巴基斯坦卡洛特水电站水库诱发地震研究

侯钦礼 董宇超 张必勇

摘要：鉴于水库诱发地震具有频率高、弱震多和强震较少等特点，以巴基斯坦的卡洛特水电站为例，对其运用近场区的野外地质测绘、最高震级估算和历史地震对大坝影响分析等方法进行了研究。结果表明：卡洛特水电站整体处于构造较稳定地区，水库内部及周围断裂构造不发育，新构造运动主要以整体性间歇性抬升活动为主，内部差异性活动较弱。水库围岩以砂岩、粉砂岩和泥岩等碎屑岩为主，属于不易诱发地震的岩性。另外，结合国内外震例分析，卡洛特水电站发震最高震级为Ms 3.1级，发生几率在1‰～1%，但应充分考虑历史地震对大坝的影响，通过烈度计算2005年克什米尔Mw 7.6级地震影响最大，达Ⅶ度。

关键词：水库诱发地震;地质测绘;震级估算;卡洛特水电站;巴基斯坦

中图法分类号：TV697.24文献标志码：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2021.11.006

文章编号：1006 - 0081（2021）11 - 0026 - 05

0引 言

巴基斯坦卡洛特水电站作为“一带一路”倡议下的首个大型水电投资建设项目，是我国水电行业响应国家“走出去”发展战略的重要标志[1]。水电由于其环境污染小、可再生和发电成本低廉等方面的优点，现已逐渐成世界能源发展的重要方向。但水电为社会提供清洁能源的同时，也存在一定隐患，水库诱发地震就是最受关注的问题之一。频繁的水库诱发地震不仅会影响水电站的正常运行，且会对区域自然环境的稳定和坝址附近居民的生活安全构成一定威胁。前人通过对国内外水库诱发地震震例的研究和归纳，总结出水库诱发地震的一般规律 [2-4]：①构造条件对水库诱发地震具有一定影响，如区域地壳的抬升和沉降、区域性的大型断裂构造或水库周围的活动断裂等构造运动都易引起水库发生较强地震;②水库蓄水时间和库容产生一定影响，国内的震例如新丰江和参窝水库分别在蓄水的1个月和3个月后发生地震，而在水库蓄水前并无地震发生，另外水库诱发地震的概率和强度随水库水位和库容的增大而显著提高;③水库诱发地震整体表现为频繁微震，少数为强震，但由于震源一般极浅，破坏性较强，需充分重视其危险性。

本文主要以巴基斯坦卡洛特水电站为例，在详细的野外地质测绘工作基础上，确定了水库区域的岩性组成、库容和库区构造情况，并结合国内外典型水库诱发地震震例的对比研究，探讨了其诱发地震的可能性和地震烈度等问题。

1 构造条件对水库诱发地震的影响

1.1 构造变形样式

巴基斯坦大地构造位置处于印度-雅鲁藏布江缝合带西侧，是印度、欧亚和阿拉伯三大板块的交汇地带，由于其獨特的地理位置，巴基斯坦境内的构造运动活跃且复杂[5]。卡洛特水电站位于印度-雅鲁藏布江缝合带西构造结的南侧，地处主边界断裂（MBT）和主前缘断裂（MFT）之间的新生代前缘坳陷中，区域内最主要的构造变形特征表现为向吉拉姆（Jhelum）河谷附近汇聚的共轴褶皱变形，构造变形特征也具有明显的分区性，中北部地层时代较老，褶皱也较为强烈，形成一些圈闭，背斜与向斜相间分布，局部伴随有逆断层;东南部时代较为年轻且构造变得平缓简单。褶皱变形主要发生在中新世，并持续到上新世，根据区内地层变形特征分析，在近场范围的褶皱变形具有持续减弱的现象。巴基斯坦北部区域主要断裂分布情况见图1。

1.2 断裂构造

受印度板块与欧亚板块俯冲碰撞的影响，区域断裂活动发育。主地壳断裂（MMT）在约5 000万a前受印度板块和欧亚板块的碰撞作用向北推挤，后向南形成一系列的褶皱和逆冲断裂带（图1）;在缝合带南侧由北至南主要发育3条走向近乎平行的逆冲断裂带，分别为主中央断裂带（MCT）、MBT和MFT，另外在旁遮普（Punjab）平原的西侧还发育有一条近北西向展布的穆扎法拉巴德断裂（MZF）[6]（图1）。

前人通过对中国水库诱发地震的震例分析发现，有活动断层在水库周围或内部穿过往往可引起较强的水库地震，这些断层多为走滑型或倾滑正断层型[7]。例如新丰江水库的主震和较强余震大部分与走滑断层相关，少数为倾滑正断层导致[7-10];1979年发生在乌溪江水库的最大震级地震是走滑型断层所致[7];国外一些水库地震也与库区的断裂活动有关，如印度柯依纳水库、埃及阿斯旺水库、泰国斯林那卡林水库等，诱发地震均由倾角较陡的走滑断层错动引起，其中印度的柯依纳水库发生过6.5级地震，是世界已报道的最高震级的水库诱发地震[7，11-13]。国内外的震例都表明水库内部或周围发育的断裂活动对水库诱发地震具有重要影响，是评价水库诱发地震要考虑的重要因素。

前人沿着共轴褶皱变形中心地带的吉拉姆河谷曾经推断了一条隐伏断裂，但吉拉姆断裂（JF）并没有延伸到北纬34°以南地段，即没有进入坝址近场区范围。吉拉姆断裂距离卡洛特坝址最近距离是47 km。根据实地野外地质测绘，在卡洛特水电站近场区未见吉拉姆断裂（JF）在地表出露的迹象，更没有延伸到坝址区附近。坝址位于褶皱翼部，产状变化平缓，地层倾角在10°～15°之间，因此整体来看，在卡洛特水电站库区内部及周围不发育较大的断裂构造。

1.3 新构造运动

新构造运动主要表现为间歇性掀斜式抬升运动。近场区位于MBT和MFT之间的新生代前缘坳陷地区，上新世以来的区域构造活动主要表现为沿着MBT的差异性活动，MBT附近强震活动较为频繁，但MBT在北部到坝址的最近距离约为26 km，断裂构造带并未延伸到近场区范围，也不指向坝址。总结来看，近场区的新构造运动主要以整体性间歇性抬升活动为主，内部差异性活动较弱，属于构造相对稳定地区。

2 水库地层组成

通过分析中国30余座水库诱发地震的震例发现，诱发地震的水库地层组成具有一定规律性，灰岩、碳酸盐岩和花岗岩类侵入岩是最易诱发水库地震的岩层组成[10]。以石灰岩、白云岩类为主要岩性的水库，虽然只占全部大型水库的4%，却有约50%的水库地震发生在这类岩性中。从世界范围看，也具有类似的特征[12]，其中碳酸盐岩类岩层发震几率约占36%、花岗岩类岩层发震几率约占18%。这表明石灰岩、白云岩类岩石是易引发水库地震的岩层组成，这些岩石在变形过程中易产生节理、裂隙等张性结构面，为库水渗透提供了最佳通道，可能是诱发水库地震的重要因素之一。

卡洛特水电站近场区出露地层整体较新且岩性简单，主要为中新统的磨拉石建造的陆源碎屑沉积岩地层，无岩浆岩和变质岩出露，出露的基岩地层主要为上第三系中新统纳格利（Nagri）组（N1na）以及多克帕坦（Dhok Pathan）组（N1dh）地层，卡洛特水电站库区地质情况见图2，岩性主要为中砂岩、细砂岩、泥质粉砂岩及粉砂质泥岩等， 近场区地层岩性见表1。这与中国大多已建大型水库库区的岩性类似，中国已建的大型水库中，约有76%坐落在松散层、碎屑岩及变质岩系中，这类岩性不利于诱发地震。综上所述，相对于以石灰岩、白云岩类为主要岩性的水库，卡洛特水电站库区不具备易诱发水库地震的岩性条件。

3 水库规模因素

国内外震例数据显示，众多库区在蓄水前处于无震或弱震区，而水库蓄水后库区附近开始频繁发生地震，中国主要水庫诱发地震蓄水、初震和最大地震发生时间统计见表2。例如广东省河源县的新丰江水库，在水库蓄水前的25 a，库区附近未发生过地震，而在水库蓄水后的20余年的时间观测到微震数超30万次，大于2级的有1.3万次[7-11]。研究表明：水库诱发地震概率一般随坝高和库容的增大而显著提高，从中国情况看，库容小于1 000万m3的小型水库，其发震概率小于1/10 000;库容在1 000万～1亿m3的中型水库发震概率小于1/1000;库容在1亿～10亿m3的大型水库发震概率为1/100。

卡洛特水电站是吉拉姆河上5个规划装机容量超50万kW阶梯水电站的第四级，电站控制流域面积26 700 km2，正常蓄水位461.00 m，最大坝高91 m，正常水位以下库容1.52亿m3。研究表明：坝高低于50 m的水库诱发地震概率较小，坝高不低于50 m 的水库诱发地震的概率要显著大于坝高低于50 m的水库。根据国内外水库诱发地震震例坝高与最高震级之间相关分析，大体可得出：

M=2.0+0.0117H                           （1）

式中：M为震级;H为坝高，m。仅从坝高这一指标考虑，卡洛特水电站发震最高震级可达Ms 3.1级，属于可诱发地震的类型。然而水库正常水位以下库容仅为1.52亿m3，库容较小，国内外水库诱发地震数据表明，库容小于10亿m3的水库发震概率较小，低于5%，而库容大于10亿m3的水库发震概率显著增加，可达14.0%。因此，从库容条件分析卡洛特水电站诱发地震的可能性较小。

4 历史地震对大坝的影响

研究区历史强震史资料匮乏，尤其是对破坏情况的记录极少，为探讨坝址附近历史地震对大坝的影响，本次研究主要利用1991年的中国地震烈度区划图[14]西部衰减关系折合的平均轴衰减关系计算各次地震在坝址的影响烈度：

I=4.493+1.454M-1.729Ln（D+16）        （2）

式中：M为震级，D是震中距，km。

在表3中列出了对坝址影响烈度达Ⅴ度以上的强震简目。在现有地震目录中，共有13次地震在坝址的影响烈度不小于Ⅴ度，5次不小于Ⅵ度，其中2005年克什米尔Mw 7.6级地震影响最大，达Ⅶ度[15]。

5 结 论

通过对巴基斯坦的卡洛特水电站近场区的野外地质测绘、水库围岩组成、最高震级估算和历史地震对大坝影响等方面的研究，得出以下结论。

（1）卡洛特水电站近场区处于构造较稳定地区，水库内部及周围不发育较大的断裂构造，新构造运动主要以整体性间歇性抬升活动为主，内部差异性活动较弱，不具有诱发中强地震的构造条件。

（2）卡洛特水库岩层以砂岩、粉砂岩和泥岩等碎屑岩类为主，这类岩石属于不易诱发水库地震的类型。

（3）根据坝高指标的估算结果，卡洛特水电站发震最高震级为Ms 3.1级;从库容条件分析，水库诱发地震的几率在1/100～1/1000。因此，从水库规模上看，卡洛特水电站诱发地震的几率较小且不易发生较强的地震。

（4）根据计算，坝址附近共有13次地震影响烈度不小于Ⅴ度，7次不小于Ⅵ度，其中2005年克什米尔Mw 7.6级地震影响最大，达Ⅶ度。建议根据水库诱发地震的评价结论，在水库工程场址区及近场区建设地震台网，以利于及时监测诱发地震情况。

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（编辑：唐湘茜）

Study on reservoir-induced seismicity in Karot Hydropower Station， Pakistan

HOU Qinli1， DONG Yuchao2， ZHANG Biyong2

（1. Changjiang International Engineering Co.， Ltd.， Beijing 100055， China;   2. Changjiang Geotechnical Engineering Co.，Ltd.，Wuhan 430010， China）

Abstract：Reservoir-induced earthquakes has the characteristics of high frequency， more weak earthquakes and fewer strong earthquakes. Aiming at the Karot Hydropower Station in Pakistan， through field geological surveying and mapping in the near field area， the composition analysis of the reservoir surrounding rock， the estimation of the highest magnitude， and the impact analysis of historical earthquakes on the dam， it is concluded that the Karot Hydropower Station is in a relatively stable area， and there are no faulted structures in and around the reservoir. The neotectonic movement is dominated by intermittent uplifting activities as a whole， and the internal differential activities are weak. The surrounding rock of the reservoir is dominated by clastic rocks such as sandstone， siltstone and mudstone， which are not easy to induce earthquakes. In addition， combined with the analysis of earthquake cases at home and abroad， the highest earthquake magnitude of the Karot Hydropower Station is Ms3.1， with a probability of 1‰ to 1%. However， the impact of historical earthquakes on the dam should be fully considered， and the intensity-calculated 2005 Kashmir Mw 7.6 earthquake had the greatest impact in the year， reaching Ⅶ degrees.

Key words：reservoir-induced seismicity; geological surveying and mapping;magnitude estimation;Karot Hydropower Station; Pakistan