长江三峡水利枢纽于2003年蓄水发电,其设计坝顶高程185m,总装机容量1820X104KW,总库容393X108m3,在我国经济建设上是一件大事,一座丰碑[1]。是以大坝的地壳稳定性常为人们所关注。我们作为这项工作的具体勘察论证者,现将主要认识作如下概括性介绍。

《1 大坝座落于古老的黄陵断块上》

1 大坝座落于古老的黄陵断块上

在三斗坪坝址区出露的基岩主要为前震旦纪闪云斜长花岗岩,长期的地质演化过程中使之含有局部闪长岩包啧体和片岩捕虑体,并有后期的酸性至基性岩脉穿插[2]。

黄陵断块主要是由区域低压热动力变质岩系所组成,原岩为钙碱性玄武岩、英安岩、流纹岩以及含炭粘土岩和碳酸盐岩。在黄陵庙以西,即坝区附近分布着本区最古老的变质岩系,原岩为海相砂质岩、泥质岩和石灰岩,沉积时代大约有25x108年,被称为崆岭群变质岩[3]。后期大量的岩裂侵入,在三斗坪、黄陵庙一带分布的花岗岩,经同位素年龄测定,其形成时代为8.9x108年[4,5]。在三峡地区以崆岭群为代表的结晶基底形成之后,8一9x108间有一次大规模的岩浆侵入活动。三斗坪大坝正位于黄陵花岗岩岩体之上。

《2 太古—元古代地壳的振荡运动》

2 太古—元古代地壳的振荡运动

从区域地层分布看,黄陵花岗岩被震旦系地层不整合覆盐。震旦纪以来到早古生代,本区是一个比较稳定的地区,以下沉为主,同时以平稳的振荡运动活动着。这个时期地层发育完全,沉积了一套由陆相碎屑沉积逐斯过深到浅海、滨海相的灰岩和页岩互层,不同时代的岩层多是整合接触。

晚古生代基本上继承了早古生代的特点。在早古生代末期缓慢隆起的基础上,海水一度退去,致使区内缺失下泥盆统。到中泥盆海水再度入侵,沉积了一套由砂、页岩到灰岩的浅海、滨海相的沉积建造,与早期沉积层为假整合接触关系。三叠纪中期以后,区内结束了海侵的历史,海相沉积被陆相沉积所代替[6,7]。总之,在漫长的地质时期,仅有几次不整合[8],这反映峡区地壳运动的升降或振荡特点。所以,从大峡口到远安,地层从老到新、自西向东展现出一幅极为宏伟的地质历史画卷。

《3 中生代板块运动的启动》

3 中生代板块运动的启动

中生代以来,全球性的板块运动在中国有明显的反应,在本区也有明显的体现。侏罗系地层由三迭系的以海相为主变为陆相沉积,地壳运动特点由振荡运动变为断块的差异升降运动。所以,巨厚的侏罗系地层(最厚可达7000m)都堆积在沉陷的断块上,而隆起的黄陵断块却没有同时期的沉积物。其后,强烈的南北向水平挤压导致北北西向的断裂带发生水平有旋扭动,古老的地层发生明显的水平拖曳,如仙女山断裂带、远安断裂带。而在黄陵断块上发生强烈的北端由北向南、南端由南向北的逆掩和逆冲,如天阳坪断层、板庙断层。

《4 黄陵断块》

4 黄陵断块

黄陵断块(图1)南北长120km,东西宽36km[9]。结唾基底由闪长花岗岩组成,沉积盐层为典型的浅海、滨海相地层组成,从震旦系至三迭系,厚约15一20km。

黄陵断块东边为远安断裂带,西边为仙女山断裂带和新华断裂带所限,南端有天阳坪断裂带,北边有板庙一马良坪断裂带作为边界。从区内的沉积岩相看,自中三迭世开始,海水逐渐退去,黄陵断块开始隆起。故中三迭世以后的沉积地层在黄陵断块上缺失。但是在东西两侧堆积了相应的地层。其后,差异活动继续,在积归盆地堆积了4一7km厚的侏罗纪碎屑沉积[10],堆积物中有黄陵断块结晶基底的大量长石碎屑物质,说明结晶基底被揭露应该是侏罗纪时期的事件。

侏罗纪末,发生强烈的南北向水平挤压,导致仙女山断裂带和远安断裂带发生右旋扭动。而在黄陵断块南北两端的天阳坪和板庙断裂带发生向断块中央的逆掩和逆冲(由于黄陵断块的结晶基底面是向南倾伏的,南边是缓坡,北边是降坡),积归盆地中的侏罗系地层受到此强烈挤压发生极为特殊的工型变形。到白垩纪,以仙女山断裂带为界,西部区域性强烈抬升;东部沉陷,此时黄陵断块开始向东南倾伏。在其东南角向江汉平原方向堆积了巨厚的红色粗碎屑沉积,该沉积物是从白垩纪到古近纪连续沉积的,地层向东南作30°~40°的倾斜,颗粒

《图1》

图1 黄陵断块区域构造

Fig.1 Regional structures around the Hiangling block area

由粗变细。到新近纪,沉积物趋近水平,反映出黄陵断块的向东倾斜是白垩纪一古近纪的事件。新近纪未到第四纪初,黄陵断块转变为平稳拨升,反映在三期夷平面上[11~16](图2,表1)和河流阶地位相(图3)[17]的平整展布上。

 

《图2》

图2 三峡夷平面统计高程分布

Fig.2 Statistic distribution of planation surface in the Three Gorges area

《表1》

表1 鄂西地区夷平面的划分及其时代

Table1 Division and times of planation surface in the western part of Hubei

《图3》

图3 长江三峡阶地位相图(杨达源等,1989年)

Fig.3 Distibution of phase of teraces on the Three Corges section of Yangtze River(after Yang Dayuan et al,1989)

地球物理方面的工作同样反映了极为明显的断块结构特征[18](图4)。

《图4》

图4 三峡工程坝区航磁\(\Delta T_{a}\)化极平面图(陈学波等,1994年)

Fig.4 Polar plane of aeromagnetic \(\Delta T_{a}\)。(after Chen Xuebo, et al,1994)

《5 围绕黄陵断块的活动大断裂带》

5 围绕黄陵断块的活动大断裂带

黄陵断块由四条主要的区域性活动断裂带所图限[19],另有雾渡河断裂带斜向切过断块,它们的形成时代、展布规模、切割深度、活动特点各有不同,断裂带之间的构造联系,交切关系和协调性,则是构造应力积累和释放的关键,为了探讨未来强震发生的地点及对坝区的影响,现将这些断裂带分述如下:

《5.1 仙女山断裂带》

5.1 仙女山断裂带

图5为仙女山断裂带。从仙女山向北延伸终止于青峰大断裂带上,向南越过渔洋关,全长超过220公里。断裂带沿走向昔舒缓波状延伸,在兴山以北,走向由北北西转为北北东,倾角60「一70「不等,破碎带宽达数米到数十米。断裂带表现出多期活动:侏罗纪末期的构造运动使古生代地层受到大规模拖曳和水平错断;白垩纪和古近纪的红层堆积后,沿断裂带形成规模宏伟的地堑地城系,从仙女山断续延伸到渔洋关;第四纪以来地堑的两侧形成疏松的断层角砾岩带和断层残山带,在地貌上形成深切的九湾溪大狭谷。

沿断裂带有热液侵入,联系到与之平行的远安断裂带上有古近纪的玄武岩侵入,所以认为本断裂带是一条穿透地壳的深大断裂带。

近数10年来三角短水准测量亦反映出断层有新活动。[20,21]

《5.2 远安断裂带》

5.2 远安断裂带

图6所示为远安断裂带。它是黄陵断块的东部边界,亦是鄂西山地和江汉平原的大地构造分界线,从区域构造分析,以北北西断裂为代表的构造带成为豫西、鄂西、湘西山地与南阳、江汉、洞庭盆地的分野。北部南阳盘地在公元46年10月21日发生过6.5级大地震,南部洞庭盆地1631年8月14日也发生过6.5级大地震,这两个地震震中相距460km,而构造带南北均向外延伸,所以构造造带的长度超过1000km。狭义的远安断裂带由东西两条断裂组成,其间形成地埃并充填有白城纪的红层。远安西断裂走向北西15°,北延与阳日一九道梁断裂带〔(东西走向)相交,向南隐伏于江

《图5》

图5 仙女山断裂带剖面图

Fig.5 Piofiles across the Xiannu shan fault zone

《图6》

图6 远安地堑南延的三个剖面

Fig.6 Three profiles across the south ernextension of Yuan'an graben

汉盆地之下,地表可见长度110km。断面东倾,倾角50「一80.,断层角砾岩带宽数米至数十米,沿断裂带在当阳见有新生代玄武岩侵人并在地表形成的低丘,以及断裂带反复水平运动形成数十层薄膜镜面、擦线和玻璃质拉丝体。后期的挤压和剪切作用,使断裂带中夹有三追系灰岩和白坂系砂岩组成的糜棱岩、片状构造岩和构造透镜体,显示断裂经历了压扭一张性一压扭的力学转换过程,其构造运动过程和时间与仙女山断裂带相同。根据地震记录资料,1969年在断裂北端的马良坪曾发生过4.8级地震,1971年在瓦仓发生过三次3级以上地震,1981年和1983年在当阳峡口分别发生过3.8级和3级地震。这些都表明,远安断裂带是一条活动的、能孕育强震的深大断裂带“[22]。

《5.3 天阳坪断裂带》

5.3 天阳坪断裂带

天阳坪断裂带(图7)走向北西320°,倾向南西,倾角在高家堰附近为30°,在断裂西段可达70°。断裂带西延与仙女山断裂带相接,向东隐伏于江汉平原之下,出露长度约60km。断裂带主要由两条相距很近的平行断裂以及一系列小的断层组成,断裂带的宽度达数十米,剖面上可见一组倾向南西的叙瓦状冲断组合。该断裂带作为黄陵断块南界,在中生代晚期,断裂北盘快速下降并堆积了白坟系近5000m陆相碎屑沉积物。白坟纪之后,黄陵断块的拍升和南北向的挤压,使白垩系地层向南东平缓掀斜,以及寒武系灰岩向白垮系地层之上逆掩。第四纪以来,断裂活动况弱,微震分布与断

《图7》

图7 天阳坪断裂带剖面(伍家大包一解放桥)

Fig.7 Profiles across Tianyangping fault zone(from Wujiadabao to Jiefang qiao)

裂带关系不甚明确。

《5.4 板庙一马良坪断裂带》

5.4 板庙一马良坪断裂带

板庙一马良坪断裂带(图8)属于黄陵断块北界的控制性构造,其展布呈向北突出的孤形,东与远安西断裂相接,西与新华断裂相交,断裂带倾向北,倾角较陡,断裂长度约60km。实际上在黄陵断块的北部由于受到新华断裂带和远安西断裂带的夹持,在这个梯形区域内断裂极为发育,形成一组向北突出的孟形断裂果,弦形断裂东将古生代地层切割成叠瓦状,在南北向挤压作用下向南作高角度逆冲。外围断裂倾角45°~50°,愈接近断块其断裂的倾角愈陡,内弧断裂的倾角达85°。令人值得关注的是,断裂带东交汇处马良坪1969年1月2日曾发生4.8级地震,西交汇点兴山1988年12月16日曾发生3.3级地震,这表明板庙一马良坪断裂带现代仍具有较强的地震孕育能力,应当予以充分地注意。但是考虑到这些弧形断裂束均属盖层断裂,叙瓦状冲断作用在深部并无根部构造支持,所以活动强度与孕震能力仍然有限。

《图8》

图8 板庙一马良坪断裂带叠瓦状逆冲示意图

Fig.8 Schematic profie showing imbricate overthrusts along the Banmiao一Maliangping fault zone

《5.5 雾渡河断裂带》

5.5 雾渡河断裂带

该断裂带走向北西320,西起兴山附近,向东交于远安西断裂带上,倾向北东,倾角70°~80°不等,地表出露长度80km。断裂带切割了古老的结晶基底岩系,产生了宽达20~30m的构造破碎带。在更新世时期,除地貌和水系上有控制作用外,还在雾溃河发现更新统黄土被错断的现象,但由于断裂带上没有发现明显的地震活动和其它证据,所以雾渡河断裂带属于一条活动性很弱,不具备独立发生中强地震的构造条件。

《6 地震活动背景》

6 地震活动背景

三峡及其周围地区地震活动强度属于中强水平,地震震中分布如图9。区域内黄陵断块附近的儿条强震发生带控制了强震的发生条件,在其特殊的部位,如拐弯点、交点和端点即是未来地震发生的危险点[23~25]。

在北纬29°~33°,东经108°~113°范围内,地震的历史记载和现代仪器记录已有2000余年,纪录是比较完整的。地震活动的主要特点表现在:强震都发生在强震带上,如南阳6.5级地震和常德6.5级地震,威丰6.25级地震;黄陵断块的西界,仙女山断裂带因长度有限,孕震能力较小,故发生的震级强度要低一些,如渔洋关附近发生的5.2级地震,积归盆地发生的5.1级地震[26];黄陵断块南北两条边界断裂因为都属于盖层断裂,且断裂长度较短,所以记录到的地震活动强度更弱一些,如板庙一马良坪断裂带西端发生的3.2级地震,天阳坪断裂带西端发生的3.0级地震;黄陵断块中部雾渡河断裂带至今仅记录到极少数1.0级左右的地震。

《图9》

图9 长江三峡地区地震分布图

Fig.9 Distribution of earthquake epicenters in the Three-Gorges area on the Yangtze River

据上所述,远安断裂带、仙女山断裂带属于具备发生6.5级地震的强震发生带,天阳坪断裂带、雾渡河断裂带和板庙一一马良坪断裂带属于弱震发生带。弱震发生带在与强震发生带的交接部位构成应力集中区,这就是未来强震发生的主要危险区。诸如马良坪、新华、当阳、周坪和董市等构造交汇部位,其中马良坪距坝址的水平直线距离是60km,新华为50km,当阳50km,周坪15kmy:董市70km。

根据6~6.5级地震的调查统计分析,其震中区的烈度为8°,8°区的长轴半径为6km,短轴半径4km,向外传播其影响烈度为7°时的长轴半径17km,短轴半径11km,考虑到烈度沿构造分布成椭圆形衰减的特点,马良坪、新华、当阳、董市这几个危险点距坝址均在50km以外,故影响到坝址的烈度均不超过6°。唯有周坪危险点距坝址15km,以此推算也只有6°一7°度,相当于地面水平峰值加途度0.1一0.15g。故大坝按7°度设防是合适的[26]。

《7 结语》

7 结语

1) 长江三峡大坝座落在黄陵断块南端的闪长花岗岩体上,基岩开挖揭露岩性新鲜完整,不具备发生强震的地质结构[27]。

2) 黄陵断块形成于印支运动时期,燕山运动以后黄陵断块持续隆起抬升,其间虽经多次构造变动,但断块本身作为一个硬化的完整地块,内部的构造变形不明显。第四纪以来的整体缓慢平稳招升,其地质变形量对大坝的安全不会产生不利的影响。

3) 黄陵断块为远安断裂带、仙女断裂带(包括新华断裂带)、板庙一马良坪断裂带、天阳坪断裂带所围限。研究证明,主要的地震危险来源于远安断裂带和仙女山断裂带,远安断裂带的上限震级可达6.5级,仙女山断裂带为6.0级,二者发生强震对坝址区的影响从高估计影响烈度为6°一7°度,水平峰值加速度0.1~0.15g。