孔梁水库位于重庆市巫溪县大宁河支流茶登河次级支流小溪河上,距离巫溪县城直线距离约26 km。它是利用天然山体通过岩溶地下暗河堵头形成的。水库正常蓄水位592 m,总库容5 747×10⁴ m³,最大水深154 m,是一座集防洪、灌溉、人畜饮水、发电、养殖、旅游、航运于一体的中型水利工程。工程于2001年开挖施工,2003年底试蓄水,2004年10月正式蓄水,2005年7月初开始发电并投入商业试运行,目前已经发挥出显著的社会经济效益。由于小溪河全长仅有42 km,水库上游流域面积58.8 km²,使水库来水量受到严重的限制。为了更好地发挥水库效能,有关部门还计划增加坝高30 m,将茶登河上游水源通过隧洞引水入库,使水库正常蓄水位提高到615 m,库容扩大到7 700×10⁴ m³,最大水深达到177 m。然而水库在蓄水试运行过程中,2004年6月当水位达510 m 时,当地居民开始感觉不断有轻微地震发生,2004年9月重庆市地震局派出技术人员到现场监测,判定为水库地震,从而引起了各级领导和主管部门的高度重视。有关部门多次调查分析和会商震情震害,建立救灾预案,以确保孔梁水库工程建筑物和当地百姓生命财产的安全。

由于孔梁水库建设勘察工作的局限,有关部门前期未能就水库诱发地震问题做专题论证。笔者在分析区域地震地质背景和地震特征的基础上,对水库发震机理及可能产生的后果与危害作了初步探讨,为进一步开展水库地震的监测研究和防震减灾工作奠定基础。

孔梁水库区域大地构造属扬子准地台北缘南大巴山台缘凹陷区,其北紧邻秦岭地槽褶皱系北大巴山冒地槽褶皱带,两者以青峰(城口—钟宝)断裂为界。南大巴山台缘凹陷界于阳日断裂和青峰断裂之间,是大巴山推覆构造前缘叠瓦状断皱带部分,由倾向北东的紧闭褶皱和逆冲断层组成,总体向南呈弧形凸出。北部由震旦系至下三叠统的紧密线状褶皱及走向逆断层组成,变形强烈,褶皱轴面和逆断层面多向北倾,褶皱密集,向南倒转,断层呈叠瓦状密集排列。中部为3个复向斜组成不完整的复向斜带,并受青峰断裂带的改造。南部为一东西向复背斜。构造作用由北向南逐渐减弱,褶皱由紧闭逐渐开阔,轴向由倾斜逐渐直立,逆冲断层规模逐渐减小至不发育。

该区由前震旦纪中、深变质岩褶皱带组成基底,沉积盖层发育,厚度近7 000 m。在震旦纪—中三叠世地台盖层沉积期间,发生了多次构造运动。该区经受印支运动地壳回返形成一系列东西向褶皱和断裂,之后长期处于隆起稳定阶段并有快速间歇性上升,局部形成了自第三纪上新世以来发育的剥蚀夷平面和深切峡谷地貌。第四纪全新世地壳处于相对稳定阶段,属地台型稳定区。

区域布格重力异常资料显示,本区重力场均为负值,其值约为(-110～-120)×10^-5 m/s²。异常变化比较平缓,异常等值线走向为NW向,表现为幔坡缓倾区,莫霍面由南向北加深,深度在40 km 左右。区内重力实测获得的试验均衡异常水平低于区域布格重力异常水平,表明本区地壳基本处于均衡状态。

航磁异常处于巫溪—秭归—宜昌正异常区的西部,长轴走向为NNW,显示其磁性块体以NNW 向为主。巫溪一带磁异常变化呈现平缓的正异常区,是结晶基底隆起的反映。隆起区以巫溪为中心,长轴为NW走向,并远离磁异常正、负突变带,表明深部基底隆起比较均匀,基底断裂不发育。

根据区域地质、重力、航磁以及地震波测深剖面资料综合分析,巫溪地区地壳厚度在40 km左右,成层性明显,可分为上、中、下三层。上地壳底面埋深约16 km,包括结晶基底和上覆沉积盖层。盖层因岩性不一,波速变化于4.6～5.77 km/s之间,厚度约为7 km; 结晶基底平均波速为6.13 km/s,推测以花岗岩为主。中地壳底面埋深约28 km,平均波速为6.25 km/s,推测为闪长岩质。下地壳底面(M面)埋深为40～42 km,平均波速为6.70 km/s,推测为玄武岩质。

盖层受秦岭褶皱带强烈向南的逆冲推覆作用,形成扬子准地台北缘的薄皮冲断变形(何建坤等,1997),其地质特征如图1所示。

图1 孔梁水库区域地质略图
Fig.1 Regional, geological sketch of Kongliang reservoir area

历史上沿断裂曾发生过5.0级地震。对断层泥进行电镜扫描断代,结果表明中更新世时,断裂活动明显。由断裂带石英脉电子自旋共振(ESR)测年,测得11个石英脉的年龄集中在3个年龄段,即240～230 Ma,165～130 Ma,70～60 Ma。其中7个样品的年龄集中在165～130 Ma,2个样品的年龄在70～60 Ma,由此推断断裂带活动于中晚侏罗世,为其构造变形最强烈时期,而喜山早期(K₂末)曾活动过。对断裂带内最新断面的断层泥及断层带内物质进行的ESR测年结果表明,其年龄在(13.3±2.2)×10⁴～(64.6±5.8)×10⁴ a B.P.,其中主干断裂测年结果为(13.3±4.4)×10⁴～(32.4±5.0)×10⁴ a B.P.,上覆第四系堆积体热释光(TL)测年结果为(1.76±0.13)×10⁴～(7.54±0.56)×10⁴ a B.P.,表明青峰断裂自晚更新世以来没有活动过(徐亚军等,2005)。

巫溪活动断裂属北大巴山推覆构造带的前缘边界断裂。断裂长130 km以上,向南凸出呈弧形,走向由近EW向转为NWW向,断裂面倾向北,具逆冲断裂性质。断裂挤压破碎带最大宽度可达1 km左右(在巫溪县城可见),以压碎岩为主,显示出强烈挤压逆冲力学特征。在断裂挤压破碎带取方解石样做热释光(TL)测定,其绝对年龄为(9.54±1.72)×10⁴ a B.P.,属晚更新世活动断裂(丁仁杰,李克昌,2004)。

巫溪断裂至孔梁水库坝址区直线距离约5 km,库区与断裂没有直接联系。该断裂沿线有多次4.0～4.4级现代和历史地震发生,是发生中等地震的断裂。这些地震的震中主要位于断裂两端的巫溪县城和麻柳、凤凰附近,距离孔梁水库20 km以上,对库区的影响烈度在Ⅳ度以下。

水库诱发地震的预测和评价,既与构造地震的机理研究和预报紧密相关,又有自身的特殊规律,目前国内外均处于探索阶段。人们对于诱发地震的机理和发生发展过程尚未能从本质上得到肯定的认识。判断水库诱发地震的可能性,特别是预测发震地点和强度,现阶段主要还是依据地震地质背景,从已有的水库诱发地震的震例中归纳出某些共同特点,进行类比分析,作出粗略的估计。

综合库区岩性、地质构造、地形地貌及岩溶水文地质等条件,结合水库地震的概率预测,笔者认为孔梁水库具有诱发地震的条件和可能性。诱发地震类型主要为岩溶陷落型地震和裂隙(层面)错动型地震。

笔者根据多种诱震预测评价方法计算成果和各种诱震因素分析,判断孔梁水库诱发地震的最大震级为4级,震中烈度为Ⅵ度,对应的地震动峰值加速度为0.05 g,仍在水库初期设计确定的烈度范围内。诱发地震产生的超载较小,不会对水库建筑物产生破坏性的影响。水库诱发地震也不会给当地居民区构成严重威胁。但由于库区周边为贫困山区,农民住房质量较差,多为土坯茅草房,承受地震的能力极弱,若地震发生可能会引起重物坠落,房屋倒塌,给居民的生命财产造成不同程度的伤害。

分析表明水库蓄水位加高20 m后,对库区诱震条件和地震强度没有根本性改变,仍保持现有状况(表2,3)。因此,在水库运行一段时间后,可以视水库地震活动水平的减弱,实施加坝扩库的后续工程。

针对孔梁水库诱发地震的现状,有必要进一步开展地震监测等研究工作。