广西凤山至凌云一带岩溶水文地质条件与“6·28”震群关系研究

蒙荣国，荣明书，邓 忠，黄文娟

(广西水文地质工程地质勘察院，广西柳州 545006)

2010年6月28日至8月中旬，广西凤山县至凌云县一带发生3级震群活动(简称“6·28”震群，亦称为凌云—凤山3级震群活动)，共记录3071次地震活动，其中0.0～0.9级地震2369次，1.0～1.9级地震658次，2.0～2.9级地震41次，3.0～3.9级地震3次，最大为7月1日10时27分3.2级地震。

此次震群事件发生在广西西北部岩溶地区，震源浅、频次高、烈度大、灾害重，百色市凌云县逻楼镇和河池市凤山县江洲乡、平乐乡等地区受到影响。地震共造成1000多人受灾，百色、河池两市直接经济损失1500多万元，转移安置群众3500余人［1］。

“6·28”震群发生后，各部门专家对震区进行考察后，对震群的成因主要提出了以下三种看法:第一种认为，当地下河水位暴涨时，河水挤压地层，从而导致地裂、地陷，或小范围地震;第二种认为，可能是暴雨造成地下溶洞塌陷引起地震，即岩溶管道塌陷诱发地震，但这种暴雨诱发的震群在广西较为罕见;第三种认为凤山县地处博白至巴马的地震活动断裂带上，是小震易发区，这次震群属地壳正常能量的释放，是构造地震。

本文侧重从岩溶水文地质角度出发，研究震群与当地岩溶水文地质条件的关系。

1 震区岩溶水文地质条件

广西凤山县至凌云县一带属亚热带季风气候。凤山县年平均气温为 19.2℃，年平均降水量为1550.7mm，年平均蒸发量为1232.6mm。5～8月份降水量占全年总降水量的70%，降雨高峰期多出现在6、7月份。

位于震中近场区的江洲气象站，2010年降水量为943mm，其中6月28日降水量为121.7mm;2012年6月8日降水量为217mm。

震中区位于坡心地下河流域，坡心地下河集水面积802.81km2(含碎屑岩)，全程长约90km，明流长仅4km，枯水期流量4.2m3/s，丰水期流量265.47m3/s，平均流量26.478m3/s，年总径流量8.35×108m3，降雨是唯一补给来源。坡心地下河从三门海坡心地下河出口流出地表汇入坡心河(图1)。

坡心地下河流域岩溶区以构造-溶蚀峰丛洼地地形为主，峰丛谷地主要发育在岩溶与非岩溶接触带，洼地(谷)地中漏斗、消水洞、盲谷等岩溶形态发育。岩溶区北东侧及南西侧以碎屑岩组成的侵蚀-构造中低山浅切谷地地形为主。出露地层为石炭系-三叠系，其中石炭系至二叠系上统以碳酸盐岩为主，而外围的二叠系上统和三叠系以碎屑岩为主，局部有中生代侵入的石英斑岩岩脉出露;在河床、阶地、冲沟、洼地和谷地的底部有少量第四系覆盖。构造体系可分为北西向构造和弧形构造两类，弧形构造包容在北西向构造中，是北西向构造在旋卷挤压两组力作用下，把北西向构造改造成向南西方向弯曲的弧形构造。坡心地下河的发育和展布受弧形构造控制明显，坡心地下河主管道呈弧形展布，支流则沿北东向断裂发育。

图1 坡心地下河流域水文地质简图Fig．1 Simplified hydrogeological map the thePoxin underground river basin

坡心地下河发育桂西北典型包容式岩溶区，岩溶发育受岩性、地质构造及外源水的控制，表现为洞穴类型多样、数量众多、规模巨大及成层性明显的特点，且洞底发育数量众多、个体规模巨大的化学沉积物，并存在较多的淤泥和洞顶岩石崩积物。水动力特征主要表现为中上游水位暴涨暴落，于短距离内可形成几十米甚至上百米的地下水头差。

2 岩溶水文地质条件与“6·28”震群关系分析

2．1 “6·28”震群特征分析

2．1．1 “6·28”震群的表象特征

研究期间，对震中区进行调查时，当地居民把地震多说成“气震”，地震期间“听到地下有放炮声”;下陇彩附近“洼地水边涨边震，且可见水面浪花翻滚”;2010年7月1日3.2级地震时，哥立湾消水漏斗“突然喷出近100m高水气柱，持续约10分钟，而后地动山摇”，消水漏斗附近产生一连串地表岩溶塌陷。

总之，“6·28”震群发生期间，地下可听到巨大响声，地表可见冒水冒气，并产生地表岩溶塌陷。

岩溶气爆为岩溶管道中的气水压力作用破坏周围的岩土突发现象。存在于封闭条件较好的洞穴中的自由气体，由于地下水的大幅度涨落，造成洞内气体压缩或局部真空，产生势能，当积聚能量超过周围岩体强度时，引起周围岩体或土体破裂、塌陷以致穿孔，是一种释放能量并伴有巨响的机械破坏作用。气爆多沿岩体的软弱结构面发生。在利用天然溶蚀洼地修建水库时，这种作用常因水位涨落而引起岩体塌陷穿孔。气爆现象也可在自然界发生［2］。

另外，据调查显示，“6·28”震群活动前，百年来震中区洼地多不受淹，而“6·28”震群活动期间，震中区受淹严重。这应不是一种巧合，而应是地质环境改变(如地下河堵塞等)之故。

从以上可看出，从表象特征上“6·28”震群与岩溶气爆地震和岩溶陷落地震具有相似性。

2．1．2 “6·28”震群震中分布特征

据研究发现，“6·28”震群震中区主要分布于地表存在密闭条件较好的区域，而同一流域内存在大型岩溶天窗的地下河主管道及江洲长廊(中英联合探险队调查的巨大地下岩溶洞穴系统，见图1)分布区却很少发生地震，究其原因是因为那些区域封闭条件差，难形成封闭岩溶空腔和高压气团之故。

因此，“6·28”震群分布特征与气爆地震分布相似。

2．1．3 “6·28”震群与震区降水量相关性分析

“6·28”震群是震区2010年大旱后由暴雨诱发的，图2为2010年6月15日至7月19日江洲乡降水量与震动次数关系曲线。

图2 “6·28”震群震动次数、最大震级与降水量(江洲站)关系曲线Fig．2 Vibration frequency and the maximum magnitude of the‘6·28’Earthquake Swarms vs rainfall(the Jiangzhou station)

从图2可以看出，降水量峰值与震动次数峰值时间上存在一定差异(滞后约10天，这与当地降水与地下水位上涨的滞后是基本一致的)，若不考虑滞后关系，总体上降水量越大震动次数越多，震级越大，震动次数及最大震级具有雨后逐渐衰减趋势。

而从岩溶水文地质角度上看，以灌入式补给的岩溶区降水量与地下水位的关系是明显的正相关，因此，“6·28”震群与震区地下水位变化也应具有明显的正相关性。这与因水位上涨压缩气体产生气爆地震相似。

2．1．4 “6·28”震群后震区地震监测结果分析

“6·28”震群与岩溶气爆地震和岩溶陷落地震表象现象相似，若“6·28”震群存在岩溶气爆地震及岩溶陷落地震，则短期内震区很可能监测到地震的重发生。因此，研究期间，在进行震区地下水位监测的同时亦布置了流动台对震区进行地震活动监测，相当于对“6·28”震区进行一次地震“模拟试验”。

监测结果显示，2012年5月12日至6月22日震区共监测到79次0级以上地震，最大震级为1.4级，印证了原假设。图3为监测资料分析图。

图3 2012年震区地震与地下水位关系图Fig．3 Relationship between the earthquake and water level in 2012

从图3可看出:(1)震区水位上涨速率越大，地震震级越大，震动次数越大;(2)地下水位涨至590m前对地震影响最大;(3)水位降落过程也会发生地震。

震区2010年为久旱后发生300年一遇特大暴雨，从而导致地下水位暴涨，而2012年自4月份开始降雨，至2012年6月8日达单日最大降水量(217mm)，地下水位是一个相对缓涨的过程，且至最大降雨时地下水位已接近地下水位影响地震的最佳区段，因此两年份监测到的地震数据也差别较大。但仍可以看出，“6·28”震区地震具有重现性，这与岩溶气爆地震及岩溶陷落地震相似。

另外，研究期间，于枯水期亦监测到地震活动发生，这与陷落地震是较为相似的。

2．2 震区发生岩溶气爆地震及岩溶陷落地震有利条件分析

2．2．1 震中区气爆地震的有利条件

(1)包容式岩溶区是产生岩溶气爆地震的有利条件。该条件主要表现为可以汇集大量的外源水涌入岩溶区。

(2)特大暴雨是形成巨大水气压力的先决条件。2010年6月27日18:00至28日8:00，在凤山县与凌云县交界的逻楼镇一带降水量274mm，其中28日1:00～7:00降水量高达236mm，属300年一遇的特大暴雨。

(3)地下河进口水位暴涨是形成巨大水气压力的重要条件。由于来水量大，而去水断面有限，从而导致地下河进口处水位暴涨，形成巨大水头差，并使地下河管道内存在气体具有密闭条件。

(4)地下河管道中存在充水反虹管是产生岩溶气爆地震的优越条件。如图4为宏福地下河季节性进口岩溶洞穴，宏福地下河常年性进口人无法入内，枯季从季节性进口进去可见从地下河常年性进口向南东径流750m后在洞内北西端呈反虹管冒水口(图4涌水处)，向南东径流360m后呈反虹管消水(图4消水处)。

图4 地下河管道中充水反虹管剖面图Fig．4 Cross-section of the water filled inverted siphon in the underground river pipeline

(5)反虹管之间存在大型溶洞是产生岩溶气爆地震的基础条件。这种洞穴于震区是很多见的。如图4所示，当地下水位上涨时，该洞形成的密闭空腔体积可达28.13×104m3。

(6)巨大的水头压力是产生岩溶气爆地震的必要条件。图4中的溶洞，“6·28”震群期间，洞外最高洪水位为572m，比进入该洞通道封闭起始水位高40m。为估算方便，假定密闭空腔为柱体，所测洞顶最高为598m，当达到压力平衡时，洞内气体压力约为1.85个标准大气压(但按实际情况，洞内岩溶空腔底部大，上部小，这样估算出来的气体压力是偏小的)，洞内压缩气体体积为15.21×104m3。按空气爆炸理论进行估算［3］，若洞内高压气体一次性爆炸，理论上相当于震级3.5级地震所释放的能量［4］。

(7)地表洼地临时积水是产生震群活动的特殊条件。调查发现，震中区洼地内多受淹，因而，下部溶洞封闭条件更好。

2．2．2 岩溶气爆地震形成机理分析

通过分析岩溶气爆地震的形成机理结合震区的基础条件，震区形成岩溶气爆地震主要分为以下几个层次:(1)特大暴雨引起地下河水位暴涨;(2)地下河水位暴涨会形成可封闭岩溶洞穴;(3)封闭岩溶洞穴中的空气会受到强烈压缩;(4)高压气团会产生气蚀破坏作用;(5)当高压气团的冲击力大于溶洞顶板时会产生冲爆现象;(6)地表洼地积水对“压缩—气爆—再压缩—再气爆”的产生过程发挥了独特的作用。由于洼地积水，冲爆后气体压力迅速下降，水流带着各种充填物迅速回填，从而空腔内气体又重新密闭，重新受压缩，重新气爆。

2．2．3 岩溶陷落地震有利条件及形成机理分析

震中区坡心地下河管道中发现数以万计的岩块崩塌，小者1吨以下，大者几千吨甚至上万吨，这些岩块从高达几十米甚至上百米的洞顶崩落下来，肯定会引起不同程度的震动，即岩溶陷落地震。根据震区特点，震区主要存在气爆冲蚀形成岩溶陷落、水力压裂形成岩溶陷落、真空吸蚀形成岩溶陷落、水击效应形成岩溶陷落。

2．3 震区地震特点分析

“6·28”震群震源浅、频次高、烈度大、灾害重，符合岩溶气爆地震及岩溶陷落地震的特点。

震区大规模溶洞多发育于埋深200m以上，因此，岩溶气爆地震及陷落地震明显具有震源浅的特点;震区包气带内不同高程上具有大量的可密闭空腔及洞顶危岩体，水位上涨至不同高程均可产生地震，发生“压缩—气爆—再压缩—再气爆”的作用，因而显出频次高的特点;而地下岩溶充填情况具有自地下水水平径流带至地表有从未充填至充填趋势，因而水位上涨过程地震具有衰减趋势;烈度大、灾害重主要因为震源浅以及岩溶区地基和建筑结构较差的原因。

3 结论

(1)“6·28”震群是在当地特定的岩溶水文地质条件下发生的，是地质环境演变的结果，它与降水条件具有明显的相关性，在未产生大的地质环境改变之前，震区地震是可重复的。

(2)震中区具备形成气爆地震及陷落地震的有利条件，“6·28”震群存在岩溶气爆地震及陷落地震。

(3)“6·28”震群是暴雨诱发的岩溶震群活动。“6·28”震群是震区特定岩溶水文地质条件下暴雨诱发的震群活动，其过程是相当复杂的，并不一定单是哪种类型地震或可以明确各种类型地震的先后问题。它既存在陷落地震和气爆地震，也存在陷落地震引发一系列的气爆地震，或气爆地震也可引发一系列的陷落地震，或者因气体挤压溶洞顶板而产生应力释放产生局部小地震。因此，此处称“6·28”震群是暴雨诱发的岩溶震群活动，它是暴雨与岩溶相互作用的结果。

［1］ 蒙荣国，李细光，姚宏，等.凤山县至凌云县一带岩溶区环境水文地质条件与“6·28”震群关系调查研究报告(简写本)［R］.柳州:广西水文地质工程地质队，广西壮族自治区地震局，2013.［MENG R，LI X G，YAO H，et al.Study on The Relationships between’6·28’Earthquake Swarms and Karst Hydrology Condition of The Region from Fengshan County to Lingyun County(Simple Servomechanism)［R］.Liuzhou:Team of hydrogeology and engineering geology of Guangxi，Seismological Bureau of the Guangxi Zhuang Autonomous，2013.(in Chinese)］

［2］ 袁道先.岩溶学词典［M］.北京:地质出版社，1998:45.［YUAN D X.Glossary of karstology［M］.Beijing:GeologicalPublishing House，1998:45. (in Chinese)］

［3］ 蔡茂林.现代气动技术理论与实践，第四讲:压缩空气的能量［J］.液压气动与密封，2007(5):54-59.［CAI M L.The theory and practice of Modern Pneumatic Technology，Fourth speak:Compressed air energy［J］.Hydraulics Pneumatics ＆ Seals，2007(5):54-59.(in Chinese)］

［4］ 常士骠，张苏民.工程地质手册［M］.3版.北京:中国建筑工业出版社，1982:50.［CHANG S P，ZHANG S M.Engineering Geology Handbook［M］.3th ed.Beijing:China Architecture＆ Building Press，1982:50.(in Chinese)］