the 3 group composite mechanism solutions(Sequence number is the same as in Table 3)

2.3 地震构造应力场综述

通过对小震综合节面解和单个地震震源机制解的研究，认为拟建工程所处地区的现代构造应力场与区域构造应力场特征基本一致。现代构造应力场P轴为北西－南东方向，P倾角主要以近水平方向为主，也存在倾角较大的可能。T轴为北东-南西方向，T轴倾角一般较小。因此，工程所处地区构造应力场主要以剪切运动性质地震为主，也存在正断层运动性质的地震，在这样应力场中，北东向断裂易于发生走滑型地震，北西向断裂易于发生正断层型地震。

3 库区附近地震活动

拟建水库库区10 km范围内，自1970年至2011年12月，区内共记录到1.0级以上地震有18个，最大地震为2.6级 （ML），其中震级M 1.0～1.9级有11次，2.0～2.9级7次 （表4、 图 4）。

表4 库区10km范围内小震目录 （M≥2.0）Table 4 Earthquake catalog (M≥2.0）in 10km radius of the ShangCun Reservoir area

图4 库区10 km范围内地震震中分布图Fig 4 Epicenter distribution of earthquakes within 10km of the ShangCun Reservoir area

从库区10 km范围内地震震中分布看 （图4），库区5 km范围内地震很少，只有4次1级地震，考虑到地震台网监测能力，小震震中定位不一定准确，震中位置仅供参考。

4 水库诱发地震条件的类比

目前福建省已建成的大型水库19座，其中位于东部沿海 （政和-海丰断裂带以东）有：水口水库、街面水库、古田水库、洪口水库、东圳水库、芹山水库、东张水库、峰头水库、山仔水库、南一水库、惠女水库、水东水库、金钟水库。位于西部内陆有：棉花滩水库、沙溪口水库、安砂水库、白沙水库、池潭水库、万安水库、东溪水库。

福建省东部沿海与西部内陆在地层岩性上具有明显的差异，即东部沿海以火山岩为主，后期花岗岩侵入，而西部内陆主要以沉积地层为主，后期同样有花岗岩侵入，因此东部沿海水库库区岩性特征基本相似，在已建成的大型水库中只有水口水库有较明显的水库诱发地震[3、4]，且水口水库是大型水库 （库容26亿m3），而与上存水库相当规模的水库均未发生水库诱发地震。

水库诱发地震与水库规模、岩性、构造、渗透条件、应力状态和区域地震活动背景等因素有关，就发震概率而言，随坝高 （水深）和库容增大而明显增高，从我国水库地震统计看，库容1亿m3至10亿m3的大型水库，其发震概率约为1%[5]、①中国地震局地质研究所北京中震创业工程科技研究院.怒江鹿马登水电站工程场地地震安全性评价和水库诱发地震评价报告，2006.。

从应力状态看上存水库与东部沿海其它水库相似，库区没有区域性大断裂带通过，断裂规模较小，断裂活动年代较早，较新的断裂活动年代为第四纪早期。从上述条件的类比，可看出上存水库发生水库诱发地震的可能性较小。

5 水库诱发地震预测

5.1 水库诱发地震的概率法预测

水库诱发地震是多种因素综合作用的结果。目前很难找出与哪些因素或哪种因素存在必然的联系，而且有些因素存在不确定性，因此采用概率统计的贝叶斯方法进行研究。研究知道库深、库容、应力状态、断裂活动性、岩性介质、地震活动背景等六种因素与水库诱发地震密切相关。按诱发地震的震级划分为4类。Ⅰ类是M＞5.0、Ⅱ类是5.0≥M＞4.0、Ⅲ类是4.0≥M＞3.0、Ⅳ类是3.0≥M。

单因素发震概率计算公式为：

（1）式中Mi表示RIS事件震级的类别，A表示某一因素状态。若综合考虑六种诱震因素的发震概率公式为：

（2）式中的M和D、V、S、F、R、B分别表示RIS事件震级和库深、库容、区域应力状态、断裂活动性、岩性和地震活动背景六种因素。每种因素状态范围列于表5。研究表明六种因素状态是相互独立的。根据已发生诱发地震和未发生诱发地震的水库条件，结合要预测水库的具体条件可计算出不同震级的发震概率，按公式（1）求出所有单因素的发震概率。表6列出了268座深大水库单因素状态的发震概率，其中发震的有61座。把待评价的水库条件用公式（2）计算出多因素条件下不同震级的发震概率[6、7]。

上存水库的诱震因素状态：库深D3(89 m)、库容V3(1.2亿m3)、区域应力状态S2(拉张)、断层活动性F2(不活动)、岩性条件R2(火成岩)、地震活动背景B2(弱震区)，用公式（2）计算得到Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四类地震发震概率分别为：0.006、0.136、0.221、0.638。从计算结果可以看出上存水库发生5.0级以上地震的概率非常低，发生4.0级左右地震的概率有一些可能，发生3.0级以下地震的概率非常高。

表5 水库诱震因素状态Table 5 Factors and states of reservoir induced earthquakes

表6 各单因素状态的诱震概率Table 6 Probability induced earthquake by each singe factor

5.2 水库诱发地震的构造法预测

水库诱发最大震级的地震与断裂构造的规模有密切关系。断裂的长度与地震强度 (或地震震级M)的关系因地区不同而异，但总的表现为半对数线性规律。目前，断裂长度与震级的统计关系式有数十种。由于上存水库发育的断裂构造中北西向断裂多呈张性，具有较好的渗水性，具备诱发地震可能。因此，我们和曾心传等从国内外21例水库地震震级与发震断层长度得到的统计关系式[8]（1）式，来估算上存水库可能诱发的最大地震。

通过库区活动年代较新的北西向断裂有南坑断裂（F9）和上存断裂（F26），水库淹没的长度分别为0.525 km和0.765 km，将其代入公式（1）计算得到MS＝0.8和MS＝1.4。

通过库区次花岗斑岩的高带岭断裂（F2）和望对山断裂（F3），水库淹没的长度分别为1.310 km 和 1.650 km， 将其代入公式（1）计算得到 MS＝2.2和 MS＝2.5。

5.3 综合影响参数E预测法

该方法认为影响水库诱发地震的因素至少包括库深D、库容V和水库面积S[9]。即库水越深，裂隙水压力也就越高；同时库水越深，库容越大，库下固体附加的应力也就越大；水库面积越大碰到的断裂机会越多，对深部的影响也越大。用综合影响系数E表征上述三个参数的统一作用，即定义：E＝DS/V，并给出了综合影响参数E与最大震级的统计回归线性方程： MS＝-4.725＋1.196E＋1.242LnD。

根据上存水库可行性研究报告，上存水库：库深D＝89 m （取最高坝址），库容V＝1.2亿m3，水库面积S＝3.5 km2。求得，E＝DS/V＝2.6。代入综合影响参数E与最大震级关系式中求得， MS＝3.9。

5.4 诱发地震综合分析

从概率预测和最大诱发地震估算看，上存水库存在发生3.9级地以下诱发地震的可能。根据水库地震烈度衰减规律[10]，极震区地震烈度可能会达到Ⅵ度。

6 结论

（1）拟建水库所处地区的现代构造应力场与区域构造应力场特征基本一致。现代构造应力场P轴为北西－南东方向，P倾角主要以近水平方向为主；T轴为北东-南西方向，T轴倾角一般较小。因此，工程所处地区构造应力场主要以剪切运动性质地震为主，也存在正断层运动性质的地震，在这样应力场中，北东向断裂易于发生走滑型地震，北西向断裂易于发生正断层型地震。

（2）库区没有区域性大断裂带通过，断裂规模较小，断裂活动年代较早，较新的断裂活动年代为第四纪早期。与周边水库类比，上存水库发生较明显的诱发地震可能性少。

（3）从概率预测和最大诱发地震估算看，上存水库存在发生4级以下诱发地震的可能。极震区地震烈度可能会达到Ⅵ度，尚未达到当地地震基本烈度。水库建设可不用考虑水库诱发地震的影响。

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