2. 中国地震局地球物理研究所, 北京 100081
2. Institute of Geophysics, China Earthquake Administration, Beijing 100081, China
近几十年来,随着国内外大型水库的不断兴建,出现了很多水库蓄水诱发的地震震例,如:1962年3月19日中国新丰江6.1级,1963年9月23日赞比亚—津巴布韦交界 Kariba 6.1级,1965年2月5日希腊 Kremasta 6.3级和1967年12月10日印度 Koyna 6.5级地震等.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(周斌等,2010,2014).因此,水库诱发地震已成为地学领域和防灾减灾领域研究的重要课题之一.
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,是目前中国大陆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.2006年9月30日龙滩水库蓄水后,伴随库水位的快速抬升,库区开始发生密集的中小地震活动.截至2013年5月26日,共记录到3682次地震,最大为2010年9月18日贵州罗甸ML4.8地震.频发的地震活动对库区群众生产生活造成较大的影响,同时引起社会各界的广泛关注.一些学者分别从诱发地震活动水平(郭培兰等,2006)、地震精定位(陈翰林等,2009a)、震源参数(华卫等,2012)、地壳速度结构(Zhou et al.,2011,2012)及岩性、渗透性、介质各向异性等方面(史海霞和赵翠萍,2010;王立凤等,2010;刘耀炜等,2011;詹艳等,2012a,2012b)开展了研究,取得了许多重要的成果,但对龙滩水库诱发地震成因机制的认识仍有待深入.在地震学研究中,震源机制解是获取区域构造应力场最基础的资料,是探讨地震成因机制、分析发震构造条件的有效途径.陈翰林等(2009b)采用P波初动、SH波和P波位移振幅比数据计算震源机制解的方法,计算了2006年9月至2008年12月期间龙滩库区发生的ML2.0以上地震的震源机制解,但由于计算方法相对单一,使用资料时段较短,难以获得水库加卸载及渗透过程中库区应力场变化的全貌,也缺少不同方法的对比验证.鉴于此,本文利用2006年9月30日至2013年5月26日龙滩水库数字遥测地震监测台网记录的波形数据,在地震精定位基础上,采用FOCMEC方法和改进的格点尝试法(许忠淮等,1983;俞春泉等,2009),计算了蓄水7年以来库区发生的ML2.0以上地震的震源机制解和5个地震丛的小震综合节面解,反演了库区应力场,并结合库区地层岩性、断裂构造和渗透条件等资料,探讨了诱发地震活动类型与库区蓄水过程的关系.本研究成果可为水库诱发地震机理研究提供参考,并为龙滩水库续建工程地震危险性预测评价提供依据.
2 龙滩水库地质构造、监测台网及地震活动概况2.1 地质构造在大地构造上,龙滩库区及邻近区域位于滨太平洋与特提斯—喜马拉雅两大构造域的构造复合部位,华南褶皱系的二级构造单元右江褶皱带内.印支—燕山运动奠定了本区的基本构造格架,新构造期不同方向的断裂构造亦呈现不同程度的差异活动(李伟琦,1989).根据野外地质地貌和地震地质调查,研究区范围(24.8°N—25.5°N;106.5°E—107.3°E)内发育有NW、NNW、NE和近SN向4组断裂(图 1),它们多属于与印支期褶皱相伴生的断裂构造,局限在褶皱的两翼或核部,倾角陡立,延伸不远,规模较小.其中,规模较大的断裂有9条,从北往南依次为罗甸—望谟断裂(F1)、高圩—八茂断裂(F2)、风亭—下老断裂(F3)、马耳—拉浪断裂(F4)、达恒—达良断裂(F5)、党明—桂花断裂(F6)、望谟—逻西断裂(F7)、长里—八南断裂(F8)和龙凤—八腊断裂(F9)(图 1).根据构造地貌、地质剖面揭露的断裂活动性以及所获得的年代学证据,除F1、F5和F7断裂为前第四纪活动断裂外,其余断裂在早—中更新世均有过不同程度的活动,断裂破碎带发育,裂隙和岩溶裂隙泉沿断裂带呈线状分布(向宏发和周庆,2006;郭培兰等,2006).龙滩库区及邻近区域基底地层形成于中—新元古代时期的四堡运动和雪峰运动,为浅变质的绿片岩相(广西壮族自治区地质矿产局,1985);沉积盖层可划分为震旦纪—早古生代地槽型沉积、晚古生代准地台型沉积和中、新生代再生地槽-陆缘活动带盆地型沉积三大地层序列(广西壮族自治区地质局,1968,1972).研究区范围内主要出露泥盆系、石炭系、二叠系、三叠系、古近系和第四系沉积地层(图 1),根据各地层的主要岩性性质可知:泥盆系—二叠系地层绝大部分为碳酸盐岩建造,岩溶、裂隙发育程度较高,渗透性较好;三叠系及以上地层主要为类复理石和陆相碎屑岩建造,渗透性相对较差(广西壮族自治区地质局,1968,1972).
龙滩数字遥测地震台网于2006年3月开始正式运行,由布设在龙滩水库周围的12个台站(杠里和向阳台2010年建成使用)以及2个信号中继站和1个台网中心组成(见表 1,部分台站分布见图 1).台站均采用24位数据采集器,采样率100 Hz,其中天峨台为CMG-3ESPC型宽频带地震计,杠里和向阳台为FSS-3M型短周期地震计,另外9个台为FSS-3B型短周期地震计,三种地震计分别在0.03~40 Hz、2 s~50 Hz、1~40 Hz速度幅频特性平坦.网径在东西方向约90 km,南北方向约73 km.坝址上游20 km至坝址下游5 km的监测能力达ML0.5,ML1.0监测能力涵盖了库区50 km范围(姚宏等,2008).
据历史记载,公元19世纪到1969年,龙滩库区共发生MS3.0以上地震7次,最大为1875年6月8日乐业MS61/2,震中距坝址约56 km(史水平等,2010).1970年有仪器记录地震以来至2002年,区域发生的地震基本上分布在库区外围,最大为乐业县马庄乡MS4.6.2003年至2005年期间发生的地震主要集中在大坝周围,由于龙滩水库于2003年开始截流施工,推测这些地震很可能是大坝建设工程施工放炮或大坝建设过程导致的,由于当时水库周围没有地震台站,这种推测需要更多的调查来证实(陈翰林等,2009a).自2006年9月水库下闸蓄水至2013年5月26日,龙滩库区共记录3682次ML0.0以上地震,其中ML1.0~1.9的837次,ML2.0~2.9的128次,ML3.0~3.9的8次,ML4.0~4.9的3次,分别是2007年3月7日罗妥ML4.0、2007年7月17日天峨ML4.5和2010年9月18日罗妥ML4.8地震.我们利用龙滩水库数字遥测地震台网记录的波形数据及震相报告资料,采用结合波形互相关技术的双差定位法(Waldhauser and Ellsworth,2000; Hauksson and Shearer,2005),对2006年9月30日至2013年5月26日龙滩库区发生的地震进行了重新定位,共获得精定位地震3082个,占地震总数的83.7%.从地震空间分布来看(图 1),精定位结果的精度明显优于台网定位结果,并主要丛集在罗妥(A丛)、八茂(B丛)、拉浪(C丛)、坝首(D丛)和布柳河(E丛)5个深水区.
3 研究方法3.1 FOCMEC方法IASPEI(International Association of Seismology and Physics of the Earth′s Interior,国际地震学与地球内部物理学协会)推广的FOCMEC方法(Snoke et al.,1984; Snoke,1989)使用P波和S波的初动方向以及近台P波和SH波的振幅比联合搜索震源机制解.由于计算中使用位移振幅比数据,能够大大降低单纯使用初动极性确定震源机制的不确定性,与仅利用初动求解机制解的方法相比,该方法大大增加了观测数据,在处理小震的震源机制解方面具有优势(刘杰等,2004).
本文首先对台站记录的2个水平分量进行坐标旋转,得到径向和切向分量,然后在相应的分量读取初动和振幅进行震源机制求解.求解过程中,初动符号对反演结果的影响很大,而SH波和SV波的初动符号通常不好辨认,因此我们只拾取清晰的P波初动.当SV波出射角大于全反射角时,在自由表面反射时位移成分复杂,在这种情况下从垂直向获取SV波振幅.
3.2 改进的格点尝试法地震综合节面解的P、B、T轴可以反映研究区构造应力场的主轴方向,利用综合节面解来推断地壳构造应力场是国内外应用较广的一种方法(Zoback M L and Zoback M,1980),测定节面的策略也处在不断的改进之中(Pope,1972; Guinn and Long,1977).许忠淮等(1983)最早提出了格点尝试法,并基于该方法求解了中国大陆不同构造分区的小震综合节面解,进而推断了中国大陆的构造应力场(许忠淮等,1989).俞春泉等(2009)对格点尝试法进行了改进:(1)采用新的加权方法计算加权矛盾比;(2)把震源球分为面积相对均匀的网格进行解的搜索,避免了因网格划分不均匀所导致的平均解的计算偏差;(3)增加了杰克刀(Jackknife)技术,在可选解中增加了当一个观测点被去除后的可选解;(4)通过聚类提供多组可选解,提出了对震源机制解质量进行评价的新方案.目前该方法被广泛应用于求解单个地震震源机制或一组地震的综合节面解(胡幸平等,2008;万永革等,2012).
4 结果分析4.1 库区中小地震震源机制解在对龙滩库区中小地震进行精定位研究的基础上,选取龙滩数字遥测地震台网记录的库区ML2.0以上地震波形资料,使用FOCMEC程序逐个地震求解其震源机制解.求解过程中设定初动符号矛盾数上限为0、振幅比矛盾数上限小于等于1,共获得120个地震的震源机制解(表 2).
参照世界应力图的划分原则(Zoback,1992),根据震源机制解P、B、T轴俯角的大小,《中国大陆地壳应力环境基础数据库》将震源机制解类型分为正断、正走滑、逆断、逆走滑、走滑和斜滑(无法确定的断层)6种类型(崔效锋等,2005).为便于分析,本文根据节面滑动角的正负,将斜滑型进一步划分为带正断分量(滑动角为负)和带逆断分量(滑动角为正)的斜滑型.龙滩水库蓄水后,库区地震活动在空间上呈现出丛集分布的特征,我们依据上述划分原则,分别对5个地震丛的震源机制类型及参数进行了统计(表 3、图 2),结果显示:A丛以逆断型地震活动为主,节面走向呈SSW和SWW两个优势方向展布,倾角普遍较陡,集中在40°~70°,与经过该丛的F3断裂的产状参数基本一致;滑动角分布在40°~130°;P轴以NWW—SEE向为主、倾角近水平,T轴以NNE—SWW向为主、倾角集中在50°~80°(图 2a).B丛正断、逆断和走滑性质地震所占比例大体相当,节面走向呈NNE—SSW向优势分布,倾角很陡,集中在50°~80°,与经过该丛的F2断裂的走向和倾角大体吻合;滑动角呈四象限均匀分布,P轴走向以NWW和SSE向为主、倾角小于60°,T轴走向主要为NEE—SWW向、倾角集中在20°~30°(图 2b).C丛正断、逆断和走滑型地震均占较大比例,节面走向呈近SN向优势展布,倾角范围较广,集中在50°~70°,与经过该丛的F4断裂的走向和倾角相似;滑动角在四象限均有分布,并以60°~120°为主;P轴优势方向为近EW向和NWW向、倾角主要分布在0°~20°,T轴走向SW、倾角集中在30°~40°(图 2c).D丛以逆断型地震为主,节面呈近SN向和NNE—SSW向优势展布,倾角普遍很陡,集中在50°~70°,与经过该丛的F9断裂的产状参数大体一致;滑动角集中在80°~110°;P轴走向NWW—SE、倾角近水平,T轴走向NE—SW、倾角陡立(图 2d).E丛的地震也主要呈逆断性质,节面走向分散,NW向分布略占优势,倾角分布在20°~40°和60°~90°两个区间,与经过该丛的F8断裂的产状参数相似;滑动角主要分布在90°~120°;P轴走向SEE、倾角小于40°,T轴走向凌乱、倾角集中在50°~70°(图 2e).
综上所述,龙滩水库蓄水后,库区发生的ML2.0以上地震为正断性质(正断、带正断分量的斜滑)的占25.8%,为逆断性质(逆断、带逆断分量的斜滑)的占56.7%,为走滑性质(走滑、正走滑、逆走滑)的占17.5%,表明库区震源机制总体以逆断型为主,正断和走滑型也占一定比例.5个地震丛震源机制的走向和倾角都与穿过该地震丛的主要断裂产状参数大体相同,但滑动角与通过地震地质调查获得的主要断裂的运动方式(广西壮族自治区地质局,1968,1972;向宏发和周庆,2006)不完全一致.P轴以NW—NWW向为主,倾角接近水平,而T轴及B轴的分布则不一致,显示出在近水平的主应力背景下,库区局部应力场的非一致性.受局部应力环境的控制,不同丛地震活动性质存在差异.
4.2 库区中小地震综合节面解读取龙滩数字遥测地震台网记录的ML2.0以上地震清晰的P波初动,采用改进的格点尝试法分别求解5个地震丛的小震综合节面解,求解过程中聚类中心设为1(表 4和图 3).结果分析表明:5个地震丛局部应力场最大主应力P轴(σ1)方位均为NW向,倾角都较小(5°~20°);最小主应力T轴(σ3)方位一致呈NE分布,而倾角变化范围较大,B、C和D丛的倾角较小(6°~32°),A和E丛的倾角较陡;中等主应力B轴(σ2)方位较凌乱,A和E丛的方位为SW向,都具有中等角度的倾角,B、C和D丛的方位没有明显的优势分布,倾角都很陡(图 3).综合节面解的主轴方向反映了龙滩水库不同区域的构造应力场的主轴方向.由于不同区域断层性质及局部构造应力环境的差异,致使库区地震活动性质呈现出走滑、正断、逆断和斜滑兼有的复杂多样性.
构造应力场信息有助于了解区域构造环境,认识地震类型及成因机制.龙滩水库蓄水前,已有多家机构及个人根据野外考察、卫星影像、发震构造、水系、GPS和地应力观测等不同资料给出了库区或更大范围的构造应力场(游象照,1982,1988;刘锡大等,1987;张培震等,2002,2004;张有天,2005),显示库区最大主应力方向为NW—SE或NWW—SEE向,倾角较平缓.水库蓄水后,陈翰林等(2009b)和蒋海昆等(2014)在求解龙滩库区中小地震震源机制解的基础上,分别反演了龙滩库区或部分地震丛所在区域的应力场.陈翰林等(2009b)采用的资料截至2008年底,结果显示库区最大主应力轴方向为NWW—SEE;蒋海昆等(2014)采用的资料截至2009年8月,结果显示库区最大主应力轴方向为NW—SE,倾角均很小.由于单个地震的震源机制解不仅与区域构造应力场有关,同时受震源区局部构造条件的影响较大,其P、B、T轴方向不能当作地下实际作用的构造应力方向.而小震综合节面解的P、B、T轴可反映区域构造应力场的最大(σ1)、中等(σ2)和最小(σ3)主应力方向.为此,本文基于小震初动符号反演了库区不同区域的综合节面解,显示龙滩库区5个地震丛的区域应力场最大主应力轴方向均以NW—SE为主,倾角都较小;最小主应力轴方向一致呈NE分布,而倾角变化范围较大;中等主应力轴较凌乱.由此可以看出,在以NW—SE向为主、近水平的主压应力环境中,龙滩库区NW、NNW、NE和近SN向4组断裂整体上以走滑运动为主,但由于最小主应力轴倾角及中等主应力轴方位的非一致性,致使局部伴生不同程度逆倾滑或正倾滑分量的运动性质.现场地震地质调查也表明,5个地震丛所在区域主要断裂的运动性质存在差异.
5.2 地震活动类型与库区蓄水过程的关系龙滩水库蓄水后,地震活动对蓄水过程总体上呈现出快速响应的特征,在水位快速抬升及处于高水位时段,ML2.0以上地震活动水平显著增强,说明龙滩库区地震的发震机制与水库蓄水有关(图 4).分析库区各丛地震活动类型与蓄水过程的关系,可以获得以下认识:A丛对蓄水的响应较快,以逆断和斜滑型地震活动为主(图 4b);B丛对蓄水的响应存在约16个月的滞后,且只在第二次大规模蓄水期间发生了密集的地震活动,逆断、走滑和带逆断分量的斜滑型地震活动均有,此后达到了相对稳定的状态(图 4c);C丛对蓄水的响应存在约9个多月的滞后,各种类型地震均有发生(图 4d);D丛对蓄水的响应很快,第一次蓄水时段至第二次蓄水时段初期地震性质基本为走滑型,此后以逆断型为主(图 4e);E丛地震活动对蓄水的响应最快,但地震活动水平为5丛中最弱的,地震类型基本为逆断型(图 4f).虽然各丛地震活动类型随蓄水过程的变化稍有差异,但总体来看龙滩水库下闸蓄水至2010年底,地震活动水平较高,地震类型呈现多样性,且逆断和走滑性质地震的深度分布较浅、较集中,正断性质地震的深度分布较深、较分散,2011年以后,地震活动逐渐减弱,以逆断型地震为主,震源深度基本小于7 km(图 4a).
之所以会出现上述现象,可能与龙滩库区深、浅部构造应力环境、岩体力学性质和渗透性能的差异有关.首先,水库诱发地震活动受库水加卸载及渗透过程中库底岩体断层面(或岩体结构面)库仑应力变化的影响(周斌等,2010),而岩体断层面上库仑应力的变化又与背景构造应力场有关(石耀霖和曹建玲,2010).上已述及,龙滩库区现今整体处于以剪切为主的构造应力环境中,主压应力近水平向.如果将此背景应力场分解成岩体自重和构造应力2部分,即
式中:ρ为岩石密度;g为重力加速度;h为深度;α的取值与泊松比γ相关,取值范围在1至γ/(1-γ)之间,如果泊松比γ取0.25,则α值为1/3;σ0为构造应力.由式(1)可以看出,无论是垂直向应力σV,还是水平向应力σH均随深度的增大而增大,当深度大于某一数值时,σV大于σH,这种情况下有利于正断层活动;当深度小于该数值时,σV小于σH,如果有断层活动,则该背景应力场有利于逆断层活动(曹建玲和石耀霖,2011).其次,就岩体力学性质而言,库区深部(地下5~13 km)主要沉积了震旦系—上古生界以碳酸盐岩为主的脆性岩体,浅部(地下5 km以上)主要沉积了三叠系—第四系类复理石和碎屑岩等延性岩体(广西壮族自治区地质局,1968,1972;周斌等,2014).脆性岩体较延性岩体更容易聚集弹性应变能,原位地应力高于延性岩体,特别是对于脆性岩体中的先存断裂等结构面,在构造应力积累过程中最易达到临界状态,这样在较小的应力扰动下就可能引发脆性破裂,快速释放掉累积的地震应变能,达到一种新的稳定状态;相比之下,延性岩体要达到破裂失稳条件就需要更高的累积库仑应力增量,地震响应时间也相对要滞后.再者,就岩体渗透性而言,深部脆性岩体构造节理、裂隙发育,渗透性能较好且表现出非均一性和各向异性,特别是脆性岩体中连通库底的导水性断裂为地表水体的渗透创造了更为有利的条件,这样在库水附加水头压力扩散作用下,容易引起孔隙压力特定方向和特定部位的增高,从而快速诱发地震活动;而浅部的类复理石和碎屑岩渗透性能相对较差,孔隙压力响应相对迟缓,要达到孔隙压力稳定状态就需要更长的时间.总之,龙滩库区深、浅部构造应力环境的差异可能是水库蓄水后逆断型地震震源深度分布相对较浅,而正断型地震震源深度分布相对较深的一个重要原因;之所以会出现蓄水前期深、浅部地震活动水平均较高,而蓄水后期深部地震活动逐渐减弱,浅部地震活动持续的现象,可能与库区深、浅部岩体力学性质和渗透性能的差异有关,随着水库蓄水的过程,深部能够快速达到一种新的稳定状态,而浅部则需要更长的时间. 6 结论
本文采用结合波形互相关技术的双差定位方法,对2006年9月30日至2013年5月26日龙滩库区的地震进行了精确定位,利用初动和振幅比方法反演了龙滩库区ML2.0以上地震震源机制解.结果显示:
(1)龙滩水库蓄水后地震活动主要丛集在罗妥、八茂、拉浪、坝首和布柳河5个深水区,水位快速抬升及处于高水位时段,地震活动水平显著增强,说明龙滩库区地震的发震机制与水库蓄水有关,地震活动对蓄水过程总体上呈现出快速响应类型.
(2)龙滩库区震源机制解总体以逆断型为主,正断和走滑型也占一定比例.5个地震丛震源机制的走向和倾角都与穿过该地震丛的主要断裂产状参数大体相同,但滑动角与通过地震地质调查获得的主要断裂的运动方式不完全一致,反映库区断层运动的复杂性及地震性质的多样性.
(3)5个地震丛的区域应力场最大主应力轴方向均以NW—SE为主,倾角都较小;最小主应力轴方向一致呈NE分布,而倾角变化范围较大;中等主应力轴的方位较凌乱,倾角都很陡.在此构造应力环境中,龙滩库区主要断裂整体上以走滑运动为主,但由于最小主应力轴倾角及中等主应力轴方位的非一致性,致使局部伴生不同程度逆倾滑或正倾滑分量的运动性质.
(4)总体来看,龙滩水库蓄水初期地震活动水平较高,地震类型呈现多样性,且逆断和走滑性质地震的深度分布较浅、较集中,正断性质地震的深度分布较深、较分散.蓄水约4年3个月后,地震活动逐渐减弱,震源深度较浅,以逆断型地震为主.库区深、浅部地震活动水平和地震性质之所以会随蓄水过程发生变化,可能与深、浅部构造应力环境、岩体力学性质和渗透性能的差异有关.关于水库蓄水对库区地震活动类型的影响机制,需在积累更多观测资料及开展更深入研究的基础上进一步开展.
致谢 俞春泉为本文提供了改进的格点尝试法计算程序,中国科学院测量与地球物理研究所谢祖军博士提供了波形互相关计算程序,震源机制求解过程中得到中国地震局地球物理研究所郭祥云高级工程师和江西省地震局吕坚高级工程师的悉心指导和帮助,两位匿名审稿专家提出了宝贵的修改意见,在此表示感谢.[1] | Cao J L, Shi Y L. 2011. Numerical study on channel reservoir induced earthquake. Journal of the Graduate School of the Chinese Academy of Sciences (in Chinese), 28(1): 19-26. |
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