丹江库区二期工程蓄水诱发地震研究

方斌 张锦川

（南阳市防震减灾中心，河南南阳 473000）

0.概述

丹江口水库大坝位于湖北省北部均县境内的汉江上，库区主要在河南省淅川县境内，汉江与丹江汇合处下游800m处。一期工程坝顶高程162m，最大坝高97m。正常蓄水位157m，相应库容174.5亿m³，水面面积745km2。二期工程坝顶高程175m，最大坝高110m。正常蓄水位170m，相应库容290.5亿m³，水面面积1050km2。

1.丹江库区地质构造

丹江库区位于东部平原和鄂西北山区中间，它的西面都是中低山区，汉江的北面属秦岭东段，汉江的南面是武当山区，一般高度1600m～2000m，一般高度1500m～1800m。丹江口的东面便是南襄盆地，高程从西向东从300m慢慢减少到100m左右。区内地层除二叠～侏罗系缺失外，从元古界到新生界分布的都有，前震旦系是一套变质岩系。岩浆岩主要分布于前震旦系地层中，多呈岩床或岩墙产生，从酸性类到基性岩类均有分布，区内所见最新岩浆岩是燕山期花岗岩[1]。地质构造上，库区处于秦岭褶皱系的东南边缘，向北跨南秦岭冒地槽褶皱带和大巴山褶皱带，向东紧挨南阳－襄樊坳陷。丹江水库地区和邻区的断裂走向以北西西向为主，主要断裂有金家棚断裂、两郧断裂、白河－石花街断裂（公路断裂）等9条。

2.丹江库区地震活动背景

丹江库区处于我国华南地震区以内江汉地震带内，地震活动比较弱。坝址及它周边50km区域内，强破坏性地震最近2000年以来没有发生过，从公元1520年至1960年的400多年间，仅仅记录到43次有感地震以及2次引起建筑物损坏或破坏的情况。距离坝址170km区域内，从公元前143年至2008年，共记录到Ms≥4.6级的地震16次，46年南阳附近和788年竹山附近的61/2级地震就是记录最大的地震。历史上地震对丹江坝址的最大影响烈度是Ⅴ度。

从蓄水前丹江库区地震的空间分布看，地震主要受丹江断裂及均陨断裂两条活动性构造带所控制，恰恰和容易诱发水库地震的地震活动背景相对应。在1959年仪器记录地震资料以前，水库所在的湖北省均县、郧县和河南淅川县内，仅记载地震29次，影响最强者烈度为Ⅴ度，而且地震主要分布在距大坝100km以外的汉水北侧。

1959年1月至1967年10月共记录到地震78次：1.0≤M＜2.0级地震5次，2.0≤M＜3.0级地震54次，3.0≤M＜4.0级地震16次；4.0≤M＜5.0级地震1次；M≥5.0级地震1次，最大地震为湖北郧县大竹园ML5.3级地震。

3.库区地震活动规律

2013年10月开始正式蓄水至今，库区水位上升，地震活动明显加强（如图1所示），尤其是微震和小震较为频繁。说明库容增大，水位上升会使库区地下应力进一步增强，产生库水地下应力（水体荷载产生的超孔隙水压力、剪应力和附加主应力）的波动和库水水底地面的物理化学作用（溶蚀、气化、泥化、膨胀、软化），将当前库区地下应力状态打破，一方面在一期工程库区内新的地震活动被诱发，另一方面在二期工程库区具备诱发地震条件新增淹没区内的一些地区出现水库地震活动。

图1 2013―2021年丹江库区震中分布图

空间规律：丹江库区在空间上显示地震集中分布，主要受丹江库区的活动断裂构造带、地貌形态（石灰岩峡谷地段）、岩石特性和断块构造特征所控制。

时间规律：库区蓄水与水库地震活动有着明显的关系。地震频次地增减与水位的高低存在同步变化，主震存在明显的滞后性（如图2所示）。

图2 丹江库区地震与水位的关系

2017年9月丹江库区从162m左右开始快速上升，10月29日丹江口水位升至167m，随后缓慢回落，2018年2月9日，在丹江库区发生ML4.6地震及余震活动。

2019年10月丹江库区水位上升到164m，随后回落，2019年11月30日在库区发生ML4.2级及微震活动。

强度和活动规律：丹江库区2018年2月9日发生ML4.6级地震，震中区烈度为V度，震源深度为10km，截止2018年2月27日共发生余震58次，最大余震震级为ML2.7，持续时间长是余震活动的最显著特征，该类型地震空间密集分布，不向四周扩展；在对余震序列的地震进行精确定位，结果显示震源深度主要集中在6km～8km，震中位置均位于丹江口水库库区范围内；这类地震的活动规律及强度，表明其属于构造型的水库诱发地震[2]。

4.研究表明

丹江库区二期工程坝体加高15.6m，水位抬升13.0m，蓄水总量比一期工程增加了116亿m3库容，库容大幅度增加，改变库区现有的应力平衡状态。丹江水库二期工程大幅度蓄水有助于库岸应力加强和沿北北西或北东东向地震断层错动。丹江库区2018年、2019年相继蓄水在高位后下降过程中诱发了ML4.6、ML4.2两次地震，丹江口水库地震的发生，除了构造条件外，还与库水荷载产生的附加应力场、位移场有关；荷载产生的附加应力场、位移场在库岸边缘造成应力差和位移差，利于库水向外渗透和扩散，导致孔隙压力改变，提供了地震发生的场所[3]。

水库内地震与大地构造、活动性断层、断块之间差异运动最强烈的地段有关；与库、坝区岩石种类和特性有某些关系；与区域构造控制下的特定水文地质条件有关。

近年来，库区西部大幅提升，东部下降，库区恰巧位于峡谷地区和山区与平原的转折处，库区内发育多组断裂，利于水库诱发地震的发生。宋湾、仓房、马蹬一带岩石属于古生界碳酸盐类岩石，裂隙、岩溶发育，并被各种方向的断层明显地切割，有利于地下水和库水的动力联系，丹江库区属于易诱发地震地区。