引言

拟建中的朱溪水库地处浙江省台州市仙居县朱溪镇境内,坝址位于朱溪镇上游4.5km、河口村下游约600m处,水库拦河坝坝高73.5m,正常蓄水位以下总库容约1.257亿m3,朱溪水库工程是以供水为主,结合防洪、灌溉,兼顾发电等综合利用的水利工程。水库诱发地震对水库工程设施因震级不同而产生不同程度的破坏,可引起严重的次生灾害。据有关资料统计,至今国内外已记录到有百余座水库诱发地震的震例(杨清源等,1996)。我国自建国以来也已发生过43例水库诱发地震的事件,其中浙江就占有5例。因此,开展朱溪水库诱发地震可能性的分析工作十分必要。朱溪水库诱发地震可能性的分析,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。本文在对朱溪水库的区域构造背景、近场区断层活动特点和破坏性地震的影响等资料的分析基础上,对库区诱发地震的可能性进行了讨论和分析。

1 地震构造背景
1.1 区域构造背景

朱溪水库位于浙南中山隆起区与浙江沿海低山隆起区分界线附近,新构造以来,浙南中山隆起区表现为缓慢的间歇性隆升特点,地貌上形成较多的“V”形谷地,山谷陡峭。朱溪水库两岸同样也是山势陡峻,以陡壁为主,岩面大都裸露。区内断层主要有北东向的奉化-丽水断层、镇海-温州断层、泰顺-温州断层以及北西向的淳安-永嘉断层等。其中,镇海-温州断层在其北段的宁波附近,为晚更新世早期有过活动的断层(周本刚等,2008),其它断层或断层段为晚更新世以来不活动断层。历史上,在奉化-丽水断层的南段曾发生过1574年庆元5½级地震;在镇海-温州断层北段附近,曾发生过1523年镇海5½地震;在泰顺-温州断层与淳安-永嘉断层的交汇部附近曾发生过1813温州4¾地震。库区地震基本烈度在《中国地震动参数区划图(GB 18306-2011)》(中华人民共和国国家标准,2011)上为小于Ⅵ度。

1.2 近场区主要断层活动特征

朱溪水库近场区内(水库及坝址周围25km范围)新构造运动特征基本与区域特点一致,以间歇升降运动为主。白垩纪以来在仙居附近沉积形成白垩纪盆地,第四纪以来该区继续接受沉积,其它地区基本以隆起、剥蚀为主,形成表层风化坡积物。近场区出露的岩浆岩为燕山期火成岩。近场区主要断层有4条,其中仅张家渡-上张断层(f1)在水库西部附近通过,近场区断层情况如表1所示。在近场区,历史上记录到的有感地震震级最大为4.0级,距离水库坝址24.2km,现今无地震记录。

表1 朱溪水库近场区范围内主要断层概况 Table 1 Main faults in the adjacent area of Zhuxi reservoir

通过对近场区内这些断层开展的野外调查并结合年代学研究成果,这些断层均属于第四纪早期(Q1—2)断层,晚更新世以来没有活动迹象。

2 破坏性地震的影响

根据对区域地震活动性分析的成果,区域范围内(库区周围150km范围内)历史上曾发生过M≥4¾级地震9次,最大地震为1523年镇海海滨5½级地震和1574年庆元5½级地震。根据收集到的历史地震资料,对水库区影响烈度进行综合分析认为,历史上远场郯城、南黄海、泉州、台湾等地发生的大地震对水库区的影响烈度最大为Ⅴ度左右,不到Ⅵ度;1523年镇海5½级地震、1574年庆元5½级地震以及1813年温州4¾级地震,对水库的影响烈度均小于Ⅴ度。

3 水库区地质构造条件

水库区周围两岸地层由侏罗系上统西山头组(J3x)的流纹质或英安质玻屑熔结凝灰岩和角砾熔结凝灰岩组成,岩体较完整。水库区附近发育北东、北西及近东西向多条断层(表2,图1),这些断层不是区域性断层。但个别断层与坝址及库区关系较为密切。

表2 朱溪水库库区主要断层概况 Table 2 Main faults in Zhuxi reservoir
图 1 朱溪水库库区地质构造图 Fig. 1Geological map of Zhuxi reservoir and its adjacent area
3.1 f(1)断层及其活动特征

该断层在水库区西侧(梅岙至利坑口一线附近)通过,北东走向。野外地质调查中,在利坑口村西南500m公路边见断层出露剖面(图2),断层发育于灰褐、灰黑色的凝灰岩中,断层走向北东20°,倾向南东,倾角85°,断面波状起伏,上部缓倾,剖面下部断面则近陡立,断层下盘为沉凝灰岩,由于挤压造成岩性破碎,但仍可见层理。断层破碎带宽数cm至1.5m不等。破碎带内可见明显的挤压劈理,破碎带内以角砾岩为主,由于雨水侵蚀及植物根劈,破碎带内局部风化强烈。该断层没有明显的地貌表现,综合分析认为该断层为压型断层,推测最新活动时代在前第四纪。

①凝灰岩;②断层破碎带

图 2 利坑口村路边断层出露剖面 Fig. 2Fault exposure at the roadside of Likengkou village

此外,在位于河口村朱溪水库坝址东南山边,由于新开挖公路见断层剖面(图3)。断层发育于青灰色、黄褐色的凝灰岩中,断层走向北东40°,倾向南东,倾角55°,断面波状起伏,断层下盘节理发育,并且岩性破碎,断层破碎带宽约1m,呈灰褐色,挤压破碎,可见明显的劈理。破碎带内以角砾岩和碎裂岩为主,胶结成岩。断层上覆厚数10cm至1cm不等的第四纪崩坡积物。断层沿线没有明显的地貌表现,综合判定该断层为一压性断层,推测最新活动时代在前第四纪。

①凝灰岩;②断层破碎带;③残坡积物

图 3 河口村路边断层出露剖面 Fig. 3Fault exposure at the roadside of Hekou village
3.2 f(3)断层及其活动特征

该断层主要发育于坝址东侧,由数条长度1km的小断层组成,在朱溪水库可研报告 中亦提及该断层,总体走向北西320°—340°,倾向北东,倾角40°左右。在野外地质调查中,在沙头村东南300km左右的朱溪右岸见断层出露剖面(图4),断层发育于灰褐色块状凝灰岩中。断层产状为NW50°走向,倾向北东,倾角80°。断面光滑平整,呈闭合状。破碎带整体宽约1m,以角砾岩为主,胶结成岩。在断层盘面可见明显的水平向擦痕及阶步,根据擦痕深浅方向及阶步坎的面向,判定该断层为右旋走滑断层。综合野外地质调查,判定该断层最新活动时代在前第四纪。

①凝灰岩;②断层破碎带

图 4 沙头村路边断层出露剖面 Fig. 4Fault exposure at the roadside of Shatou village

在上王周村村口亦见断层出露剖面,断层发育于灰褐色的侏罗纪块状凝灰岩中,断层北西25°走向,倾向北东,倾角47°,断面波状起伏。破碎带宽约50—80cm,以角砾岩和碎裂岩为主,呈青灰色。紧靠上盘面可见清晰片理及宽约5—10cm左右的青灰色断层泥。断层出露边坡覆盖有少量崩坡积物。断层岩性没有明显的地貌表现,综合判定该断层最新活动时代在前第四纪。

3.3 f(5)断层及其活动特征

该断层走向北西330°,长14km左右。断面见于岭根村附近,断层发育于黄褐色至灰色的凝灰岩中。断层破碎带宽约1.5m左右,断层破碎带以棱角状构造角砾岩为主,紧靠下盘盘面处可见明显的挤压片理及青灰色断层泥。受风化侵蚀强烈,该断层破碎带内物质较为松散,且为强风化状态。该断层在地貌上并无明显地貌表现,综合判定该断层最新活动时代在晚更新世之前,推测为前第四纪。

在张郎村公路边(图5),断层发育于黄褐色块状凝灰岩中,产状为:N80°W/NE∠65°。断层破碎带宽约40—50cm,挤压片理发育。破碎带内以角砾岩、碎裂岩为主,呈黄褐色,紧靠下盘面可见少量的青灰色断层泥,胶结成岩。破碎带表层风化侵蚀强烈,呈砂土状。综合判定该断层最新活动时代为前第四纪。

①凝灰岩;②断层破碎带

图 5 张郎村附近断层出露剖面 Fig. 5Fault exposure at the roadside of Zhanglang village
3.4 f(7)断层及其活动特征

该断层走向近东西向,断层在库区附近内延伸长为7km左右,自利坑口向东延伸经郑加山至后横岭。位于沙头村附近该断层地貌上形成垭口地貌,朱溪的两条小支流在沙头村及利坑口村段受断层影响,呈东西走向。受断层影响沙头村公路边岩体节理较为发育,影响带在5—8m左右,且节理微张,局部充填有胶结碎屑物。综合判定该断层最新活动时代在早第四纪。

在沙头村西南500m左右的公路边(图6),断层发育于块状灰黄色、灰褐色的晶屑凝灰岩中。断层近东西走向,倾角近直立。破碎带紧仅10cm左右,挤压片理发育,夹有3cm左右的青灰色断层泥。破碎带内以碎粉岩为主,含较多植物根系,风化严重。综合判定最新活动时代在早第四纪。

①凝灰岩;②断层破碎带

图 6 沙头村附近断层出露剖面 Fig. 6Fault exposure at the roadside of Shatou village
4 水库诱发地震预测与评价

水库诱发地震是指由于水库蓄水或水位变化而引发的地震。水库诱发地震危险性评价是水利水电工程安全性评价的重要组成部分,重点是在水库修建之前根据水库影响区的地震、地质条件,对水库诱发地震的可能性、可能发震库段和最大震级以及诱发地震的危害性进行评价。本文根据《水库诱发地震危险性评价(GB 21075-2007)》(中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局,2008),对朱溪水库诱发地震进行了预测评价。采用的方法分别是规范中提供的构造类比法(确定性评价方法)和概率评价法。

4.1 构造类比法评价朱溪水库诱发地震的可能性

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,在浙江省100多座大、中型水库中已发生水库诱发地震5例。表3列出了浙江省及邻省一些水库诱发地震的基本情况(林松建等,2007;丁原章,1989),同时也给出了邻省几座水库发生诱发地震的基本情况。

表3 浙江省及邻省水库发生诱发地震的概况 Table 3 Summary of the reservoirs and induced earthquakes in Zhejiang province and its neighboring

由表3可见,这些发生诱发地震水库的共同之处是:水库位于断陷盆地边缘,库区断层和破碎带发育,地震多发生在盆地边缘的断层带上;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,或是几条断层交汇,岩体破碎,有较好的渗透条件。除横溪水库外,其它水库坝高都在60m以上,6座大型水库库容都在1亿m3以上。以上这些都是水库诱发地震的主要有利条件。

根据朱溪水库规模、构造、岩性、渗透性、地震活动等资料,作者分析认为:

(1)朱溪水库处于V型峡谷中,坝高73.5m,总库容1.257亿m3,坝前水深62m,水库淹没面积5.5km2,属于大型水库。

(2)水库区和坝址区的构造主要是规模不大的断层,均为早第四纪至前第四纪断层,无晚第四纪活动断层分布,构造比较稳定,不具备发生中、强地震的构造背景。

通过水库区和坝址区的断层主要为北东向、北西向和东西向三组断层,断层规模不大,破碎带不宽,且多为压性和压扭性,少数为张性,不易形成渗水通道。

(3)水库区及周边前第四纪地层为中生界侏罗系上统火山岩、白垩系下统河湖相沉积岩和陆相火山碎屑岩。第四纪地层主要为上更新统坡洪积层、坡积层和全新统冲积层、洪积层以及残坡积层。岩浆岩为上侏罗世、下白垩世的潜火山岩和侵入岩,主要分布有流纹斑岩、霏细斑岩和钾长花岗岩。水库区主要发育北西向、近东西向和北东向三组节理,在分布上没有成带或密集发育的现象,节理密度很小。除少数垂直于挤压构造的张节理外,绝大部分均为压性和压扭性,长度绝大多数在10m以下,裂隙面呈闭合和微闭合状,基本无填充,闭合良好不易形成渗水通道。张节理仅发育在构造的表层,延伸较短,深部基岩为不透水层,岩体渗透条件差。

(4)库区构造应力场以近东西向的水平压应力,近北南向的水平张应力为主。在这样的应力场作用下,库区分布较多的北东向和北西向断层容易发生走滑错动,东西向断层容易发生张性错动。

(5)水库区及周围50km范围内,最大地震为1853年临海4½地震,距坝址35km。1970年以来,区域地震台网仅记录到3次小地震,最大为ML2.4级,距坝址超过40km。在水库影响区范围内没有历史地震记载,也没有监测到现今地震。

(6)水库区及周边未发现有温泉活动。

将上述6点与表3列出的水库诱发地震的条件类比后认为,除朱溪水库库容较大外,朱溪水库诱发地震的其它条件不够充分,水库建成蓄水后诱发地震的可能性较小。此外,因为库段不具备发生M4.5级以上的地震构造背景,即使建成蓄水后发生水库诱发地震,其震级也不会超过4.5级。

4.2 概率法评价朱溪水库诱发地震的可能性

水库诱发地震可能性概率评价是一种水库诱发地震预测的定量方法,它考虑了构造环境、应力场、库区岩性、水库参数等多种诱发地震的因素。

如果实验E的样本空间为Ω,互不相容事件M1M2,…,Mn为Ω的一个划分,且满足P(Mi)>0(i=1,2,…,n),Pni=1Mi)=1,则对于任一事件AP(A)>0),贝叶斯公式为:

(1)
P(Mi /Aj)= P(Mi)P(Aj /Mi)  ,(i=1,2,…,n),(j=1,2,…m
n
P(Mi)P(Aj /Mi)
i=1

式中,P(Mi/Aj)为要预测的某震级水库诱发地震的概率;Mi为水库诱发地震事件的震级分档类别;Aj为水库发震库段各诱震因素及其相应状态,即诱震因素组合条件;P(Mi)为不同震级类别的验前概率;P(Aj /Mi)为不同震级条件下不同诱震因素组合条件的验前概率。

Beacher等(1982)根椐世界上234座水库(29座发震水库和205座未发震水库)的资料分析,给出了影响水库地震发生的5个主要诱震因素:库深H;库容V;应力场状态S;断层活动性F;库区岩性条件G。将这5个因素各分成3种状态,列于表4。

表4 水库诱发地震的因素与状态 Table 4 Factors and states of reservoir induced earthquakes

根据计算中可用的水库资料多少并考虑样本数量和震级档划分,将水库诱发地震震级划分为中震、小震和不发震三档,即:6.9>M1≥5、M2<5和M3无震三档。它们的验前概率分别为:

P(M1)=0.04, P(M2)=0.10, P(M3)=0.86

假设上述各诱震因素Aj相互独立,则有:

(2)
P(Aj/Mi) P(H,V,S,F,G/Mi)
P(H/Mi) P(V/Mi) P(S/Mi) P(F/Mi) P(G/Mi) (i=1,2,3)

根据238座(33座发震和205未发震)水库资料样本统计(常宝琦,1995),得到对于不同状态下水库发生中震、小震和不发震三种事件的每种诱震因素的验前概率,列于表5。

表5 对于三种状态不同震级条件下不同诱震因素的验前概率 Table 5 Pre-test probability under different three states with different induced factors and earthquake magnitudes

根据朱溪水库的情况,库深62m归为状态3,库容1.257亿m3归为状态3,应力场状态取逆断层环境归为状态1,断层活动状态取第四纪以来活动断层归为状态1,岩性取火成岩归为状态3,使用式(2)计算得到:

P(M1/Aj)=0.025, P(M2/Aj)=0.247, P(M3/Aj)=0.728

即诱发中等地震的概率为0.025,诱发小震的概率为0.247,不诱发地震的概率为0.728。

由上述计算结果分析,几乎不存在诱发中等地震的可能性,诱发小地震的可能性也较小。但是从安全考虑,上述结果发震概率P(M2/A)为0.25,略大于水库诱发地震的临界概率(常宝琦,1988)的数值0.2,存在诱发小地震的可能性。

4.3 水库诱发地震的最大震级估计

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。朱溪水库区及水库影响区范围没有发现历史地震记载,1970年以来区域地震台网也没有记录到地震活动,在坝址50km范围内最大地震为1853年5月29日临海41/2级地震,它距坝址35km,若将此视为当地最大构造地震,则推测朱溪水库即使发生水库诱发地震,最大震级不超过4.5级。

(2)根据可能诱发地震的断层长度估计诱发地震的最大震级

根据统计研究,库区发震断层的长度与诱发地震震级之间具有表6所示的关系(中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局,2008)。

表6 断层长度和水库诱发地震震级的统计关系 Table 6 Statistical relationship between fault length and magnitude of reservoir induced earthquake

通过朱溪水库区的断层规模较小,特别是通过淹没区的规模在5km以下,根据表6推测朱溪水库即使发生水库诱发地震,最大震级为4级左右。

(3)根据地震断层破裂长度估计诱发地震的最大震级

根据国内外21例水库诱发地震震级(绝大部分为M3级以上)与发震断层破裂长度的关系(曾心传等,1989),统计得到断层长度与最大诱震震级之间的关系为:

M=3.45logL+1.76
(3)

式中,L为断层破裂长度,单位为km。

在库区的东西向f(7)断层,自利坑口向东经郑加山至后横岭,在库区延伸长为7km左右,断层岩体节理较为发育,影响带在5—8m,且节理微张,局部充填有胶结碎屑物,具备一定的渗水条件,相对有利于诱发地震的发生。按地震破裂长度占断层长度的17—38%计算(张文甫,1999),如果该断层发生地震则破裂长度最长为2.7km,根据上式计算得到水库诱发地震最大为3.2级。

5 结语

根据水库诱发地震条件类比,朱溪水库区发生诱发地震的可能性较小,根据水库诱发地震概率评价,朱溪水库存在较小的诱发小地震的可能性。综合考虑水库诱发地震确定性分析和概率评价结果,从偏保守角度考虑认为,朱溪水库蓄水后存在诱发小地震的可能性,其震级最大为4.5级左右。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。

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