使用灰色聚类方法评估长江三峡水库湖北不同库段水库诱发地震的震级上限

马文涛 徐锡伟 于贵华 苑京立 徐长朋 蔺 永

(中国地震局地质研究所，活动构造与火山重点实验室，北京 100029)

0 引言

水库地震危险性评估是地震预测中重要的研究方向和课题之一，其原理是根椐库区及其附近区域的地质、构造、地震和工程等条件，考虑到蓄水后水载荷和孔隙压变化的影响，对水库区未来水库诱发地震“时、空、强”的可能性进行评价，预测水库诱发地震最可能的发震地段、最大震级等，为水库大坝安全运行、快速评价地震灾害及次生灾害、抗震减灾提供参考依据。

本文使用灰色聚类方法，利用我们收集到的150例水库诱发地震震例和532个国内大型水库资料，按库深、库容、区域应力状态、断层活动性、岩性介质条件和地震活动背景等6个诱震因素，统计出相应的发震比例数，作为水库地震预测指标。然后根据长江三峡水库坝址区、香溪河口及仙女山断裂带过江段、泄滩西和巴东及神龙溪两岸的实际6个诱震因素参数，对长江三峡水库库区这4个地段的水库诱发地震最高震级进行了评估计算，并得到了实际水库地震震例的检验。

1 研究方法简述

水库地震危险性评估方法有很多，如类比法(工程、地质)(胡毓良等，1979年;夏其发等，1984，2012)、成因模式法(余永毓，1987)、概率法(胡聿贤等，1991)、模糊数学法(常宝崎，1997)、灰色系统模型法(钟以章，1990;黄乃安，1991)等，它们是预测水库诱发地震危险性的主要方法。

Talwani等(1981)20世纪80年代提出并系统发展了水库诱发地震危险预测方法，并在Manicougan 3、Manicougan 5、LG2、LG3和 Katse大坝成功应用;苏锦星等(2000)和夏其发等(2012)使用8个诱震因素;黄润秋等(1995)提出水库诱发地震震级的人工神经网络预测模型。王秋良等(2009)使用统计预测模型对三峡库区诱发地震进行了预测;杨清源等(l996)使用6个诱震因素、谭周地等(1989)和张绍波(1993)对长江三峡水库诱发地震危险性进行分析;薛军蓉等(1992)利用模式识别方法对长江三峡水库诱发地震危险性进行预测;易立新(2000)提出了7个影响因子，进行水库诱发地震危险区段的预测。

基于统计的水库诱发地震危险性评价方法很多，主要存在的问题是样本数少，有一些诱震因素具有随意性，有些诱震因素不独立。

1.1 灰色聚类方法

灰色聚类法是基于白化权数，原理是将收集到的样本按照统计方法取其权，再将被预测对象按照实际指标的值在白化权函数上找到所对应的权，根据找到的权值判断所属类别(钟以章，1990;黄乃安，1991;杨清源等，1996;孙君秀，1996)。

一般将水库地震震级作为聚类的类别，设ML表示第L种地震类型(L=1，2，3，…m)。独立的诱震因数作为聚类指标，设xi为第i种预测指标(i=1，2，3，…n)。被预测的水库作为聚类对象，YK为第 K 个被预测对象(K=1，2，3，…s)。

设ZK(dij)为第K个被预测水库对于xij的样本，则fLi(ZK(dij))为ZK(dij)对应第L种水库地震的白化函数的权，有

式(1)中yL(xi)为第L种水库地震类别第i指标的统计数，YL(xij)为第L种水库地震类别第i指标中第j个分指标的统计数。

若被预测水库地震类别为L，则

当L*=m时，被预测的水库地震就属于第m种水库地震类别。

1.2 水库资料情况

到目前，我们已经收集到全世界范围内诱发地震的震例150余座(丁原章等，1989;杨清源等，l996;潘家铮等，2000;胡先明，2004;丁仁杰等，2004;王建平，2010年;中国水利年鉴编写组，2012)，其中发生＞6级以上地震震例4例，发生＞5级地震的水库15座，4～5级地震的水库30座，3～4级地震的水库37座，而＜3级地震的水库占63座。其中，亚洲占67例(中国39例)、北美洲25例、南美洲18例、大洋洲7例、非洲4例、欧洲33例。还收集了中国未发震的大型水库532座的资料。

在这些水库资料中，总共有24个参数，它们大部分是非独立量，其中库深、库容、区域应力状态、断层活动性、岩性介质条件和地震活动背景等6个因素是独立变量(杨清源等，2001)。因此，它们能够满足灰色聚类法对于变量的独立性要求。

1.3 水库地震预测指标的计算

1.3.1 发震水库规模

在已发震的150座水库震例中，属于高坝(库深＞90m)水库占78座，库容＞100亿m3的有30例，分别占到已发震水库的52%和20%。说明高坝、大库容的水库发震可能性大(表1，2)。

表1 水库库深与震级关系表Table 1 Reservoir depth versus earthquake magnitude

表2 水库库容与震级关系表Table 2 Reservoir capacity versus earthquake magnitude

1.3.2 构造应力背景

水库诱发地震是沿一些原有的不连续结构面发生的，如断层、节理、裂隙等。从结构面的性质上看张裂隙最利于水的渗透，剪切面次之，当最大主应力方向与走向基本一致和相交近300°～350°左右时，有利于裂隙的张开和滑动，分别形成正断层或走向位移断层。当最大主应力方向垂直于结构面时易形成逆断层最不利于水的渗透。但在地貌、地形的特殊部位，在水的作用下也能产生逆断层的活动，发震应力状态、断层活动和天然地震活动背景等的关系见表3，4，5。

1.3.3 岩性条件

除了构造应力能产生断裂、裂缝等不连续结构面外，长期的温度变化、水溶蚀作用等都能产生裂缝或者溶洞，特别是在灰岩区的背斜轴部往往存在一些张性裂隙，蓄水后非常利于水的渗透，同时，也是应力软弱面(表6)。

根据上述的库深、库容、区域应力状态、断层活动性、岩性介质条件和地震活动背景等6个因素与震级的统计关系，我们可以建立水库地震预测指标表(表7)。

表3 地应力状态与震级关系表Table 3 The crustal stress state versus earthquake magnitude

表4 水库断裂活动性与震级关系表Table 4 The fault activity in reservoir versus earthquake magnitude

表5 天然地震活动背景与震级关系表Table 5 The background of natural seismic activity versus earthquake magnitude

表6 水库岩性与震级关系表Table 6 Reservoir lithology and earthquake magnitude

2 长江三峡水库的水库诱发地震危险性分析

长江三峡水库的库首区地处鄂西地区，在天然地震区划上属华南弱震区。地貌上地处第二级台阶的过渡带上，区域内构造以黄陵背斜和秭归盆地为中心，四周围绕着这2个构造单元主要分布了NNW向仙女山断裂、NE向高桥断裂、NNE向牛口断裂、EW向亩田湾断裂、NNE向九湾溪断裂、NE向兴山-水田坝断裂。黄陵背斜是以花岗岩为主的结晶岩类，为结晶基底;其他区域是沉积盖层;在秭归盆地内分布着砂板页岩为主的碎屑岩，而黄陵背斜和秭归盆地周边则为灰岩区(图1，2)。

表7 水库地震预测指标表Table 7 The predictors for reservoir-induced earthquake

按照诱震因数的震级划分(杨清源等，l996)，MS≥5.0为第Ⅰ类，5.0≥MS＞4.0为第Ⅱ类，4.0≥MS＞3.0为第Ⅲ类，MS＜3.0为第Ⅳ类，无震为Ⅴ类。我们可以用灰色聚类分析估计出新丰江水库、三峡水库和龙滩水库最高震级和用概率法估计水库诱发地震的可能性。

长江三峡水库构造分成4个区域:坝址区、香溪河口-仙女山断裂带过江段、泄滩西、巴东神龙溪段。本文分别对它们进行灰色聚类分析。

图1 三峡库区湖北段主要构造和2003年蓄水以来MS＞1.8水库地震分布Fig.1 Distribution of major faults and earthquakes of MS≥1.8 in the Hubei section of Three Gorges Reservoir since its impoundment in June，2003.

2.1 长江三峡水库坝址区

长江三峡水库坝址区位于黄陵背斜轴部，水深＞140m，岩性为花岗岩，区域应力状态为挤压状态，为无震区，无活动断裂存在，只有NW向的太平溪断裂。按照水库地震预测指标，分别计算出Ⅰ类、Ⅱ类、Ⅲ类、Ⅳ类和Ⅴ类的白化函数值(表8)。

其结果表明Ⅳ类(MS＜3.0)的白化函数值1.58最大。因此，由灰色聚类分析预测结果是长江三峡水库坝址区地震震级＜3级。实际上，2009年2月6日在距离三峡水库大坝4km的小溪口村发生最大震级ML2的水库地震。

2.2 长江三峡水库九湾溪—香溪河口段

九湾溪—香溪河口段水深＞140m，岩性为灰岩，区域应力状态为挤压状态，地震活动背景为弱震区，无活动断裂通过，存在NNW向仙女山断裂和NNE向德九湾溪断裂。按照水库地震预测指标，分别计算出Ⅰ类、Ⅱ类、Ⅲ类、Ⅳ类和Ⅴ类的白化函数值(表9)。

其结果表明Ⅱ类(5.0≥MS＞4.0)的白化函数值1.69最大。因此，由灰色聚类分析预测结果是长江三峡水库地震震级为4～5级。实际上，2008年11月22日在香溪河口发生最大震级4.1级的水库地震。

2.3 长江三峡水库泄滩段

图2 2009年3—12月三峡库区湖北段加密观测水库地震分布(马文涛等，2010)Fig.2 Distribution of earthquakes in the Hubei section of Three Gorges Reservoir during March to December in 2009 by intensive observation(after MA Wen-tao et al.，2010).

表8 长江三峡水库坝址白化函数计算表Table 8 The whitening functions calculated at the dam in Three Gorges Reservoir

泄滩段水深＜140m，岩性为沉积碎屑岩，区域应力状态为挤压，地震活动背景为弱震区，无活动断裂通过，存在NE向的龙口断裂。按照水库地震预测指标，分别计算出Ⅰ类、Ⅱ类、Ⅲ类、Ⅳ类和Ⅴ类的白化函数值(表10)。

其结果表明Ⅳ类(MS＜3.0)的白化函数值1.44最大。因此，由灰色聚类分析预测结果是长江三峡水库地震震级＜3级。实际上，2008年11月在泄滩段发生最大震级2.6级的水库地震。

2.4 长江三峡水库巴东神龙溪河段

巴东神龙溪河段水深＜90m，岩性为灰岩，区域应力状态为挤压，地震活动背景为弱震区，无活动断裂通过，存在着NE向的高桥断裂。按照水库地震预测指标，分别计算出Ⅰ类、Ⅱ类、Ⅲ类、Ⅳ类和Ⅴ类的白化函数值(表11)。

表9 长江三峡水库九湾溪—香溪河口段白化函数计算表Table 9 The whitening functions calculated at Jiuwanxi-Xiangxi segment in Three Gorges Reservoir

表10 长江三峡水库泄滩段白化函数计算表Table 10 The whitening functions calculated at Xietan segment in Three Gorges Reservoir

表11 长江三峡水库巴东神龙溪河段白化函数计算表Table 11 The whitening functions calculated at Shenlong River segment in Three Gorges Reservoir

其结果表明Ⅳ类(MS＜3.0)的白化函数值1.66最大。因此，由灰色聚类分析预测结果为长江三峡水库地震震级4＞MS≥3。实际上，2008年11月在巴东神龙溪河段发生最大震级ML3.5水库地震。

3 讨论

三峡库区蓄水之前地震活动性弱，成因复杂，既有天然地震发生，又有开采煤矿等产生的采矿诱发地震(薛军蓉等，1992)，还存在着降雨引发的地震，以及塌陷引起的塌陷地震。天然地震最高震级为1979年秭归龙会观5.1级地震，地震平均月频次在6次左右(马文涛等，2010)。

2003年5月26日长江三峡水库蓄水后，地震活动性明显增强，地震平均月频次在40次左右。水库蓄水经历了145m(2003年6月)、156m(2006年9月)和175m(2010年9月)3期蓄水过程，地震活动与水位变化存在明显的相关性。2009年2月6日在距坝址5km的太平溪镇小溪口村发生最高震级ML2震群;在2008年11月22日，香溪河口附近发生了MS4.1水库诱发地震，这是长江三峡水库的最高震级;在泄滩西，最高震级2.6级;而在巴东及神龙溪两岸，水库诱发地震最高震级ML3.5。

在“七五”国家科技攻关专题长江三峡水库工程论证时，对长江三峡水库进行了评估，认为坝址—庙河结晶岩库段水库诱发地震＜4级，庙河—白帝城库段水库诱发地震最高震级5.5级，白帝城以上库段一般不具备水库诱发地震的发震条件(胡毓良等，1979;杨清源等，2001)。

我们按库深、库容、区域应力状态、断层活动性、岩性介质条件和地震活动背景等6个诱震因素(胡毓良等，1979)和灰色聚类定量评价方法(杨清源等，l996)，使用了150余例诱发地震震例和532座中国大型水库资料，建立了水库地震预测指标，分析了长江三峡水库的水库诱发地震震级上限，预测结果表明长江三峡水库的震级上限都在4～5级之间或3级以下(表12)。这些地震的发生与我们的预测结果相符合(图1)，它说明灰色聚类方法是一个很好的水库诱发地震危险性评定方法。

表12 三峡水库灰色聚类分析评估结果表Table 12 The assessment results of gray clustering in Three Gorges Reservoir

4 小结

(1)使用灰色聚类方法，按库深、库容、区域应力状态、断层活动性、岩性介质条件和地震活动背景等6个诱震因素，利用150例水库诱发地震震例和532个国内大型水库资料，统计出相应的发震比例数，以此作为水库地震预测指标，可以作为水库诱发地震危险性评定方法。

(2)本文根据长江三峡水库坝址区、香溪河口及仙女山断裂带过江段、泄滩西和巴东及神龙溪两岸的6个诱震因素，评估各段的水库诱发地震震级上限。计算结果表明，长江三峡水库坝址区震级上限＜3级，香溪河口及仙女山断裂带过江段4～5级，泄滩西＜3级，巴东北岸及神龙溪两岸震级3～4级。并得到了长江三峡水库蓄水后实际地震情况的验证。

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