2017, Vol. 37
2. 湖北省地震局，武汉市洪山侧路40号，430071
丹江口水库分两期兴建。一期自1967-11-05下闸蓄水，1973年建成，坝高162 m，正常蓄水位157 m，相应库容174.5亿m3，一期工程淹没范围涉及湖北省丹江口市、十堰市郧阳区和河南省淅川县。蓄水后丹江口库区地震活动日趋频繁，且发生多次破坏性有感地震，如1973-11-29~11-30河南省淅川县宋湾瓦房沟发生M4.7、M4.2及M4.6的震群活动并持续到12-04；1976-02-05~03-05河南内乡县马山口发生ML4.0震群活动，之后库区地震活动逐渐趋于平静，期间较大地震为2000-04-29河南省内乡县马山口镇与镇平县寺山乡之间发生的ML4.7地震[1-5]。
二期自2003年底开始兴建，坝高176.6 m，计划提高水位至170 m，相应库容增至290.5亿m3。二期工程淹没范围进一步扩大，涉及到湖北省十堰市张湾区和郧西县、陕西省白河县。库区水位的提高可能会引起新的地震活动，这将是地震工程界和水利工程界共同关注的问题。
为加强丹江口库区地震活动监测，于2012年建成丹江口遥测地震台网，2013-01正式验收运行。本研究主要基于该台网监测资料，分析丹江口水库二期蓄水活动引起的库区地震活动变化及其特征，探讨可能的地震活动危险区域。
1 丹江口水库一期蓄水地震活动简介丹江口水库一期蓄水期间，有感地震主要发生在丹库区北部以及丹库、汉库交界区域，库区周边的ML2.0以上地震主要以震群的形式分布在两个地区：一群主要集中在汉库区的林茂山-凉水河一带，另一群主要集中在丹库区淅川县宋湾-关防滩一带。宋湾-关防滩地区的地震活动强度和频度较林茂山-凉水河地区的高[1]。
2 丹江口水库二期蓄水地震活动简介为加强丹江口库区地震监测，三峡集团公司改建丹江口数字遥测地震台网，并于2013-01开始正式运行。截止到2015-12，经过3 a的监测，记录到大量地震波形，经过地震精确定位，库区地震的震源深度主要在0~10 km范围，强度主要以微震、极微震为主，较大地震分别为2014-04-12淅川县ML3.1以及2015-07-31淅川县ML2.9地震(图 1、图 2)，地震主要呈团状分布在林茂山-凉水河、习家店、宋湾-关防滩、十堰市鸳鸯乡及丹江口市土关垭镇附近。
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图 1 丹江口地震遥测台网分布及二期蓄水ML2.0以上地震分布 Fig. 1 Distribution of Danjiangkou telemetered seismic network and epicenter of above ML2.0 earthquakes in the 2nd phase of water storage in the Danjiangkou reservoir |
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图 2 丹江口库区震中分布(2013~2015年) Fig. 2 Epicenter distribution in Danjiangkou reservoir area (2013-2015) |
与丹江口水库一期蓄水地震活动相比，二期地震监测能力大为提高，坝址至丹库区盛湾库段和坝址至汉库区土台库段的微震监测能力达到ML0.5[6]。根据目前的监测结果，二期蓄水初期，震中分布范围没有太大变化，但地震强度远低于一期蓄水阶段，地震活动依然表现为丹库区地震强度和频次高于汉库区。因台网加密，十堰鸳鸯乡附近的微震以及丹江口市土台附近的微震活动被监测到。
这3 a的地震监测结果显示，震中位置每年均呈团状或带状聚集在5个密集区，分别为林茂山-凉水河区域、宋湾-关防滩区域、习家店区域以及十堰鸳鸯乡区域和土关垭区域，震中位置未发现明显的迁移现象。前3个区域地震强度略高于十堰鸳鸯乡区域和土关垭区域，但均以微震、极微震为主，林茂山-凉水河区域地震频次较高，习家店区域地震频次较低。
目前丹江口库区蓄水尚未达到170 m的目标水位，最高水位为2014-11-03的大约160.7 m。根据图 3，2013年水位变化幅度为134.7~147.8 m，落差约14 m；2014年水位变化幅度为136.6~160.7 m，落差约为14 m；2015年水位变化幅度为152.5~159.0 m，落差约为8 m。地震活动变化与水位升降变化关系不是很明显，地震活动主要集中在3个时段：第1个时段是2013-01~07，地震绝大部分为ML2.0以下的极微震，地震月频次较高，期间经历了水位的下降及上升(14 m落差)，地震主要位于林茂山-凉水河区域，十堰鸳鸯乡区域以及宋湾-关防滩区域也有少量分布；第2个时段是2014-05~2015-02，地震绝大部分为ML2.0以下的极微震，地震月频次较高，期间经历了水位14 m落差的上升及下降。2014-09-01水位快速从143 m抬升到11-03的160.7 m时，未记录到地震频次强度随之增强的现象。地震主要位于林茂山-凉水河区域以及宋湾-关防滩区域；第3个时段是2015-03~08，地震绝大部分为ML2.0以下的极微震，地震月频次较高，水位基本在155 m附近，正负落差分别为2 m。地震主要位于林茂山-凉水河区域以及宋湾-关防滩区域。
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图 3 丹江口库区地震参数与库水位(2013~2015年) Fig. 3 Danjiangkou reservoir seismic parameters and reservoir water level(2013-2015) |
该区域主要为灰岩峡谷区，透水性强，该区域有几条走向290°~300°且错断第四系的断裂发育，规模较大的陶岔断裂、周山-三座楼断裂及厚坡断裂通过史家庄和宋湾一带，库水容易沿着陡倾角断裂带形成透水通道，易于发生水库地震[7-9]。根据新台网建成后3 a记录的地震波形，该区域地震主要以水库地震居多，含少量构造地震。目前该区域记录到的最大地震为2014-04-12淅川ML3.1，距离1979-11-29宋湾瓦房沟M4.7地震仅29 km；其次为2015-07-31淅川ML2.9，位于关防滩附近。该区域地震主要分布在关防滩以及黄庄乡附近，以ML2以下的微震、极微震为主。
1) 2015-07-31淅川ML2.9震例
本次地震发生在丹江口重点监视区内丹库区，位于河南省淅川县关防滩，震源深度5 km，距离丹库岸4.5 km，震中位于最近台站——葛沟台的NE方向3.5 km，记录的PG波初动向上，振动持续时间仅为4.1 s，面波周期较大，衰减迅速(图 4)；周边几个近台记录PG波初动有向上也有向下。其震源机制解结果显示，周边台站PG波初动的四象限分布不均匀，主要集中在2个象限(图 5)。对葛沟台波形记录作频谱分析，其优势频率为4.1~5.0 Hz，峰值频率为0.4 Hz，拐角频率为6 Hz，属于非构造地震[10-14]。综合判断，本次地震应是一次张性破裂为主的极浅源水库地震。
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图 4 淅川ML2.9地震葛沟台记录波形(记录长度30 s) Fig. 4 Recorded seismic waveform of Xichuan ML2.9 earthquake (Record length:30 s) at Gegou station |
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图 5 淅川ML2.9震源球 Fig. 5 Focal sphere of Xichuan ML2.9 earthquake |
2) 2014-04-12淅川ML3.1震例
本次地震为2013年新台网运行以来丹江口库区记录到的最大地震，位于丹江库区(图 1、图 2)，震源深度8 km，距离库区的库岸最近处为1 km，由丹江口台网最近台——距震中ES方向25 km的邢沟台记录的PG波初动为向下(图 6)，其他稍近台站记录的PG波初动如下：仓房台为向上，蒿坪台为向上，盛湾台故障。根据邢沟台记录的30 s波形，PG波周期小，振幅小；面波周期小，整体波形紧凑，高频发育，波形持续时间接近30 s。对邢沟台波形记录作频谱分析，优势频率在3.3~10 Hz，峰值频率为1.2~2.5 Hz，拐角频率4.5 Hz，判断为构造地震。
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图 6 淅川ML3.1地震邢沟台记录波形(记录长度30 s) Fig. 6 Recorded seismic waveform of Xichuan ML3.1 earthquake (Record length:30 s) at Xinggou station |
该区域主要为灰岩峡谷区，区内分布有压扭性多期活动的NW向丹江断裂带和金家棚断裂。沿断裂带存在许多小型地堑和地垒，岩溶发育，暗沟、暗河落水洞众多，且规模巨大，易于发生水库地震。该区域目前地震以浅源水库地震居多，以丹江断裂带为南北边界，成团分布在丹库东南端以及汉库东端林茂山一带，以ML2级以下的微震、极微震为主，最大地震为2015-03-26丹江口市ML2.4地震，地震频次明显高于宋湾-关防滩区域，强度低于宋湾-关防滩区域。
本次地震震源深度6 km，距离库区的库岸最近处仅1 km，由位于震中东部8 km的丹江口台网最近台——杨华岗台记录到PG波初动为向上(图 7)，其他近台和远台记录的PG波初动全为向上。根据杨华岗台记录的30 s波形，PG波初动向上、周期较大且振幅偏大，面波周期大，持续时间约8 s。对杨华岗台波形记录作频谱分析，优势频率在4.0 Hz附近，峰值频率为2.0~2.7 Hz，拐角频率为7.5 Hz，考虑到震中位于灰岩峡谷区，岩溶发育，综合判断其为浅源气爆型水库地震。
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图 7 丹江口市ML2.4地震杨华岗台记录波形(记录长度30 s) Fig. 7 Recorded seismic waveform of Dangjiangkou ML2.4 earthquake (Record length:30 s) at Yanghuagang station |
该区域有走向NWW或近EW的上寺断裂穿越, 上寺断裂为NE-NEE向、向南倾的压扭性断裂，控制了习家店盆地的北边界。该区域受挤压现象明显，主要以水库地震为主，记录到的最大地震为2014-02-02习家店ML2.8地震。目前该区域地震活动的强度和频次并不高，地震强度略高于林茂山-凉水河区域，地震频度低于宋湾-关防滩区域。
2014-02-02习家店ML2.8地震震源深度6 km，距离库区的汉库库岸最近处仅1.5 km，由位于震中东部10 km的丹江口台网最近台——蒿坪台记录的PG波初动为向下(图 8)，其他近台和远台记录的PG波初动，除盛湾台向上以外，全为向下。根据蒿坪台记录的30 s波形，PG波头部振幅较大，SG波周期较小。对蒿坪台波形记录作频谱分析，优势频率在8.0 Hz附近，峰值频率为6.5~8.0 Hz，拐角频率14.9 Hz，判断为构造型水库地震。
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图 8 习家店ML2.8地震蒿坪台记录波形(记录长度30 s) Fig. 8 Recorded seismic waveform of Xijiadian ML2.8(Record length:30 s) at Haoping station |
该区域位于NWW向的两郧断裂及白河-谷城断裂之间。3 a来的监测显示，这2个区域以非构造地震居多，大多为矿震，少量为水库地震，强度全部低于ML2.0，地震主要成团散布在鸳鸯乡及土关垭周边10~13 km的范围内。
1) 2015-04-27鸳鸯乡ML1.9震例
本次地震震源深度0 km，距离库区的汉库库岸最近处仅7.6 km，由位于距震中SW向15 km的湖北省台网最近台——十堰台记录的PG波初动为向上(图 9)，其他近台和远台记录的PG波初动全为向上。根据十堰台记录的30 s波形，PG波头部振幅较小，面波周期较大，波形疏松不成丛，呈波浪状，高频成份很少。对十堰台波形记录作频谱分析，优势频率在1.6 Hz附近，峰值频率为1.8 Hz，拐角频率4.3 Hz，判断为矿震[11]。
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图 9 鸳鸯乡ML1.9地震十堰台记录波形(记录长度30 s) Fig. 9 Recorded seismic waveform of Yuanyangxiang ML1.9 earthquake(Record length:30 s) at Shiyan station |
2) 2015-08-15土关垭ML1.9震例
本次地震震源深度1 km，距离库区的汉库库岸最近处仅5.1 km，由位于距震中NNE向9.9 km的最近台——牛河台记录的PG波初动为向上(图 10)，其他近台记录的PG波初动亦全为向上。根据牛河台记录的30 s波形，垂直分量的PG波头部振幅较小，面波周期较大，波形持续时间8.2 s，波形特征类似于鸳鸯乡ML1.9震例，判断为矿震。
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图 10 土关垭ML1.9地震牛河台记录波形(记录长度30 s) Fig. 10 Recorded seismic waveform of Tuguanya ML1.9 earthquake(Record length:30 s) at Niuhe station |
2013~2015年丹江口库区二期蓄水期间记录地震主要分为水库地震、构造地震以及矿震3类，丹江口库区地震波形典型特征主要表现为：
水库地震：大P头，近台PG波振幅较大，略小于SG波振幅，PG波初动分布有可能不满足四象限分布。
构造地震：PG波振幅明显小于SG波振幅，波形紧凑，高频发育，波形持续时间较长，PG波初动分布为四象限。
矿震：PG波振幅明显小于SG波，波列震相单一，近台记录PG波初动向上居多，波形疏松不成丛，高频成分很少，面波周期较大。
4 结语根据二期工程初期3 a间库区内记录的地震活动情况，结合5个主要地震活动区域的地质背景和典型地震波形分析认为:
1) 随着丹江口遥测地震台网的运行，记录到库区大量微小地震，呈团状或带状聚集在5个密集区，分别为林茂山-凉水河区域、宋湾-关防滩区域、习家店区域、十堰鸳鸯乡区域和土关垭区域，震中没有随水位变化发生明显迁移，前3个区域主要以水库地震居多，后2个区域以矿震居多。
2) 丹库区地震的强度和频度高于汉库区，丹库区以水库地震居多，汉库区以水库地震及其他类型非构造地震居多。
3) 随着二期工程及蓄水工程的进行，丹江口库区未来主要水库诱发地震危险区仍然是初期工程蓄水后出现的两个水库地震活动区，即丹库区宋湾-关防滩地区和林茂山-凉水河地区。另外，需关注汉库区习家店附近的地震活动。
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