第八章 水庫誘發(fā)地震工程地質(zhì)研究 提 要 概 述 水庫誘發(fā)地震的基本特征 水庫地震地質(zhì)背景條件 水庫誘發(fā)地震的水誘發(fā)機制 工程地質(zhì)研究 類型 水庫地震 向地下深部注液或抽液引起的地震 采礦誘發(fā)地震 地下爆炸誘發(fā)地震 巖溶氣暴型地震 第一節(jié) 概 述 誘發(fā)地震 由于工程活動，對特定地質(zhì)環(huán)境施加某種影響，而導致一個無震地區(qū)發(fā)生地震或原發(fā)震區(qū)地震活動增強或減弱的地震現(xiàn)象。 1、采礦誘發(fā)地震 由于地下開采活動形成較大采空區(qū)，或因強烈排水疏干等，采空區(qū)上覆巖體大范圍下沉破裂或冒落沖擊底板，引起巖體破壞振動而發(fā)震。 遼寧省北票煤田臺吉井區(qū) ,1921年開發(fā)， 1970年 ,當臺吉豎井采掘到距地面 500井區(qū)開始出現(xiàn)微震活動 月 28日 特征：震級小，周期大，衰減快，烈度高，余震衰減快，影響范圍小，震源常位于開采端面附近。 2、巖溶氣暴型地震 大型溶洞，一旦快速充水而使洞內(nèi)空氣壓縮，對巖體產(chǎn)生強大沖擊力，使巖體 變形破裂或塌落引起地震。 特征：震源淺，震級小，影響范圍小，無群震，全世界有 69例。 3、地下爆破引發(fā)地震 世界上已有幾起因地下核實驗誘發(fā)地震。例如美國進行過系統(tǒng)觀測，結(jié)果如表。 核爆炸 野外觀測 觀測時間 觀測的微震數(shù) 定位的微震數(shù) 參考文獻 日期 名稱 大小（百萬 t） 爾特利斯 1 離爆炸中心地面投影點321個便攜式和14個遙測臺站 60d 719 500 (1971) 4、注液誘發(fā)地震 美國：丹佛盆地，深井 3762m， 廢液處理。 47天后，井 附近發(fā)生 3小震不斷， 止注液，地震至 70年才漸漸停息，其記錄， 1584次，震源 中呈橢圓形圍繞 井口分布，右旋走滑。 我國：任丘油田， 845井注水， 112次， 12月停止注水，地震 漸停息， 87年底 恢復 注水，又開始發(fā)震。 勝利油田、江漢油田、武漢洪山均有此例。 5、水庫誘發(fā)地震 伴隨水庫蓄水過程，導致地殼應力狀態(tài) 改變而出現(xiàn)庫區(qū)及近區(qū)地震增強或減弱的現(xiàn)象。 最早出現(xiàn)于 1931年希臘的馬拉松水庫， 雅典城產(chǎn)生破壞。 美 國 胡佛壩（米德湖） 希 臘 科列瑪斯塔壩 贊比亞 卡里巴壩 壩型及壩高（ m) 重力拱壩， 222 心墻堆石壩， 165 雙曲拱壩， 127 庫容 （億 367 604 開始蓄水及滿庫時間 1935； 震 活 動 特 征 第一次地震時間 震次數(shù) （起止時間） 6000次（ 1936 1945） 10000次（ 1936 1971） M前震 740次， 余震 2580次（ 1966 1968） M 1397次 ( 主震震級（時間） 較大地震震級 （時間） 地震活動與水庫蓄水的時空相關性及其它特征 水庫水升高到 100水位進一步增高地震活動加強，庫水達到正常高水位并繼續(xù)上升時發(fā)生主震，95以上的地震發(fā)生在距水庫32中沿斷層分布 充水開始后六個月水深僅 120967 1972僅有宏觀記錄，地震活動頻率與水位高度正相關。 地震活動限于水庫區(qū)小范圍內(nèi) 地震活動與庫水位的變化對應關系不明顯，但與庫底巖石中附加剪應力超過 1巴的巖石體積 相關。 確切定位的 159次地震大多數(shù)位于水庫范圍內(nèi)，且絕大部分位于壩附近庫水最深的盆地中 水庫誘發(fā)地震活動重要實例 印度 科因納壩 中國 新豐江壩 中國 丹江口壩 塔吉克斯坦 努列克壩 塊石混凝土重力壩， 103 單支墩大頭壩， 105 寬縫重力壩， 97 土石壩， 305m 15 05 972（ 105m）； 1976（ 205m）； 1981（ 305m） 1963年地震頻率明顯增高 州臺記錄到來自庫區(qū)方向的 2 4級地震三次； 2 ） 1971較集中的出現(xiàn)于水庫西南 1015M 25000次 （ 1963 1971） M 450次 （ 1963 1970） M 35次 （ 1969 1974） 297035次 （ 其中 12862次 33761次 （ 13643次 約 110次 53 次 （ 1800次 （ 1971 1979） M 地震頻率與水位高度正相關，但地震活動性明顯的滯后于高水位，一般 3 6個月。 震中集中分布于以壩為中心的 25以 10水庫蓄水之后地震活動的頻率和強度立即有明顯提高，在 1970年以前，地震頻率特別是強度與水位高度正相關，但比水位高峰時間滯后 2 4個月， 70年后相關性減弱。 地震主震分布于水庫主體中軸線兩端，以大壩附近峽谷區(qū)最密集，呈 70 震震中的兩帶交匯處，距大壩 水深達 50米后（ 始有明顯地震活動，地震頻率和強度與水位間有明顯的同步變化，頻率峰值滯后于水位峰值約3個月，庫容急增至最大之后 地震活動集中于丹庫主體南北兩端的灰?guī)r峽谷區(qū)，庫區(qū)外圍本世紀內(nèi)曾有 6級地震，蓄水后地震活動向庫區(qū)集中 蓄水后地震活動超過蓄水前年平均發(fā)生率的四倍，最強的兩次暴雨與 1972年和1976年水位分別達到 10505有大地震和多數(shù)地震活動都由水庫充水速率下降所引發(fā)，地震活動性對充水速率降低反映迅速，滯后一般 1 4日。 1970年前地震分散地發(fā)生于庫周附近，1972年后向水庫主體集中，隨庫區(qū)水位增高上游充水，地震震中也向上游轉(zhuǎn)移 水庫誘發(fā)地震活動發(fā)現(xiàn)于本世紀 30年代。最早發(fā)現(xiàn)于希臘的馬拉松水庫伴隨該水庫蓄水、 1931年庫區(qū)就產(chǎn)生了頻繁的地震活動。此后，發(fā)現(xiàn)有相當一部分水庫蓄水過程中伴隨有水庫誘發(fā)地震現(xiàn)象。 60年代以來出現(xiàn)了一些新的情況： 一方面是幾個大水庫相繼產(chǎn)生了 6級以上的強烈地震，造成大壩、附近建筑物的破壞和人員的死傷； 另一方面是發(fā)現(xiàn)了深井注水 (美國 )可以誘發(fā)地震，為水庫誘發(fā)地震的形成機制提供了有價值的資料。于是這方面的研究重新活躍起來。 世界幾例震級 時 間 水 庫 壩高（ m） 庫容（億 震 級 豐江（中國） 105 15 里巴（津巴布韋） 127 160 列馬斯塔（希臘） 165 因納（印度） 103 二節(jié) 水庫誘發(fā)地震的基本特征 典型實例 例 例 例 1. 新豐江水庫 壩高 105m， 庫容 115 河谷型水庫。 地質(zhì)背景： 花崗巖，兩條活斷層： 1. 河流斷裂（長 600壩下 1 2. 人字石斷裂（壩上游 6面河源為界為斷陷盆地。 弱震區(qū)。 誘發(fā)地震概況： 個月后水位 上升 20m， 廣州地震臺收到地震 位上升到 90m， 不到 1個月發(fā)生 34.次，小 震很多 位略降，地震 明顯減少 13m， 地震隨之十分頻繁。此后， 100位持續(xù)二年余，地震頻發(fā)， 4時 18分發(fā)生 后余震 不斷，其中 4級 20次之多， 60總共發(fā)震 337461次， 4級 49次 震中：大壩附近，峽谷區(qū)，北北西和北東東斷裂控制。 震源深： 主要后延到 7 震源體：走向滑動型，遷就 1為 與粵東應力場基本一致）。 震中烈度： 8度 例 2. 科因納水庫 之所以具有典型意義，就在于它是迄今為止最強的水庫誘發(fā)地震 (震序列中大于 5次 )，而又是產(chǎn)生在構(gòu)造跡象最不明顯、巖層產(chǎn)狀基本水平、近 200 度地盾，德干高原之上。 庫、壩區(qū)均位于厚達 1500m、產(chǎn)狀水平、自古至始新世噴發(fā)的玄武巖層之上，由致密塊狀玄武巖與凝灰?guī)r及氣孔狀玄武巖互層，凝灰?guī)r中夾有紅色粘土，滲透性不良 。 從以上典型實例描述可知，水庫誘發(fā)地震不同類型雖各有其特性，但概括起來它們卻有很多共性。這主要是這類 地震 的 產(chǎn)生空間和活動隨時間的變化與水庫所在空間和水庫水位或荷載隨時間的變化密切相關 表示介質(zhì)品質(zhì)的 地震序列有其固有特點 和震源機制解得出的 應力場與同一地區(qū)產(chǎn)生天然地震的應力場基本相同 。 一、空間分布特征 1. 震中位置 震中主要集中在斷層破碎帶附近、大壩附近幾 峽谷基巖裸露區(qū) (新豐江，丹江 ) 。 密集于水庫最大水深處及其附近 (卡里巴、科因納 )， 往往密集成條帶狀或團塊狀，其延伸方向大體與庫區(qū)主要斷裂線平行或與 X 型共軛剪切斷裂平行。 常分布于庫區(qū)巖溶發(fā)育部位或斷裂構(gòu)造與巖溶裂隙帶的復合部位。 有的 震中 初期距水庫較遠而隨后逐漸向水庫集中 (丹江口、蘇聯(lián)的努列克 )。 丹江口水庫附近震中分布圖（ 1969 1975年） 1、 2、 3、 4蓄水前天然地震，圓圈大小表示震級； 5蓄水后誘發(fā)地震； 6水庫邊界 2. 震 源 震源較淺，震源體較小，與構(gòu)造地震差別十分大。大多4 7 一般 10 深 20淺者 500m。 初震震源淺，隨后不斷加深。 震源深度與庫容正相關。 表現(xiàn)為震中區(qū)烈度高， 面波強烈 ,有的零點幾級便有感，3級以上造成輕度破壞。 由于震源極淺，水庫誘發(fā)地震往往伴有地聲。 震源體小，影響范圍小。 我國天然地震震級與震中烈度之間，有如下的關系式 : M . 等震線形狀 主要與庫區(qū)構(gòu)造、巖性條件有關 構(gòu)造型水庫地震：橢圓形，長軸方向與所在地段的主要構(gòu)造線或發(fā)震斷層走向一致或平行 發(fā)生于新老地層接合部位的水庫地震：等震線的長軸方向與新地層的接合線方向一致 巖溶區(qū)發(fā)生的水庫地震：等震線多為不規(guī)則的多邊形或近似圓形，且與當?shù)匕l(fā)育的巖溶形態(tài)一致或基本一致 . 等震線衰減迅速 ,影響范圍小。 水庫 名稱 震級（ 震源深 實際震中烈度 計算震中烈度 造成的破壞 丹江 - 損壞房間 1904間，倒墻305處 前進 - 有掉瓦現(xiàn)象 南沖 + 掉瓦，個別房屋裂縫 我國某些水庫誘發(fā)地震震中烈度比較表 二、地震活動與庫水的關系 1、絕大多數(shù)水庫的地震活動與庫水位或 庫容 正相關 隨著庫水位增高，庫區(qū)的地震活動逐 步增強，隨水位降低而減弱，且經(jīng)過高水 位之后即發(fā)生主震。一般震前相關性好， 主震后相關性差一些。 2、少數(shù)水庫區(qū)的地震活動性隨著庫水位的 增加而明顯地降低，呈 負相關 原因： 逆斷層應力狀態(tài)不利于發(fā)展。 蠕化變形釋放能量，使地震減弱。 3、 滯后性 一般 滯后幾個月，最長幾年，主 震在高水位后一段時間。與震源深淺、巖體透 水性等有關。 水庫名稱 蓄水時間 地震活動加強時間 間隔時間 新豐江 丹江口 前 進 南 沖 柘 林 佛子嶺 24 17 1 9 6 a 小地震因庫區(qū)無臺未能測得，此值不可靠據(jù)另一種資料最早為 月。 三、地震活動的序列特點 地震序列 指時間相對集中，同處于一震源體內(nèi)的一系列地震的強度和頻度隨時間變化過程，以及強度與頻度的相關性。 實驗現(xiàn)象： 巖石受力破裂，彈性振動，振動頻度與材料的不均勻性，強度有關，材料越不均勻，強度越低，越易產(chǎn)生高頻振動；絕對均勻材料，只產(chǎn)生一次性破裂，不產(chǎn)生微裂。 低應力比較高應力狀態(tài)下，巖石更以微破裂占優(yōu)勢，即小震動頻度高。 水庫水的作用下，地質(zhì)體特點： 水滲入巖體使其不均勻性增加。 水壓力下，使巖體產(chǎn)生微破裂，加大不均勻性。 水對地質(zhì)體軟化作用，降低強度，增加粘滑性。 庫水滲入深度有限，常在較淺處、低應力下產(chǎn)生巖體破裂。 1. 地震頻度與震級的關系 N a b M N 震級 a 與觀測周期、觀測區(qū)大小、 地震活動水平有關的常數(shù) b 受震源深度、震源均一性、震源應力條件的控制， 明震源介質(zhì)不均勻，應力越低。變化于 判斷構(gòu)造地震與水庫地震重要依據(jù)。 水庫地震： ; 構(gòu)造地震： ; 水庫地震 ： 大于 構(gòu)造地震： 位于現(xiàn)代構(gòu)造活動活躍區(qū)，地應力高達 103104 與 差值正是誘發(fā)地震滯后的原因之一。 地震發(fā)生于應變速率很高地區(qū)，但太高地區(qū)不一定發(fā)震，往往為中等偏高地區(qū)。水庫地震很少見于現(xiàn)代強震區(qū)，而往往在該區(qū)的附近地區(qū)，因為水誘發(fā)作用相對高應變速率微不足道。 當?shù)貧嶋H應變速率 巖體臨界應變速率時才產(chǎn)生破裂。 在應變積累速度很低的穩(wěn)定地塊內(nèi)部，如俄羅斯地臺、西伯利亞地臺、加拿大地盾、非洲地盾等地，產(chǎn)生誘發(fā)地震的可能性很低，在這些地方有很多高壩、大庫，均無明顯的水庫誘發(fā)地震。 1 3 三、構(gòu)造條件 斷裂、裂隙發(fā)育情況，它們作為震源體和導水介質(zhì)。 注意活動斷裂、深大斷裂、地熱活動斷裂。斷裂與現(xiàn)代地應力關系。 明顯的新構(gòu)造活動跡象是天然地震也是水庫誘發(fā)地震的必要條件。 地熱流高是已有水庫地震震例一般都具有的條件。它表明新構(gòu)造活動影響到地殼深部或達到地幔。反映地熱流高的現(xiàn)象是近期火山活動和溫泉。 四、巖性條件 有人將巖性的易發(fā)震性劃分如表： 堅硬、多裂隙、易發(fā)震。大多為碳酸性巖區(qū)及火成巖。 巖性 結(jié)構(gòu) 發(fā)震程度 震源 松軟巖土 無 裂隙巖體 塊狀 微、弱 極淺 層狀 微、少發(fā) 極淺 構(gòu)造破碎巖體 塊狀 中、強、易發(fā) 3狀 弱 3溶型 裂隙巖溶型 弱、易發(fā) 極淺 構(gòu)造破碎巖溶型 弱或強、易發(fā) 4、水文地質(zhì) 巖體透水性、天然地下水位、巖溶發(fā)育、第四系厚度、地下封閉環(huán)境。 巖體透水性十分重要，據(jù) 40多個水庫和深井注水資料，測得巖體滲透率 巖體透水率隨深度而減小，米勒 1981年提出： （ 衰減系數(shù)， Z 深度； 地表巖體透水率） 968年提出，只要巖體滲透率在毫微達爾西量級，就可保持有孔隙水壓力（可測）。 謝原定等人認為，地表淺層 5 壓和溫度對滲透率影響在一個數(shù)量級之內(nèi)。 原始地下水位低以及蓄水后具有利于庫水向深部滲入的通道，是有利于空隙水壓力效應的良好水文地質(zhì)條件。 24 1010 0)( 0R 第四節(jié) 水庫誘發(fā)地震的水誘發(fā)機制 一、水巖作用機理 1. 水的物理化學效應 降低巖體及結(jié)構(gòu)面強度至 ， 潤滑作用 軟化作用 泥化作用 C 促進巖體斷裂的生長 楔裂作用：高壓水使封閉裂隙局部應力集中，使裂紋擴展、生長、串通，引起局部應變能釋放、產(chǎn)生微震。 應力腐蝕作用：巖石有的礦物（如石英），在臨界溫度以下，只要溫度降低很小時，強度可大大降低，而水的作用可使其溫度降低，從而使巖體破壞時間縮短，裂紋發(fā)展加速。 高滲流剃度效應 2. 水的荷載效應 垂直變形、撓曲變形 附加應力 庫基垂直沉陷 庫基水平位移 擠壓 拉張 淺層 深層 水荷載 （ 1） 壓力 ，例：對卡里巴水庫計算，水深 127m（ 相當庫盆壓力 13 計算得 5 直壓力增量 剪應力增量 而該處巖體應力 可達 1000相比之下，增量微小，約以 衰減。 （ 2） 沉陷 ，例：新豐江水庫，水位 105m， 計算庫盆中心下沉10實測 10 10沉值為 0，水平位移向庫心收縮，邊緣最大。 6下位移正好與上面相反。 庫盆受荷，深處的附加應力符合布涅斯克問題解 。 )(12 識： 對于大庫盆，大水深，荷載作用才有一定意義； 對淺源地震及臨界應力狀態(tài)有一定作用； 大庫盆兩側(cè)垂直裂隙，限制應力向外圍擴散（如斷陷盆地）作 用更大。 13. 水的孔隙水壓力效應 h A 1 1 3 3 正斷層 蓄水后：水荷載效應 長期蓄水后： 孔隙水壓力效應 二、不同天然構(gòu)造應力場條件下水庫地震的誘發(fā)機制 1 3 走滑型 蓄水后：水荷載效應 長期蓄水后： 孔隙水壓力效應 1 1 3 3 逆斷層 蓄水后：水荷載效應 長期蓄水后： 孔隙水壓力效應 第五節(jié) 工 程 地 質(zhì) 研 究 大型水庫（壩高 100m， 庫容 20億 建庫前應將水誘發(fā)地震作為專題研究，作出預測。水庫建成后應作進一步監(jiān)測研究。 建庫前，分二階段進行。 第一階段： 了解區(qū)域構(gòu)造背景，區(qū)域應力場，現(xiàn)代構(gòu)造活動性（包括地震、活斷層、地震應變速率、地熱等） 了解庫區(qū)基本地質(zhì)條件（巖性、構(gòu)造、地震、水文地質(zhì)等） 結(jié)合水庫水位、庫容等大概確定有無發(fā)震的基本條件。 重要方法：與已發(fā)震水庫的條件進行類比（包括已發(fā)震類分析和同條件下無震類比） 第二階段： 認為有必要進一步研究誘震問題時，作詳細的勘察工作。 地應力調(diào)查 鉆孔測量，配合其它方法。 庫區(qū)巖體透水性 壓水 實驗，理論推算。 監(jiān)測工作 活斷層、位移、測震。 預測工作 地質(zhì)模型，數(shù)學模型，預測 。 (一 )目的是初步判定產(chǎn)生可能性，因之進行下列研究是必要的。 要是查明是否存在有利于水庫誘發(fā)地震產(chǎn)生的上述大地構(gòu)造及區(qū)域地質(zhì)條件。根據(jù)大地構(gòu)造部位、天然地震層源機制及活斷層錯動機制， 判定現(xiàn)代地應力場的基本特征，還需要判定近期活動斷層的空間方位、水庫位置及附加應力是否有利于斷層活動。 2. 地震歷史研究：歷史地震及近期地理的震級、烈度、震中分布、震源深度、震源機制及與近期活動斷層間的關系。 庫誘發(fā)地震危險性初步評價工作框圖 汪雍熙等參照地震危險性分析方法，考慮到水庫誘發(fā)地震研究的最新進展和水庫誘發(fā)地震的特殊規(guī)律，提出了一套邏輯上比較嚴密、工作步驟上充分程式化的水庫地震危險性初步評價方法，使獲得的成果能與天然地震危險性評價具有可比性和相近的可信度。 早期研究如判定有水庫誘發(fā)地震可能性且預計烈度大于基本烈度，應在選壩后進行以下詳細研究以進一步判定可能性。 及它們隨深度的變化； (二 )初步設計階段的研究及蓄水的監(jiān)測 行定期量測，以便了解蓄水前后的地形變； 便進行蓄水前后活動性的對比。 (三 )建庫發(fā)震后的工程地質(zhì)研究 水庫建成蓄水后地震活動頻繁，應進行以下專門研究： 定震源位置，參數(shù)，研究地震序列，確定它與斷裂的關系 置傾斜儀等以觀察地形變； 別是較