基金项目:地震科技星火计划(XH19016);地震科技星火计划青年项目(XH20023Y)联合资助
作者简介:陈涛(1984- ),男,工程师,硕士,主要从事活动构造、工程地震、水库诱发地震等方面的研究。E-mail:chentao0528@126.com
(Zhejiang Earthquake Agency,Hangzhou 310031,China)
Hengdu Reservoir;Faults activity;The structural analogy method;The probabilistic prediction method;Maximum magnitude
DOI: 10.13512/j.hndz.2021.02.13
通过横渡水库所在区域地震构造背景、水库影响区及库区断裂活动性等方面的研究,采用构造类比法对横渡水库诱发地震的可能性进行讨论和分析,最终给出横渡水库诱发地震的可能性以及一旦诱发地震的最大震级,为水库建成后,可能出现的水库诱发地震问题提供科学依据。
Based on the research on the seismic tectonic background,reservoir affected area and fault activity in the Hengdu Reservoir area,the possibility of earthquake induced by Hengdu Reservoir is discussed and analyzed by the structural analogy method and the probabilistic prediction method. Finally,the possibility of the earthquake induced by Hengdu Reservoir and the maximum magnitude of the earthquake once it is induced are given,which provides a scientific basis for the possible occurrence of the earthquake induced by the reservoir after the completion of the reservoir.
浙江横渡水库位于白溪流域,地属台州市三门县,由上水库和下水库组成。上水库最大坝高43 m,水库正常蓄水位88 m,总库容2733万m3,为中型水库。下水库最大坝高为11 m,正常蓄水位108 m,总库容155万m3,为小型水库。水库诱发地震对水库工程设施因震级不同而产生破坏也不相同,可引起严重的次生灾害。据统计,至今国内外已记录到有百余座水库诱发地震的震例[1]。我国自建国以来已发生过43例水库诱发地震的事件,其中浙江5例。因此,开展水库诱发地震危险性分析工作十分必要[2]。横渡水库诱发地震危险性分析,不仅可为当前工程设计提供科学依据,而且也可为将来水库建成后,应对可能出现的水库诱发地震问题提供科学依据[3]。
本文在对横渡水库所在区域地震构造背景、水库影响区及库区断裂活动性等方面的研究,通过构造类比法对横渡水库诱发地震的可能性进行了讨论和分析,认为横渡水库诱发地震的可能性较小,一旦诱发最大地震不超过4级。
根据《水库诱发地震危险性评价》GB21075-2007标准,将水库区及其外延10 km范围作为水库影响区,对水库影响区断裂展布特征、活动性等进行调查研究,分析水库影响区断裂对水库的影响。水库影响区主要存在北东向的越溪—大田断裂、岱山—黄岩断裂,北西向的坦头—小雄断裂以及库区规模较小的断裂f1~f3(如图2),通过野外地质调查、卫星影像、断层物质、地貌现象等手段,对断裂的展布、长度、性质、活动时代等进行判定,以判定对水库的影响。
越溪—大田断裂在水库影响区内总体走向北东,分为两支,分别沿三门县南侧和北侧展布,北支主要展布在侏罗系内,长约7 km,南支在三门县附近构成侏罗系和白垩系的边界,全长约13 km。断裂距离上水库最近距离约13 km。
在三门县亭旁镇石头岙村西隧道口见断裂剖面(图3),断裂发育在青灰色侏罗系凝灰岩中,产状为60°/SE∠65°,断层两侧岩体较为完整,右侧岩体靠近断层部位发育一组与断裂产状大体一致的节理密集带,断层破碎带宽约50 cm,主要以断层角砾岩为主,未见断层泥发育,断层上覆第四系残坡积物也为受到断层活动的影响。在地貌上也未见与断层活动相关的微地貌表现。
在三门县城南省道S74公路旁见该断裂剖面(图4),断裂发育在侏罗系凝灰岩中,产状为75°/NW∠82°,断层破碎带宽约1 m,主要以灰绿色断层角砾岩、碎裂岩为主,未见断层泥发育,地貌上也未见与断层活动相关的地貌现象,综合地质地貌等因素,认为该断层的最新活动时代为早第四纪。
图3 三门县石头岙村西隧道口断裂剖面
Fig.3 Fracture section at the entrance of the west tunnel in Shitou'ao Village,Sanmen County
水库影响区内的越溪—大田断裂具有一定规模,断层破碎带宽50~100 cm不等,主要以断层角砾岩、碎裂岩为主,未见断层泥发育,地貌上也没有明显的线性地貌,综合地质地貌、断层物质及近场研究成果,认为该断裂的最新活动时代为早第四纪。
岱山—黄岩断裂在水库影响区内总体走向北东,北起六敖镇西,经尖坑山、罗城坑、托岙、桥头,到达花桥镇西南,全长约25 km。该断裂距离水库的最近距离约为4 km。
在三门县健跳镇罗城坑村西北水库旁将断裂剖面(图5),断裂发育在青灰色侏罗系凝灰岩中,产状为15°/SE∠43°,断层两侧基岩表面风化强烈。断层破碎带上宽下窄,上部宽约4 m,下部宽约3 m,主要以灰绿色、青灰色碎裂岩为主,未见断层泥发育。地貌上也未见与断层相关的地貌显示。
在三门县花桥镇长山头村北公路旁见断裂剖面(图6),断裂发育在青灰色侏罗系凝灰岩中,产状为55°/NW∠56°,断层两侧基岩较为破碎,发育与断层产状大体一致的一组节理密集带。断层破碎带上窄下宽,下部最宽处约1 m,断层带内以碎裂岩为主,在底部右侧断面上有少量灰绿色断层泥发育,已胶结。地貌上未见与断层活动相关的地貌现象。综合地质地貌等,认为该断层的最新活动时代为早第四纪。
水库影响区内的岱山—黄岩断裂规模较大,断层破碎带宽1~4 m不等,断层破碎带内主要以角砾岩、碎裂岩为主,局部见少量断层泥发育,已胶结,地貌上未见与断层活动的微地貌表现。综合地质地貌、断层物质等,认为该断裂的最新活动时代为早第四纪。
图5 三门县健跳镇罗城西北水库旁断裂剖面
Fig.5 Fracture section near Luocheng Northwest Reservoir in Jiantiao Town,Sanmen County
坦头—小雄断裂在水库影响区内,西北起自亭旁镇西北,经亭旁、南溪,到达花桥镇北,全长约19 km。该断层距离水库最近约1 km。
在三门县亭旁镇葫芦田村北公路边见断裂剖面(图7),断裂发育在灰褐色侏罗系凝灰岩中,产状为320°/SW∠71°,断裂两侧基岩均较为完整,断层破碎带宽约2 m,以灰白色断层角砾岩为主,未见断层泥发育,地貌上也未见与断层相关的微地貌显示。
在临海县花桥镇银山村北公路旁见断裂剖面(图8),断裂发育在侏罗系凝灰岩中,产状为335°/SW∠84°,断裂两侧基岩较为完整,断层破碎带上宽下窄,底部最宽约1.5 m,顶部逐渐尖灭,主要以断层角砾岩为主,未见断层泥发育,上覆第四系残坡积物也为受到断层活动的影响。综合地质地貌、断层物质等认为,断层的最新活动时代为前第四纪。
水库影响区内的坦头—小雄断裂具有一定的规模,断层破碎带宽1.5~2 m不等,主要以断层角砾岩为主,未见断层泥发育,上覆第四系残坡积物也未受到断层活动的影像,地貌上也未见与断层相关的微地貌表现。综合地质地貌、断层物质等因素,认为该断层的最新活动时代为前第四纪。
图7 三门县亭旁镇葫芦田村北公路边见断裂剖面
Fig.7 Fracture section along the road in the north of Hulutian Village,Tingbang Town,Sanmen County
浙江省及周围地区水利资源丰富,水库较多,也是水库诱发地震较多的地区。与其它省相比浙江省属少震区,历史地震强度和频度都较低,但水库诱发地震事件却相对比较多,在全省100多座大、中型水库中已发生水库诱发地震5例(其中皎口水库和横溪水库地震属构造型水库地震)。表3列出浙江省几座水库诱发地震的基本情况,同时也给出了邻省几座水库发生诱发地震的基本情况。
表4 浙江省及邻省发生水库诱发地震的基本情况
Table 4 Summary of reservoir-induced earthquakes in Zhejiang and its neighboring provinces
由表4可见,这些诱发地震的水库在构造上存在共同之处:
(1)水库位于断陷盆地边缘,地震多发生在盆地边缘断层带上或是几条断层交汇处,这些地方断层带和破碎带发育,岩体破碎,有较好的渗透条件;
(2)地震发生区域多为火成岩、流纹斑岩、花岗岩和灰岩分布,岩体节理,尤其是垂直节理发育,渗透性强;
(3)除横溪水库外,其它水库坝高都在66 m以上,六座大型水库的库容都在1亿m3以上,即水库诱发地震大多发生在高坝大库容的水库。以上这些都是浙江省及邻近地区水库有利于发生诱发地震的主要条件,即具备这些条件的水库发生诱发地震的可能性大些。
根据上水库和下水库的规模、构造、岩性、渗透性、应力场和地震活动性等资料分析认为:
(1)上水库大坝处于U型峡谷中,坝高43 m,总库容2733万m3,水库规模不大,属于中型、中坝水库。下水库处于V型峡谷中,坝高31 m,总库容171万m3,水库规模小,属于小型、中坝水库。据统计,在国内外发生水库诱发地震的132例水库中,中、小型水库只占20﹪,诱发水库地震的比例不高。
(2)水库影响区有岱山—黄岩断裂和镇海—宁海断裂以及规模较小坦头—小雄断裂通过。下水库区有1条断层通过,上水库有1条断层通过库尾,1条断层接近坝址区,断层长度最长为4.5 km。这些断裂均呈逆断层性质,断层两侧岩体大多比较完整,岩体较坚硬,断层物质胶结较好,库水不易沿断层向外渗漏。水库影响区断裂最新活动年代为早第四纪至前第四纪。
(3)水库区地层和岩性。地层有侏罗系上统(J3)、白垩系下统(K1)、第四系上更新统(Q3)及全新统(Q4)。岩石主要为晶屑玻屑熔结凝灰岩,岩石完整性较好,岩体节理裂隙不发育~较发育,岩石坚硬,抗风化能力强,隔水性能良好,库水不易渗透。
(4)水库区及周边未发现溶洞,没有发现温泉活动,也没有发现地热异常区。
(5)水库区和影响区均未记载到地震活动,地震活动很弱。
将上述5条与表4诱发地震水库的条件类比后认为,上水库具备诱发地震的条件不够充分,水库建成蓄水后诱发地震的可能性较小。
由水库诱发地震确定性评价结果,上水库诱发地震的可能性较小。水库存在3条小断层,多为逆断层,不利于库水渗透,且库区未发生过地震,发生诱发地震的可能性较小。但从地震安全性考虑,如果水库建成蓄水后发生水库诱发地震,其最大震级可用以下几种方法估计:
(1)根据水库影响区范围内历史地震的最大震级估计。据世界已有的发震水库统计结果表明,水库诱发地震的震级一般都不会超过当地最大构造地震的震级。横渡水库区及水库影响区范围内没有地震记载。因此诱发水库的地震可能性较小。
(2)根据断层破裂长度与震级的统计关系估计诱发地震的最大震级。曾心传和高士钧根据国内外21例水库地震震级(绝大部分为3级以上)与发震断层破裂长度的关系统计得到断层长度与最大诱发地震震级之间的关系为[5-6]
M=3.45logL+1.76 (1)
式(1)中L为断层破裂长度,单位为km。
从水库区地质构造图(图2)可见,水库区最长的断层是位于上水库库首的北西西向断层f2,其长度约4.5 km,其它断层较短或未穿过水库区,这里可以选择断层f2的长度估计诱发地震的最大震级。按一次地震的破裂长度占断层长度的17~38%计,则预期的地震破裂长度最长为1.6 km,代入上式,可发生2.6级地震。
综合上述方法,如果横渡水库蓄水后发生水库诱发地震,其最大震级为4级左右。
(1)水库影响区及库区存在的主要断裂有越溪—大田断裂、岱山—黄岩断裂、坦头—小雄断裂以及一些规模较小的断裂,这些断裂均为晚更新世以来不活动断裂。
(2)根据水库诱发地震评价的结果,认为横渡水库蓄水后诱发地震的可能性较小,一旦诱发地震,其最大震级不超过4级。在最大震级情况下,最大可产生震中烈度为Ⅵ度的地震影响。