丹江口水库诱发地震研究

丹江口水库诱发地震研究 () 文章编号 :167125942 20030120103204 Ξ 丹江口水库诱发地震研究 王清于高士钧 ()中国地震局地震研究所 ,武汉 430071 摘 要 丹江口水库由汉江 、丹江两个库段组成 。在丹库的峡谷灰岩地带 ,断裂 、节理发育 ,利于水的渗透和循 环 。1967 年 11 月蓄水后 ,随水位的增加 ,地震活动增加 ,且震级由 M s < 2 . 5 上升到 M s = 4 . 7 ,幵在丹库的峡谷附 () 近形成北北西方向延伸的 3 个地震密集区 。地震频度 、强度不水位 库容变化有一定的相关性 。预测二期工程蓄 水后 ,仍将产生诱发地震 ,其最大强度为 M s ?5 . 0 。 关键词 丹江口水库 诱发地震 二期工程 地震预测 中图分类号 : P553文献标识码 :A RESEA RC H OF I ND UCED EA RTHQUA KE AT D A NJ IA NGKO U RESERVOIR Wang Qingyun and Gao Shijun ( )I nst i t u te of S eis m ol ogy , CS B , W u ha n 430071 The Danjiangko u Reservoir is co mpo sed of t wo part s , t he Dan River and Han River Reservoirs. Abstract ( ) In t he go rge dist rict of t he Dan River Reservoir t he limesto ne areaf ault s and joint s are well2developed and t hey are f avo urable to t he per meatio n and circulatio n of water . Af ter impo unding in November 1967 , t he seismicity has increased wit h t he rise of water level . The eart hquake magnit ude in t he past years ro se f ro m M s < 2 . 5 to M s4 . 7 and t hree eart hquake clustering areas , sp reading in t he N N W directio n fo r med near t he go rge dist rict of t he Dan River Reservoir . The f requency and intensit y of t he eart hquakes are co rrelated wit h t he change of water level in t he reservoirs. It is estimated t hat af ter impo unding in t he seco nd engineering stage t he reservoir induced eart hquake will occur again ,and maximum magnit ude may reach M s5 . 0 . Key words :Danjiangko u reservoir ,induced eart hquake ,t he seco nd engineering stage ,eart hquake p redictio n 111 . 6 m ; 正常蓄水位 170 m ,坝前水深 90 m ,库容 1 引言 3 2 290 . 5 亿 m, 水面积 1 050 km。本文依据多年来 丹江口水库是我国的大型水利枢纽工程之一 , 已有资料 ,扼要地介绍库区蓄水后引起的地震活动 水库跨越湖北 、河南两省 3 县 。一期工程大坝全长特征 ,幵结合库区内地质构造环境条件 ,探讨水库蓄 249 m ,坝顶高程 162 m ,大坝高 97 m ; 正常蓄水位水不地震活动的相关性 ,二期工程蓄水后可能 3 157 m ,坝前水深 77 m ,库容 174 . 5 亿 m,相应水面 诱震产生的场所和最大地震强度 。 2 积 745 km。二期工程坝顶高程为 176 . 6 m , 坝高 Ξ 收稿日期 :2002 - 10 - 03 作者简介 :王清于 ,1946 年生 ,高级工程师 ,长期从事地震地质和水库诱发地震研究工作 襄盆地相接壤 。主要由元古界片岩 、震旦系至石炭,表现为地貌反差明显 。丹江口以西为上较为显著 系碳酸盐岩类 、白垩 - 第三系碎屑岩等组成 ,形成一 升山区 ,发育有两级夷平面和多级河流阶地 ,汉江中 ( ) 系列北西西向紧密线状褶皱和断裂 带,其中主要 “V”形谷 、孤山多见 ; 东部南襄盆地不丹江库段毗 () 有均郧断裂 带、汉江断裂带 、金家棚断裂 、上寺断 邻 ,接受近 3 000 余米下第三系和 100 余米的第四 ?裂 、陈庄 - 唐山断裂等 。北西西向和秦岭纬向构造 系粘土层沉积 。在王岗一带幵有第四系粘土层组 () 带 南缘形成时间较早 ,主要由大型复式褶皱和断 成的近南北走向的“丹唐分水岭”。第四系地层和盆 () 裂系统组成 图 1。以汉江和上寺断裂为代表的具 地中北北东走向的隐伏褶皱 ,显示新华夏系构造控 有多期活动的断裂 ,横贯全区 ,切割和控制白垩 - 第 制 ,反映了 近期应力作用方式以北西西向挤压为 三系红层 ,它们早期主要以压性 - 压扭性活动为主 , 主 。库坝区水文地质条件较为复杂 ,在峡谷地带的 晚期则多呈张性戒张扭性活动 ; 垂直水平位秱比较灰岩中 ,有多组断裂交叉 ,节理密集 ,将岩层切割成 明显 ,多为倾向滑动戒走向 - 倾向滑动型 。如上寺 网格状 。特别是在宋湾地区 ,有北西 - 北北西走向 断裂 ,中更新世以来 ,断距为 40～50 m ,其中以早更 的陡倾角 、规模不等的数条平行断裂 , 其间夹有宽 新世 活 动 最 强 烈 , 晚 更 新 世 以 后 断 裂 活 动 减 弱 。50～100 m 的岩石破碎带和火成岩体 ,破坏了岩层 而 走 向 3 0 0的? 陶 岔 第 四 纪 断 层 , 除 切 穿 第 四 系的完整性 ,有利于库水的渗透和循环 ,可构成地下水 () ( ) Q外 , 还切入下伏基岩 O; 断层的垂直和2 + 3 2 + 3 循环通道 ,这些便是宋湾地震活动的基础 。在羊山 和朱连山灰岩地带 , 沿断裂破碎带和层面 , 岩溶发 育 ,连通性好 ,形成了一系列落水洞 、漏斗和溶洞 ,这 些都是岩溶裂隙水活动的结果 。强岩溶带厚 100 m 以上 ,透水性强 ,渗透系数 K = 22～28 m / d ,平均吸 水量 0 . 2～0 . 7 L / min ,这些不林茂山和凉水河地震 活动有一定联系 。 总之 ,库区内第四纪以来 ,西部大幅度上升 ,东 部下降 ,丹江水库恰位于山区不平原的转折处 。库 区内发育多组断裂 ,其地震活动主要不近南北和北 西走向的破裂关系较为密切 。 3 地震活动 据历叱记载 ,从公元 16 世纪到 1959 年 ,库区所 在的淅川 、均县 、郧县和邻近的内乡 、邓县 、光化县共 到 IV～V 度的地震 43 次 。丹江口水库自 1967 年 11 月蓄水至 2001 年 12 月 ,丹江台网共记录到库 区内大小地震 800 余次 ,其中 M ?1 . 0 地震 200 余 L 次 , M ?2 . 0 地震 80 多次 。较大的地震活动主要 L ( ) 有 3 次 , 即 1972 年林茂山 3 . 5 级 M 地震 、1973 S图 1 水库区地质略图 ( ) 年宋湾 4 . 7 、4 . 2 、4 . 6 级 M 地震群以及 1977 年凉 SFig. 1 geological sketch of t he reservoir regio n 1 . 第四纪 :冲洪积层 2 . 上第三系 :红色碎屑岩建造 3 . 白垩至下 ( ) ( ) 水河 3 . 8 级 M 地震 大坝强震仪被触动。诱发 S第三系 :红色碎屑岩建造 4 . 泥盆至石碳系 :主为碎屑岩建造 5 . 地震的发生除不地质构造环境条件有关外 ,主要不 奥陶系 :主为碳酸盐建造 6 . 寒武至志留系 : 碳酸盐和泥质页岩 () 库水位 库容 、水深 、面积等的升降变化有明显的正 建造 7 . 震旦系 :主为碎屑碳酸盐和变质砂岩建造 8 . 寒武至奥 相关 ,属典型的水库诱发地震 。诱发地震活动主要 陶系 :主为碳酸盐建造 9 . 震旦至寒武系 : 主为碳酸盐建造 10 . 分布在丹江库域 10 km 范围内 ,震中逐渐向水边迁 元古界 :变质付片岩和变质火山岩 11 . 基性岩脉 12 . 地层分界 ( ) 线 13 . 红层分界线 14 . 水域边缘 海拔 170 m15 . 推测断层 16 . 压性为主的断层 17 . 张性为主的断层 18 . 剪性断层 19 . 压 ? ,陈永成. 汉江丹江口水库地震活动性不地震地质. 高士钧 扭性断层 20 . 大坝 中国地震局地震研究所 ,1974 . 12 ( 秱 ,明显形成 3 个地震密集区 宋湾 、林茂山 、凉水 表 2 1973 年 11 月 29 日宋湾地震 ) 河,其震源深度一般 4～9 km ,震中最大烈度为 ? Ta b. 2 Para meters of Song wan earthqua ke on Nov. 29 , 1975 ( ) 度 。蓄水后地震年平均发生率 M ?2 . 5 地震是 L 震源深度 蓄水前的 3 . 6 倍 , 地 震 能 量 年 释 放 率 为 蓄 水 前 的 M 时 间 震中位置 震中烈度 S( )km 300 倍 ,显然能量大的地震增多了 ,地震最高烈度 ?11 月 29 日 东经 1113?1′ 4 . 7 9 V I I 度 ,超过了蓄水前的 ?度 。21 h36m39s 北纬 325?3′ ?3 . 1 地震的时空分布 11 月 29 日 东经 1113?1′ 4 . 2 9 北纬 325?3′ 22 h15m12s 蓄水后 ,地震活动大致经历了下面几个阶段 : 11 月 30 日 东经 1113?1′ () 11967 年 11 月蓄水至 1969 年 8 月 ,水位低 4 . 6 9 北纬 325?3′ 04 h17m53s 于 130 m 高程 ,库区没有 M ?1 . 2 的地震活动 。 S 12 月 4 日 东经 1113?1′ () 3 . 6 9 21969 年 9 月至 1971 年 10 月 ,当库水位由北纬 325?3′ 17 h00m30s 130 m 上升到 145 m ,从 1970 年 1 月起库区内接连 发生 M = 1 . 2～3 . 1 地震 20 余次 ,开始形成蓄水后 S 的第一次地震活动高潮 ,但震中主要集中分布在库 表 3 1977 年 8 月 6 日凉水河地震 区周围 。 Ta b. 3 Para meters of L iangshuihe earthqua ke () 31971 年 11 月至 1972 年 4 月 3 日 ,水位达 on Aug. 6 , 1977 到 150 m ,地震震中逐渐向林茂山和宋湾两个灰岩 震源深度 M 时 间 震中位置 震中烈度 S( )km 的峡谷区收缩 ,形成两个地震密集区 ,地震在这两个8 月 6 日 东经 1113?1′ 3 . 8 9 ? 区域交替发生 ,幵于 1972 年 4 月 3 日在林茂山发生 00 h01m25s 北纬 324?3′ 了 M = 3 . 5 地震 。 S () 41972 年 4 月至 1973 年 9 月 ,水位由 150 m 利用 40 多个地震台记到的 P 波初动 ,得出宋湾 下降到 1973 年的低水位后又急剧上升 ,地震活动主 M = 4 . 7 、4 . 2 、4 . 6 地震的震源机制解 ,显示这些地S 1 ,2 要集中分布在林茂山峡谷区内 ,宋湾 —带比较平静 。 ( ) 震的节面和应力主轴完全相同见表 4。宋湾 () 51973 年 10 月以后 ,水位急剧上升到历年最 地震的节面 I 为断层面 。 高水位 157 m 高程 ,幵又急剧下降 ,于 1973 年 11 月 29 日在宋湾发生了 M s = 4 . 7 、4 . 2 、4 . 6 主震地震 表 4 宋湾地震震源机制解 Ta b. 4 Focal mecha mism solution of Song wan earthqua ke 群 ,这一时期 ,林茂山比较平静 。 () 61977 年 6 月以前 ,由于持续几年的低水位 , 节面 沿节面的剪切力 应力主轴 名称 P T N ? ? ? ? 库区内地震较平静 ; 1977 年 6 月以后水位由 134 m 走向 328? 50? 320? 58? 99? 9? 196? 左史急速上升到 143 m 时 ,速率为 6 . 52 m / 月 ,于 倾向 北东 北西1977 年 8 月 6 日在丹江库区内的凉水河发生 M = S 倾角 68? 7 0? 20?22? 2? 30? 60? () 3 . 8 地震 距大坝仅 10 余 km,震中烈度 ?度 ,坝体 内强震仪被触动 ,副坝受损 。 以上几次较大地震的震源深度较浅 ,一般小于( ) 4 水位 库容不地震频度 、强度的相 10 km 。?关性 主要地震的基本参数3 . 2 几次较大地震的基本情况列于表 1～3 。当库水位上升到 135 m 高程时 ,开始出现明显 的地震活动 ,随水位的继续增高 ,地震频度和强度也 2 表 1 1972 年 4 月 3 日林茂山地震 相应增加 , 三者具有很好的同步性。从 1969 年 Tab . 1 Parameters of Linmaoshan earthquake on Apri. 3 ,1972 12 月到 1974 年底有 6 次高水位 , 分别不地震活动 震源深度 M 时 间 S震中位置 震中烈度 的频度和能量的 6 个峰值相对应 。一般频度峰相对 ( )km 库容峰有明显的滞后 ,这种滞后现象在蓄水增加缓 4 月 3 日 东经 1113?8′ 3 . 5 9 ? 00 h54m04s 北纬 323?5′ ? 高世钧 ,陈永成. 汉江丹江口水库地震活动性不地震地质报告. 中国地震局地震研究所 ,1974 年 12 月. ? 吴翼麟 ,高世钧等. 汉江丹江口水库地震活动 ,1975 . . 诱发大量的小地震 ,尔后才有较大的地震发生 。,一般宽 10断裂带为一压扭性多期活动的深大断裂 ( ) 地震频度的变化不水位 库容的变化密切相 ～15 m ,最宽达 40 余米 ,断裂破碎带宽 10～100 m ,关 。计算得到从 1970 年 1 月到 1974 年 12 月 M ? 沿断裂带广泛分布多种火成岩 ,红色盆地呈串状分 S 布 。断裂带所切割的地层 ,北侧主要为震旦系 - 寒 0 . 6 地震频度不库容的相关系数为 0 . 73 ,相关函数 ) ( 为 N = 0 . 2 V - 13 . 5 V 为库容。武系碳酸盐类岩石 ,而南侧则为元古界武当片岩系 。 由于断裂的差异性升降活动 ,致使盆地边缘沿断裂 5 诱震可能性预测 带形成许多小型的地堑和地垒 ,红层发生大规模单 向倾斜 。在断裂带断陷活动背景中 ,断裂带的局部 依据丹江口水库区地震活动特征不库水位的相 关性以及震区内的地质构造环境条件 ,认为二期工 地段可见到中更新世和晚更新世活动迹象 ,垂直位程蓄水后 ,在库域范围内仍具有诱发中等强度地震 秱达 8～10 m ,水平错距 20 m 。沿断裂带历叱地震 的地质条件 。可能产生诱震的强度和场所简述如 记录有感地震 40 余次 ,表明该断裂带具有一定的活 动性 。该区在二期工程蓄水后 ,具有诱震的必备条 下 : () 1宋湾 - 关防滩潜在诱震区 区内主要分布有 件 ,其强度预估为 M < 5 . 0 。S () 北西西向和近南北向丹江断裂 4紫山凹 - 旧均县潜在诱震区 该库段内除了带 ,几条断裂在关防滩 - 殷家鼻之间交汇 ,幵穿过丹 分布汉江断裂带外 ,在近南北向 ( 江库域 ,如周山 - 瓦屋厂断裂带 老牛坡 - 南沟断 的紫山凹断陷盆地两侧 ,发育有魏家咀 - 瓦房垸断 ) 层和旧均县 - 鸡鸣泉断层 ,它们被汉江断裂带切割 。层 、淤泥坪 - 殷家鼻断层; 丹江断裂带为地壳至上 地幔的深断裂带 ,第四纪以来有一定活动性 ,特别是 预计二期工程蓄水后全部被库水所淹没 ,从而具备 ( 发生大于 3 . 0 级地震的地质构造条件 。丹江口水库蓄水后 ,发生众多地震 4 . 7 、4 . 6 、4 . 2 级 ) ( ) 地震群。该库域除东部分布的第三系地层 K - E6 结语 外 ,其余地域均为古生界碳酸盐类岩石 ,岩溶 、裂隙 丹江口水库蓄水后不久便发生了中等强度的水 较发育 ,幵明显地被各种方向的断层切割 ,有利于地 库诱发地震群 ,幵在库岸附近形成 3 个地震密集区 ,下水不库水的动力联系 。因此 ,该库域具有诱震的 必备条件 ,是诱震的主要发生场所 ,二期工程蓄水后 最大地震烈度 ?度 。由于震源浅 、烈度高 ,对副坝和 诱震强度可能在 M ?5 . 0 范围内 。 周围建筑物造成不同程度的损坏 。在二期工程蓄水 S () 后 ,仍将继续产生水库诱发地震 ,但其最大地震烈度 2上寺 - 李官桥潜在诱震区 区内主要分布有 近东西向的上寺断裂和近南北 不会超过 ?度 。建议工程部门应考虑前期水库 向的丹江断裂带 ,这些断裂在黑桃园北部一带相交 地震活动特征和坝体情况 ,做出更加安全 、可靠的设 汇 。上寺断裂控制白垩 - 第三系地层的发育 ,向东 计 ,确保大坝 、电力设施和周围建筑物安全 。 延伸到李官桥盆地东缘的上寺倾伏向斜褶皱翼部 , Ref erences 发育有北东 - 北东东向 、向南倾的压扭性断裂 。断 1 Gao Ximing. Feat ure of vibratio n2scope of t he t wo eart h2 层北盘为下寒武系薄层灰岩 , 南盘为红色砂砾岩 。 quake sequences reached at S , P in Danjiang reservior regio n 在构造应力场作用下 ,断层的上盘岩层向下方秱动 () J . Crustal Deformatio n and Eart h quake ,1982 ,2 4:94 - 2～ 3 m 。丹江水库蓄水后 、地震频繁在该区发生 。 ()98 . in Chinese 二期工程蓄水后 ,诱震将继续在此库域发生 ,幵有向 Gao Shijun. Characteristics of t he reservior induced eart h2 2 库域西部扩展的可能性 , 预估其最大强度为 M ? S quake sequence in Danjiangkou area J . Crustal Deformatio n 4 . 0 。() ()and Eart hquake ,1983 ,3 1:86 - 93 . in Chinese () 3林茂山 - 丹江口 - 青山港潜在诱震区