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(1.南水北调中线水源有限责任公司， 湖北 十堰 442700； 2.长江三峡勘测研究院有限公司(武汉)，武汉 430074)

丹江口水库诱发地震分析与预测

王立1，胡雨新1，朱建2

(1.南水北调中线水源有限责任公司， 湖北 十堰 442700； 2.长江三峡勘测研究院有限公司(武汉)，武汉 430074)

本文主要从丹江口库区地质构造及库区地貌角度出发，总结2000年以来该区地震活动情况，分析水库初期蓄水阶段的水位与诱发地震活动的关联性，研究丹江口水库增容后，新增库水对库区的应力状态影响，预测库区及周缘是否可能诱发水库地震，进一步研究发震区域、震级强度以及地震与地质结构之间的内在联系。

丹江口水库； 诱发地震； 地质构造； 预测

1 引 言

丹江口水库是目前我国已建成的特大型水库之一，其续建工程是我国跨世纪宏伟工程—南水北调中线工程的水源地，担负着河南、河北、北京、天津四省及直辖市20多座大中城市生活和生产用水任务。为了确保供水需求，坝体高程从原来的162m加高至176.6m，正常蓄水位从157m提高至170m，增加库容116亿m3。

水库地震研究，一直是地震学者长期探究的课题，不同类型的水库其诱发地震的强度和区域范围差异较大。世界上已有一百多个水库诱发地震的实例，仅我国就有二十余例。尤其是坝高超过100m、库容达10亿m3以上的水库发生诱发地震的概率较高。据资料统计，我国已发生诱发地震的高坝水库约占总数的四分之一，不少诱发地震均发生在天然地震较少的少震区和弱震区。根据地震台网记录资料显示，丹江口水库从1969年11月初期工程下闸蓄水后，库区地震活动频度显著上升，当水位超过140m高程时，地震活动明显增加。经过前期的蓄水过程中地震监测研究表明，汉库相对比较平定，而丹库的地震活动水平比蓄水前显著提高,具有明显的诱发地震的特征。在水位抬高、库容增加的背景下，是否诱发更强的地震，是否在新的区域诱发地震是人民普遍关心的问题，因此对丹江口水库诱发地震进行研究十分必要。

2 地震地质背景

丹江口水库位于秦岭地槽东段南部边缘，经历了多次的构造运动，前震旦纪该区为地槽沉积，杨子期构造运动使该地区地层隆起形成武当隆起带，并产生了一系列的北西西—北西向断裂带，由于在此期间伴有基性、超基性火成岩侵入，因而形成了该地区的主体构造骨架。水库沿汉江河将丹江分成两支河流，分别称为汉库和丹库。汉库沿北西西向的两郧断裂带发育，郧西地区一带地震活动(如1964年9月M4.9级地震)与此构造有一定关联性。汉库库段内分布的主要是付页片岩、变质岩、黏土岩、元古界石英片岩等变质岩系和白垩—第三纪的红层，目前仅发现艾家河一带有少量下古生代地层分布，该地质构造透水性很弱，不利于库水向深部渗透，经地震台网监测结果表明，汉库至今未发生水库地震。丹库位于纬向构造带和新华夏系南襄沉降区复合部位，沿北北西向的丹汉断裂带发育，丹库库段主要分布的是下古生代灰岩夹砂页岩、上古生代砂页岩、上白垩纪第三纪红层和第四纪沉积，这种地质构造环境有利于库水向库岸的深部渗透，打破库区的应力平均状态，可能导致库区发生地震。人们普遍关心的坝址区位于我国华南地震区江汉地震带内,地震活动相对较弱，坝址及周缘50km范围内，近两千年来没有强破坏性地震记载，从公元1520～1960年的四百多年间内，坝址周缘只有43次有感地震记载和2次引起建筑物损坏或破坏的记载。公元前143～2008年，距坝址170km范围内共记载到Ms≥4.6级的地震16次,最大地震分别是46年南阳附近和788年竹山附近的6.5级地震，历史地震对坝址的最大影响烈度不超过Ⅴ度，因此坝址区相对安全。

3 蓄水期水库地震活动情况分析

3.1 水库地震强度与频次及诱因分析

丹江口库区前期本底地震研究成果表明，1959～1967年11月水库蓄水前9年时间内，库区地震活动水平比较微弱，仅有6次小震，在历史上也没有发生过震中烈度大于V度以上的地震。自1967年10月丹江口水库第1次开始蓄水以来，蓄水初期的头两年，地震活动很少，当水位逐渐抬升以后，超过140m高程时，地震活动明显增加，到1970年1月开始出现第一次地震活动高潮，但震级都较小，1971年后，当水位超过150m高程(水头超过40m)时，在1972年4月3日，林茂山地区发生Ms3.5级地震。1973年底，库水位急剧上升至157m高程以上时，宋湾附近发生多次地震，最大震级达到Ms4.7级，震中烈度Ⅵ度，1900余间房屋损坏。蓄水后的头10年(1968～1977年)共记录299次地震，震中逐渐集中在大坝以东约10km的林茂山和距大坝37km(丹库上游)的宋湾两处灰岩地区(见图下页1)。若只统计大于ML2.5级的情况，蓄水前9年库区地震为6次，最大ML3.0级；蓄水后10年为25次，最大震级为Ms4.7级，地震活动性差别明显，具有显著的水库诱发地震特征。前期的蓄水过程中地震监测研究表明，汉库在蓄水前后相对比较平定，没有明显的地震活动异常，这种现象与其地质构造背景比较吻合。而丹库的地震活动水平比蓄水前有显著提高，具有明显的水库诱发地震特征。两库蓄水后地震活动性差别较大的原因是由于不同的地质构造条件。对于丹江口水库地震的成因机理，有些研究者偏重于认为库区地震受北北西向的丹汉断裂与北西西向次级断层交汇点的控制，另一些研究者则比较强调震中区与碳酸盐地层相关，但从丹江口库区的地质结构并参考其他库区(如三峡库区)的发震区域综合分析，笔者认为，丹库的地震活动与其水文条件和地质构造环境(震旦系、寒武系、奥陶系碳酸盐岩层裸露，岩溶裂隙、落水洞、漏斗和溶洞发育)关系密切，是丹库诱发地震的主要因素。

3.2 水库地震与库水位的关联性

库区水位抬升是水库地震的诱因，各库区的地质构造环境不同，导致诱发地震的强度、频度和发震时间有所不同。1974年以前丹江水库的地震活动与库水位相关性比较密切，其相关性较好，呈现出与库水位变化正相关性，有明显的水库诱发地震的特征。1974年9月至今，地震活动同库水位的关系表现不十分明显，相关性比以前减弱(见下页图2)。

图1 丹江口水库第一次蓄水期水库地震活动分布

图2 丹江口水库历年水位与地震对应图

4 增容后诱发地震可能性与地震危险区预判

4.1 诱发地震可能性

根据南水北调中线工程进度安排，2014年7月，将根据汛期的来水情况，择日开始向北方调水，库区水位将缓慢抬升至正常蓄水位170m，库容也将相应增加116亿m3，因此，库水将进一步向地壳深部渗透和扩展。库水应力扰动和库水的物理化学作用的产生，将会再次打破目前库区的应力状态, 使库区的地质应力结构发生改变。水库诱发地震诱因条件，可能会在初期工程库区内诱发新的地震活动,更有可能在新增淹没区内的一些具备诱发地震条件地区产生水库地震。

4.2 地震危险区的预判

预判发震区域及强度仍需结合库区的实际地质环境状况进行研究。库区及邻区的区域性断裂以北西西向为主,主要断裂有9条，从相关部门计算区域的4条断裂的断层面状态分析，穿越汉库和丹库的断裂断层面均产生了相对滑移，但是只在丹库的库首和库尾区域诱发了水库地震，这种现象表明丹江库区的诱发地震与水库的地质条件关系密切。分析原因，专家普遍认为这与汉库结构关系较大，汉库周边主要分布付片岩和岩浆岩，这种岩体缺少裂隙，透水性较差，不利于应力集中，基本没有塑性应变区，两岸拉应变较小，所以很难诱发水库地震。而丹库的关峡峡谷地带水文地质条件和构造条件复杂，具有一系列北西西向紧密线状褶皱和断裂，并沉积了巨厚的白垩—第三系和较厚的第四系黏土层，震旦系、寒武系、奥陶系碳酸盐岩层裸露，岩溶裂隙、落水洞、漏斗和溶洞发育，有利于库水向深部渗透，易于库水渗透和应力集中，诱发构造应变能提前释放。从初期工程蓄水后库区地震活动特点，结合汉库和丹库的地质构造背景综合预测判断：续建工程蓄水后，汉库不具备发震条件，诱发水库地震的几率很小，丹库仍有可能诱发地震，其强度应在M≤5.0级。

根据工程初期库区内诱发新的地震活动情况,结合续建工程库水新增淹没区内的一些具备诱发地震条件地区可能产生的水库地震活动情况分析认为：主要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,即丹库宋湾—关防滩峡谷地形库段(见图3-I区)和林茂山—凉水河地区(见图3-II区)。另外，丹江断裂北段的东端适合应变能集中(如：淅川上集、陈店)，其诱发地震的可性也较大。

图3 库区及邻区主要断裂构造和水库地震震中分布及重点监测区

5 水库地震研究与展望

水库地震的监测与研究工作经历了60多年的历程，已掌握了许多特征，但目前研究工作仍处于定性阶段，许多问题尚未解决，如：震源机制问题的进一步深入、库水渗透后诱发地震的强度及时间的理论预测计算、震源深度与地质构造背景的内在联系等，都需要不断地探索和研究。为了全面监测工程蓄水后，可能诱发的水库地震对大坝造成的影响，及时掌握地震活动趋势，为水库安全调度提供决策依据，目前丹江口大坝续建工程已建立了先进的水库地震监测系统，为继续研究丹江库区的地震活动情况创造了良好条件。

[1] 刘素梅,等.基于丹江口水库孔隙水压力计算的水库诱发地震机理研究[J].建筑与环境工程,2012(增刊).

[2] 蔡耀军,等.汉江丹江口大坝加高后水库环境地质问题预测[J].人民长江,2007年,(38)9.

[3] 曾新平,等.汉江丹江口水利枢纽水库诱发地震监测系统总体设计报告[R].2009.

Analysis and Prediction of Danjiangkou Reservoir Induced Earthquake

WANG Li1, HU Yu-xin1, ZHU Jian2

(1.South-to-NorthWaterDiversionProjectMidlineWaterSourceCo.,Ltd.,Shiyan442700,China;2.YangtzeRiverThreeGorgesSurveyInstituteCo.,Ltd., (Wuhan),Wuhan430074,China)

Earthquake activity conditions of the zone since 2000 are mainly summarized in the paper from the aspects of Danjiangkou reservoir geological conformation and landform of the reservoir. Correlation between water level in primary water accumulation stage in the reservoir and induced earthquake activity is analyzed. Influence of increased reservoir water on reservoir stress state after capacity increase of Danjiangkou Reservoir is studied. Whether reservoir earthquake can be induced in the reservoir and surrounding areas is estimated. Earthquake area, earthquake level and internal relation between earthquake and geological structures are further studied.

Danjiangkou Reservoir; induced earthquake; geological structure; forecast

TV697

B

1005-4774(2014)07-0059-05