由向家坝水库震源机制探讨诱发地震的成因

冯向东 岳秀霞 王曰风 王晓山 刁桂苓*张洪智 程万正 李 悦 冯志仁

1)河北省地震局，石家庄 050022

2)天津市地震局，天津 300201

3)中国地震局工程力学所，哈尔滨 150080

0 引言

向家坝电站坝址位于四川省宜宾县与云南水富县交界的金沙江下游河段上，最大坝高162m(http:∥www.ctg.com.cn/xwzx/news.php?mnewsid=21582＆mtext=%CF%F2%BC%D2%B0%D3)。国家电力公司中南勘测设计研究院的报告①国家电力公司中南勘测设计研究院，2003，金沙江向家坝水电站水库工程地质勘察报告。中指出:金沙江溪洛渡至向家坝河段河流流向受地质构造控制，鸟瞰呈“厂”字型;其中，溪洛渡至桧溪河段呈NE流向;桧溪至新市镇河流呈近SN向，顺SN走向的河段有猰子坝断层;新市镇以下河段呈近EW向。库区地层出露较齐全，地质构造复杂，地形变化大，雨量充沛，物理地质现象较发育。水库蓄水后，将会遇到一系列工程地质问题，如水库渗漏、水库浸没、水库固体迳流、水库诱发地震等。

向家坝水库以及上游的溪洛渡水库布设了地震台网，有35台仪器连续记录，能够很好地控制库区和周围地区的地震(樊启祥等，2010)。水库地震台网记录的2007年9月—2013年6月库尾一带1级以上地震共计38次，平均每月发生0.66次。而2013年7—9月则记录ML≥1.0地震186次，活动水平大大超出以往。同期还记录1级以下地震553次，最小震级达－0.6级。在强震背景区发生大量小地震已经引起巨大反响，况且向家坝是中国第三大水库，大坝高、蓄水量大，如果发生灾害，必将威胁下游长江流域的安全。

以往，国内外建设的大型水库都分布在地震风险小的区域，在高烈度区划内的向家坝水库没有诱发地震研究的经验可资借鉴(程万正，2013)。西部地区是中国水能资源最丰富的地区，主要集中在岷江、大渡河、雅砻江、金沙江、澜沧江、怒江等流域，这些地区为强烈地震和地质灾害高发区。目前在建和拟建的一系列200m至300m级的世界级高坝，工程规模巨大且少有先例，坝址地震烈度高且缺乏工程震害实例，面临一系列世界级技术难题。高坝大库一旦受震溃决，将导致大坝下游的严重次生灾害，给人民生命及财产造成巨大损失。因此，大坝的抗震防灾研究成为当前水电领域前沿性的重要研究课题(陈厚群等，2009)，有必要借鉴国内外水库地震的研究成果，分析这些地震是否与水库蓄水有关，进一步估计发展趋势，探讨成因，提出必要的工程措施和进一步研究的建议，力图减小和避免灾害的发生。

1 水库诱发地震活动

赵翠萍等①赵翠萍等，2011，国家科技支撑计划——水库地震发生条件探测技术研究课题(2008BAC38B02)报告。认为:水库地震精确定位结果显示，水库蓄水后的地震活动均表现出明显的丛集活动特征，且大都发生在在距离库岸区10km范围内，深度也大都＜10km。即水库地震空间分布呈现出“双十”特征。在查阅了国内外有关水库地震研究的大量文献之后，发现存在水库地震监测台网的水库，蓄水后地震活动的空间分布绝大多数符合“双十”特征。公认度较高的100多个水库，蓄水后库区发生的最大地震震源位置都符合“双十”特征，而且具有一定的普适性。蒋海昆等②蒋海昆等，2011，国家科技支撑计划——水库地震预测方法研究课题(2008BAC38B03)报告。统计，截至1990年，世界上报道的具有较大影响的水库诱发地震约有120例，分布在29个国家。国内明确报道的水库地震震例已达43例。其中有4次水库诱发地震超过6.0级，它们是中国新丰江(1962－03－19，M6.1)，赞比亚－津巴布韦边界Kariba(1963－09－23，M6.1)，希腊 Kremasta(1965－02－05，M6.2)，印度 Koyna(1967－12－10，M6.3)，大部分水库诱发地震是＜5.0级的中小地震，约占90%。

向家坝库尾一带地震分布如图1所示，密集分布的尺度不超过20km，地震全部集中在库岸两侧10km范围内;采用3维速度模型重新修订震源位置，这些地震有94%发生在0～5km深度范围;虽然地震数目多，但是最大震级仅仅ML3.4，2013年11月1日发生的更大地震，也仅仅ML3.7级，都属于小震和微震。图2给出0级以上地震震级和频度随时间的分布。根据杨国宪等(2003)提出的水库诱发地震的判别依据，库水影响区ML≥1.0的地震超过月平均发生频次的6倍即可判别为诱发地震。蓄水前库尾段的1级以上地震月平均次数是0.655，向家坝水库2013年7—9月的3个月平均水平达到62次，已经接近以往月均值的100倍。

图1 向家坝水库2013年6—9月诱发地震(黑框内)分布Fig.1 Distribution of Xiangjiaba reservoir-induced earthquakes(in the bottom right box)from June to September，2013.背景为2007年—2012年9月蓄水前地震

图2 向家坝水库诱发地震序列和频度随时间的分布(a);向家坝库水位和溪洛渡水库放水量随时间的变化(b)Fig.2 Xiangjiaba reservoir-induced earthquake sequence and frequency distribution over time(a);Changes of Xiangjiaba reservoir water level and Xiluodu reservoir discharge over time(b).

向家坝水库2012年10月11日开始蓄水，至17日水位增加了71m，达到352m，此后水位平稳。在此期间，小震活动水平没有显著增长。库尾一带距离大坝约100km，大坝下闸蓄水，尚未回流到库尾。2013年6月27日再次蓄水，2013年7月6日水位又增加15m，2013年9月再次上涨(图2b)，库尾段起始在刘家坪，其水位与向家坝大坝处的水位差71.2m。这时的高水位已经淹没到向家坝库尾段。而距离较近的溪洛渡大坝，提闸放水更能够迅速影响向家坝库尾一带(图2b)，7—9月的大规模放水与下游向家坝大坝下闸蓄水回流淹没的共同作用，导致向家坝库尾一带的诱发地震发生，并且形成几个集中活动的小震群(图2a，b)。

2 震源机制和应力场

采用层状介质点源位错模型，利用水库地震台网的观测资料，取垂直向记录到直达P、S波的最大振幅，反演震源机制的方法(梁尚鸿等，1984)。在反演过程中，用理论振幅比值与相应观测资料拟合的方式求解震源参数，自一组模型参数的初值开始，运用通常的最优化算法(BFGS算法)实现求解过程，其中选用的目标函数定义如下:

式(1)中i为台站序号，N为参与计算的台站总数，Qi为理论振幅比值为实测振幅比值，f为拟合残差，无量纲。

通过这种方法计算得到库尾一带蓄水之前9个(图3a)、蓄水后69个小地震的震源机制(图3b)，50%的结果拟合残差＜0.2，近80%的结果拟合残差＜1(图3c)。

从图3可以看出自水库台网有地震记录以来，蓄水前仅仅得到9个震源机制(图3左)，大致分布在2个地点。震源机制解由三角形分类方法将震源机制划分成4类:走向滑动型、逆冲型、正断型、过渡型。走向滑动型有5个，倾向滑动型有2个(正断型和逆冲型各1个)，复合类型有2个，各种类型都有。而蓄水后的69个地震中，4种类型的震源机制分别有37个、8个、11个和13个。走向滑动型最多，占近2/3，倾向滑动的正断型、逆冲型数目较少。这些地震震源深度都较浅，优势分布差别不大。

选用Gephart等(1984)的应力场参数网格搜索的震源机制应力反演(简称FMSI)程序确定应力场的主应力轴方位。震源机制应力反演程序有3个基本假定(Gephart et al.，1984;Gephart，1990):1)断层面上的滑动方向和计算的剪切应力方向一致;2)研究区域内应力场方向是一致的;3)地震是剪切位错并且可以发生在先前已经存在的断层上。震源机制应力反演程序使用的是网格搜索法，即在应力场参数的模型空间中找到应力模型与实际地震数据间平均残差最小的最佳应力模型。

蓄水前库区9次小震震源机制可能属于随机发生，数据量太少，不适于反演应力场。蓄水后小震分布明显存在南北2个集中区(图1)，以中间为界将研究区分为南北2个区，69个震源机制解在北区有39个，南区有30个(图4)，利用其分别反演蓄水后南北2个区应力场的结果如图5a、b，同时，利用大区域内416个震源机制反演的结果作为区域背景应力场(图5c)。表1给出了相应的参数。

图3 向家坝水库库尾段蓄水前(a)、后(b)的震源机制投影(红色线为猰子坝断层)，拟合残差(c)Fig.3 Focal mechanisms in tail region of Xiangjiaba Reservoir before(a)and after(b)impoundment(The red line is for Yaziba Fault)，and the fitting residuals(c).

Wyss等(1992)和Gillard等(1996)的研究显示:若震源机制解有15°的误差，其引起应力场反演的平均残差不超过6°，因此平均残差＜6°可能表明研究区域具有均匀的应力场，而平均残差＞9°则可能表明研究区域应力场的不均匀。当平均残差介于6°和9°之间时，反演得到的最佳应力场模型被认为是可以接受的解，但平均残差反映了研究区域应力场存在一定程度的不均匀性(Wyss et al.，1995;Lu et al.，1997)。Wan等(2010)利用中国地壳应力数据库和哈佛大学矩张量解反演了中国现代构造应力场，绝大部分地区拟合残差均＜9°，但在向家坝附近区域拟合残差为13°左右，而本文反演的南、北2个区及区域应力场的拟合残差角misfit分别为11°、13°和15°，这种情况反映研究区域应力场较为紊乱。

图4 震源机制类型分布Fig.4 Distribution of focal mechanism types.

图5 向家坝蓄水后北区(a)、南区(b)库尾段的应力场和向家坝区域应力场(c)投影Fig.5 Stress field projection to the north(a)and south(b)part of tail region of Xiangjiaba reservoir and the stress field of the whole Xiangjiaba reservoir region(c)after the impoundment.

表1 震源机制划分区域和时间段反演的应力场应力轴参数Table 1 The stress axis parameters of stress field based on different zones and periods of focal mechanisms

区域背景应力场其最大压应力主轴(图5中的红色方块)方位288°，倾角16°;中等压应力主轴(图5中的黑色圆点)方位101°，倾角73°;最小压应力主轴(图5中的绿色三角)方位197°，倾角2°。最大和最小压应力主轴水平，中等压应力主轴垂直(图5c)。呈现出背景应力场NWW－SEE向挤压，NNE－SSW向拉张的走向滑动状态。蓄水后北区σ1水平，方位251°，倾角18°与背景应力场σ1一致，整体上表现出明显的NWW－SEE向挤压状态，而σ3倾角67°近于直立，与背景应力场的走向滑动状态不同。南部应力场呈现弱拉张状态，与背景区域应力场差别较大。南、北两区应力场差别较大，显示库区应力状态不均匀，区域应力场对小震控制力不强。

3 讨论与结论

据国家电力公司中南勘测设计研究院的报告①同565页①。，金沙江在新市镇以南为近SN流向，主要出露老地层，为二叠纪以前的沉积岩，主要为震旦纪—寒武纪灰岩、粉砂岩及二叠纪玄武岩等，受构造影响岩层多为紧密褶皱，倾角较陡，背向斜受断裂切割，分布方向紊乱，局部岩层倒转岩石破碎，并发育横跨构造。岩石古老，岩性坚硬，受构造和岩性影响，节理裂隙较发育，岩溶化程度较高，故岩溶水丰富，常见大泉、暗河出露。金沙江向家坝水库SN向库段存在的裸露型岩溶发育，从刘家坪到猰子坝对岸有10处以上的溶洞、暗河、伏流，溶洞洞颈0.5～6m不等，它们大多数在蓄水之后位于库水面之下。在其他灰岩分布区也常见岩溶泉水出露，如撒水坝右岸的瀑布水等。岩溶水主要接受大范围的大气降水补给，集中排泄于金沙江。岩溶发育地区在芭蕉滩冒水孔附近，发育高程为280～290m，320～340m，岩层为二叠纪、三叠纪灰岩，正常蓄水时皆位于水面以下。由于二叠纪灰岩广泛出露，又有褶皱和断裂构造条件，造成岩溶现象的大面积发育，其中屏山县冒水乡左岸的暗河流量约360L/s，长12～13km，此外还有溶洞10多处。据调查，该地形具有一定深度的地下水循环系统。

3个破裂类型多样区，可能和易溶岩体、溶洞位置有关，也和岩石古老、岩性坚硬的性质有关。猜测溶洞周围存在不同方向的裂隙和节理，库水侵入溶洞导致裂隙强度降低，更容易使得破裂扩展而诱发大量微小地震。向家坝水库诱发地震以走向滑动为主，说明这些地震仍然是在区域应力场作用下产生的，前提条件是库水侵入降低了岩石的强度。

赵翠萍等①同566页①。反演了三峡和龙滩水库5次4级以上地震的矩张量解，都具有明显的非双力偶分量。基于点源位错模型的双力偶震源机制解，地震垂直向记录到P波初动是向上或者是向下，在震源球面投影为四象限分布。在本文给出的蓄水后69次地震的震源机制解中，许多解的P波初动符号与所在象限存在矛盾的现象，虽然经过反复核实，查找各种原因，都没有发现确定的影响因素，这在其他天然地震之中并不多见。

中国地震局地壳应力研究所②国家地震局地壳应力研究所，1990，金沙江向家坝水库诱发地震危险性初步分析。的研究结论是:在库尾段冒水孔—糖房坝30km范围内，构造发育程度复杂，强烈，岩溶的发育程度为全库区之冠。认为本库段诱发地震的可能性最大，估计其震级较小，即M≤5.0。可能诱发地震位置在水库2次穿过猰子坝断层的库段，并以北端相对更大。事实表明这种判断已经应验，只是地震虽然数量多，强度却很低，最大仅为ML3.7。

诱发地震集中区位于《中国地震动峰值加速度区划图》的0.2g区，相当于烈度Ⅷ度地震;而且有地震活跃的马边－大关地震带穿过，曾经发生一系列6～7级地震，如1216年3月24日马湖地震。其震级达到7.0，烈度为Ⅸ度(国家地震局震害防御司编，1995)。震中位置在四川雷波马湖(28.4°N、103.8°E)，震中定位精度为V类，误差＞100km。看来震中存在很大的不确定性。地震灾害情况记录:“东、西两川地大震，马湖夷界山崩八十里，江水不通。震后，3月28日、4月6日、9日、14日连震不已”。当时西川治成都，东川治三台，两川辖境在今四川盆地西南、西北部。马湖夷界指雷波马湖地区一带，江即今金沙江。已有研究认为震中不在马湖，猜测在马边－大关地震带与金沙江相交处可能性大(梁小华等，2002)。

1970年至2012年马边－大关地震带发生大量地震，但是在穿过水库的区域地震活动较弱，深度剖面存在空段，这可能是未来强震潜在的场所。恰好空段是目前水库诱发地震集中发生的地方。因此属于库尾一带的地震危险性不能低估。况且马湖地震已经发生800a，是否会重复需要慎重分析研究。

马边－大关地震构造带有猰子坝断裂穿过库区(见图3)，断层长度30km，断层产状(走向0°，倾向W，倾角70°～80°)，断层性质压性，出露位置在库区西部长坪—猰子坝—绥江碗厂，所断地层主要为三叠系，南段至震旦系，基本特征为区域性断层，断距达200m左右，第四纪以来有过活动，展布方向与库区金沙江近平行，具有继承性活动特点，它不仅控制金沙江的局部流向而且沿断裂带发育有陆良、曲靖、昭通、马湖等一系列第四纪盆地和断陷湖，其中陆良盆地第四系厚1 200m，年平均活动速率达l.2mm。此外继承性活动还表现在强震震中沿断裂带呈线性分布，1974年5月11日的大关7.1级地震就发生在猰子坝断裂的南端与次级NE向断层交会处附近。猰子坝断裂位于诱发地震区域以南，库水主要作用在上盘，抑制了逆冲断层的活动，因此蓄水产生的诱发地震分布也就没有显示与该断裂有关(图3b)。

水库蓄水后，库区介质的孔隙压力P增大，介质强度τf的表达式为

式(2)中，μ为摩擦系数，σn为断层面上的正应力，P为介质的孔隙压力。水库蓄水后，库区介质的孔隙压力增大，则将导致强度降低。水库蓄水不仅使得孔隙压增大，同时使得断层面润滑和弱化，消除了断层面上的“水文壁垒”(Kanamori，2004)，使得摩擦系数减小。蓄水后，断层面上的剪应力也同时发生变化，但变化的量值很小。此外，水的作用增大应力腐蚀效应，裂隙端部弱化，裂隙更易于扩展，也是一个值得研究的诱发因素。

水库区是否会出现诱发地震与可能产生什么样的地震类型，必须结合具体地区的应力条件和地质条件来分析(马瑾，1987)。Simpson(1988)归纳了影响水库诱发地震的主要因素:1)先存应力状态，包括区域构造应力状态、初始应力大小与应变积累量;2)地质和水文地质条件，包括断层产状与断层渗透性、岩体水力学参数(如岩性、裂隙发育程度、孔隙度、渗透率)以及地下水系统与库水的连通性及储水性;3)水库特征，包括库深(水压)、体积(载荷)、形状及水位波动速率等。他特别指出，正断层、走滑断层环境，中等应变积累的库区易于诱发地震。Gupta(2002)指出，有利于水库诱发强震的地质环境是正断层环境，库体位于断层下降盘。向家坝水库诱发地震中正断层地震独立存在。

通过上述分析得到如下认识:

(1)向家坝水库在库首很少地震发生，当水位上升淹没到接近库尾段时发生了大量微小诱发地震。而且绝大多数集中在库岸两侧10km、深度5km、延伸20km长度的范围内。地震覆盖区域存在易溶的碳酸盐岩、灰岩，岩溶洞穴发育，有温泉出露，具备地下水深循环水文地质条件。库水涌入溶洞、渗透到裂隙和层理，大大提高了孔隙压力，降低了摩擦强度和破裂强度，微小破裂更容易发生。但是与当地的活动断层猰子坝断裂无关。

(2)反演得到的震源机制空间取向散乱，区域应力场控制较弱。在诱发地震连续发生的条件下应力必然要调整;裂隙会相互沟通，裂隙尖端扩展可以产生分叉，导致破裂方向复杂多样;而且破裂类型也是复杂多样。

(3)从向家坝库尾段蓄水后没有立即发生诱发地震，尚难判断是否属于滞后类型，而库水淹没该段则迅速响应。快速响应型和滞后响应型地震(Simpson et al.，1988)是否存在不同的成因，或者说快速响应类型地震是地壳在水压力作用下产生弹性形变而诱发的?从破裂面空间取向的多样性和破裂类型的多样性来看，答案是否定的。

(4)尽管诱发地震数目众多，但是最大地震仅仅ML3.7级。随着时间延续，微裂隙会相互贯通、扩展;不同部位的应力相应调整。况且库尾段曾经发生过强震，属于高烈度区划区，不能排除发生中等强度地震的可能性。

(5)向家坝水库开展过大量前期工作，在诱发地震活动期间，如果同时进行详细的水文地质、地球物理探测，必将提供精细的科学资料，为确定诱发地震的成因、寻找控制诱发地震的技术条件，对进一步减轻突发事件的影响发挥重要作用。向家坝水库蓄水显然采取了缓慢提高水位的工程措施，以后在提高水位以及放水发电时，同样需要抑制大幅度涨落，避免激发诱发地震的数量大量增加和强度增长。