新豐江庫區晚期地震活動與庫水位關系研究

劉 錦，陳大慶，譚爭光，陳貴美

（廣東省地震局，廣州 510070）

0 引言

庫水的載荷和滲透作用在水庫誘發地震中起著非常重要的作用，水庫地震緣于流體滲透以及外加載荷的共同作用。廣東新豐江水庫區在1962年發生6.1 級地震后至今仍然是小震活動不斷，2023年以來水庫區接連發生4級左右地震，引起較為廣泛的社會關注。關于新豐江水庫區域的地震活動前人從不同角度做了很多的研究工作，丁原章［1-3］對新豐江水庫誘發地震的構造條件、庫區地震活動、地殼形變等做了詳細研究；于海英［4］利用新豐江水庫的近場地面運動資料研究了水庫地震的地震動特征；王小娜等［5］利用新豐江水庫周圍14個臺站記錄的Pg 波、Sg 波震相數據研究庫區波速比變化特征。隨著數字化地震觀測技術的誕生和應用，進一步推進了水庫地震的研究深度。藏紹先等［6］通過對新豐江水庫地震活動過程系列特征的研究，結合庫區斷層滲透結構特征，提出庫區地震主要成因為庫水滲透。郭貴安等［7］通過研究庫區小震震源機制解，指出因滲水新豐江原有北西向構造面上的抗剪強度弱化，快速蓄水在庫區地殼內積累了較大能量，引發6.1 級主震以及一系列前震。

通常在水庫蓄水的前期，庫水位的變化和地震活動關系密切［5］。新豐江水庫自從1959 年10 月下閘蓄水，1962 年3 月19 日發生6.1 級地震后的1962—1964 年為新豐江水庫主要釋放階段，該階段水庫水位與地震活動的強弱，有較好的關系。水位快速升降后，通常都可以觸發出一些強度較大的地震，特別是水位上升階段，隨著水位的不斷升高，地震的強度也逐漸增大。1965—1969 年為余震釋放階段，該階段水庫水位的升降與所發生地震的強度顯然無關。1967 年的2 次4 級地震既未發生在高水位，也未發生在水位快速上升的時段。1970 年至今，新豐江水庫的地震活動進入了晚期余震釋放階段。特別是2012 年以來，之前地震較少的錫場和魚坑等地接連發生了多次4～5 級地震，意味著新豐江地區的地震活動出現了新的變化特征。

為深入分析新豐江水庫水位變化與地震活動的關系，本文統計了1980 年以來新豐江庫區3 級以上地震和0.2 級以上地震頻次變化與庫水位及變化速率的關系。研究結果既有助于理解注水誘發地震的機制，也可為水庫區域的震情跟蹤提供參考。

1 研究區域與數據選取

河源地區的新豐江水庫主要座落在燕山期花崗巖體上，巖體侵入到古生界和中生界沉積巖系中，巖體東側與晚白堊紀—第三紀斷陷盆地斷層接觸，呈NEE 向延伸，長達數百公里，受到多條不同走向的斷裂切割，NE—NNE 向斷裂是地表最醒目的斷裂構造，規模較大的有河源斷裂和人字石斷裂。NEE 向斷裂雖然在地表未形成規模巨大的斷裂，但通過航空磁測和區域重力資料研究，在地殼中下層，NEE向構造則屬本區的最主要構造，如南山—坳頭構造帶和凹背—上圍斷裂帶（圖1）。

圖1 新豐江地區斷裂和地震分布圖Fig.1 Distribution map of faults and earthquakes in Xinfengjiang area

數據來自廣東省地震監測臺網1980 年以來地震目錄，研究區域選取北緯23.6°～24.0°，東經114.3°～114.8°。

2 大壩水位與地震活動關系研究

2.1 庫水位以及庫水位變化速率和3 級以上地震的關系

1980 年1 月1 日至2023 年3 月9 日新豐江水 庫區域共發生52 次3 級以上地震（包含余震），其中4級以上地震13次，M-T圖（圖2）顯示新豐江地區地震呈成組活動特征，地震活動相對較弱時期為1986—1997 年，2001—2011 年，2016—2019 年。表1中列出了13次4級以上地震的發震時間、震級以及發震當天庫水位的高程。從中可以看出，2000 年之前的4 級以上地震都發生在104 m 以下（圖3）水位相對較低的時間段。而2012 年之后4 級以上地震都發生在104 m 水位以上，水位相對較高的時間段。這種差異可能和兩個時間段發震的位置不同有關，2000年之前的4級地震都是發生在大壩附近的區域，該區域自1962年6.1級地震以來中小地震活動不斷，而2012 年之后4 級地震多發生在庫中的魚坑、庫尾的錫場以前地震并不多的區域。圖4為地震震級和庫水位高度的關系，陰影部分表示4 級以上地震，對應的庫水位在110 m 之下，統計表明地震震級和庫水位高度有一定程度的負相關性。

表1 M≥4地震震級和庫水位高程統計表Table 1 Statistical table of magnitude and reservoir waterlevel elevation for earthquakes with M≥4

圖2 新豐江地區1980年以來3級以上地震M-T圖Fig.2 M-T diagram of earthquakes with M≥3 in Xinfengjiang area since 1980

圖3 1980年以來新豐江地區3級以上地震和庫水位高程的關系Fig.3 Relationship between earthquakes with M≥3 and reservoir water level elevation in Xinfengjiang area since 1980

圖4 庫水位和地震震級的關系Fig.4 Relationship between reservoir water level elevation and earthquake magnitude

庫水位的快速變化有可能引起地震的發生［5］，本文進一步研究了新豐江庫區3級以上地震前庫水位變化的特征。圖5 展示了4 級以上地震（不包含余震）前10天庫水位的日變化曲線。從中可以看到10 次地震中有7 次發生在水位卸載區間，只有3 次發生在加載區間，并且震前10 天這種變化是持續的，在臨震的前幾天都幾乎未見水位變化速率的提升。圖6 為1980 年以來52 次3 級以上地震前10天和前30 天庫水位變化幅度。其中20 次3.5 級以上地震（陰影部分）中有14 次發生在水位卸載區間占70%，只有4 次發生在水位加載區間，另外有2次庫水位幾乎沒有變化。說明水位卸載時間段是相對高震級地震的優勢時間段。

圖5 1980年以來M＞4地震震前10天水位的日變化Fig.5 Daily variation of water level in 10 days before earthquakes with M＞4 since 1980

圖6 庫水位變化幅度和地震震級的關系Fig.6 Relationship between variation amplitude of reservoir water level and earthquake magnitude

2.2 庫水位和小震活動的關系

新豐江水庫蓄水至今中小地震不斷，新豐江庫區臺網較為密集，根據相關文獻［5，8］地震最小完備震級可達MC=0.2。圖7 中統計了1980 年以來新豐江庫區10日地震累積0.2級以上地震頻次和庫水位的關系。10 日地震累積頻次高于40 次的共計有46 次，其中有41 次發生在水位103 m 以上，占比89.1%，而水位在此區間的時間占比為66.3%。說明高水位更容易引起小震頻度的增加。

圖7 庫水位和10天M≥0.2地震累積頻次的關系Fig.7 Relationship between reservoir water level elevation and the cumulative frequency of earthquakes with M≥0.2 in 10 days

2.3 庫水位和小震平靜的關系

新豐江庫區經常會出現連續多天小震活動平靜，本文統計了1980 年以來新豐江庫區共計出現過22 次M≥0.2 地震平靜超過15 天，主要集中在2000 年以后。其中平靜時間超過20 天的有8 次，最長平靜時間為32 天。圖8 顯示的是這22 次超長平靜和庫水位的關系，圖8統計了平靜時間長短與平靜時間段內庫水位的變化。從以上統計上看，新豐江庫區小震的平靜與庫水位高低，以及庫水位的變化沒有直接的關聯。

圖8 地震平靜與庫水位高程的關系Fig.8 Relationship between seismic calm period and reservoir water level elevation

3 討論與結論

新豐江庫區自1959 年蓄水以來，前期流體滲透導致的裂隙或斷層面強度降低，庫區的地震活動水平和庫水位的變化有著較為顯著的相關性。根據前人研究成果，水庫區的水文地質結構是水庫誘發地震的制約因素［9］，水文地質結構是指斷層滲透結構和巖體滲透穩定性的組合，兩者的組合形式對孔隙壓力變化下短促的力學響應具有重要影響。2013 年鐘羽云引入模糊數學方法［10］，定義水庫水位從屬函數，結合水庫地震的流體擴散機制假設，得出新豐江水庫蓄水初期水位是影響庫區地震活動的主要外因，影響時間為6年。這與本文從庫水位變化、水位速率變化等方面的分析得出1980 年以來庫水位變化與庫區地震活動的關系相關性不大是一致的。

2014 年蔣海昆［11］結合微震活動的流體作用強度檢測及孔隙壓擴散模擬，以三峽庫區微震活動為例，討論了不同時期水庫地震活動主要影響因素，蓄水后期由于流體滲透引起的孔隙壓力變化變化趨于零，在新的流體平衡條件下，庫水位加卸載過程導致的裂隙或斷層面上的應力變化，成為庫區微震活動的主要影響因素。通過研究1980年以后新豐江庫水位和微震活動關系，認為新豐江庫區水位高于103 m 和小震頻次的增加有一定的關聯性，但小震的平靜和庫水位無顯著關聯性。這種特征可能是由于水的滲流和有效圍壓的影響。

新豐江高水位和庫區3級以上地震無明顯關聯性，相反震級和水位高低有一定程度負相關性。2012 年以來新出現的地區如魚坑、錫場等區域易發生在相對高水位時間段。而大壩附近的地震相對容易發生在低水位時間段。說明經過多年庫水位的載荷以及滲透作用可能會引起一些新的區域的地震，這些區域的地震可能對庫水位載荷的作用更加敏感。

新豐江庫區3.5 級以上地震更容易發生在水位下降時間段內，并且在臨震前的10 天左右未見水位的快速變化。水庫卸載階段地震活動增強，可能是由于過?？紫秹毫υ斐伤矔r破裂引起的，由此可見，水庫卸荷階段的地震活動更值得關注。