0 引言

长江三峡水利枢纽工程是世界上最大的水利工程，其坝址坐落于长江三峡西陵峡，控制流域超过10⁵ km²，具备防洪、抗旱、供电和为航运提供便利的作用。2003年三峡库区正式开始蓄水，水位高程逐渐从135 m升高到175 m，目前三峡库区水位每年在145~175 m之间变动。

在三峡库区蓄水前，龙会观曾在1979年5月22日发生Ms5.1级地震，2003年蓄水之后，三峡库区发生了万次以上的水库地震。截至目前，该库区发生大于4级的地震7次：2008年11月22日秭归县发生的4.1级地震，2013年12月16日巴东县发生的5.1级地震，2014年3月27日和30日秭归县分别发生的4.3级地震和4.7级地震，2017年6月16日和19日发生于秭归泄滩和巴东接壤部位的4.3和4.1级地震，2018年10月11日发生于秭归泄滩和巴东接壤部位的4.5级地震。

根据目前所取得的水库地震数据可知，三峡库区水库地震主要集中于黔江—恩施—巴东强震发生带、仙女山—香溪—兴山强震发生带和东西向活动断裂巴东亩田湾断裂带^[1]，主要包含仙女山断裂、九畹溪断裂、水田坝断裂、牛口断裂和高桥断裂。

针对三峡库区水库地震的研究，目前见刊文献资料在60篇左右，主要针对水库地震震源机制解以及微地震群的成因机理^[2-3]，而对于水库地震的迁移规律以及周期性规律研究尚少。丁原章^[4]认为新丰江水库地震的迁移主要表现为从坝前向库尾逐渐迁移的规律性变化，提出水库地震成因不但与库水荷载具有相关性，同时与孔隙水压也具有相关性，孔隙水压引起的水库地震往往具有滞后性。

三峡库区从2003年开始蓄水到目前已经16年了，水库地震已经呈现出一定迁移规律。仙女山和九畹溪断裂带区域作为水库地震的高发地带，水库地震同样表现出时间上的周期性和空间上的迁移性。本文从中国地震数据共享中心选择仙女山和九畹溪断裂带区域2003—2018年震级大于1级的水库地震、共计359个样本进行整理，采用构造地质分析评价方法，结合前期研究工作，从三峡库区水库地震的时间周期性规律和空间迁移规律进行研究，以期为深化三峡库区水库地震形成机理和演变过程研究提供指导。

1 区域地质背景 1.1 地形地貌

仙女山和九畹溪断裂带位于长江三峡西陵峡中部距三峡大坝20 km处，处于黄陵背斜南西部，属于鄂西褶皱山地，平均海拔1 000 m，为我国地势第二级台阶东缘，东北高西南低，山脉走向呈EW向延伸，长江支流呈SN向横切山脉，两侧形成高山峡谷。区域地貌类型表现为由结晶岩石(碳酸岩和岩浆岩)和碎屑岩石形成的侵蚀型地貌，主要由高中山、低中山组成^[5]。

1.2 地层岩性

断裂带两侧主要分布元古宙、古生代和中生代地层(图 1)，主要包括震旦系灯影组灰岩，寒武系石龙洞组白云岩，奥陶系宝塔组页岩，志留系罗惹坪组页岩，泥盆系云台观组、写经寺组泥岩，石炭系河州组、黄龙组砂岩，二叠系马鞍组灰岩，三叠系嘉陵江组、巴东组灰岩，侏罗系桐竹园组砂岩。在仙女山断裂与九畹溪断裂之间的楔形构造区域，出露白垩系石门组粉砂岩。

1.3 地质构造

研究区(仙女山和九畹溪断裂带)为仙女山断裂和九畹溪断裂的影响区域，主要位于EW向构造与SN向构造叠加区内。研究区在三叠纪主要受EW向构造所控制，为大巴山—大洪山构造带的组成部分；侏罗纪SN向的黄陵背斜隆起、秭归盆地沉陷，其间发育仙女山断裂、九畹溪断裂(图 2)。

1) 仙女山断裂：位于黄陵背斜南西，向北消失于秭归向斜，向南与都镇湾断裂相连，全长约20 km，走向NNW350°，倾向260°~270°，倾角地表所见为70°~80°，在断层面上见两组擦痕，侧伏角分别为80°和30°。仙女山断裂主要展布在古生代、中生代地层中，并控制了白垩系分布。秭归周坪乡龙洞附近重晶石矿开采矿洞中可见断裂破碎带宽数米至数十米不等，带中片状构造岩极其发育，具明显的挤压特征(图 3)。

仙女山断裂存在3期活动性，代表了研究区3次构造变迁。仙女山断裂的第一次活动与黄陵背斜的隆起相关，体现为传递断层属性，与黄陵背斜、秭归向斜、当阳向斜同属同一构造体系^[6]；第二次活动时期与中国东部裂陷构造域活动时期一致，形成白垩纪断陷盆地，只是规模和持续时间相对短暂；第三次活动主要受中国西部构造域影响，表现为挤压走滑性质，造成仙女山断裂地表断层面产状翻转，形成目前西倾状态。目前仙女山断裂的应力状态主要表现为走滑^[7]。

2) 九畹溪断裂：位于黄陵背斜南西侧，走向NE10°~20°，倾向290°~320°，断裂带倾角69°~87°，距三峡大坝约17 km，野外观察到明显的阶步现象和挤压透镜体(图 4)。在路口子斜穿长江，整体上由相距不足1 km的2条平行断裂斜列组成，切割古生代地层并构成白垩纪断陷盆地的东侧边界，与仙女山断裂共同控制了白垩系的分布，张扭性特征明显。地震测深表明，九畹溪断裂切割深度大于5 km，断差为1.3 km^[8]。该断裂形成于燕山运动时期，新生代时期沿该断裂带有弱震发生，强度低，最大地震为1972年周坪乡3.0级地震。目前九畹溪断裂的应力状态主要表现为张性。

2 三峡库区仙女山和九畹溪断裂带水库地震周期性规律

从整体上看，仙女山库岸段水库地震主要集中于长江以北九畹溪断裂上盘、长江南岸仙女山断裂北延端部(仙女山断裂和九畹溪断裂之间区域)和仙女山断裂西部。

2.1 长周期规律

2003年6月—2006年8月对应135 m库水位时期，水库地震总计发生7次，频次较低；2006年9月—2008年8月对应156 m库水位时期，大于1级的水库地震共发生131次，单月最高发生16次，频次明显大幅度升高；2008年9月至今对应175 m库水位时期，初期水库地震频次在一个低背景下，2012—2014年出现一个水库地震高发阶段，大于1级的水库地震共发生135次，单月最高发生20次，包括3次大于4级的水库地震。

对应三峡库区水位135—156—175 m的变化，水库地震频次发生周期性的变化，这种规律称为长周期规律(图 5)：三峡库区水位135 m蓄水阶段为第一长周期；156 m蓄水阶段为第二长周期；175 m蓄水阶段为第三长周期。

仙女山和九畹溪断裂带水库地震的长周期变化特点与水库地震成因有着密切的联系：第一，135 m水位库水荷载较小，引起水库地震的强度低，大于1级的水库地震具有偶发的特点；第二，156 m水位库水荷载增大，水库地震强度明显增加，呈现快速增长的趋势；第三，175 m水位库水荷载效应减弱，孔隙水压效应增强，呈现出一种延迟效应。

2.2 短周期规律

三峡库区每年水位升降有一定的规律，可以将每年库水变化划分为4个阶段：高水位期(12—次年2月)；降水位期(3—5月)；低水位期(6—8月)；升水位期(9—11月)。

总体看，随着蓄水时间的增加，水库地震开始集中于升水位期和降水位期，并逐渐向降水位期集中，高水位期和低水位期的水库地震频次较少(图 6、表 1)。

仙女山和九畹溪断裂带水库地震的短周期变化特点与库水位的快速波动密切相关，库水位的快速波动引起库水荷载和孔隙水压的震荡变化，这种周期性规律称为短周期规律。

3 仙女山和九畹溪断裂带水库地震震中扩展规律

2003年6月—2006年8月是三峡库区实验性蓄水阶段，蓄水至135 m，在此期间大于1级的水库地震共发生7次，分布规律性不强，具有一定的偶发性，大多远离仙女山和九畹溪断裂带，与断裂构造关联性较弱(图 7a)；表明此时库水荷载作用相对有限。

2006年9月—2008年8月三峡库区首次蓄水至156 m，仙女山和九畹溪断裂带水库地震数量迅速增加，共发生大于1级的地震131次，其中2007年48次，2008年83次，形成一次水库地震爆发期。水库地震主要集中于仙女山断裂以西和长江以北九畹溪断裂带区域。2007年水库地震主要分布于长江以北九畹溪断裂的上盘区域和仙女山断裂西部，呈条带状展布(图 7b)；2008年水库地震主要集中于九畹溪断裂上盘区域，数量增加，具有向南(越过长江)、向西扩展的特征，仙女山断裂西部(周坪乡附近)的水库地震大量减小(图 7c)。

库水位达到156 m之后，库水荷载作用明显加强，形成阶段性爆发，水库地震主要发生于升水位期和降水位期：表明库水荷载的快速变动是形成水库地震的主要原因，属于水库荷载诱发型水库地震^[9-10]。

2009—2011年，三峡库区水位在145 ~175 m之间变动，水库地震频次与156 m库水位相比明显下降，3年期间总共发生水库地震37次，发生地点相对集中，主要集中于九畹溪断裂西侧长江以北地区和仙女山断裂北延端点处，2009年仙女山断裂西部(周坪乡附近)的水库地震零星分布，规律性不强(图 8)。虽然此时库水位达到了175 m，但水库地震频次并没有显著增加，而是形成了一个低频“背景场”(相对2006年9月—2008年8月)，表明库水荷载引起的水库地震效应阶段性减弱。

2011年水库地震开始在仙女山断裂北延端点处集中出现(图 8c)，水库地震的性质发生了转变，仙女山断裂目前的应力状态表现为走滑，触发形成的水库地震表现为孔隙水压作用形成^[11]。

2012—2014年，三峡库区水位在145~175 m之间变动，形成对应于175 m库水位的水库地震爆发期。2012年发生水库地震36次，主要分布于九畹溪断裂上盘区域，继2007—2008年之后再次在该区形成水库地震聚集区，主要聚集于长江以南，长江以北水库地震数量明显减少(相比于2008年)(图 9a)。2013年水库地震频次降低，全部集中于仙女山断裂北延端点处，水库地震性质在2011年的基础上继续发生转变(图 9b)。这种转变在2014年达到峰值(图 9c)，孔隙水压成为水库地震发生的重要原因，水库地震全部集中于仙女山断裂北延端点处，包括4.3级和4.1级2次地震。

2015—2017年，三峡库区水位在145~175 m之间变动，水库地震频次明显降低，形成了一个低频“背景场”(相对2012—2014年)(图 10)，表明库水荷载引起的水库地震效应再一次阶段性减弱。

三峡库区仙女山、九畹溪断裂带水库地震迁移规律明显，主要表现为：第一，受九畹溪断裂控制的触发型水库地震存在逐渐向南迁移的特征，截止于白垩系分布区的北端(图 11a)，向西扩展于香溪河流域；第二，受仙女山断裂控制的触发型水库地震局限分布于仙女山断裂北延端点处，2009年开始出现，2014年达到高峰，发生了两次大于4级的水库地震；第三，分布于仙女山断裂西侧(周坪乡附近)带状分布的水库诱发地震逐渐呈点状向南迁移，最南延伸到杨林桥附近(图 11b)。

4 仙女山和九畹溪断裂带水库地震成因机理

水库地震可分为构造型“触发”水库地震和非构造型“诱发”水库地震^[12]。对于构造型水库地震，断裂构造的存在是产生水库地震的背景条件。在初始应力较高的状态下，由于水库水荷载作用或库水沿断裂向深处渗透，地层孔隙水压力增加，断层面有效正应力减小，断层剪切强度下降，水库地震是蓄水“触发”的。该类型水库地震的震源机制主要表现为正断型和走滑型，地震空间分布特征与触发断层走向基本一致。

对于非构造型水库地震，库水占主导作用，如岩溶型、矿塌型以及一些浅表应力调整型地震。非构造型水库地震的发生与断裂构造关联性不大，是蓄水“诱发”了地震。该类型水库地震震源机制大多表现为正断型，空间展布方向主要取决于岩溶型溶洞以及矿洞的空间分布特征。特别是岩溶型溶洞空间分布特征规律性强，具有按不同高程层状分布的特征，由此“诱发”的水库地震分布特征同样表现为线性分布。

从地质构造来看，仙女山和九畹溪断裂带具备构造型“触发”水库地震的条件。从地层岩性来看，仙女山西部大量出露三叠系下统嘉陵江组和巴东组灰岩、二叠系厚层灰岩，岩溶发育且具有发育大型岩溶管道的条件，具备非构造型“诱发”水库地震的条件。由此，仙女山和九畹溪断裂带发生的水库地震活动，在长江以北以及仙女山断裂端部地区为构造型“触发”地震(受九畹溪断裂与仙女山断裂控制)，仙女山西部地区为溶洞坍塌引起的非构造型“诱发”水库地震。

4.1 水库地震震源机制解与区域b值

有关仙女山和九畹溪断裂带区域水库地震震源机制解前人已经做过很多研究工作，本文收集前人已经公开发表的31个震源机制解^[13-14]对仙女山和九畹溪断裂带区域水库地震进行分析。

从现有收集的资料上来看：有18个震源机制解呈现正断型(分布集中于长江以北九畹溪断裂上盘)，7个震源机制解呈现走滑型(靠近仙女山北延端点)；该区域水库地震属于构造触发型水库地震，与仙女山断裂和九畹溪断裂目前的构造属性相同，应力状态具有一致性。

在仙女山断裂以西(周坪乡附近)的6个震源机制解中，有4个正断型、1个走滑型、1个逆断型。地表地质调查显示该区主要为碳酸岩分布区，溶岩发育。2007年该区水库地震分布具有条带状的特点，表明该区域水库地震与岩溶坍塌有关，属于非构造型“诱发”水库地震^[15](图 12)。

古登堡和里克特在1941年提出全球地震活动遵从经验公式^[16]：

式中：M为地震的震级；N为大于震级M的地震频次；a，b为常数^[17-19]，a代表地区地震活动总体水平，b代表震级与地震频次的比例。

利用2003—2017年大于1级的359个水库地震数据，分别对仙女山和九畹溪断裂带水库地震分布区、仙女山断裂以西(周坪乡附近)水库地震分布区进行b值计算。结果显示：仙女山和九畹溪断裂带水库地震分布区b=0.873 38(图 13a)；仙女山断裂以西(周坪乡附近)水库地震分布区b=1.069 93(图 13b)。

一般地，自然地震b=0.1~0.5，构造型“触发”水库地震b=0.6~0.9，非构造型“诱发”水库地震b>1.0。因此，仙女山和九畹溪断裂带水库地震分布区表现为构造型“触发”水库地震，仙女山断裂以西(周坪乡附近)水库地震分布区表现为非构造型“诱发”水库地震。

4.2 水库地震形成机理

仙女山断裂与九畹溪断裂在白垩纪时期共同控制了仙女山断陷盆地的发展演化，具有断陷盆地的充填特征。从沉积相带的空间展布特征分析：仙女山断裂是断陷盆地形成的主要控制性断裂，具有断层倾角大、边缘相带发育的特征，向内部很快过渡为扇三角洲相，局部存在湖泊沉积体系；九畹溪断裂控制着断陷盆地的东部边界，断裂倾角相对平缓(地表陡倾，向下变缓)，沉积相带主要表现为滨浅湖相^[20-21](图 14)。

水库地震的整体分布规律与仙女山断裂和九畹溪断裂的整体特征一致。仙女山断裂倾角陡，库水向深部渗透空间分布范围有限，造成水库地震在空间上分布范围窄；燕山运动时期仙女山断裂性质转变为压扭性质，以走滑为主，现今应力场状态基本继承了燕山期构造应力场的状态，造成受仙女山断裂控制的触发型水库地震主要集中于仙女山断裂北延的端点处。相反，九畹溪断裂具有上陡下缓的特点，库水向深部渗透空间分布范围较大，造成水库地震在空间上分布范围较宽(图 15)。

库水沿断裂带向深部渗透在碳酸岩分布区表现的较为明显，碳酸岩中裂隙发育，溶蚀作用相对强烈，这些因素都为库水向深部渗透提供了条件；碳酸岩岩层倾角的变化也为库水向深部渗透提供了通道，倾角越大，向深部渗透相对较为容易，在库水压力的作用下，库水沿断裂以及微小裂隙通道向深部渗透，直接的表现就是地表泉水流量的减少(连续3年的调查结果，逐年较少)(图 16)。相反，仙女山断裂和九畹溪断裂存在的碎屑岩、泥岩分布区对库水沿断裂渗透性影响较大，对断层起到了一定的封闭性作用；随着深度的增大，岩层倾角变小，这种封闭性作用增强，这也是仙女山和九畹溪断裂带水库地震向南扩展被限于白垩系分布区北缘的原因。

前面已经论述仙女山断裂目前应力场状态表现为以走滑为主的应力场，这一点也能从该区域已经发生的水库地震机制解得到验证。从应力角度认识走滑活动需要更强应力集中状态，这就是受仙女山断裂控制的水库地震发生几乎都集中在仙女山断裂北延端点处的原因，同时也是走滑应力状态下控制的水库地震震源深度相对较浅的原因。对于仙女山断裂、九畹溪断裂区域，在水库地震机理由库水荷载作用向孔隙水压作用转变的过程中，震源深度存在变浅的趋势(图 17)，但这不意味着孔隙水压作用形成的水库地震震源深度不会增加，只是现阶段随着库水的渗透，震源深度的特点表现并不明显。

5 结论

在对中国地震台网收集的水库地震数据进行分析的基础上，通过野外地质调查，对仙女山、九畹溪断裂带水库地震时间上周期性和空间上迁移规律进行了深入研究，并剖析了其形成机理，得出如下结论：

1) 从时间上分析，水库地震呈现一定的周期性，表现为长周期与库水位相关，短周期与库水位快速波动相关。

2) 从空间上分析，受九畹溪断裂控制的触发型水库地震存在着逐渐向南迁移的特征，截止于白垩系分布区的北端，向西扩展于香溪河流域；受仙女山断裂控制的触发型水库地震局限分布于仙女山断裂北延端点处；分布于仙女山断裂西侧(周坪乡附近)带状分布的水库诱发地震逐渐呈点状向南迁移，最南延伸到杨林桥附近。

3) 地震震源机制解和区域b值计算结果表明，仙女山和九畹溪断裂带水库地震分布区表现为构造型“触发”水库地震；仙女山断裂以西(周坪乡附近)水库地震分布区表现为非构造型“诱发”水库地震。

4) 水库地震的整体分布规律与仙女山断裂和九畹溪断裂的整体特征一致，与断裂倾角的变化和现今应力场状态相关。库水荷载和孔隙水压作用是研究区水库地震形成的主要控制因素，156 m库水位时期以水库荷载作用为主，175 m库水位时期孔隙水压作用开始增强，并在仙女山断裂北延端点处形成聚集，发生于该区的2次大于4级的水库地震与此密切相关。