三峡工程库首区高桥断裂特征与地震活动性研究

书书书第２８卷第２期２００８年４月大地测量与地球动力学ＪＯＵＲＮＡＬＯＦＧＥＯＤＥＳＹＡＮＤＧＥＯＤＹＮＡＭＩＣＳＶｏｌ．２８Ｎｏ．２　Ａｐｒ．，２００８　　文章编号：１６７１５９４２（２００８）０２０００８０８三峡工程库首区高桥断裂特征与地震活动性研究夏金梧１）　李长安２）　曾新平１）　董建辉１）１）长江水利委员会，武汉　４３００１１２）中国地质大学（武汉），武汉()　４３００７４摘　要　用地质学与地震学的研究方法，对高桥断裂的特征及其地震活动性进行了综合研究，研究结果表明：１）该断裂规模较大，为上地壳断裂，断层物质测年表明断裂在晚更新世早期仍有活动；２）断层渗透结构为散状导水结构，有利于库水下渗；３）在三峡水库蓄水前后，沿高桥断裂一带有明显的地震活动；４）三峡水库蓄水后，地震活动主要是以中频度、低强度的形式释放能量；５）在库水作用下，高桥断裂有诱发Ｍｓ３．０～４．０地震的可能。关键词　长江三峡工程；高桥断裂；断裂活动性；散状导水结构；水库诱发地震中图分类号：Ｐ３１５．２　　　　文献标识码：ＡＳＴＵＤＹＯＮＣＨＡＲＡＣＴＥＲＩＳＴＩＣＳＡＮＤＳＥＩＳＭＩＣＡＣＴＩＶＩＴＹＯＦＧＡＯＱＩＡＯＦＡＵＬＴＩＮＨＥＡＤＡＲＥＡＯＦＴＨＲＥＥＧＯＲＧＥＳＲＥＳＥＲＶＯＩＲＸｉａＪｉｎｗｕ１），ＬｉＣｈａｎｇａｎ２），ＺｅｎｇＸｉｎｐｉｎｇ１）ａｎｄＤｏｎｇＪｉａｎｈｕｉ１）１）ＣｈａｎｇｊｉａｎｇＷａｔｅｒＲｅｓｏｕｒｃｅｓＣｏｍｍｉｓｓｉｏｎ，Ｗｕｈａｎ　４３００１１２）ＣｈｉｎａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙＯｆＧｅｏｓｃｉｅｎｃｅｓ（Ｗｕｈａｎ），Ｗｕｈａｎ()　４３００７４Ａｂｓｔｒａｃｔ　ＴｈｅｐｒｏｐｅｒｔｙａｎｄｓｅｉｓｍｉｃｉｔｙｏｆＧａｏｑｉａｏｆａｕｌｔｉｓａｎａｌｙｚｅｄｂｙｕｓｅｏｆｇｅｏｌｏｇｉｃａｎｄｓｅｉｓｍｏｌｏｇｉｃａｌｍｅｔｈｏｄ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗ：１）ＴｈｅｓｃａｌｅｏｆＧａｏｑｉａｏｆａｕｌｔｉｓｌａｒｇｅ．Ｉｔｉｓａｆａｕｌｔａｔｔｈｅｔｏｐｏｆｔｈｅｅａｒｔｈ’ｓｃｒｕｓｔ．ＴｈｅｎｅｗａｉｔｉｖｉｔｙａｇｅｗａｓｅａｒｌｉｅｒｐｅｒｉｏｄｏｆｔｈｅｌａｔｅＰｌｅｉｓｔｏｃｅｎｃ；２）Ｔｈｅｐｅｒｉｎｅａｂｉｌｉｔｙｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｔｈｅｆａｕｌｔｉｓｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄｃｏｎｄｕｉｔｔｈａｔｉｓｕｓｅｆｕｌｆｏｒｉｎｆｉｌｔｒａｔｉｏｎｏｆｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄｗａｔｅｒ．３）ｔｈｅｒｅａｒｅｏｂｖｉｏｕｓｓｅｉｓｍｉｃａｃｔｉｖｉｔｙｂｅｆｏｒｅａｎｄａｆｔｅｒｉｍｐｏｕｎｄｍｅｎｔｏｆｔｈｅＴｈｒｅｅＧｏｒｇｅｓＲｅｓｅｒｖｏｉｒａｌｏｎｇＧａｏｑｉａｏｆａｕｌｔｚｏｎｅ；４）Ａｆｔｅｒｉｍｐｏｕｎｄｍｅｎｔ，ｔｈｅｓｅｉｓｍｉｃｉｔｙｏｆＧａｏｑｉａｏｆａｕｌｔｂｅｈａｖｅｓａｓａｅｎｅｒｇｙｒｅｌｅａｓｉｎｇｉｎｔｈｅｆｏｒｍｏｆｍｅｄｉｕｍｆｒｅｑｕｅｎｃｙａｎｄｌｏｗｉｎｔｅｎｓｉｔｙ；５）Ｇａｏｑｉａｏｆａｕｌｔｉｓａｐｏｔｅｎｔｉａｌｓｅｉｓｍｉｃｒｉｓｋｒｅｇｉｏｎｉｎｔｈｉｓａｒｅａａｎｄｖｉｃｉｎｉｔｙ，ｗｈｅｒｅｗｉｌｌｏｃｃｕｒｔｅｃｔｏｎｉｃｒｅｓｅｒｖｏｉｒｉｎｄｕｃｅｄｓｅｉｓｍｉｃｉｔｙｏｆＭｓ３．０－４．０．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｔｈｅＴｈｒｅｅＧｏｒｇｅｓＰｏｒｊｅｃｔｉｏｎｏｎＹａｎｇｔｚｅＲｉｖｅｒ；Ｇａｏｑｉａｏｆａｕｌｔ；ｆａｕｌｔａｃｔｉｖｉｔｙ；ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄｃｏｎｄｕｉｔ；ｒｅｓｅｒｖｏｉｒｉｎｄｕｃｅｄｅａｒｔｈｑｕａｋｅ１　前言高桥断裂位于长江三峡工程水库库首区秭归盆地西北边缘（图１）。秭归盆地为一轴面东倾的平缓开阔向斜，位于黄陵穹隆（背斜）西侧，挟峙于黄陵穹隆与神龙断穹间的三角形区域内，是三叠纪末———侏罗纪初发展定型的中生代坳陷盆地。其核部为上侏罗统蓬莱镇组（Ｊ３ｐ）长石砂岩、钙质粘土质收稿日期：２００８０１１５基金项目：国家自然科学基金（４０７７１２１３）作者简介：夏金梧，男，１９６４年生，博士，教授级高工，主要从事地震地质、遥感技术应用研究．Ｅ－ｍａｉｌ：[e-mail]　第２期夏金梧等：三峡工程库首区高桥断裂特征与地震活动性研究粉砂岩，周缘由中、下侏罗统及三叠系地层组成。盆地西缘北起兴山县滩平以东，南止巴东东壤口，总体走向ＮＥ，全长约６０ｋｍ，三叠系与侏罗系接触带上，地层出露完整，沙镇溪组（Ｔ３ｓ）与香溪组（Ｔ１ｘ）呈平行不整合接触，地层产状１５０°～１７０°∠２０°～４０°，倾角局部达５０°，岩体整体完整，但三叠系内部嘉陵江组（Ｔ１ｊ）与巴东组（Ｔ２ｂ）接触带附近为高桥断裂所切割，形成宽窄不等的断裂破碎带、挤压片理带、揉皱带、最大带宽达几百米［１］。高桥断裂地处三峡库首区，其活动性问题一直备受关注。图１　秭归盆地周围地区地质构造略图Ｆｉｇ．１　ＯｕｔｌｉｎｅｍａｐｏｆｇｅｏｌｏｇｉｃｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｒｏｕｎｄｔｈｅｂａｓｉｎｏｆＺｉｇｕｉ注：１　第四系构造层；２　白垩系———上三叠统上部盖层构造亚层；３　震旦系———中三叠统下部盖层构造亚层；４　中元古界上部基底构造亚层；５　下元古界下基底构造亚层；６　晋宁期中酸性侵入岩类；７　正断层；８　逆断层；９　平移断层；１０　线性影像带；１１　震中位置。断裂名称：①青峰断裂带；②阳日九道断裂带；③新华断裂；④高桥断裂带；⑤水田坝断裂；⑥雾渡河断裂；⑦远安断裂带；⑧天阳坪断裂带；⑨仙女山断裂带；瑏瑠狮子口重力滑动构造带；瑏瑡松园坪断裂；瑏瑢龙王冲断裂；瑏瑣牛口北北东向线性影像带。２　高桥断裂的基本特征２．１　高桥断裂的宏观与微观特征高桥断裂主要发育于嘉陵江组与巴东组接触带上及嘉陵江组或巴东组内部，北起兴山古夫，向西南经南阳河、伍家垭、龚家桥、白湾、曾家岭、炮台山西坡，止于西壤口神龙溪，全长约４０ｋｍ。地表上该断裂带由多条规模不大、方向相近的断层组成，并在龚家桥以南散开，向北收敛。断裂带总体走向ＮＥ４５°～６０°，倾南东，倾角５０°～６５°。断层破碎带宽度为９大地测量与地球动力学２８卷几米～几十米，最宽处达６５０ｍ，有的地段破碎带中出现有多条主次断面。就整个断层破碎带来说分带并不明显，但单条断裂的分带则明显而具普遍性和对称性，一般断层中央带为宽几厘米～几十厘米的断层泥，两侧为劈理带（多发育两期劈理），外侧为揉皱带，由一系列小褶皱组成，宽几米～几十米不等。区域重力反演结果反映中间层顶底面及上地壳底面在龚家桥ＮＥ一线存在ＮＥ向异常，人工地震测深显示古夫一带存在西升东降、断距达１．５ｋｍ的基底断点。可见高桥断裂带不仅走向上延伸规模大，而且向下可能也有一定延伸深度，切割基底进入上地壳。高桥断裂带内构造岩普遍遭受强烈变形，镜下矿物为带状、波状消光、晶体扭折现象均较常见。某些变形强烈部位，构造岩片理化形成构造片岩、靠近主断面附近形成碎斑岩、碎粉岩、镜下香肠化，“σ”型旋转碎斑系常见，早期变形较强的方解石脉被左行错断。由显微构造特点反映出断裂晚期变形强烈，早期变形痕迹均被改造而难以识别，该期活动兼有左行平移和逆冲运动的特点。２．２　高桥断裂的活动性与渗透结构野外调查表明，大致以兴山龙王庙茶园坡为界，其北东段活动性较弱，南西段特别是高桥一带则活动性较强，主要表现为断裂两侧地形地貌存在较大差异，西北侧陡峻，东南侧低缓，最大高差可达５００ｍ左右。断裂带中段的龚家桥附近，其形态十分复杂，最多可见６条同方向的断层，破碎带宽达６５０ｍ，此处自北而南流经断裂带的纸厂河具明显的右旋牵引现象。右岸有崩滑体分布，沿断裂带向南，沿线多见滑坡、崩塌体分布。从显微构造特点分析，高桥断裂带全新世以来有过活动（较弱），其自身的物质组成、内部组构以及最新活动方式都揭示该断裂带活动方式以粘滑为主，有利于能量积聚。断裂带物质测年揭示出该断裂带上新世至中更新世普遍发生过一次构造活动，其中高桥长冲－巴东凉风垭段最新一次明显活动时期为晚更新世早期（Ｑ１３），热释光测年也反映出在２３万年（中更新世中晚期）左右有过一次较明显的构造活动。跨断层水准监测表明，断裂两盘现今仍有不同幅度的变形。综上所述，通过宏、微观调查研究和跨断层水准监测，其结果表明，高桥断裂晚更新世早期（Ｑ１３）有过明显活动，且至今仍有一定的活动性。由上述可见，高桥断裂带由多条次级断层组成，整个断裂带宽几米到几十米，最宽处达数百米，而从单条断层的结构来看，其破碎带一般宽几米到几十米，断层核部位多由宽几厘米到几十厘米的断层泥组成，且分布不连续，根据ＪｏｎａｔｈａｎＳａｕｌＣａｉｎｅ等提出的断层渗透结构的概念，按照易立新等对断层带水文地质结构所进行的分类［２］，高桥断裂的断层渗透结构应基本属于散状导水结构。３　三峡水库蓄水前后的地震活动在蓄水前的４０多年中，高桥断裂带展布区和邻近地区（３１．０°～３１．４°Ｎ，１１０．２°～１１０．７°Ｅ）共记录到ＭＬ≥１．０地震３４次，其中２．０级以上地震５次，最大为２０００年６月１９日高桥ＭＬ３．６地震。在３４次地震中，分布在高桥断层两侧约５ｋｍ以内的地震仅有７次（图２（ａ）），７次地震沿断层两侧成线性分布，西北盘地震多于东南盘，ＭＬ３．６地震发生在断层东南盘［３］。从图２（ａ）可见，ＭＬ３．６地震前的地震在西北盘沿断层迁移，东南盘无地震。１９５９年以来高桥断层两侧约５ｋｍ以内的７次地震共释放地震能量２．３７×１０９Ｊ，相当于一次ＭＬ３．７地震。表１是各级地震的频次分布。从表１可见，蓄水前高桥断裂带附近２级以下地震占８５．７％，表现出地震频次低、强度弱，属于弱震活动带。从图２可见，断层附近的地震活动在时间分布上是不均匀的。在蓄水后短短的９个月内（２００３０６—２００４０２），高桥断裂两侧约５ｋｍ范围内共记录到ＭＬ≥０．０地震３１次（图２（ｂ）），最大１次为２００３年１２月２６日巴东西壤口龙船河ＭＬ１．９地震。从图３可见，蓄水１个月后高桥断裂带的地震活动渐趋活跃，频次不断增加。２００３年７月—２００４年２月共记录到地震２１次，其活动特征如下：１）从图２（ｂ）可见，地震在空间分布上主要集中在高桥断里的西南段，且绝大多数地震震中距长江库岸大于５ｋｍ；２）蓄水以来高桥断裂带的地震活动在时间上与蓄水进程相比稍有滞后，２００３年６月１０日水库蓄水至１３５ｍ，到６月底高桥断裂两侧约５ｋｍ范围内没有记录到地震活动，７月６日在断层的西北盘才记录到第一次地震，震级仅为ｌ级，滞后时间约一个月。从图４和表２可见，水位上升至１３９ｍ后，地震活动的频度增高，微震、极微震连续不断；３）高桥断裂带展布区内的地震全是微震与极微震，地震能量总释放量为１．９７×１０７Ｊ，相当于一次ＭＬ２．１地震。可见，水库蓄水后高桥断裂附近的地震活动是以中等频度和低强度的形式释放能量。０１　第２期夏金梧等：三峡工程库首区高桥断裂特征与地震活动性研究图２　三峡水库蓄水前后高桥断裂带地震震中分布Ｆｉｇ．２　ＤｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｔｈｅｅａｒｔｈｑｕａｋｅｅｐｉｃｅｎｔｅｒｓｉｎＧａｏｑｉａｏｆａｕｌｔｂｅｆｏｒｅａｎｄａｆｔｅｒｔｈｅｉｍｐｏｕｎｄｍｅｎｔｏｆｔｈｅＴｈｒｅｅＧｏｒｇｅｓｒｅｓｅｒｖｏｉｒ表１　高桥断裂附近地震活动频次统计表Ｔａｂ．１　ＳｔａｔｉｓｔｉｃｓｏｆｔｈｅｆｒｅｑｕｅｎｃｙｏｆｔｈｅｓｅｉｓｍｉｃｉｔｙｎｅａｒＧａｏｑｉａｏｆａｕｌｔ震级（ＭＬ）０．５～１．０１．１～１．５１．６～２．０２．１～２．５２．６～３．０３．１～３．５３．６～４．０频次（Ｎ）０４２０００１图３　蓄水前高桥断裂带ＭＬ≥１．０地震Ｍ－Ｔ图（１９５９０１—２００３０５）Ｆｉｇ．３　Ｍ－ＴｄｉａｇｒａｍｏｆＭＬ≥１．０ｅａｒｔｈｑｕａｋｅｓｉｎＧａｏｑｉａｏｆａｕｌｔｂｅｆｏｒｅｔｈｅｉｍｐｏｕｎｄｍｅｎｔ（１９５９０１—２００３０５）图４　蓄水前后高桥断裂ＭＬ≥０．０地震Ｍ－Ｔ图Ｆｉｇ．４　Ｍ－ＴｄｉａｇｒａｍｏｆＭＬ≥Ｏ．０ｅａｒｔｈｑｕａｋｅｓｉｎＧａｏｑｉａｏｆａｕｌｔｂｅｆｏｒｅａｎｄａ