大桥水库诱发地震研究

谢蓉华，陈农，胡先明 

(四川省地震局　水库地震研究所，四川 成都610041 ) 

  摘　要： 大桥水利枢纽的库坝位于安宁河地震带上，该水库是我国至今唯一处于强震多发地区 和地震高烈度区的大Ⅱ型水库。大桥水库的库坝区具有发生诱发地震的构造条件、岩性条件 和水文地质条件。本文对2002年3月3日在坝下3km处发生Ms4.6级地震的地质背景、 地震台 网的布局、库区地震活动背景、地震活动性等进行了分析研究，并对此次诱发地震的特征进 行了描述，最后判断此次诱发地震为滞后响应的构造型水库诱发地震，类型为主震—余震型 水库诱发地震。

　　关键词：水库地震；诱发地震；地质特性；地震特征；大桥水库 

1前言

　　四川省冕宁县大桥水利枢纽于1999年6月下闸蓄水，而专门为其服务的大桥水库遥测地震台 网早在1995年就已建成，该台网为该水库的诱发地震研究提供了四年半监测蓄水前库区本底 地震微震活动的资料。大桥台网对库区的微震监测下限为ML0.8级，台网观测质量好 、运行 连续、资料可靠，很有利于库区的地震活动研究。 2002年3月3日08时23分，在大坝附近（ 北纬28°41′，东经102°14′）发生了MS4.6 级中强地震，冕宁县城震感强烈，大 桥电站 发电机组预警装置报警，值班人员感觉强烈。震中区附近民房出现微小裂隙。虽然该地震的 震中位置仅距大坝约3km、深度约5km，但由于该地震的影响烈度低于大坝的设防烈度 ，故没有对大桥水库的大坝造成不良影响。从地震活动规律看，此次地震在震前发生 了小震群的主震－余震型地震，其活动性与库水位有关，符合水库诱发地震的特征，是我 省发生的震感强烈的水库诱发地震。鉴于大桥水库的特殊地质构造，因此未来库外围可 能发生的天然地震和库区的诱发地震均值得继续关注。  

2水库诱发地震简介

　　人类工程活动如注水和修建水库等均可诱发地震。构造型诱发地震的内因是岩体贮存了构造 能，水库蓄水后可能导致构造应力提前释放，从而诱发了地震。还有一类是水库蓄水后库水 压入溶洞引起塌陷和气爆，对水体较集中的水库还可能引起区域荷载重新调整导致岩石滑 移而诱发的地震。上述几类地震均称为水库诱发地震，大桥水库是否会诱发水库地震一直是 工程界和地震界关注的问题。

　　前人研究指出，水库诱发地震有两种重要的类型：快速响应型和滞后响应型。快速响应型水 库诱发地震与水库水位变化密切相关。有的水库蓄水后，很快发生地震，即属快速响应型。 快速响应型地震的成因之一是岩溶塌陷或气爆，多发生于溶洞发育的石灰岩库段。水库荷载 引发的地震也属快速响应范畴。另一类型地震则要在开始蓄水相当长一段时间后才发生。其 滞后时间长短各不相同，一般为数月到数年不等。滞后响应型水库地震释放构造能，它的发 生与库水沿断层渗透、断层面摩擦系数降低和岩石抗剪强度降低有关。因此，这一类型地震 的强度与水库水位的变化的关系不明显。构造型诱发地震的强度主要取决于发生地震的构造 贮能，与蓄水时间的长短无关。破坏性大的水库诱发地震多为滞后型地震。  

3大桥水库的地震地质背景

　　水库大坝位于四川省冕宁县大桥镇境内的安宁河干流上，坝高93m，库容6.58亿m3，装 机容量9万kW。大坝位于安宁河地震带上，夹在安宁河东支和西支断裂之间，在我国近年来 多次圈定的强震危险区中。因此，可以说大桥水库是我国迄今唯一处于强震多发 地区和地震高烈度区的大Ⅱ型水库。

　　第四纪晚期以来，由于印度板块向北、向东推挤，受因欧亚板块的阻挡，围绕青藏高原东侧 、北侧的弧状、折线状断裂体系就产生了不同程度的向南、向东的扭动分量，导致了高原外 缘 的这些断裂发生左旋走滑运动。大桥水库周边地区发育的安宁河—则木河—小江断裂带及磨 盘山断裂带、理塘—德巫断裂带，正是左旋走滑运动的代表。从较小范围讲，大桥水库所在 的地区主要发育了两组断裂体系，即南北向断裂体系和北东向断裂体系。

　　南北向断裂体系包括安宁河断裂带和拖乌—姑辘沟—盐井沟断裂带。安宁河断裂带位于大桥 水库东部，基于沿康滇地轴中脊部位展布，分布在安宁河东西两岸的两个主断裂分别称为安 宁河东支断裂和安宁河西支断裂，东、西支断裂控制了安宁河谷，并形成如断陷谷、地垫等 典型断裂地貌。拖乌—姑辘沟—盐井沟断裂带位于大桥水库东侧，沿康滇地轴中脊东缘展布 ，北起拖乌经曹古坝南至西宁一带。姑辘沟断裂、盐井沟断裂和大石板断裂都被鉴定为活动 断裂。

　　北东向断裂体系分布于大桥水库西侧及南侧康滇地轴西缘，北起石棉以西，向 南西经大桥水库西侧，更南至盐源西南，并继续延至云南境内。按断裂展布地域及发育规模 可分为金河—箐河断裂及南河断裂带。

　　水库及坝区附近断裂构造主体为南北构造，小断裂为北东向和北西向，个别为东西向。南 北向构造主要以安宁河断裂为主。破碎带宽且活动性强的安宁河东支断裂与库水直接接触段 ，有利于水库的渗透和扩溶。坝址至大桥段以及邻近地区具有发生诱发地震的构造条件、岩 性条件和水文地质条件。

　　大桥水库所出露的岩性：大致以水库东侧的马尔堡为界线，北段以安宁河东支断裂为界，南 段以沙他口断裂为界，西侧为火成岩，东侧为沉积岩。库区内经大桥作一东西地质剖面，大 致以坝址为界，西侧主要为三叠纪钾长花岗岩、斜长花岗岩，其间有二叠纪玄武岩俘虏体及 少量辉长岩体，东侧主要为震旦系下统流纹岩、凝灰岩及中生界沙岩、页岩地层，而在安宁 河东支断层西盘分布有早第四系昔格达组粉沙岩、泥岩。

　　大桥水库的水体主要集中在西侧的库盆中，荷载集中。据蓄水前的估算，蓄水以后，因库水 作用造成库盆底部岩体的沉降量为库边岩体沉降量的5～7倍，伴随出现张压力,使库心和库 岸 产生差异运动,平行于岸边的节理或断裂面有可能重新被拉开，有利于库水向下渗透通道的 形成。

　　因此，安宁河东、西支断裂与库水直接接触段、坝址至原大桥镇段以及近邻地区均具有发 生诱发地震的构造条件、岩性条件和水文地质条件。  

4大桥台网的规模与布局及库区地震活动背景研究 

　　大桥遥测地震台网由一个台网中心、三个汇集中继站、六个高倍率遥测子台（现取消了一个 子台）组成。遥测子台紧密且比较均匀地展布在水库的周边，将安宁河东、西支 断裂近库段包入网内，形成了一个平均台距约25km的重点监视区。遥测地震台网平面布局 见图1。 

　　大桥水库处于安宁河—则木河地震带，该带处于川滇菱形块体的东南缘地震区，历史上 曾多次发生强震，特别在库区外围的西昌地区历史上记载有5次大于6.0级强烈地震发 生。在库区的东西两侧也是一个中、强地震多发地震带。从有记载以来，库区10km范围内就 有 三次5级以上地震发生，最大为1913年冕宁小盐井的6级地震。到目前为止库区近场已有46年 未曾发生MS≥5.0级的地震(见表1)。

　　在库区的东西两侧有现今中强地震十分活跃的名山—马边—昭通地震带和理塘地震带相邻 ，从1970年7月至1998年11月库区近场已发生990次小震，其中1.0级以上地震951次，2.0 ～2.9级地震426次，3.0～3.9级地震28次，4级以上地震3次，最大为1977年1月13日冕宁 的4.8级地震。但在上述时段大坝14km内无一次3级以上地震。

　　从1995年1月21日遥测地震台网主体建成投入试运行、1996年4月1日全网正式投测到1999年5 月20日水库下闸蓄水，共有超过四年监测大桥库区及其外围本底地震活动的资料，在下闸蓄 水阶段作了大桥库区本底研究。弱震资料观测表明，库区内的弱震活动主要集中在石棉—越 西一线，而坝址附近的弱震活动较少。于2001年7月又对大桥水库蓄水后的震情作了跟踪 研究，据6年多库区弱震资料观测表明，库区内的弱震活动空间分布有向南移的趋势，且地 震频度和强度也显示出增强的势头，库区应变释放有加速趋势。研究结论认为，在不太长的 时间里，在库区及其邻区有发生四级左右地震的可能性。  

5大桥水库诱发地震活动性

　　大桥水库遥测地震台网观测质量连续可靠，本文利用该台网连续7年多的良好记录资料来研 究库区的地震活动性。台网可以准确地测定以大坝为中心10km范围内ML0.8级地震， 亦可较好测定以大坝为中心60km范围内ML1.0级地震。现将北纬28°19′～29°00′ 、东经101°5 4′～102°33′范围内作为库区近场来讨论。经过整理7年多的地震观测事件，得到的库区1 995年1月1日至2002年3月31日时段内发生570次地震资料，其中小于3.0级的有5次，3.0 ～3.9级有5次，4.0级以上1次。位于大桥水库大坝附近2km处的Ms4.6级地震，是 2001年9月13日 水库蓄至满库水位后接连发生200余次微小地震并平静数月后发生的。因为该地震发生 在安宁河东支断裂(安宁河东支断层西盘所分布有早第四系昔格达组粉沙岩、泥岩)上，而此 种沙岩、泥岩在经过了库水的长时间浸泡、软化，导致该地区发生地震。根据这些特点 可以初步判断它为滞后响应的构造型水库诱发地震。 

5.1地震活动的空间分布

　　图2和图3分别表示大桥水库库区近场在蓄水以前和蓄水以后的弱震震中分布图。从图2中可 以看出，水库蓄水以前(1995.01.01～1999.06.18)四年多的时间里，在库坝及库区周 围（即圈内，以下同）地震很少，地震主要分布在库区外围；而图3表明，水库蓄水 以后(1999.06.19～2002.03.02)两年多的时间里库坝及其周围地震明显增多了。对比研 究可看出，蓄 水前库区地震活动的空间分布表现为零散的天然构造地震格局，其弱震活动主要分布在水库 外围且沿断裂展布，绝大部分地震分布在石棉—越西一带。下闸蓄水以后库区，即坝的上游 的地震活动明显增加，特别是MS4.6级主震前半年，从2001年9月17日起库区微震活 动200余次(见图4)，主要集中在马尔堡子 — 大干河诱震区边缘的彝海子附近，地震活动较 密集 的地区成北北东向分布，与附近主要活动断裂(安宁河东支断裂)走向一致，而库区其它地方 的地震 较少。水库诱发地震主震MS4.6级及其余震震中分布(见图5)，主要集中在大 坝的下游 ，主震发生在呈南北向穿越的 安宁河东支断裂上。 该断裂为全新世活动断裂，断裂新活动强 烈，具左旋走滑运动特征，当水库蓄水以后一方面断裂带的渗水，降低了断层强度导致断层 发生错动，另一方面水库荷载效应引起断裂失稳，从而诱发了该4.6级地震。 

5.2地震频度和强度变化

　　地震频度和强度的变化反映了该区应力场的变化过程。由于库区近场的地震活动均以弱震为 主 ，特别是ML0.5～2.5级占绝对优势。1995年1月1日建网以来的观测资料表明，库区 近场地震 活动的频度的月均值为9.8次。图6是库区地震以前的N-T图，从中可以看出，在2001年 9月至11月时段是建网以来地震最活跃的时段（200余次），是历年最为活跃的时段。 

5.3 应变释放

　　研究表明，库区在蓄水前1998年6月～1998年9月这个时段内出现地震应变释放加速过程（ 见图7），以后一直较为平稳。蓄水以后曾在2000年2月应变释放出明显加速，表明水 库新增水头的巨大压力和安宁河断裂的破碎带为库水的渗透提供了条件。库水对断裂摩擦面 的润滑作用和对岩石的软化作用促成了应变能的提前释放。 

5.4 b 值时间扫描

　　利用库区内ML≥1.0级地震资料，按6个月地震为窗口，步长为2个月，用最大似然法 计算出1995年1月～2002年3月3日冕宁4.6级地震前时段内b值时间扫描（见图 8）。根据四川地震震例结果，凡b值超过一倍均方差为异常标准。在蓄水前b值几乎没 有超过一倍均方差，而蓄水后b值超过一倍均方差异常的时段就有1999年7～10月、2000年 2～4月 、2001年6～8月，特别是2001年9月以后到MS4.6级地震前的时段处于高b值， 远超过一倍均方差。一般情况下，水库诱发地震的b值都较大。 

5.5水库水位与地震活动的关系

　　大桥水库库水位从2001年5月的2003m高程到9月上升至满库水位2020m高程，直至11月中旬近 3个月高 水位后，才开始慢慢下降，这期间诱发了小震群，此震群又主要集中在9月下旬。当2002年3 月3日水位下降到2005.07m高程时，冕宁发生MS4.6级地震。水库水位与地震 ( ML≥0.0)频度的对应关系见图9。 

5.6震源深度

　　对此次水库诱发地震的主震MS4.6及3月2日～3月31日可定位余震所作的精确定位表 明，震源深度大多小于10km，主震为5km，最浅的只有3km，见图10。

5.7震源机制解

　　从3月3日08时 23分的MS4.6级地震的震源机制解（图11），结合地震所处的断裂， 初步判断节面B为破裂面。该破裂面倾向西、南北走向，地震主压应力轴近垂直，与大 多数活动断裂 上的地震主压应力轴近水平有明显的差别。错动有较大的倾向滑动分量，断层的上盘(西侧) 向西南方向相对运动。 

6大桥水库诱发地震特征

6.1地震参数

　　表2列出了四川台网和大桥水库遥测地震台网及临报给出的结果，以便对比参考。 

6.2地震特征

6.2.1地震类型为主震—余震型水库诱发地震

　　据台网资料，大桥水库4.6级地震后，到3月31日发生ML≥0.0级地震31次，其中0.0～0 .9级21次，1.0～1.9级8次，2.0～2.9级2次，最大余震为2.6级。此诱发地震序列共 释放能量为2 522×1011Ｊ，主震能量值为2 520×1011Ｊ，主震所释放的 能量占99.9 %，而主震和最大余震之比为1.7，因此可认为这次地震为主震—余震型水库 诱发地震。在2001年9～11月库区的小震群，用基于GIS的地震分析预报系统进行分析，认为 这群地震活动为典型的诱发地震前的 小震群（有专题研究文章，待发表）。为了更进一步研究此诱发地震前的小震群和本次地震 的内在联系，将此诱发地震前的小震群和该MS4.6级地震分别进行了研究。 

6.2.2余震空间分布集中

　　根据大桥水库遥测地震台网测定的余震位置，主要集中在北纬28°39′～28°43′，东经10 2°13′～102°14′（见图5）。

6.2.3地震频度衰减快

　　大桥水库4.6级诱发地震有余震发生，余震比较平静， 到第四天余震活动稍有起伏，以后每天余震约发生1～2次， 到3月10日后基本上就没有余震发生，整个余震的衰减系p值为1.057。 

6.2.4震前b值高而余震b值低

　　经过计算，本次MS4.6级地震前后的b值，震前的为1.15，而余震的为0.614， 两者之比为1.87，大于1。

6.2.5 H值和K值

　　2003年3月3日MS4.6级地震以后，到2003年6月为止，共发生大于0.2级地震37次， 根据余震序列求得H值为1.7，而最大后续余震为3.1；K值为0.448 7 。  

7大桥水库诱发地震长期监测分析情况 

　　在2001年7月利用台网7年的资料，我所给大桥公司提交了《大桥水利枢纽蓄水后的震情跟踪 研究》专题研究报告，报告认为：在不太长的时间里，在库区及其邻区有可能诱发 四级左右地震。据王云基、杨晓源等1999年的《大桥水利水电枢纽水库诱发地震监测预测研 究报告》（下闸蓄水阶段报告），大桥水库诱发地震预测分布为，安宁河断裂的淹没段 为可能诱发上限震级4.5～5.5级的诱发区。此MS4.6级地震就位于安宁河断裂上， 这与我们所预测的相吻合。  

8结论

　　根据分析并结合国内外水库诱发地震的震例特征，判断这次MS4.6级地震为滞后 响应的构造型水库诱发地震。

　　综合此次地震活动的空间分布、震源深度、水库水位变化与地震的相关性、b值高以及 地震前、余震b值之比大于1等基本特点可以判断其是水库诱发地震；再结合诱发时间与 库水位变化的关系、大桥地区复杂的地震地质 构造等特点，判断此次 地震为滞后响应的构造型水库诱发地震。

　　根据此次水库诱发地震的主要特征表现，主震和最大余震所释放能量、H值和K值等，可 判断此次诱发地震类型为主震—余震型水库诱发地震。  

9加强长期监测的必要性

　　表3列出了世界上已发生MS4.5级以上诱发地震水库的诱震间隔。该诱震间隔从下闸 蓄水开始起算，有的水库诱震间隔很长，如阿斯旺长达17年。 

　　虽然大桥水库此次已诱发了MS4.6级地震，但并不能因此就完全排除该水库再发生诱发地震的可能性。例如我国的新丰江水库，1959年10月蓄水后，于1960年7月在大坝附近诱发了震级4.3级、震中烈度为Ⅵ度的地震。之后在1962年3月诱发了震级为6.2级、震中烈度为Ⅷ度的地震。据新丰江地震台及以后的台网的连续观测发现，仍然不断有4.0级以上的诱发地震，最近的于1999年3月25日在大坝附近诱发了震级4 8级的地震、8月20日在大坝附近诱发了震级4.9级的地震。而大桥水库是我国迄今唯一处于强震多发地区和地震高烈度区的大Ⅱ型水库，其地震地质结构条件比较复杂，随着库水不断向断层深部的渗透和安宁河断裂带应力的不断积累与调整，是否会诱发新的和更强的水库地震目前还很难下定论，因此对此水库的地震活动的继续监测和进一步研究是必要的和十分重要的。

参考文献

［1］丁原章.水库诱发地震［Ｍ］.北京:地震出版社,19  

［2］李坪.鲜水河—小江断裂带［Ｍ］.北京:地震出版社,1993  

［3］唐荣昌,韩渭宾.四川活动断层与地震［Ｍ］.北京:地震出版社,1993