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范晓︱三峡地震纪事

发表于 22/04/2020 三峡工程| 转发给朋友 | 浏览次数:31

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本文分三个部分,供关心三峡地震的读者参考:

一、笔者为《中国国家地理》2006年5月号写的《重返三峡》一文中关于地震的一节,其中记述了2003年三峡工程一期蓄水后,库区地震活动的一些情况;

二、2013年12月16日湖北巴东5.1级地震之后,笔者所写的一篇评论;

三、笔者根据截止到2019年底的文献,对三峡库区地震的一个简要综述。

等闲平湖起波澜(2006-05

作为世界上最大的水利工程,三峡水库诱发地震的情况如何?一期蓄水以后,也有了一部分答案。

(补注:三峡水库蓄水,按水位首次达到的海拔高度,分为135米、156米、175米三期。在工程上,按它们对应的工期,分别被称为二期、三期、四期蓄水,为叙述方便,笔者按蓄水的序次,将其分别称为一期、二期、三期蓄水。2003年一期蓄水到135米,2006年二期蓄水到156米,2008年开始175米的“试验性蓄水”,2008年和2009年,水位分别达到172.80米和171.43米,2010年水位首次达到175米的三期蓄水目标。三峡水库水位运行按照“蓄清排浑”的惯例,即汛期后的9月下旬开始蓄水至175米正常高水位,然后在次年5月底至6月初,将水位降至145米左右的防洪限制水位,以便汛期拦截洪水)

重庆渝北区黄泥榜,重庆市地震局办公楼里,我见到了重庆市三峡水库地震监测中心的余国政主任,向他询问一期蓄水以来的库区地震活动特点。余主任的回答相当审慎,他解释说,鉴于有关新闻发布渠道的规定,他并不能披露详细的数据。不过,可以明确的是,135米蓄水以后,库区的地震情况的确发生了变化,某些库段的地震有增加的趋势。

对于三峡水库的地震监测,在台网建设方面,重庆库区一直落后于湖北库区,重庆的监测中心主要利用的是库区外围老地震台收集的数据。但现在重庆已争取到国家2900万元的投资,计划建立包括16个台在内的重庆库区地震监测台网。2006年初已完成了台站选址,建设工作正在加紧推进。

余主任又谈到,三峡总公司投资5700万元在库首区建立的地震监测台网较为完善,但有些数据三峡总公司认为属商业秘密,重庆方面很难得到。不过此事正在协商,信息交换和共享的问题可望得到解决。

几天后,在三峡大坝附近,负责管理三峡库区地震监测台网的长委会三峡勘测院地震地质队的曾新平队长,带领我们参观了台网的部分站点,并详细介绍了台网的运作情况。

地震监测台网包括数字遥测地震、地壳变形监测、水动态监测等几个方面。据曾队长介绍,对水库诱发地震的监测来说,目前最有效和最直接的还是数字遥测地震网。它由数字遥测地震台、中继站、遥测地震台网中心、中强震台几个部分组成。

数字遥测地震台是搜集第一手地震数据的监测台,又称为子台,它主要记录4级以下的小震和微震,现有的24个子台大部分在湖北境内的库区,重庆库区只有2个。

沿着三峡大坝右岸弯曲的山路,我们来到位于三斗坪镇暮阳村山顶的一个子台—鸡冠石台。子台平时无专业人员看守,站房里有一个水泥墩,上置一传感器,一旦发生地震,震动会通过一个带有线圈的装置产生电磁波,电磁波传到数据采集器里,经过处理放大,由设在屋顶的天线发射出去,整个子台仪器的运转,靠站房屋顶的一块太阳能电池板提供能量。

2006年2月,笔者在三峡数字遥测地震台网鸡冠石台考察。杨铁军摄影

三峡数字遥测地震台网鸡冠石台外景。范晓摄于2006年2月

子台收集到的地震数据需要通过中继站才能传回台网中心。曾队长又带我们来到黄牛岩中继站。黄牛岩是西陵峡中的一处名胜,郦道元在《水经注》中对它的描述是:“南岸重岭叠起,最外高崖间有石色如人负刀牵牛,人黑牛黄,成就分明。”

在黄牛岩可俯瞰三峡大坝坝区全景。中继站有一个高大的微波发射和传送塔,它可接收附近多个子台的信号,子台的信号在机房里汇集后,再由微波塔发射到台网中心。

三峡数字遥测地震台网黄牛岩中继站外景。范晓摄于2006年2月

2006年2月,笔者在三峡数字遥测地震台网黄牛岩中继站考察,听取三峡勘测院地震地质队曾新平队长的介绍。杨铁军摄影

西陵峡黄牛岩一瞥。范晓摄于2006年2月

数字遥测地震台网中心,位于三峡大坝坝区的三峡总公司一座办公楼的顶层。屋顶的天线接收各个中继站传来的信号,再由机房里的仪器把它分解为各子台的数据进行处理。电脑屏幕上,清楚的显示出各个子台的位置、工作状态及数据。

在库区还设有两个中强震观测台,它只记录4级以上的地震,正好和上述的子台形成互补。中强震台平时处于休眠状态,中强震发生时将触发启动台站的工作系统,把地震信号自动记录下来,之后由工作人员到台站取回数据。

位于三峡大坝坝区的数字遥测地震台网中心。范晓摄于2006年2月

当然,我们最关心的还是库区蓄水后的地震活动情况。我向曾队长提到了业内人士普遍关注的两条断层。

一条是九湾溪断层,它呈北东走向穿过西陵峡中的牛肝马肺峡,距三峡大坝仅17公里,所以一旦诱发产生较强地震,对大坝影响较大。从目前情况看,135米蓄水以来,在九湾溪断层记录到的小震还不十分集中。

而另一条大家关注的断层—高桥断层可就活跃多了,高桥断层位于巴东附近,呈北东走向穿过长江,历史上在这条断层附近曾发生5~6级的地震。曾队长说,高桥断层是135米蓄水以来水库诱发地震最集中的地方,其最高震级为3.4级。

曾队长还解释说,因断层活动加剧而形成的构造地震,只是水库诱发地震的一种类型。一些溶洞、煤矿采空区留下的矿洞,原来在水位线以上,蓄水后,抬高的水位会淹没这些洞穴,可能因洞穴塌陷引发地震,也可能因为部分空气被水体封闭在洞内,形成气室,随着水位上升,因水压不断增加造成气爆而诱发地震。例如,石灰岩溶洞较发育的巫峡,煤矿采空区较集中的香溪河,就是一期蓄水后诱发这类小震较多的地方。

位于巫峡东段南岸的巴东县官渡口镇马鬃山一带,天坑、溶洞十分发育,分布有大小天坑100多个。135米蓄水以来,该区多次出现岩溶塌陷和地震。2003年12月18日和12月19日,分别发生1.8级和2.5级地震,巴东县官渡口镇4个村、巫山县碚石乡7个村震感强烈,仅马鬃山村房屋严重裂缝的农户就达220户。

曾队长特别指出,洞穴塌陷这类地震,由于震源深度一般都比较浅,即使震级较低,也可能在地表造成较严重的破坏。在库区监测到一些震级不足1级的地震,竟可在地表造成烈度达Ⅳ度的破坏,因此加强这类地震的监测与灾害防治十分重要。

那么与库区的历史地震记录或背景地震比较,水库蓄水是否会诱发震级更大的地震呢?我和余国政主任以及曾新平队长都讨论了这个问题。余主任说,水库诱发地震有可能超过历史地震记录,专家的主流认识是,水库诱发地震可以高出背景地震1~2级。

曾队长的观点稍有不同:水库诱发地震不会超过背景地震的范围,因为它们都受当地地震条件的控制。但历史地震记录并不完全等于背景地震的强度,因为背景地震究竟有多大,我们的历史地震记录并不一定是完全的。就象唐山,以前从未有强震记录,但却发生了7.8级的毁灭性地震。

那么三峡呢?在三峡工程论证过程中,有许多研究单位和研究者都对三峡水库诱发地震的最大震级作过预测。根据这些研究成果,对于九湾溪断层和高桥断层通过的库段,预测的最高震级都可达到6级。无论如何,三峡水库的诱发地震问题都不能让我们高枕无忧。

后来我又想到一个问题,并查阅了有关资料:135米水位的蓄水量是124亿方,占总蓄水量(393亿方)的31.6%;156米水位的蓄水量是234亿方,在135米基础上,增加的蓄水量占总蓄水量的27.9%;175米水位将达到设计的总蓄水量393亿方,在156米基础上,增加的蓄水量占总蓄水量的40.5%。显然,对水库诱发地震有影响的砝码,还有大部分没加上去,更严峻的考验还在后面。

2006年2月,三峡库区135米水位时的西陵峡。范晓摄影

关于湖北巴东地震的评论(2013-12

据中国地震台网发布的消息,2013年12月16日13时4分52秒,湖北省巴东县东瀼口镇发生5.1地震(东经110.4度,北纬31.1度),震源深度5公里。

据报道,地震时距震中200公里以上的陕西的安康,湖南的常德,湖北的襄阳、钟祥、宜昌、荆州等地都有明显震感。据新华网消息,截至12月17日14时,已发生余震71次。

另据新华网及中新社消息,截至12月17日,地震已造成巴东县、秭归县、兴山县的12个乡镇30380人受灾,民房倒塌105间,严重损房2556间,一般损房24981间,地震还给三峡库区包括巴东长江公路大桥在内的多座桥梁造成了损伤,其中巴东长江大桥1号桥墩边跨T梁、3号桥墩、以及2号3号4号桥墩的限位块均出现裂纹。

三峡水库蓄水后搬迁至西壤坡的巴东新县城。范晓摄于2006年2月,库区水位135米

2006年2月,库区水位135米时的湖北巴东长江大桥。范晓摄影

由于此次地震震中位于三峡库区巴东段的长江北岸,因此地震是否系三峡水库所诱发引起极大关注。

不同寻常的是,地震当天下午,湖北省地震局核校发布,将此次地震级数“修正”为4.8级,而在最近及以往中国境内发生的地震中,都没有省级地震局迅速“修正”中国地震台网发布的震级的案例。不过,中国地震台网及中央媒体在12月17日,仍然将该地震震级报道为5.1级,而在中国地震信息网的地震目录中,此次地震记载为5.5级。

更为不同寻常的是,地震后很快有消息报道称地震与三峡水库蓄水无关。国土资源部三峡地质灾害防治指挥部原总工程师徐开祥对财新记者表示,如果是蓄水引发的地震,刚蓄水时应该发生很强烈的地震。三峡水库2008年蓄水,至今已有五六年,此次地震应该和三峡蓄水关系不大;

中国广播网报道,经湖北省地震局分析,初步判断地震是矿山和溶洞诱发。据湖北省地震局副局长刑灿飞介绍,地震发生地是恩施溶洞的地质构造带,多煤矿、石膏矿等矿产。初步判断地震发生是开矿导致水位提高以及溶洞塌陷诱发地震,具体原因还需要进一步的调查。

新华网报道,参与此次地震应急指挥的湖北省地震局副研究员王秋良博士表示,此次地震的震中位于三峡库区,与三峡大坝相距约66公里。这一次地震的成因比较复杂。因为当地的地质条件比较复杂,灰岩区分布比较广,岩溶发育比较强,也有一些煤矿,再加上这一区域本来就是地质灾害高发区,因而,地震的具体成因比较复杂,不排除是多种因素综合的缘故。

急于说明地震与三峡水库无关的这种作法,显然有悖于地震分析的常理和基本的事实。水库诱发地震的强震或主震,往往会滞后于水库蓄水到高水位后若干年,而不是发生在刚蓄水后,这已为世界上公认的许多水库诱发地震的案例所证实。因为库水沿断裂带向下渗透需要一定时间,才能对地震断层产生最大影响,三峡水库蓄水到175米高水位的若干年后,正是三峡水库可能诱发强震的危险期;

而因水库蓄水影响造成溶洞和矿洞塌陷引发的地震,恰恰集中在水库蓄水之初,而不太可能发生在水库首次蓄水到高水位的若干年之后,而且它们是震源更浅、震级更小的地震。

此次地震震源深度为5公里,现在没有任何资料说明震源附近存在深达5公里的矿洞或溶洞。相反,此次地震震级较大、震感区域很广、破坏范围很大、余震很多,都很难用矿洞或溶洞塌陷来解释。

人们没有任何必要先入为主地去回避三峡水库诱发地震的问题,三峡水库在论证过程中,专家们就已高度关注通过库区的高桥断层和仙女山—九湾溪断层,它们分别位于黔江—兴山和秭归—渔洋关地震带中。

1856年6月10日,在黔江—兴山地震带的黔江小南海—咸丰大路坝曾发生6.25级地震,并因大规模的山崩滑坡,形成地震堰塞湖——小南海。而此次巴东地震的震中,恰恰就位于黔江—兴山地震带的高桥断层附近。

三峡库区专用地震监测台网提供的数据、以及不少专家的分析研究,都已证明了三峡水库蓄水以来极为明显的诱发地震。

从距库岸30公里以内的地震频次来看,水库蓄水前的2000年至2003年5月31日为96次(三年零五个月);

135米蓄水期的2003年6月1日至2006年9月20日为764次(约三年零四个月);

156米蓄水期的2006年9月21日至2008年9月27日为1538次(约两年);

试验性蓄水最高到172.8米期间的2008年9月22日至2009年12月31日为1036次(约一年零三个月)。

其中,2008年11月4日,三峡水库水位首次达到172米,随后,在水位由172米向下缓慢回落的过程中,2008年11月22日,在距三峡大坝29公里的九湾溪断层附近的秭归县屈原镇,诱发了蓄水以来震级最高的4.6级地震。

上述地震大部分都集中在高桥断层和九湾溪断层附近,说明它们大部分都是因断层活动引起的构造地震,而非洞穴塌陷造成的地震。

此次巴东地震,是三峡水库今年汛后蓄水于11月11日达到175米正常高水位后,水位回落到173.9米左右时发生的,这与2008年4.6级地震发生的背景颇为相似。

从上述种种特征来看,巴东地震极有可能与三峡水库蓄水引发的高桥断层的活动有关。一方面,今年的汛后蓄水可能对此次地震有直接影响;另一方面,此次地震也可能是三峡水库蓄水以来库水渗透以及诱发地震不断增强的一个持续性发展的结果。(补注:据下文所列的相关文献,巴东5.1级地震已被确定为水库诱发地震)

由于现在三峡水库正处在可能诱发强震的危险期,因此加强对水库诱发地震的监测、分析与防范,是极为重要的事情。

2006年2月,库区135米水位时的湖北秭归郭家坝镇,码头边上立有水位尚未到达的156米、175米的水位标示牌。郭家坝位于仙女山断裂的北段,是三峡水库诱发地震最为集中的地带之一。范晓摄影

三峡水库蓄水以来库区地震活动综述(2020-04

三峡水库自2003年5月开始蓄水以后,库区的地震活动显著增强。除了上文提到的,地质的频次逐渐增加以外,还集中出现了多次微震、小震以及中强震的震群(注:1≤微震<3;3≤小震<4.5;4.5≤中强震<6;强震≥6;巨震≥8。同一地震,因使用的标度不一,震级大小亦有差别,笔者在本文中统一采用里氏震级即近震震级的标度),其中包括有:

2003年6月7日至6月9日,湖北巴东信陵镇附近的微震群,其中最大地震为巴东下坪沱的M2.1地震。震中强烈有感,民房有开裂、掉瓦,井水位明显下降,震中烈度达Ⅳ度。

2003年12月9日,湖北巴东马鬃山微震群,其中最大地震为培石M2.5地震,此后约5个月记录到600多次震动。

2004年5月24日至5月25日,湖北巴东野三关柳家山先后发生M3.0、M2.6地震,震中烈度V度。震中强烈有感,地面上下颤动, 有沉闷的嗡嗡声,悬挂物摇摆,墨水瓶从桌上掉下, 有土坯房开裂,有每块重达一二百公斤的山石滚落,并砸断直径10厘米的树木。

(注:烈度,是地震时地面受到影响与破坏的程度,它和震级大小、震源深度、地形等有关。烈度分为12度,烈度小于Ⅲ,大多数人无感;烈度Ⅴ,人人有感,睡者惊醒;烈度Ⅶ,部分房屋倒塌;烈度Ⅷ,一般建筑严重破坏)

2004年9月13日,湖北巴东野三关青龙桥M3.8地震,震源深度5公里左右,震中烈度 V度,震感强烈,人感到上下颠动,有的老年人站立不稳,房屋有掉瓦、墙壁有开裂。地震群与通过震区的北北东向和北西西向断裂有关。

2005年9月22日,湖北巴东东瀼口M3.5地震,在之后半个月记录到震动130余次。

2008年10月至11月,三峡水库175米试验性蓄水期间,四川奉节多次发生微震,震级最大的是永乐2.9级地震,震源深度5.1公里,极震区烈度Ⅳ度。震感明显,有沉闷地声,房屋及地面出现下沉震动,部分屋顶抹灰脱落。

2008年11月22日,湖北秭归屈原镇胡家坪发生M4.6地震,地震发生在仙女山断裂北端附近,震源深度约8公里。有感范围西自巴东官渡口镇,东至宜昌夷陵区,北自兴山县,南至秭归县杨林镇,总面积约400平方公里。

2009年7月3日和7月7日,在湖北秭归泄滩分别发生M2.3和M2.5地震,震群中包括了100多次微震。震源平均深度约4公里。

2012年10月30日至10月31日,湖北秭归县屈原镇发生3.8级地震,时值三峡水库第五次175米试验性蓄水,单日地震频次达到152次,地震群中2.8级至3.8级的地震有9次,震源深度9至10公里。震群集中于仙女山断裂北端。

2013年12月16日,湖北巴东发生5.1级地震,震源深度6.7公里,极震区烈度Ⅶ度,这是三峡水库蓄水以来诱发的震级最高的地震。时值水库蓄水到175米高水位后的缓慢下降阶段。5.1级主震后,截至2014年1月12日,共记录到余震376次,其中3.0至3.9级地震2次,2.0至2.9级地震26次,这些地震的平均深度为4.9公里。震群发生于高桥断裂旁侧的北东东向分支断裂。

2014年3月27日、3月30日,湖北秭归发生M4.2、M4.5双震型中强震,震源深度分别为5公里和7.5公里,震群发生在北北西走向的仙女山断裂与旁侧的北东向断裂的交会部位。

2017年6月16日、6月18日,湖北秭归-巴东交界处发生M4.8、M4.6双震型地震,最大震源深度3至5公里,震中烈度Ⅶ度。此时三峡水库的水位处在145米的低水位。截至2017年7月7日,记录到余震150余次,其中M2.0至M2.9地震10次,M3.0至M3.9地震1次。有160多间建筑物出现墙体开裂、垮塌等现象,震中区域地震动加速度最大峰值约等于0.165g,远超当地0.05g的区划标准以及设防烈度水准。(陈新强等,2018)

上述地震,都被认为与水库的蓄水活动相关,包括了因蓄水诱发的溶洞及矿洞塌陷型,以及因蓄水导致断层失稳的构造型。其中,有个别专家认为2008年11月的胡家坪4.6级地震,是正常背景下的构造地震。而认为这些地震是水库诱发地震的主要证据包括:地震与水位的变化有很好的相关性;地震具有烈度衰减快,震源深度浅,地震动频率高等水库诱发地震的特点;地震在库区沿断裂呈线状或带状分布;震源附近具有与库水渗入相关的地震波低速带;余震序列具有与其它水库诱发地震类似的特征。

三峡库区及附近区域的断裂分布图

引自李献瑞等(2014)

三峡水库诱发的构造型地震主要集中于图中的F8高桥断裂、F15-F16仙女山-松园坪(九湾溪)断裂,图中标注了巴东5.1级地震的震中,红圈处为三峡水库库首段及大坝坝区。

三峡水库蓄水以来,迄今库区已记录到地震上万次。其中,156米水位的二期蓄水后,地震活动性显著强于135米水位的一期蓄水;而2008年开始的三期(试验性)蓄水以来,地震活动的强度又超过二期蓄水,并出现峰值。此外,一期至二期蓄水阶段,诱发地震以溶洞、矿洞塌陷型较多;而三期(试验)蓄水阶段,更多的是断层失稳的构造型。构造型地震高峰的滞后,也与库水沿断裂带下渗,逐渐影响断层的受力状态有关。

三峡水库诱发地震主要危险区及活动断裂分布略图

据汪建等(2015)

三峡库区蓄水前后高桥断裂附近的地震分布图

据王秋良等(2013)

三峡库区蓄水前后仙女山断裂附近的地震分布图

据王秋良等(2013)

三峡库区的水库诱发地震还有以下一些特点:

地震的发生,与高水位、低水位都可相关,但常常是在水位有明显变化的时段。

地震主要分布在巴东高桥断裂中段两侧、仙女山断裂北段、九湾溪断裂西侧,但地震不一定是在主干断裂上,而常常出现在主干断裂旁侧的次级或分支断裂上。笔者推测,这有可能是老的主干断裂旁侧新产生的破裂。

震级小,但极震区烈度大,低于3级的微震也会在极震区形成地表裂缝、房屋塌角等在Ⅶ度烈度区才会出现的震害;在震中附近还常常可听到清晰而强烈的地声,说明震源通常较浅。

蓄水以来的库区地震皆为浅源地震,震源最深小于20公里,绝大部分在10公里以内。其中,郭家坝-屈原镇一带平均深度为8.2公里;泄滩附近平均深度为7.6公里;巴东-巫山地区平均震源深度为6.8公里。(申学林等,2014)

根据蓄水前后地震的对比,发现地震有明显向库区加速集中的趋势,蓄水前发震较多的地区在蓄水后地震相对有所减少,而原来地震很少的库区周围则集中出现地震。蓄水后震级虽然没有明显增大,但地震频度却明显增强。从地震的年平均释放能量可以看出,蓄水前能量分布比较分散,而蓄水后能量主要集中在三峡库区范围,并在近几年加速增加。(郭轶等,2012)

对于三峡水库诱发地震的上限,王儒述(2014)根据最大历史地震震级并适当加权,确定库区最大可信地震为6级左右,并认为三峡大坝所受影响烈度为Ⅵ度,不会对按烈度Ⅶ度设防的大坝主要建筑物构成直接威胁。

截止到2019年底,自三峡水库开始蓄水已超过16年,诱发地震的最大震级为5.1级,尚未达到预估的最高上限,至少目前的风险还未超出预期。

如果与汶川地震比较,一方面,通过库区的高桥、仙女山-九湾溪等断裂带,活动性低于龙门山断裂带;另一方面,三峡库区的主要活动断裂与水库长轴近于垂直相交,因此库水下渗与断层的接触面相对较小,而紫坪铺水库的主要库段与龙门山活动断裂平行且重合,从而造成了库水与断裂带的最大接触面。因此,三峡库区诱发地震的危险性相对于龙门山的紫坪铺库区要小。

但是,三峡水库诱发地震具有的低震级、高烈度的特点,需要引起足够重视。目前三峡库区小于5级的地震,极震区烈度可以达到Ⅶ度,而未来三峡库区的诱发地震达到5~6级可能是大概率事件,其极震区烈度亦有可能达到Ⅶ~Ⅷ度(李玶等,2005;游姗等,2015),这会有造成严重灾害的风险。

三峡库区是崩塌、滑坡等地质灾害的易发区,蓄水活动更是诱发、加剧了这类灾害。因此,即使地震不会对现有设防烈度下的建筑产生直接破坏,但5~6级地震仍有可能引发较大规模的崩塌、滑坡,一旦巨大的滑坡体滑入江中,有可能引发严重的次生灾害。

因此,对三峡水库的诱发地震及其影响,仍然需要密切关注并作好防灾减灾预案。

湖北巴东附近长江左岸的黄腊石滑坡,三峡水库蓄水以后,该滑坡活动加剧,为此实施了工程治理。范晓摄于2006年2月,库区水位135米

(本文作者为四川省地矿局教授级高级工程师,四川省地震学会理事)

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