2. 广西地震局龙滩台网中心,广西 天峨 547300;
3. 广西天峨县地震局,广西 天峨 547300
2. Longtan Network Center, Guangxi Earthquake Administration, Tian'e, Guangxi 547300,China;
3. Gaungxi Tian'e Earthquake Administration, Tian'e, Guangxi 547300,China
近几十年来,随着国内外大型水库的兴建,出现了很多水库蓄水诱发地震的例子.其中1962年3月20日我国新丰江水库地震达到M6.2 级,1967 年12月10日印度的Koyna地震达到M6.3级[1-6].较大水库诱发地震的发生会破坏水库大坝本身结构,从而威胁着库区附近人民生命财产安全和水库工程安全,需要加强对水库诱发地震的研究.
水库诱发地震的发生与库区的先存地质构造、断裂发育、岩性分布、水文地质构造、库水水位变化等密切有关[7-14].水库诱发地震发生的物理效应基于库伦定理,当岩石空隙压力增大或者摩擦系数、内聚力减小时,就会使得岩石强度减小,导致岩石失稳、破裂,从而引发地震.当库区蓄水后,水库蓄水水位迅速增加,会导致库区正应力和孔隙水压力瞬时增加.库水水位增加,库容量增大,水体自重增加,库水会顺着库区破碎带向库区深部渗透,使得库区深部岩石摩擦系数减小,特别是在碳酸盐岩石中这种现象更明显,这是由于碳酸盐岩在水和二氧化碳的作用下能发生化学反应后发生化学侵蚀,生成可溶的碳酸氢钙.当库水顺着先存断裂破碎带扩散到地下一定深度,水的渗入使得碳酸盐岩发生化学侵蚀,使得岩石内聚力减小或者岩石的摩擦系数减小,致使岩石失稳、破裂,从而产生地震[3, 15-19].
当前地球物理探测仪器和技术发展很快,采用先进的地球物理观测技术探明库区先存断裂带体系、深部构造环境,在水库加卸载过程中观测库水对深部介质属性的变化,进而研究库区诱发地震的可能分布区域、水库诱发地震类型等,是当前对水库诱发地震研究的重要发展方向之一.1998 年在印度6.3级Koyna地震区进行过地震探测工作,发现在地震区5~10km 左右为低速层,大量库区诱发地震多分布在该深度区域,说明深部低速层的存在与地震分布相关[20-22].库水加载会影响库水在地下介质里的渗透变化,水的渗透对地下介质的电导率属性有极大的影响,大地电磁方法对深部介质电导率变化反映最灵敏、分辨力最高[23-24],广泛应用于地震区深部孕震背景、断裂带内部结构探测研究[25-32].
广西龙滩库区是目前中国国内在建的仅次于长江三峡电站及金沙江溪洛渡电站的特大型水电工程.龙滩水库自2006年10月开始蓄水,到2008 年蓄水水位达到最高蓄水深度375 米.库区蓄水前仅有少量的地震活动,随着水库蓄水,库区地震频繁发生,至今龙滩遥测地震台网记录到上千次地震,已发生MS4.0级以上地震3次[33-34].2006 年至2007 年度发生的水库诱发地震精定位结果显示,龙滩地震主要分布在水库蓄水后先淹没的5 个深水区,明显成丛于5个区域[35].
鉴于广西龙滩水库工程的安全,在科技部支撑项目的支持下,利用电磁方法在广西龙滩库区开展库水加卸载动态过程电磁观测,获得库区深部地下电阻率随库水加卸载及渗透过程的变化特征,研究其与水库加卸载及渗透过程之间的关系.本文将介绍2009和2010年2个年度在龙滩库区库水加卸载过程中4个测点5 期次电磁定点观测结果,结合库区区域深部电性结构探测成果,对库区地下介质电性与库水加卸载进程中库水渗透的关系、水库地震孕震环境和地震类型等进行分析研究.
2 龙滩库区地质构造和电磁定点、电磁探测剖面位置广西龙滩水库横跨广西天峨县和贵州罗甸县,地处云贵高原南缘向桂西北山区与丘陵过渡的斜坡地带.库区主要由南盘江、蒙江、曹渡河、布柳河和红水河上游组成.区内主要发育4 条北东向和2 条北北东向断裂,从西往东依次为罗甸-罗苏断裂(F1)、八茂-百塘断裂(F2)、拉浪-达良断裂(F3)、龙凤-八腊断裂(F4)、天峨-金谷断裂(F5)、拉色-辉马断裂(F6)[36].研究区主要出露的地层有泥盆系(D)、石碳系(C)和二迭系(P),三迭系(T).泥盆系地层为粉砂岩、石英砂岩、页岩碎屑岩和碳酸盐岩建造特征.石碳系(C)主要是灰岩等碳酸盐岩建造为主.二迭系分上、下统,下统(P1)为浅灰、灰色中厚状灰岩夹白云质灰岩等碳酸盐岩建造为主,上统(P2)为硅质灰岩、硅质页岩夹砂岩、页岩等碎屑岩和碳酸盐岩建造为特征.三迭系主要为砂岩、页岩、泥质灰岩等碎屑建造和碳酸盐岩建造.根据各地层的主要岩性性质,可知研究区内的泥盆系(D)、二迭系上统(P2)和三迭系(T)地层含水性差,石炭系(C)和二迭系下统(P1)地层易含水[36-37].
图 1中也放置了2006年至2010年发生的水库诱发地震精定位结果[35],结果显示龙滩水库地震主要分布在水库蓄水后先淹没的5 个深水区,明显成丛于5个区域,即罗妥(丛Ⅰ)、八茂(丛Ⅱ)、坝首(丛Ⅲ)、拉浪(丛Ⅳ)和布柳河(丛Ⅴ).其中罗妥(丛Ⅰ)和八茂(丛Ⅱ)两个地震丛集区沿八茂-百塘断裂(F2)分布,并分别位于南盘江和蒙江水域;坝首(丛Ⅲ)、拉浪(丛Ⅳ)两个地震丛集区位于拉浪-达良断裂(F3)南北两端,分别分布在红水河和曹渡河水域,布柳河(丛Ⅴ)地震丛分布在布柳河水域.
两条大地电磁探测剖面基本垂直构造走向为北西-南东向布置,两条电磁剖面基本平行.其中A剖面西北起于贵州境内的立亭,向东南经过八茂、东南止于广西的龙腊,穿过八茂(丛Ⅱ)和拉浪(丛Ⅳ)地震丛集区.B 剖面西北起于贵州罗甸县境内的罗苏以西,向东南经过罗妥、拉当,东南止于广西的板别,穿过罗妥(丛Ⅰ)和坝首(丛Ⅲ)地震丛集区.
电磁定点位置位于库区中上游的坪上(定点1),库区中部的中良坪测点(定点2)、库首区域的交必屯(定点3)和向阳(定点4)4 个地点作为电磁观测定点.坪上(定点1)位于电磁探测A 剖面的A07点上,交必屯(定点3)位于电磁探测剖面的B08 号点上.坪上(点1)和中良坪(点2)测点位于二迭(P)和三迭系(T)地层交接位置,向阳(点4)位于三迭系上统(T2)地层上,交比屯(点3)测点位于二迭系上统(P2)地层上(图 1).
3 库区库水加卸载进程中定点电阻率观测结果和分析 3.1 5期次电磁定点观测时段图 2给出了2006年10月1日到2010年10月31日的水库库水水位(上)和2.0 级以上地震时序图(下).图中可见龙滩水库未蓄水前地震较少,随着水库蓄水后水位上升,库区地震频繁发生.地震多发时段出现在库水高水位的2007年7-8月、2008年6-12月和2010年10月期间.
为了在库水位最高、最低水位时段实施电磁定点测量,以获得每一年水库加卸载过程中水位变化最大时段的电磁观测数据,我们分析了2006 年10月1日水库蓄水以来的水位变化规律,并密切跟踪2009年到2010年11月期间研究区的降雨、库区水位变化趋势,最终在水位最佳时段进行了5 期次电磁观测工作.5期次电磁测量具体时段(图 2中黑色粗黑线)分别为(1):2009年4月23日到5月9日,水位约342m,(2):2009年9月4日到9月18日,水位约359m,(3):2009年12月27日到2010年1月6日,水位约350 m,(4):2010 年5 月27 日到5月6日,水位约331 m;(5)2010 年10 月1 日到10月16日,水位约372m(见图 2).
3.2 野外观测、处理和结果分析5期次电磁定点野外测量使用了3套加拿大凤凰公司生产的MTU-5A 大地电磁仪器.野外观测5分量,测量相互正交的2个的电场分量(Hx和Hy)和3个磁场分量(Hx、Hy和Hz).由于龙滩库区山势险峻,又是水库库水新淹没区,野外观测场地极难选择,4 个电磁观测点电极布置只能依照实际测量场地布置.具体观测参数见表 1.
为了得到高信噪比的资料,每个测点每次测量时野外记录时间都在3 天以上.对所有资料全部采用Robust[38]的处理方法进行了处理.Robust数据处理方法根据观测误差的剩余功率谱的大小对数据进行加权,注重未被干扰的数据,降低突变点数据的权,使它对大地电磁阻抗估算值的影响降低到最小,从而改善受电磁噪声干扰的大地电磁测深资料.
对处理得到的谱数据利用大地电磁数据管理系统“MTDATAMNG"[39]计算得到了各测点5 期次的视电阻率和相位数据.图 3给出了交比屯(JB)(点3)、坪上(PS)(点1)、中良坪(ZL)(点2)、向阳(XY)(点4)测点5期次观测的视电阻率和阻抗相位曲线图,5期次测量结果分别用1、2、3、4、5数字来表示.全部4个测点测量得到的阻抗相位曲线在5期次测量过程中变化不大,且在低频段的观测结果信噪比小,在本文中只重点分析视电阻率测量结果.另外交比屯测点实地测量环境是一南北方向长、东西方向窄的紧靠水库区域的地点,南北方向的电极距长度78m,东西方向的电极距长度较短仅为15 m,重点关注南北方向的视电阻率测量结果.
(1) 视电阻率曲线形态反应出地下深部电性结构特征:图 3中明显可见交比屯(点3)测量得到的视电阻率曲线形态、数值和5 期次测量结果的变化都与坪上(点1)、中良坪(点2)和向阳(点4)测点的明显不同.交必屯测点测量得到南北方向视电阻率曲线数值自高频到低频均在100Ωm以上,高频首枝到频率1 Hz左右视电阻率值约为200 Ωm,1Hz以下视电阻率值减小,到0.1 Hz 左右达到100Ωm,随后随频率再减小视电阻率数值增大.而坪上(点1)、中良坪(点2)和向阳(点4)测点2个方向的视电阻率曲线形态值基本一致,从高频到低频表现为高、低、低的特征.坪上和中良坪测点上的视电阻率曲线数值更一致,南北方向的视电阻率曲线首枝数值为200Ωm 左右,随着频率减小视电阻率曲线数值减小,到0.01 Hz附近减小到约1Ωm;东西方向的视电阻率曲线首枝数值略大于南北方向,接近1000Ωm,随着频率减小视电阻率数值也减小,到0.01Hz附近为几欧姆米,到更低频段,视电阻率值又为增大的趋势.向阳测点南北方向视电阻率曲线首枝数值为10Ωm 左右,随着频率减小视电阻率数值减小,到0.01Hz附近减小到1Ωm 以下,东西方向视电阻率曲线首枝数值略大于南北方向,接近100Ωm,随着频率减小视电阻率数值也减小,到0.01Hz附近约为1Ωm.说明交比屯测点下的深部结构在一定深度范围都表现为高电阻特性,在坪上(点1)、中良坪(点2)和向阳(点4)测点下的深部电性结构为高、低、高三层结构.
(2) 首枝视电阻率反应了出露地层的电性差异:4个测点的视电阻率曲线首枝视电阻率值不尽相同,交比屯测点上最大,坪上和中良坪测点次之,向阳测点上最小.反映出4 个测点上出露地层的电性差异,交比屯测点位于二迭系上统(P1)上,坪上测点靠近二迭系下统(P2)地层,中良坪点位于二迭和三迭系地层交接位置,向阳点则位于三迭系下统(T2)地层出露的腹地.二迭系上统(P2)地层主要是硅质灰岩、硅质页岩夹砂岩等碎屑岩为主,三迭系上统(T2)以砂页岩和泥质灰岩等为主,说明二迭系上统(P1)地层的电阻率数值较三迭系下统(T2)地层的稍大.
(3) 5期次观测的视电阻率数值变化趋势:为了对比4个测点上5期次观测的视电阻率数值与库水水位变化的关系,绘制了4个测点5期次观测的11个频率(80 Hz、10 Hz、3 Hz、1.13 Hz、0.56 Hz、0.28Hz、0.14Hz、0.07Hz、0.035Hz、0.0176Hz、0.0088Hz)2个方向的视电阻率值和水位、时间变化图(见图 4).图 4中各测点2个方向上80Hz、10Hz、3Hz3个频率的视电阻率值用黑色实线绘制,其余7个频率的视电阻率值用红色实线绘制.
图 4中可清楚看出4个测点5次测量的视电阻率曲线数值在频率1Hz以上的高频都基本一致.交比屯(JB)测点在0.1Hz到较低频段,第1、2、3、和4次测量结果一致,水位最高时的第5 次测量的视电阻率数值小于其他4 次测量结果.坪上(PS)、中良坪(ZL)和向阳(XY)测点从频率1Hz开始到0.001Hz的视电阻率数值有明显变化,而且变化趋势一致,即2009年9 月(2)和2010 年10 月(5)水位最高时段也是水库库容最大、水体自重最大时段测量的视电阻率数值最低,2009年12月水位下降阶段(3)测量的视电阻率数值最高,在2009年5月(1)和2010年5月(4)最低水位时段测量的视电阻率数值居中.
4 结论和讨论 4.1 库水加卸载及渗透过程中的深部电阻率变化2009和2010年度龙滩库区库水加卸载过程中在交比屯、坪上、中良坪和向阳4个测点5期次电磁观测结果显示,在交比屯测点测量得到的视电阻率曲线和数值以及5期次观测结果视电阻率数值变化趋势与坪上、中良坪和向阳测点上测量结果明显不同.4个测点上5期次观测到视电阻率值变化特征,可以从龙滩库区区域深部电性结构得到进一步说明.
图 5为2009年实施的跨过龙滩库区的两条大地电磁测深剖面(A 和B剖面)自地表到深度20km的二维电性结构图像[40].A 剖面上的A07号测点为坪上电磁监测点,B 剖面上B08 测点为交比屯电磁监测点.根据地质构造图上断裂带的地表位置[36],在图 5中标识出区内6条断裂带位置以及跨过库区河流的位置.同时也放置了2006-2010年5月龙滩库区地震精定位结果[35].在A 剖面放置的地震个数是垂直A 剖面两侧约0.08°范围的地震个数,在B剖面放置的地震是沿B 剖面西南侧0.1°范围的地震个数.在图 5中还放置了2010年9月18日发生的MS4.3级地震震源位置.
图 5中清楚看出交比屯测点位于一上宽下窄似“铆钉"状的高阻体上方,高阻体内部电性结构较完整,向下延伸到约10km.根据区域地质资料[36],推测该高阻体对应于由硅质灰岩、硅质页岩夹砂岩等组成的二迭系上统(P2)地层,其岩性不易含有地下水也不易受库水水位的影响,因而在该区域的交比屯测点仅在最高水位时段测量得视电阻率值在频率0.1Hz到较低频段,第1、2、3、和4 次测量结果一致,水位最高时的第5 次测量的视电阻率数值略小于其他4次测量结果.坪上测点处于自地表到地下20km 左右为高-低-高的近似3层的电性结构区域,在地表到深度约1km 是上千欧姆米的高电阻层,其下电阻率逐渐减小,低电阻层可以延伸到地下7~9km 左右,在深度约5km 深度附近电阻率值小,在9km 以下电阻率值又增大.根据地层岩性等资料[36-37],推测坪上测点下浅表到深度1km 左右的高电阻对应三迭系下统(T1)和二迭系上统(P2)地层,其下低阻层对应于由易富水的灰岩组成的二迭系下统(P1)和石炭系(C)地层,再往深部的高阻层对应于含水性差的泥盆纪(D)地层.由于深度1km以下是灰岩组成的二迭系下统(P1)和石炭系(C)地层,易含地下水而易受水位影响,使得在坪上测点5期次观测得到的视电阻率数值在频率1 Hz左右到低频段发生变化,表现出在高水位时段测量的视电阻率数值小、在低水位时段测量的视电阻率数值稍大.中良坪和向阳测点上观测的5 期次视电阻率值也有相似变化特征.
深部电性结构和龙滩库区4个地点在库水加卸载及渗透过程中5期次测量的视电阻率数值和变化趋势说明龙滩库区库水的渗透作用可影响到地下深度7km 左右范围,不同岩性和不同深部电性结构的区域表现明显不同.当水库水位增加、水库库容面积增大,使得水体的自重加大,库水渗透过程受水体自重应力主要控制[41],从而影响地下水在地下介质中的渗透和连通作用,从而是地下介质的电性发生变化.
4.2 龙滩库区深部孕震结构和地震类型图 1中显示库区地震丛Ⅰ(罗妥)、丛Ⅱ(八茂)、丛Ⅲ(坝首)、丛Ⅳ(拉浪)4 个地震丛的震源区垂直投影到地表都位于库区蓄水后水域淹没区的河流拐弯或者汇聚处,亦位于二迭和三迭系地层衔接位置,地震丛Ⅰ、丛Ⅱ 和丛Ⅳ 分别位于里落-白塘断裂(F2)和拉浪-达良断裂(F3)附近,地震丛Ⅲ位于龙凤-八腊断裂F4的西北侧.深部电性结构显示这4个地震丛集区的震源位置位于高、低电阻边界,其中地震丛Ⅰ、丛Ⅱ和丛Ⅳ 的震源位于低阻到高阻过渡边界.基于龙滩库区4个地震丛集区附近的水域、断裂、岩性、深部电性结构特征、地震丛集区震源结构特征、库水加卸载及渗透过程的深部电阻率观测结果、库区速度研究[42-43]、库水渗透及水库诱发地震机制研究[3, 17-18]等,对龙滩库区4 个地震丛集区地震类型和成因分析如下:
罗妥地震丛(丛Ⅰ)、八茂地震丛(丛Ⅱ)和拉浪地震丛(丛Ⅳ):3 个地震丛集区的震源区深部电性特征相似,都位于从浅部低阻层底部(约4km)到深部高阻层的过渡边界附近,位于由灰岩组成的具有低阻特性的石炭系地层的下部.低阻层对应于低VP、QP 和QS 值区[42-43].低阻层的形成推测是由于水库蓄水后库水随断裂破碎带渗透到地下易含水的主要是灰岩组成的二迭系下统(P2)和石炭系(C)地层中,易形成岩溶水体[3].岩溶水体易受到水库水位和水体自重变化的影响,导致在拉浪地震丛(丛Ⅳ)上坪上测点5 期次观测到的视电阻率数值在频率1Hz左右以下发生变化.岩溶含水体的渗透性表现为非均一性和各向异性,易引起孔隙压力在特定方向和特定部位的增高,从而诱发地震.推测这3个地震丛集区发生的地震主要是以岩溶诱发地震为主.岩溶诱发地震一般不大于4 级,在八茂地震丛(丛Ⅱ)和拉浪地震丛(丛Ⅳ)发生的地震至今没有大于4.0级地震.在罗妥地震丛(丛Ⅰ)于2007年3月17日发生了MS4.0 地震和2010 年9 月18 日发生了MS4.4地震,根据地震震级和数量统计,在罗妥地震丛(丛Ⅰ)发生的2~4级地震数远小于其他3个地震丛,另外从图 5中可见,罗妥地震丛(丛Ⅰ)上伏的低阻体的范围大于八茂地震丛(丛Ⅱ)和拉浪地震丛(丛Ⅳ),推测在罗妥地震丛(丛Ⅰ)上伏的岩溶水体范围大,再加上2~4 级地震少,从而在该地震丛区发生了2个较大地震.
坝首地震丛(丛Ⅲ):处于库区水域最宽、蓄水水位最高的坝首区域,其震源区位于具有一定规模的上宽下窄似“铆钉状"高阻体下部,该高阻体具有一定深度(大约10km 左右)和宽度,内部电性结构较完整,不易含有地下水和不易受水库水位变化影响,因而在该区域交比屯测点上5期次电磁定点观测的视电阻率数值仅在水位最高时段发生变化.在坝首地震丛(丛Ⅲ)于2007 年7 月17 日发生了MS4.5地震,在2006-2009年期间3~4级地震有3个.推测该地震丛集区发生的地震是由于水库蓄水前,在构造应力场作用下高电阻脆性岩体内聚集了高变形能,在水库蓄水后水体压力增大和库水渗透作用下引起了脆性断裂引发的地震.
2009年和2010年两个年度在广西龙滩库区库水加卸载过程中的4个地点进行的5期次电磁观测以及库区区域深部电性结构探测研究,揭示了龙滩水库区区域以及4个地震丛集区的震源区深部电性结构特征和深部孕震环境,观测到库水加卸载及渗透过程中深部介质电性的变化,说明库水在加卸载及渗透过程中对地下介质有明显影响,库区上游库水渗透影响深度可达7km 左右,在坝首区域可达10km.电磁探测结果说明库水渗透对龙滩水库区地震孕育和发生起着重要、直接的作用.
致谢野外数据采集得到江汉石油管理局物探公司711电法队大力协助,赵翠萍研究员提供了龙滩库区地震精定位数据,蒋海昆、单新建研究员在本专题实施过程中给以了具体指导,广西地震局、广西天峨县地震局给予了大力支持,在此一并感谢.
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