Study on Seismic Activity of Reservoir in Complex Tectonic Environment −Take Nuozhadu Hydropower Station as An Example
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摘要: 糯扎渡水电站位于澜沧江中下游,该地区构造环境复杂,活动断层发育,地震频发。本文利用区域构造、糯扎渡库区水荷载变化、云南省区域地震台网2000—2021年地震监测资料,对糯扎渡水库区域断层性质、库水位荷载变化、地震震源参数和水库蓄水前后的地震活动空间等进行综合分析。研究结果表明,糯扎渡水库影响区及附近区域活断层密集,构造环境复杂且存在应力水平较高区域,蓄水前库区地震活动强度较高。伴随蓄水量的增加,微小地震活动频度和强度逐渐增强,显示出蓄水对库区内断层上的应力分布具有明显的扰动作用。蓄水后水库坝区附近和澜沧江库区中段窝拖寨断层区的地震活动频度和强度有所增强,普洱大河库段地震活动强度则低于区域背景地震,但微小地震活动的频度有所上升,且与库水位的周期性变化有一定的相关性。地震活动的空间位置与库区内复杂的构造断层密切相关。在区域构造应力和库区水加、卸载的共同作用下,构成了糯扎渡水库影响区微小地震时间、空间、强度的活动图像。未来区内地震活动仍将受到区域构造应力影响和水位变化及水的渗透作用影响,其地震活动强度可能达到5.0级左右。Abstract: Nuozhadu Hydropower Station (NHS) is located at the middle and lower reaches of the Lancang River, where the tectonic environment is complex with massive active faults and frequent earthquakes. In this paper we comprehensively analyzed the characteristics of regional faults, the variation of water level load in NHS, focal parameters, and the spatial distribution, frequency and intensity of seismicity before and after impoundment, based on the regional tectonics, the variation of water load, and the seismic monitoring data of Yunnan regional seismic network from 2000 to 2021. The results show that the affected areas in and around the reservoir have densely distributed active faults and tectonic environment with high stress level, and higher intensity of seismic activities before impoundment. The frequency and intensity of micro-seismic activities gradually increase on the rise of water level, indicating that water storage has a significant disturbance on the stress distribution along the faults. After impoundment, however, the intensity of seismic activities is lower than that of regional background earthquakes, but the frequency of micro-earthquakes increases and intensifies, which is correlated with the periodic change of reservoir water level. The spatial distribution of seismic activities is closely related to the complex faults in the area. The activity pattern of time, space and intensity of micro-earthquakes in the affected area of NHS are constructed by the joint action of regional tectonic stress and water loading and unloading. Seismicity in the region will still respond to the regional tectonic stress, the change of water level and the infiltration of water in the future and the magnitude may reach about M5.0.1)
1 2 叶建庆、李勇、徐誉宸等,2018.糯扎渡库区及邻区水库地震监测总结与地震活动特征研究报告(2008年—2017年). -
引言
糯扎渡水电站是澜沧江中下游梯级水电站中典型的高坝大库水电站,电站大坝为直心墙堆石坝,坝高261.5 m,坝顶高程821.5 m,坝址地震基本烈度为Ⅶ度,大坝枢纽工程设防烈度为Ⅷ度。该电站正常蓄水位为812 m,总库容237.03×108 m3,是澜沧江中下游梯级规划中工程规模、调节库容、装机容量和发电量最大的电站。电站安装9台65×104 kW混流式水轮发电机组,总装机容量585×104 kW。糯扎渡水库上游为大朝山水电站,下游为景洪水电站。
已有研究表明,在高烈度地区,多数水库在蓄水过程中和一段时间后,伴随库水的加载和渗透作用,会引发区域构造应力场的重新调整,以达到新的应力状态。随之而来的是库区及邻近区域微小地震频繁活动,甚至发生中等强度的地震活动,这是库区应力强弱调整的表现形式之一。已有学者研究发现美国米德湖的蓄水与地震存在一定关联,认为水库区域内地震的发生、发展多与库区蓄水及水位周期性变化相关(Carder,1945;Simpson等,1988;Talwani,1997)。常廷改等(2018)认为水库区内发生的地震三要素及地震序列等具有明显的特征,在空间上,震中分布在水库区周围,一般距库边线不超过10 km,位于河谷第一分水岭范围内。近年来,学者对水库区地震震源参数进行了相关研究,得到了有意义的成果(华卫等,2012;陆丽娟等,2014)。糯扎渡水电站水库自2011年11月29日第一阶段下闸蓄水,2012年12月蓄水至774 m左右,2013年10月蓄水至812 m左右,之后数年至2021年每年最高水位均为812 m。
糯扎渡水电站蓄水前,毛玉平等(2004a)对澜沧江中段水利枢纽工程水库诱发地震的地质环境进行了分析,认为构造因素是影响该区水库诱发地震活动的主要因素,水库诱发地震将主要发生在库区断层及其附近。李志祥等(2008)依据水库区及邻区活动断层和背景地震活动对糯扎渡水库诱发地震进行了预测研究,认为糯扎渡水电站水库蓄水后其发生水库诱发地震的最大震级为5.5级。蓄水后,曹颖等(2015)采用糯扎渡水库地震台网记录的地震事件,对水库蓄水前、后的地震活动进行了分析,采用双差相对定位方法对澜沧江主库区中段发生的震群进行了重新定位,定位后显示震群主要发生在与澜沧江断裂带交汇的窝拖寨断裂上,水位变化可能是触发因素,震群的震源深度显示出了构造活动的特征。
本文利用云南省区域地震台网2000—2021年地震监测资料,结合糯扎渡水电站水位资料,研究糯扎渡水库影响区内蓄水前的地震活动背景及蓄水后的地震活动频度、强度,探讨库区水位变化与发震时间、地震频度、强度变化的一般规律。利用数字地震波形资料采用布伦模式计算蓄水前、后ML3.0以上地震震源参数,并进行分析。
1. 地震地质资料
1.1 水库影响区
依据GB/T 21075—2007《水库诱发地震危险性评价》(中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局等,2008)和GB/T 31077—2014《水库地震监测技术要求》(中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局等,2015),水库区为水库正常蓄水位淹没的范围,水库影响区为水库区及其外延10 km的范围。糯扎渡水库影响区包含澜沧江主库段、水库坝区下游10 km、上游库尾段至大朝山坝址区10 km范围及3个支库区。澜沧江段主库区长度约214 km,影响区面积约(234×20)km2;普洱大河-小黑江(澜沧江左岸)支库区长度100 km,影响区面积约(100×20)km2;小黑江(澜沧江右岸)支库区长度32 km,影响区面积约(32×20)km2;黑河支库区长度30 km,影响区面积约(30×20)km2。糯扎渡水库影响区总面积约7 920 km2。
1.2 蓄水前、后地震数据
依据糯扎渡水库影响区范围,本文从2000—2021年云南省地震目录中筛选出1 920个发生在水库影响区内的地震事件。云南省区域地震台网自2000年数字化改扩建运行以来,滇西监测能力可达1.8级左右(秦嘉政等,2012)。2000年至2011年11月28日蓄水前的地震事件531次,2011年11月29日至2021年12月31日蓄水后的地震事件1 389次。蓄水前、后糯扎渡水库影响区内地震活动分布如图1所示,图中包含蓄水前邻区66次历史M≥4.7中强地震及蓄水后邻区7次中强地震分布。
1.3 区域地质构造背景
糯扎渡水电站位于澜沧江中段,糯扎渡库区及邻近地区发育了具有一定规模的断裂(毛玉平等,2004a,2004b)。糯扎渡库区及邻区地质构造复杂,主要构造如图1所示,区内展布有澜沧江断裂带、南汀河断裂带、无量山断裂带、耿马-澜沧断裂带、营盘山断裂、邦东断裂、窝拖寨断裂、漫罗断裂、孟连-澜沧断裂、勐满-勐海断裂等一系列区域性深大一级断裂及具有控震和发震能力的地区性断裂和次级旁侧分支的地方性断裂。其中,澜沧江断裂带南段活动性仅次于北段(大朝山坝址以南),其主断裂及其向南撒开的次级断裂切过澜沧江干流主库或黑河、左岸小黑江支库,这些断裂距坝址15~30 km,自西向东包括谦六断裂、平掌寨断裂、白马山断裂和酒房断裂。在澜沧江左岸,有的断裂穿过小黑江支库,有的断裂直接切入澜沧江。在澜沧江右岸,包括主断裂在内的所有断层均穿过黑河支库。糯扎渡库区及邻近地区主要断裂活动特征如表1所示,糯扎渡库区及邻区地区主要断裂构造空间展布如图2所示
1 。表 1 糯扎渡库区及邻近地区主要断裂活动特征Table 1. Major faults activity characteristics of Nuozhadu hydropower station and affected area断裂名称 断裂长度/km 产状 断裂性质 最新活动年代 地震活动 走向 倾向 倾角/(°) 澜沧江断裂 800 NNW SE 近直立,
微向西倾右旋走滑 10万年以内 永平、鲁史附近发生过5.5级地震 南汀河断裂 210 NE — 40~50 左旋走滑压扭 第四纪 1941年耿马大寨7级地震、1988年11月7.2级地震 营盘山断裂 140 NS SE 60 — 更新世 第四纪以来活动减弱 邦东断裂 50 NW NE 40~70 左旋,北为正断,
南为逆断10万年以内 历史上发生过多次中震 窝拖寨断裂 26.5 NE NW — 左旋 全新世 现代有多次中震记载 漫罗断裂 38 NE — — 平移断层 — — 孟连-澜沧断裂 150 NE NW 70~80 左旋 全新世 1952年孟连-澜沧交界6.5级地震、1984年4月
孟连6.4级地震、1995年7月中缅边境7.3级地震木戛-谦迈断裂 120 NW SW/NE 60~80 右旋走滑 全新世 1988年澜沧7.6级地震 澜沧-勐遮断裂 160 NW SW 60~80 右旋走滑 全新世 1988年11月6日澜沧-耿马7.6级地震的6.7级强余震
发生在断裂北段,现代小震活动频繁谦六断裂 92 SN W — 逆断 中更新世中晚期 — 平掌寨断裂 90 NS W/E — 正断层、逆断 前第四纪 近现代无地震记载 白马山断裂 35 NW SW — 正倾滑断裂 中更新世中期 断裂东侧现代有地震活动记载 酒房断裂 50 NNW NE 80 逆断 中更新世 断裂中段有中震记载 普文断裂 220 NNW — — — — 2014年12月7日普文断裂北西(隐伏)延长段上发生的
景谷6.6级地震是距今最近的一次强震肖塘断裂 100 SE W 45 逆断 前第四纪 现代有中强震记载 肖塘箐断裂 — NS W — 压扭左旋 第四纪 断裂中段东侧及南段现代有强震记载 麻栗坪断裂 40 NNW SW — 逆断 第四纪 断裂中段东侧现代有中强震记载,断裂南段有小震记载 李子箐断裂 40 NW SW — 逆断 第四纪 断裂南段近代有中强震记载 历史地震记载显示(国家地震局震害防御司,1995;中国地震局震害防御司,1999), 澜沧江断裂带地震活动较弱,无发生6级以上地震记载,仅在北段的云龙至凤庆、南段景洪电站左岸坝址区澜沧江断裂外带有少数5级多地震发生的记载。晚更新世以来,南汀河断裂活动强烈,现代地震活动具有南西段强而北东弱的特点。1941年耿马大寨7级地震产生了长5~6 km、宽0.1~0.2 km的地震破裂带,1988年11月在其东侧的汗母坝附近发生了7.2级大震。无量山断裂带是思茅—普洱地震区的主要活动构造,其西支普文断裂自1884年始有地震记载至今,共发生过10次6.0级以上地震。1942年2月在思茅西发生的6.8级强震对糯扎渡库区所在范围造成约Ⅵ度的破坏,2014年12月7日在普文断裂北西(隐伏)延长段上发生的景谷6.6级地震是距今最近的一次强震。木戛-谦迈断裂可能是1988年澜沧7.6级地震的发震断裂。
1.4 岩性与中强地震活动
糯扎渡水库影响区(包括左岸小黑江支库和右岸黑河、小黑江支库)出露地层主要为混合花岗岩,其次为左岸及大坝的火山凝灰岩、岩屑砂岩、砂岩等,普洱大河支库库段分布有岩溶中等发育的灰岩地层,澜沧江主库的库中尾段分布有砂岩、粉砂岩。蓄水前的历史地震统计显示,自有地震事件记载以来至2011年11月28日,糯扎渡水库影响区内发生了13次4.7级以上的地震,震级范围为4.7~6.4级,主要分布在澜沧江主库中段的窝托寨断层与澜沧江断裂带交汇区域、坝址东侧左岸小黑江支库的普洱大河库段及其以南归属于普洱-宁洱地震带的部分地区。距糯扎渡大坝最近的5级以上地震为1976年2月19日普洱市西南的5.8级地震,震中距大坝约18 km。库区内距库岸最近的5级以上地震为1976年普洱西南的5.7级地震(普洱大河库段)、1990年景谷西南的5.2级地震、1993年景谷5.3级地震(澜沧江主库区)和2007年6月3日宁洱6.4级强震及其强余震,这些地震震中位于澜沧江边和普洱大河江边1~3 km。蓄水后2011年11月29日至2021年12月31日糯扎渡水库影响区未发生M≥4.7地震。
2. 蓄水前、后水库影响区地震活动
2.1 地震活动背景与水位变化
糯扎渡水库影响区的地震活动背景是研究蓄水后水库地震活动的重要参考。根据云南省区域地震台网资料,主要考虑其长期连续稳定的运行,省内地震监控能力基本达到2.5级左右(秦嘉政等,2012),随着近年来台网监测台站密度的增加,其监控能力日益增强。地震资料显示蓄水前水库影响区内发生了531次地震,其中,0.8≤ML<1.0地震事件3次、1.0≤ML<2.0地震事件281次、2.0≤ML<3.0地震事件187次、3.0≤ML<4.0地震事件53次、4.0≤M<5.0地震事件5次、5.0≤M<6.0地震事件1次、6.0≤M<7.0地震事件1次,最小震级0.8级,最大震级6.4级,影响区内主要活动区域为普洱大河-小黑江支库段的尾段,2007年6月3日发生了宁洱6.4级强震及其强余震。澜沧江主库区和其他2个支库区均有不同程度的3级左右微小地震活动。2011年11月29日糯扎渡水库开始蓄水,蓄水后地震事件1 389次,最小震级0.4级,最大震级4.3级。蓄水后地震发生频次明显大于蓄水前,表明水库蓄水对库区活动断层和微构造存在较明显的影响。
在地震活动性统计分析中,最小完整性震级是重要参数之一,也是地震目录完整性的重要体现。本研究采用震级-频度分布FMD(Frequency Magnitude Distribution)方法(苏有锦等,2003),估计得到糯扎渡水库影响区2000—2021年地震监测资料的最小完整性震级MC=1.3,b值为0.760 8,相关系数为0.961 3,均方差为0.267 9。蓄水前糯扎渡水库影响区的最小完整性震级MC=1.7,b值为0.655 4,相关系数为0.955 7,均方差为0.202 5。蓄水前近88%的3级以上地震为2007年6月3日宁洱6.4级地震及其余震,其他少量3级地震主要发生在澜沧江主库中尾段及小黑江、黑河支库区。蓄水后糯扎渡水库影响区的最小完整性震级MC=1.3,b值为0.816 6,相关系数为0.991 3,均方差为0.023 3。蓄水后的b值大于蓄水前,一般认为水库诱发地震具有b值大于1或接近于1的特点(陈厚群等,2009;常廷改等,2018)。蓄水后的10个蓄水周期内,发生3.0~3.9级地震53次、4.0~4.3级地震9次。云南地震台网地震目录测定的糯扎渡水库影响区蓄水前、后G-R关系曲线如图3所示。
在区域构造应力作用下,2000年以来至蓄水前,糯扎渡水库影响区内3级左右的地震活动时有发生(图1(a)),尤其是2007年6月3日在普洱大河—小黑江支库区尾段的宁洱县境内发生了6.4级强烈地震,其后发生的1次5.1级地震和5次4级以上地震均为此次宁洱地震的强余震,震中位置均在水库影响区范围内。澜沧江主库尾段的帮东断裂、中段的窝拖寨断裂、库首区附近的平掌寨断裂和谦六断裂在区域构造应力作用下,各区段均有不同程度的3级左右微小地震活动。蓄水前的12年间发生了3级以上地震60次,80%的3级以上地震发生在宁洱震区,年平均发生5次地震。
2011年11月29日糯扎渡水库开始蓄水,第一阶段水位从610 m蓄至2012年12月的774 m,期间经历了2011年11月29日至2011年12月10日、2012年6月至2012年10月的水位较快速上升时段。第一时段水位平均日变幅达4.35 m,第二时段水位平均日变幅为0.71 m,其他时段水位多为平稳上升,平均日变幅<0.5 m,余下的平稳波动时段水位平均日变幅≤0.3 m。第二时段水位于2013年6月的774 m蓄至同年10月的812 m。2014—2021年水位以上半年旱季下降、下半年雨季上升、低位770 m左右、高位812 m左右周期性循环年变,仅2015年水位高位偏低(水位从2015年1月的805 m下降至7月的775 m后回升至12月的795 m)。最低水位出现在每年6、7月之间,最高水位出现在每年10、11月之间,糯扎渡水库蓄水过程和10年内高低水位年变幅度与规律如表2所示,由表2可知,水库正常运行以来,水位主要受气象降雨影响,在设计正常蓄水位范围内无明显的人为因素调制。
表 2 糯扎渡水库蓄水后水位年变幅度Table 2. Annual variation of water level after Nuozhadu hydropower station impoundment年份/年 极低位时间/(年-月-日) 极低位值/m 极高位时间/(年-月-日) 极高位值/m 变化幅度/m 2011 2011-11-29 610.33 2011-12-17 666.23 55.90 2012 2012-01-02 663.04 2012-12-31 774.69 111.65 2013 2013-03-16 771.27 2013-10-18 812.09 40.82 2014 2014-06-16 769.35 2014-10-24 812.34 42.99 2015 2015-07-01 770.05 2015-12-31 795.26 35.41 2016 2016-06-05 770.38 2016-11-01 812.31 41.93 2017 2017-07-04 770.03 2017-10-26 811.73 41.70 2018 2018-06-06 765.12 2018-10-30 811.93 46.81 2019 2019-06-19 765.40 2019-01-29 811.12 45.72 2020 2020-06-26 766.70 2020-12-03 811.61 44.91 2021 2021-07-05 774.97 2021-10-21 807.54 32.57 蓄水后的10年间糯扎渡水库影响区内发生了3级以上地震62次,年平均发生6次地震,高于蓄水前。蓄水后10年间水库影响区内地震活动情况如表3所示。由表2、表3可直观地看出糯扎渡水库影响区内最大地震主要发生在水位上升、水位处于高位或水位处于低位时期。2000—2021年糯扎渡水库影响区地震M-T及日频度、月频度、年频度与水位时序如图4所示。
表 3 蓄水后糯扎渡水库影响区内地震活动情况Table 3. Seismic activity after impoundment in Nuozhadu hydropower station adjacent region年份/年 频次/次 最小震级/级 3.0级以上地震
次数/次最大地震发震时间/
(年-月-日)震级/级 震源深度/km 距坝区距离/km 距库岸距离/km 震中参考位置 2012 189 1.0 12 2012-09-18 4.2 10 82.0 0.5 窝拖寨断裂 2013 176 1.1 12 2013-07-21 4.2 12 53.0 4.8 普洱大河支库附近 2014 183 1.0 6 2014-08-27 4.1 5 71.0 8.0 普洱大河支库尾段 2015 327 1.0 4 2015-12-08 4.0 7 6.2 2.0 黑河支库附近 2016 101 1.0 2 2016-11-06 3.8 5 75.0 5.0 普洱大河支库尾段 2017 97 1.0 4 2017-07-29 4.0 13 14.0 0.0 澜沧江主库段 2018 91 0.4 5 2018-08-28 3.8 5 76.0 5.0 普洱大河支库尾段 2019 77 0.4 7 2019-01-06 4.1 7 74.0 3.0 普洱大河支库尾段 2019-05-11 4.1 8 61.0 1.0 普洱大河支库附近 2020 64 0.7 2 2020-03-27 3.6 13 54.0 7.0 普洱大河支库附近 2021 81 0.4 8 2021-06-20 4.3 10 5.4 5.4 澜沧江主库附近 2.2 地震震源深度
糯扎渡水库影响区地震震源深度显示,蓄水前531次地震震源深度为10 km左右,震源深度为0~10 km的地震占比为86.82%。蓄水后地震震源深度主要为10 km左右,统计结果表明,震源深度为1~5 km的地震占比为23.4%,震源深度为6~10 km的地震占比为39.24%,震源深度为11~15 km的地震占比为21.67%,震源深度为16~34 km的地震占比为15.69%,可见震源深度为0~15 km的地震占比为84.31%,为浅源地震。蓄水前、后糯扎渡水库影响区内地震发震时间、强度、震源深度、水位时序关系等如图5所示。
2.3 地震距水库坝址的空间分布
以糯扎渡水库坝址为参考零点,蓄水前、后糯扎渡水库影响区内地震事件深度、强度与坝址距离的分布如图6所示。蓄水前,库坝区30 km范围内仅有1次M3~M4地震,即2008年7月28日发生在普洱市境内的3.2级地震,震源深度约6 km,震中距坝区约28.8 km。发生了M1.1~M3.2地震120次,占比约22.6%。其他区段的地震主要发生在宁洱、普洱、澜沧、景谷、临沧、双江等库段。影响区内发生了7次4级以上地震,主要为2007年6月3日发生在宁洱县境内的6.4级地震,震源深度约5 km,震中距坝区约79 km;其强余震震级为4.0~5.1级,震中距坝区72~80 km。
蓄水后,库坝区30 km范围内发生了26次M3.0以上地震。其中,库坝区10 km范围内发生了20次M3.0以上地震,包括2012年发生的3次地震、2013年发生的1次地震、2014年发生的3次地震、2015年的发生3次地震、2017年发生的1次地震、2018年发生的1次地震、2019年发生的1次地震和2021年发生的7次地震。库坝区10 km范围内发生了291次M1.0~4.3地震,占比约20.95%,其中,4级以上地震为2次,包括2015年12月8日发生在普洱市境内的4.0级地震(震源深度约7 km,震中距坝区约6.2 km)和2021年6月20日发生在澜沧县境内的4.3级地震(震源深度约10 km,震中距坝区约5.4 km)。普洱大河支库中尾段地震活跃,发生了5次4级以上地震,震中距库坝区50~75 km。黑河支库近库坝区发生了1次4级以上地震,震中距库坝区约7.5 km,且发生了10次M3.0~M3.9地震,震中距库坝区小于15 km。澜沧江主库距库坝区30 km的库段上地震相对活跃,发生了2次4级以上地震,震中距库坝区4~13 km。小黑江支库段地震活跃程度相对较低,有少量2级左右地震活动。澜沧江主库中段窝拖寨断裂与澜沧江断裂带交汇处地震活跃,蓄水初期即发生了4级以上地震,即2012年9月18日景谷县与双江县交界的澜沧江主库窝拖寨断裂上发生的M4.2地震,震源深度10 km,距库坝区约82 km,距库岸约0.5 km,前后发生了13次M3.0~M3.9地震。曹颖等(2015)采用双差相对定位方法对该震群进行了重新定位,定位后显示震群发生在窝拖寨断裂上,该断裂历史上曾发生过5.3级地震。因此分析认为,该震群的发生时间虽与水位相关,但可能是触发了构造地震,所以震源深度显现的是构造活动特征。
空间上地震主要活动于库坝区附近、普洱大河-小黑江支库、澜沧江主库区中段窝拖寨断层区及库尾段,时间上蓄水初期地震主要发生在水位急速上升阶段,2013年后地震主要发生在库水位上升、下降阶段或低水位时段,水库有感地震和强有感地震多发生在水位下降或上升过程中。2012—2021年的10个水位变化周期与地震活动强度、频度变化密切相关,且无明显衰减迹象。糯扎渡水库影响区蓄水后的地震活动图像与罗建伟等(2020)分析溪洛渡水库影响区蓄水后的地震活动图像类似。
3. 震源参数
3.1 地震应力降
应力降是表征地震瞬间错动时位错面上的应力变化,即震前应力与震后剩余应力之差。笔者利用云南区域地震台网数字化波形数据,采用布伦模式(Brune,1970)计算糯扎渡水库影响区内蓄水前、后ML3.0以上地震震源参数。蓄水前ML≥3.0地震有57次,M为3.0~6.4,应力降为0.10~18.73 MPa。蓄水后ML≥3.0地震有51次,M为3.0~4.2,应力降为0.05~1.70 MPa。2007年6月3日云南宁洱6.4级地震应力降为18.73 MPa。M为3.0~4.5时,蓄水前震级M与应力降
$ \Delta \mathrm{\sigma } $ 线性回归关系式为$ \mathrm{lg}\left(\Delta \mathrm{\sigma }\right)= 0.7871 M-3.1040 $ ,蓄水后震级M与应力降$ \Delta \mathrm{\sigma } $ 线性回归关系式为$ \mathrm{lg}\left(\Delta \mathrm{\sigma }\right)=0.7531 M-3.1437 $ 。糯扎渡水库影响区蓄水前、后3.0级以上地震应力降与震级关系如图7所示,图中黑色十字表示蓄水前,红色空心圆表示蓄水后(余同)。由图7可知,蓄水前地震应力降普遍大于蓄水后相应震级的地震应力降,此结果与华卫等(2012)在广西龙滩水库观测的地震震源参数研究结果相似。3.2 拐角频率
拐角频率为地震波频谱中高频与低频渐近线交点处的频率,主要反映地震波高低频能量的分布特征,既与震源区应力状态有关,又与发震过程相关。拐角频率与地震波速度成正比,与破裂半径成反比。在地震活动区域相近、地震波传播路径相似、观测场地观测仪器相同的情况下,蓄水前、后相同量级的地震拐角频率存在系统性差异,表明蓄水前、后地震震源的应力环境发生了某种变化,此种变化可能与水库区的水荷载和水的渗透作用有着最直接的关联。M为3.0~4.5时,蓄水后的地震波谱拐角频率明显低于蓄水前的相应震级地震波谱拐角频率。蓄水前震级M与地震波谱拐角频率f0线性回归关系式为
$ {f}_{0}=-0.6264 M+4.4617 $ ,蓄水后震级M与地震波谱拐角频率f0线性回归关系式为$ {f}_{0}=-0.5459 M+3.8104 $ 。糯扎渡水库影响区蓄水前、后3.0级以上地震震级与地震波谱拐角频率的关系如图8所示,由图8可知,相同震级情况下蓄水前的地震波谱拐角频率大于蓄水后相应震级地震波谱拐角频率,蓄水后震源在库水的渗透作用下使地震的破裂半径有所扩展。4. 讨论
糯扎渡水电站位于澜沧江断裂带南段起始段,在靠近大坝的澜沧江断裂带在雅口以北撒开的4条北西向次级断裂之一的谦六断裂上有断层泥样最晚活动年龄为15万年前,为中更新世中、晚期,但依据现代仪测地震记录,在右岸小黑江至曼海的窝拖寨断裂切过的澜沧江干流库段水库影响区内和大坝东侧普洱宁洱地震区的普文断裂的次级断裂(李子箐断裂、肖塘断裂、麻栗坪断裂和肖塘箐断裂)上发生过一系列5.0~5.8级地震,在左岸澜沧江断裂带撒开的横切左岸小黑江支库的酒房断裂中段也发生过中等强度地震,其复活明显与普文断裂的次级断裂活动相关,如果水库水位变动诱发澜沧江断裂带上的构造地震,在已发生水库诱发构造地震的双江—景谷区域和坝址附近普洱翠云一带极端情况下,可能会发生M≤5.0水库诱发构造地震。
在忙怕河口以北的糯扎渡澜沧江干流库区和右岸黑河支库雅口以西沿江两岸广泛分布混合花岗岩,根据李志祥等(2008)对我国高坝大库水库诱发地震震例统计特征的分析研究,花岗岩为易震岩性,诱发地震震级大,且花岗岩地区既能发生快速响应型水库诱发地震,又能发生滞后响应型水库诱发地震,最大地震发生时间与蓄水时间间隔偏长,最短为1年,一般为2~6年,10年以后发生最大地震的地区多集中在该岩性地区。糯扎渡库区区域上应力以压性为主,而压性(压扭)应力环境下较多发生快速响应型水库诱发地震,也易发生滞后响应型水库诱发地震,且滞后响应型水库诱发地震最大地震发生时间与蓄水时间间隔可以分布在5~15年的任何时间。
5. 结论
(1)糯扎渡水库影响区及附近区域活断层密集,构造环境复杂且存在应力水平较高区域,蓄水前库区地震活动强度较高。
(2)伴随蓄水量的增加,微小地震活动频度和强度逐渐增强,显示出蓄水对库区内断层上应力分布具有明显的扰动作用。
(3)蓄水后水库坝区附近和澜沧江库区中段窝拖寨断层区的地震活动频度、强度有所增强,普洱大河库段地震活动强度则低于区域背景地震,但微小地震活动的频度有所上升,且与库水位的周期性变化有一定相关性。地震活动的空间位置与库区内复杂的构造断层密切相关。
(4)蓄水后地震活动的空间位置与库区内复杂的构造断层密切相关。在区域构造应力和库区水加、卸载的共同作用下,构成了糯扎渡水库影响区微小地震时间、空间、强度的活动图像。未来区内地震活动仍将受到区域构造应力影响和水位变化及水的渗透作用影响,其地震活动强度可能达到5.0级左右。
致谢 本研究所用地震目录和水位资料得到云南省地震台网和华能澜沧江水电公司的支持,在此表示衷心感谢。
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表 1 糯扎渡库区及邻近地区主要断裂活动特征
Table 1. Major faults activity characteristics of Nuozhadu hydropower station and affected area
断裂名称 断裂长度/km 产状 断裂性质 最新活动年代 地震活动 走向 倾向 倾角/(°) 澜沧江断裂 800 NNW SE 近直立,
微向西倾右旋走滑 10万年以内 永平、鲁史附近发生过5.5级地震 南汀河断裂 210 NE — 40~50 左旋走滑压扭 第四纪 1941年耿马大寨7级地震、1988年11月7.2级地震 营盘山断裂 140 NS SE 60 — 更新世 第四纪以来活动减弱 邦东断裂 50 NW NE 40~70 左旋,北为正断,
南为逆断10万年以内 历史上发生过多次中震 窝拖寨断裂 26.5 NE NW — 左旋 全新世 现代有多次中震记载 漫罗断裂 38 NE — — 平移断层 — — 孟连-澜沧断裂 150 NE NW 70~80 左旋 全新世 1952年孟连-澜沧交界6.5级地震、1984年4月
孟连6.4级地震、1995年7月中缅边境7.3级地震木戛-谦迈断裂 120 NW SW/NE 60~80 右旋走滑 全新世 1988年澜沧7.6级地震 澜沧-勐遮断裂 160 NW SW 60~80 右旋走滑 全新世 1988年11月6日澜沧-耿马7.6级地震的6.7级强余震
发生在断裂北段,现代小震活动频繁谦六断裂 92 SN W — 逆断 中更新世中晚期 — 平掌寨断裂 90 NS W/E — 正断层、逆断 前第四纪 近现代无地震记载 白马山断裂 35 NW SW — 正倾滑断裂 中更新世中期 断裂东侧现代有地震活动记载 酒房断裂 50 NNW NE 80 逆断 中更新世 断裂中段有中震记载 普文断裂 220 NNW — — — — 2014年12月7日普文断裂北西(隐伏)延长段上发生的
景谷6.6级地震是距今最近的一次强震肖塘断裂 100 SE W 45 逆断 前第四纪 现代有中强震记载 肖塘箐断裂 — NS W — 压扭左旋 第四纪 断裂中段东侧及南段现代有强震记载 麻栗坪断裂 40 NNW SW — 逆断 第四纪 断裂中段东侧现代有中强震记载,断裂南段有小震记载 李子箐断裂 40 NW SW — 逆断 第四纪 断裂南段近代有中强震记载 表 2 糯扎渡水库蓄水后水位年变幅度
Table 2. Annual variation of water level after Nuozhadu hydropower station impoundment
年份/年 极低位时间/(年-月-日) 极低位值/m 极高位时间/(年-月-日) 极高位值/m 变化幅度/m 2011 2011-11-29 610.33 2011-12-17 666.23 55.90 2012 2012-01-02 663.04 2012-12-31 774.69 111.65 2013 2013-03-16 771.27 2013-10-18 812.09 40.82 2014 2014-06-16 769.35 2014-10-24 812.34 42.99 2015 2015-07-01 770.05 2015-12-31 795.26 35.41 2016 2016-06-05 770.38 2016-11-01 812.31 41.93 2017 2017-07-04 770.03 2017-10-26 811.73 41.70 2018 2018-06-06 765.12 2018-10-30 811.93 46.81 2019 2019-06-19 765.40 2019-01-29 811.12 45.72 2020 2020-06-26 766.70 2020-12-03 811.61 44.91 2021 2021-07-05 774.97 2021-10-21 807.54 32.57 表 3 蓄水后糯扎渡水库影响区内地震活动情况
Table 3. Seismic activity after impoundment in Nuozhadu hydropower station adjacent region
年份/年 频次/次 最小震级/级 3.0级以上地震
次数/次最大地震发震时间/
(年-月-日)震级/级 震源深度/km 距坝区距离/km 距库岸距离/km 震中参考位置 2012 189 1.0 12 2012-09-18 4.2 10 82.0 0.5 窝拖寨断裂 2013 176 1.1 12 2013-07-21 4.2 12 53.0 4.8 普洱大河支库附近 2014 183 1.0 6 2014-08-27 4.1 5 71.0 8.0 普洱大河支库尾段 2015 327 1.0 4 2015-12-08 4.0 7 6.2 2.0 黑河支库附近 2016 101 1.0 2 2016-11-06 3.8 5 75.0 5.0 普洱大河支库尾段 2017 97 1.0 4 2017-07-29 4.0 13 14.0 0.0 澜沧江主库段 2018 91 0.4 5 2018-08-28 3.8 5 76.0 5.0 普洱大河支库尾段 2019 77 0.4 7 2019-01-06 4.1 7 74.0 3.0 普洱大河支库尾段 2019-05-11 4.1 8 61.0 1.0 普洱大河支库附近 2020 64 0.7 2 2020-03-27 3.6 13 54.0 7.0 普洱大河支库附近 2021 81 0.4 8 2021-06-20 4.3 10 5.4 5.4 澜沧江主库附近 -
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