2013年四川芦山7.0级地震前后三峡库区地震活动变化

李莹甄， 姚运生， 秦维秉， 贾建鹏

(1. 河北省地震动力学重点实验室， 河北 三河 065201； 2. 防灾科技学院， 河北 三河 065201； 3. 中国长江三峡集团有限公司， 北京 100038)

0 引言

1995年以来围绕青藏高原巴颜喀拉活动块体及周缘发生了一系列强震，包括2001年昆仑山口西8.1级地震、2008年四川汶川8.0级、2013年芦山7.0级地震和2021年青海玛多7.4级地震等10次7级以上地震[1-4]。强震活动表明巴颜喀拉块体向东滑移与华南地块[5]碰撞俯冲动力作用持续增强。

三峡水利枢纽工程及三峡库区位于华南地块的中北部。库区于2003年6月开始蓄水，随着库水位升高，库容及水域面积加大，三峡库区地震台网监测到的微小地震也在增多，并发生2013年12月16日湖北巴东5.1级地震和2017年11月23日重庆武隆5.0级地震[6-7]。相关研究表明，库区蓄水后地壳经历了“持续加载-渗透饱水-回弹与再平衡”的过程，微小地震活动有相当大的比例为水库蓄水诱发[8-13]，但考虑到巴颜喀拉块体与华南地块边界之间碰撞-俯冲作用的增强，且2008年汶川8.0级地震对华南地块(湖北地区)中强地震活动产生的影响[14]，三峡水库地震活动是否受到了这一地壳动力过程的影响，值得进一步研究。

本文在对巴颜喀拉块体强震活动与华南地块中小地震活动相关性分析基础上，重点研究三峡库区156m稳定蓄水期内， 2013年芦山7.0级地震前后三峡库首区地震活动变化，初步讨论远场强震对三峡库区地震的影响，这对于理清区外大震影响，预防库区地震地质灾害，确保水利枢纽工程安全运营有参考意义。

1 巴颜喀拉强震活动对三峡地区地震影响

地震参数来自“中国地震科学数据共享中心网站”提供的中国大陆5级以上强震目录和ML2.0地震目录文件。震源机制解来自于哈佛大学地震矩张量解。

震源机制解分布(图 1)特征表明， 1995年以来巴颜喀拉块体西端西昆仑-阿尔金断裂交汇区发生了正断走滑运动，东端龙门山断裂发生逆冲走滑运动，块体北边界的东昆仑断裂和附近的江错断裂，南边界的玉树断裂发生了走滑运动，揭示巴颜喀拉块体向东运移，后端旋转拉伸，前端与华南地块四川盆地碰撞俯冲的基本运动事实，预示块体强震活动对华南地块及边界构造变形将产生一定影响。

图 1 1995以来巴颜喀拉地块周缘发生的7.0级以上地震和华南地块地震震中分布图Fig.1 Distribution of M≥7.0 earthquakes around the Bayan Har block and earthquakes in the South China block since 1995

为降低水库诱发地震和地下油气水开采产生的微震对研究结果的影响，考虑构造单元和地震活动的相对集中度，选择1995—2021年三峡地区(图 1)ML≥3.0共287次天然地震开展地震活动关联研究，其中3.0～3.9级260次， 4.0～4.9级24次， 5.0～5.9级3次，最大地震为2019年12月26日湖北孝感市5.3级(MS4.9)。其中属于三峡库首区的地震事件87次，约占地震总数的30%。

通过图 2地震响应M-t图和频次图分析，三峡地区ML≥3.0地震频次(半年尺度、月滑动)在时间轴上存在起伏变化。在巴颜喀拉6次大震发生前后6个月内三峡地区伴有4级以上地震活动。三峡地区1997年、2006年、2008年、2012年、2014年地震活动显著(N≥13次)，频次峰值出现在1997年玛尼7.5级、2008年汶川8.0级、2013年芦山7.0级地震前1～3月。大震发生后，三峡地区3级以上地震整体呈衰减趋势。类似的地震活动特征也出现在2001年昆仑山口西8.1级地震、2017年九寨沟7.0级地震前后。也存在震前地震活动上升，震后持续增强的例子，如三峡地区1996年、2008年、2014年地震频次峰值分别出现在1996年喀喇昆仑7.1级、2008年新疆于田7.3级和2014年于田7.3级地震后1～2个月，这可能跟这几次地震位于巴颜喀拉块体向东运动的后端，应力调整传递的距离较远有关。另外2010年青海玉树7.0级和2021年玛多7.4级地震前后三峡地区地震处于背景变化范围内。

图 2 巴颜喀拉地震活动与三峡地区ML≥3.0地震响应M-t图和频次图(6月窗长、1月滑动)Fig.2 M-T diagram and frequency diagram of six strong earthquaks in the Bayan Har block and ML≥3 earthquakes in the Three Gorges area(window length with 6 months， sliding in 1 month)

图 2 还显示，2005年11月26日江西九江MS5.7地震后三峡地区地震显著上升，半年后(2006年6月)地震频次达到峰值，其他中强地震后也有类似的变化，表明华南地块本身中强地震对三峡地区地震活动也有显著影响。

上述研究表明，三峡地区地震活动受到了来自巴颜喀拉块体远场动力作用影响，这为进一步研究芦山7.0级地震对三峡库区地震活动影响提供了有利支撑。

2 三峡库首区蓄水对地震活动的影响

三峡库首区位于华南地块扬子准地台内，上地壳由结晶基底和沉积盖层组成，底面埋深11～16.8km，盖层底面埋深0～8.2km，结晶基底厚7.2～14km，最厚处为黄陵背斜。中地壳底面埋深24～28.8km[15-16]。以黄陵背斜为中心，周围被一些弧形褶皱及断裂所围限。断裂大致可分为北北东至北东向断裂、北北西向断裂和北西向断裂三组。高桥断裂(F1)总体走向北东，全长约40km，断裂中更新世以后表现为压扭性活动[17-19]。仙女山断裂(F8)北段整体走向北西，倾向南西，倾角70°左右，新生代以来处于压扭状态，形成斜滑逆断层[20-21]。九畹溪断裂(F10)走向北东，倾向北西，倾角70°左右，现今表现为张扭性活动[22-23]。

水库诱发地震研究表明，流体渗透及外加载荷的共同作用是诱发地震的主要机制。流体渗透主要在前期起到降低裂隙或是断层面强度的作用，而外加载荷主要是在后期孔隙压变化趋于稳定时，突然增加库伦应力导致裂隙或者断层面发生破裂，最终导致地震的发生[26-28]。从图 3三峡库区坝前水位与库首区地震频次对比看， 2003年、2007年、2008年伴随着水库蓄水位从70～80m上升到135～139m，再上升到156m阶段，库区微震活动也经历了3次阶跃，显示微震活动与库区水位三次阶跃有关。2011年后库区进入试验性蓄水阶段，洪水期泄洪(低水位)，平水期蓄水(高水位)年变周期特征明显，年变幅度变化不大，而这一时期微震活动起起伏伏，频次变化仍然较大，且与蓄水周期并不完全同步，特别是在2014年出现三峡台网运行以来地震频次的最大增幅，除流体渗透及库水载荷影响外，很可能受到区域构造活动和应力调整的显著影响。

图 3 三峡工程坝前水位与三峡库首区地震频次图(2001.1—2021.12)Fig.3 Water level in front of the dam of the Three Gorges Project and earthquake frequency in the Three Gorges Reservoir area(2001.1—2021.12)

3 2013年四川芦山7.0级地震前后三峡库区地震活动

2013年4月20日在龙门山断裂带南段发生芦山7.0级地震。主震震源深度16.67km，余震在大邑-名山断裂上盘呈南西向带状分布。地震主破裂长约40km，下倾宽度约20km，倾角约40°[29]，未在地表产生破裂带。地震极震区烈度Ⅸ度，等震线长轴呈北东走向分布。芦山7.0级地震距离三峡库首区约720km，采用中国东部地震烈度衰减关系估计[30]，地震对三峡库首区的影响烈度在Ⅱ度以下。

选取芦山7.0级地震前3年、震后3个月作为地震活动分析的时间窗，结合库区水位分析芦山地震前后研究区地震活动性参数和地震活动图像变化。

3.1 地震活动性参数

(1)震级M与地震频次N随时间变化

2013年四川芦山7.0级震前两年，库区微震活动存在相对平静-增强活动-相对平静的变化过程，芦山地震后3个月微震活动回落到背景活动状态(图 4)。具体过程： 2011年5～12月地震活动强度和频度低于2010年； 2012年1～10月震级强度上升， 2012年8月～2013年1月小震频次显著增强，出现秭归3.2级小震群活动； 2013年月至芦山地震前地震活动开始回落； 7.0级地震后微震频次仍维持较高水平，但地震的强度降到2.0级。

图 4 2013年芦山7.0级地震前后库区水位和M≥0.1地震M-t图及10天累计频次时序图Fig.4 The water level in the Three Gorges Reservoir area， M-T diagram and frequency sequence for 10-days cumulative of M≥0.1 earthquakes before and after the Lushan M7.0 earthquake in 2013

对比同期水位变化， 2012年8月—2013年2月地震频次变化出现在2012年7～8月蓄水峰值后，但其他同时段水位变化则未引起地震活动显著变化。

(2)震级-频度关系和b值

图 5 2013年芦山7.0级地震前后库区M≥0.1地震G-R关系拟合Fig.5 G-R relationship fitting diagram of M≥0.1 earthquakes in the Three Gorges Reservoir area before and after the Lushan M7.0 earthquake in 2013

芦山地震前库首区微震发生速率和应变释放速率存在先减速(2011年3月—2012年8月)后加速(2012年9月—2013年11月)的变化过程(图 6)。芦山地震后微震发生速率恢复到2010年的水平，应变释放速率恢复到加速前的状态。

图 6 芦山地震前后库区水位和ML≥0.1地震发生速率、应变释放速率图Fig.6 Water level in the Three Gorges Reservoir area， earthquake occurrence rate and strain release rate(creep) of ML≥0.1 earthquakes before and after the Lushan M7.0 earthquake in 2013

对比同期水位变化， 2012年8月—2013年1月地震和应变速率的加速出现在2012年7～8月蓄水峰值后，但其他同时段水位变化则未引起速率显著变化。

3.2 地震活动图像

2010年1月—2013年8月库首区背景微震活动主要分布在高桥断裂(F1)、巴东断裂(F6)以北、九畹溪断裂(F10)附近，其中高桥断裂附近地震的强度和活动弥散范围较大，巴东以东则形成微破裂密集区(图 7)。

断层名称：F1 高桥断裂； F2 牛口断裂； F3 新华断裂； F4 水田坝断裂； F5 雾渡河断裂； F6 巴东断裂； F7 龙王冲断裂； F8 仙女山断裂； F9 天阳坪断裂； F10 九畹溪断裂图 7 芦山地震前后三峡库区地震震中空间分布图Fig.7 Spatial distribution of earthquakes in the Three Gorges Reservoir area before and after M7.0 earthquake in 2013

芦山地震前1年(2012年8月—2013年1月)高桥断裂西侧地震持续活动； 巴东与秭归之间小震增强活动，仙女山断裂北端与九畹溪断裂之间出现秭归3.2级震群活动，主震和较大地震震源机制表现出构造地震特征[31]。

芦山地震后4个月内(2013年4月20日—8月30日)，库区微震活动较为分散。仙女桥断裂—九畹溪断裂之间微震活动减弱； 高桥断裂附近ML0.5左右地震活动为主， 1.0以上地震平静，断层外围ML1.0～3.9地震形成半围空地震活动图像(图 7中黄绿色虚线区域)，震后8个月(2013年12月16日)空区内的断层东盘发生巴东5.1级地震。

上述分析表明，芦山地震前仙女桥断裂和九畹溪断裂汇合处震群活跃，巴东-秭归小震活跃，高桥断裂地震增强； 震后高桥断裂附近出现短期小震围空，之后空区内发生5.1级地震。

3.3 震源深度

(1)震源深度h时序变化

由ML≥0.5地震震源深度时序分析(图8)，研究区平均震源深度7.26km，微震源接近上地壳盖层底部和结晶基底上部。2010年1月—2011年5月地震弥散在20km以内的中上地壳活动，震源深度优势层位在10km以内； 2011年6月—2012年7月地震迁跃到10km以内的上地壳沉积盖层内活动。

图 8 芦山地震前后三峡库区震源深度时间曲线(ML≥0.5)Fig.8 Focal depth of ML≥0.5 earthquakes in the Three Gorges Reservoir area before and after Lushan M7.0 earthquake

芦山地震前9个月(2012年8月—2013年1月)库首区震源深度由10km显著加深到30km，地震微破裂逐渐向中下地壳扩展。震前2个月(2013年2～4月)微震快速回返到20km以内的中地壳。芦山地震后(2013年5～12月)微破裂向中下地壳弥散， 2013年12月16日在地壳5km深处发生巴东5.1级地震。

同期库区水位从2012年7月15日—8月10日持续25天处于155～160m， 2012年8月—2013年1月震源深度的变化似受到了快速蓄水量变化的影响。对比2010年同时段155～160m水位值持续10天，但震源深度变化不显著。

(2)震源深度剖面

沿研究区北西-南东向设置跨高桥断裂、仙女山断裂北段和九畹溪断裂的震源深度剖面AB(图 7)，深度图像显示存在4个微破裂中心(图 9中虚线椭圆所示)，其中以高桥断裂、仙女山断裂和九畹溪断裂汇合部微破裂最为密集。

图 9 芦山地震前后沿NW走向库区ML≥0.1地震震源深度剖面图Fig.9 The profile of focal depth of ML≥0.1 earthquakes in the Three Gorges Reservoir area along NW strike before and after Lushan M7.0 earthquake in 2013

芦山地震前，震源深度存在依次由西北向东南加深的过程， 4个微破裂优势分布底界从A到B分别为10km、13km、17km和21km。其中仙女山断裂和九畹溪断裂汇合部位深部构造运动较强，地震向下弥散较深达到21km， 2012年10月31日在9km深处发生秭归3.2级震群活动。

芦山地震后，仙女山断裂和九畹溪断裂汇合部地震活动减弱，震源深度变浅(分布在7～15km)，主要由接近水库底部的上地壳微破裂构成。而高桥断裂周围微小震密集，且在芦山地震后第8个月断层东盘的4～5km多震层内，发生正断型的巴东5.1级地震[6](图 9)。

结合2010年和2012年7～8月同期水位值与震源深度的差异性变化，综合分析认为芦山地震前后三峡库首区地壳应力-应变场的主导因素正逐步由直接库水荷载作用，向库水下渗-深部构造活动复合作用转化，而深部构造活动一方面来自断层面水的润滑，另一方面来自区域构造应力调整。

4 结论与讨论

4.1 结论

本文采用地震活动性方法分析1995年以来巴颜喀拉块体强震活动对三峡地区地震活动影响，重点研究了2013年芦山7.0级地震前后三峡库首区地震活动的变化，讨论远场强震对三峡库区地震的影响，得到以下认识：

(1)三峡地区地震活动一定程度受到巴颜喀拉块体远场大震应力环境影响，大震前后常伴有4级以上地震活动。大震前1～3月3级以上地震增强活动，大震后地震活动减弱； 或震前地震活动增强一直持续到震后1～2月。

(2)芦山地震前两年，库首区微震活动处于相对平静-增强活动-相对平静变化中； 微震的发生速率和应变释放速率先减速再加速； 震源深度出现由浅加深的时间变化过程，微破裂逐渐向下地壳弥散。高桥断裂东西两盘地震增多，仙女山断裂和九畹溪断裂汇合部位深部构造运动增强，于2012年10月31日发生3.2级震群活动。

(3)芦山地震后，库区微震活动空间较为分散，活动深度回返到20km以内的中上地壳。b值由震前1.06下降到0.92。微震发生速率和应变释放速率恢复到2010年的状态。仙女山-九畹溪断裂的地震活动性减弱，高桥断裂附近的岩溶地区2013年12月16日发生巴东5.1级地震。

4.2 讨论

利用青藏高原东部和四川地区高密度台站分布，揭示出青藏高原东缘岩石圈在贡嘎山附近的局部拆沉，以及扬子块体俯冲到华夏块体下部的精细结构和动力学过程[32](图 10)。扬子地块高速异常倾斜的位置很好地对应了一条向东倾斜的地震条带，预示着在青藏高原向东挤压应力的作用下，俯冲可能在新生代被轻微激活。这为巴颜喀拉地块强震活动与三峡地区地震活动关联性研究提供了深部地球物理学依据。一些研究认为三峡地区地震发生在地壳深部高、低速异常梯度带附近[16]。在现今区域构造应力及地幔上升热物质扰动下，断裂或隐伏断裂活动产生地震。

图 10 四川盆地及青藏高原东缘动力学模型[32]Fig.10 Dynamic model of the Sichuan Basin and the eastern margin of the Qinghai-Tibet Plateau

2008年汶川8.0级地震的破裂和2013年芦山7.0级地震孕育过程显示，龙门山断裂及巴颜喀拉块体边界运动状态和应力水平发生改变，与其相作用的华南地块边界断层活动速率增大，从而扰动区域应力场和地震活动的演化过程，导致芦山地震前三峡地区地震活动增强。

伴随汶川地震和芦山地震的发生和区域应力调整，龙门山断裂上地壳的脆性破裂过程可引起断裂两侧下地壳流动变形，且变形可沿边界构造远距离、长时间传播到三峡库首区。同时，下地壳流动变形又将引起上地壳的应力积累和增高[33]，这种下地壳和上地幔流动变形机制或可解释芦山地震后三峡库首区震源深度加深，而芦山7.0级地震导致龙门山断层两盘弹性回跳，使得三峡地区产生轻微拉张，震后8个月在高桥断裂岩溶发育区5km深处，引发正断塌陷型巴东5.1级地震。

芦山7.0级地震快速错动产生的地震波(主要是面波)经过720km长距离衰减传播到达三峡库区，在震后7天内未能激发更多、更强的地震，显示芦山地震动态应力触发效应不明显。

上述远场大震对三峡地震地区地震影响机制还需更多的科学依据支撑和检验。