羊头铺库区位于扬子准地台上扬子台褶带黔江拱褶断束,其北西侧以巫山—金佛山基底断裂为界,与四川台坳川东褶皱束相接。区域构造以宽缓背斜、向斜或箱状复式背斜及伴生断裂为特征^②。水库区大部分处在郁江背斜西翼,并涉及到普子复向斜东翼部分。

羊头铺库区及外围出露的断裂主要为郁山断裂带,其次为大堰塘断裂及其它规模较小的断层。主要断裂概况如图1、表1所示,这些断裂均属早、中更新世断裂,晚更新世以来没有活动的迹象。

表1 羊头铺水库近场区内主要断裂概况
Tab.1 Main faults in the near-field region of Yangtoupu reservoir

图1 羊头铺水库区地震构造图
Fig.1 Seismotectonic map of the Yangtoupu reservoir region

羊头铺水库占据着南西流向的郁江下游普家坝至羊头铺河段,长约15.5 km,郁江河谷及其两侧的地形地貌有一定差异(图2)。整个库区段发育较典型的山区曲流河河谷地貌,由北向南大致可分为两段。

图2 羊头铺水库近场区卫星地貌影像图(■:坝址)
Fig.2 Satellite landform image of the near-field region of Yangtoupu reservoir(■:Dam)

水库诱发地震是复杂的科学问题,目前还处在探索阶段。根据陈蜀俊等(2005)的研究成果,水库诱发地震的类型可分为构造型、岩溶型和应力局部调整型3类,但这3类水库诱发地震又各具不同的发震条件。因此,从已发地震经验类比总结出来的发震条件是分析判断水库是否会诱发地震的基础。

库区岩性条件对库水向地下渗透起着重要作用。在我国已发生的27例水库地震中,发生在碳酸盐岩地层中的地震有18例,占66%,发生在花岗岩类岩石中的地震有5例,约占18%(杨清源,1996; 叶支权等,2010)。因此,岩性条件是产生水库诱发地震的直接要素,同时也是讨论水库诱发地震的重要依据。

纵观羊头铺水库的地震地质条件:

(1)库区南段长约4.5～5.0 km,主要由倾向北西的中寒武统和下奥陶统次生灰岩、泥质灰岩、泥质白云岩和生物碎屑灰岩组成。这类地层绝大部分具有可溶性,沿层面和裂隙岩溶地貌发育。虽然在水库左岸的保家楼3大岩溶系统中,发育有一系列溶洞、溶泉、落水洞、竖井和暗河等,但它们的出露高程大都高于正常库水位247 m,因此对库区的渗漏作用不大。而零星出露在河库或河库边坡的岩溶、落水洞,虽然流量不大,且随季节变化,但可能导致有利于库水渗漏的条件。

库区北段主要由中、下志留统页岩、粉砂岩组成,构成区域性隔水层。部分为中、下奥陶统和中寒武统灰岩、泥质灰岩、生物碎屑灰岩夹页岩,形成可溶性碳酸盐岩与非可溶性碎屑岩的复式组合,构成局部较少地下水通道。由于透水的碳酸盐岩上覆盖着厚度约500 m的隔水层碎屑岩,并构成河床浅部主要基岩,蓄水后,地下水向库区渗漏的可能性较小。

(2)郁山断裂带几乎纵贯库区,从图1上可以看出,该断裂带的走向呈不规则状,有些段落穿过了库区,而有些段落偏离了库区,若以库区为一个整体,该断裂一共切割库区5～6个断裂段落。断裂

图3 羊头铺水库区碳酸盐岩透水层与碎屑岩隔水层分布图
Fig.3 Distribution map of the carbonate permeable layer and clastic rock impermeable layer in Yangtoupu reservoir region

该断裂带的渗透系数为2.7×10^-3～8.3×10^-4 cm·s^-1,属中等透水体。断裂带内存在地下水位略高于水库正常水位的地下分水岭,库水有可能通过断裂带向下渗漏,为诱发地震提供了水体的主要渗透条件。

(3)从较大范围看,库区现今受NW-SE向构造应力场控制。在此应力场作用下,NE向的郁山断裂带有可能产生挤压变形,亦或左旋活动,易于断裂带的闭合,而不利于库水的渗透作用。

从库区外围有限的数据可见,包括库区在内的广大地段地应力τ₀值为50 Pa,垂直应力σ_v随深度增加而迅速减小,库区处于相对较低的地应力背景环境。依据羊头铺水库蓄水后三维数值模拟计算的结果,羊头铺库首区库水荷载约为0.07 MPa,量值微小,但在郁山断裂带的较深部位,出现相对应力集中区。

综上所述,羊头铺水库库区不存在活动断裂,不存在发生构造型水库地震的可能。但水库蓄水后诱发岩溶型水库地震的可能性较大,主要集中在碳酸盐岩大面积分布、岩溶管道发育的库段。由于库区岸坡、沟谷地形相对高差较大,以及库区碳酸盐岩分布特点,岩层中3～4组结构面易因库水渗透作用抗剪强度降低,故有发生应力局部调整型水库地震的可能性。

该方法根据对已发震水库资料的分析,总结归纳出诱发地震的主要条件。这些条件在拟建水库中越齐备越典型,该水库诱发地震的可能性就越大(张秋文等,2005)。

通过与水库规模、地震地质条件等相近的四川铜街子、云南鲁布革、湖北前进、湖南黄石以及南冲等已发震水库进行对比后发现,羊头铺水库库区地层以灰岩和白云岩为主,属于诱震的有利条件。但含水层地下水循环主要局限在浅部,未达到地壳深处,因此水对地壳中应力应变的影响仅限于浅部。库坝区发育有郁山断裂以及其它多条规模较小的压扭性和张扭性次级断层,但均不属于活动断层,断裂的渗透能力较弱,不大可能积累较大的应力应变。这两方面的因素大大制约了该水库的诱震能力。因此判定该水库发生构造型水库诱发地震的可能性较小。但在水库南段有发生岩溶型水库诱发地震的可能。

该方法是美国Packer(1979)和Beacher(1979)提出来的,其立意是在概率意义上对一个新建水库的诱发地震危险性进行预测。从现有较大水库的可能与诱发地震有密切关系的因素进行统计分析。

水库诱发地震受多种因素的影响,一般把水库诱发地震过程看成一个多因素函数,将影响因

素看作随机因素,比较真实全面地获得水库诱震总体组合环境和诱发地震活动特点的资料,再通过概率统计等数学模型来计算和处理,就可以得到条件和结果之间的函数关系(张琦伟等,2005; 张林洪等,2004)。

结合秦嘉政等(2009)、王秋良等(2009)的研究,针对羊头铺水库的主要影响因素,选用库水深度(D)、库区岩性条件(G)、区域应力状态(S)、断层活动性(F)、岩溶发育程度(K)、与库水沟通关系(C)和地震活动背景(E)7个诱震因子进行震级概率预测计算(表2)。

根据贝叶斯条件概率理论,预测水库诱发地震的统计模型可表达为:

P(Mi/D,G,S,F,K,C,E)=

(P(Mi)P(D,G,S,F,K,C,E/Mi))/(∑⁴_i=0P(Mi)P(D,G,S,F,K,C,E/Mi)).(1)

在统计样本中,认为各诱震因子是相互独立的。(1)式中:P(Mi)为不同震级地震类别的先验概率。根据国内外46座发震的大型水库,205座未发震的大型水库资料统计的发震概率,发生强震、中强震、弱震、微震和不发震的先验概率分别为:P(M4)=0.02; P(M3)=0.04; P(M2)=0.05; P(M1)=0.07; P(M0)=0.82。

P(D,G,S,F,K,H,C,E/Mi)为各影响因素组合条件下不同震级的条件概率(表3)。

利用MATLAB软件,计算得出库区南段和北段分属5个发震震级的概率,取其中概率值最大者,即认为预测的可能发震强度(表4)。

表2 水库诱发地震影响因素及其状态
Tab.2 Influence factors and the state of the reservoir-induced earthquake

表3 诱震因子不同状态发震先验概率统计表
Tab.3 Statistical table of earthquake prior probability for the induced-earthquake factors under different states

表4 诱震因子状态及统计模型预测结果
Tab.4 The state of the induced earthquake factors and prediction results of the statistical models

由计算结果可知,水库南段岩性主要以灰岩、泥质白云岩等碳酸盐岩类为主,岩体喀斯特化程度较高,且岩溶管道发育,发生1～3级地震的概率约为0.19。而库区北段不发震的比例较高,约为0.97,有发生M1.0地震的可能性,发震概率为0.03。