§3水庫誘發(fā)地震活動的工程地質(zhì)分析一.基本概念與研究意義在一定條件下，人類的工程活動可以誘發(fā)地震，諸如修建水庫，城市或油田的抽水或注水，礦山坑道的崩塌，以及人工爆破或地下核爆炸等都能引起當?shù)爻霈F(xiàn)異常的地震活動，這類地震活動統(tǒng)稱為誘發(fā)地震（inducedearthquake）。其形成一方面依賴于該區(qū)的地質(zhì)條件、地應力狀態(tài)和有待釋放的應變能積累程度等因素；另一方面也與工程行為是否改變了一定范圍內(nèi)應力場的平衡狀態(tài)密切相關。

一般說來誘發(fā)地震的震級比較小，震源深度比較淺，對經(jīng)濟建設和社會生活的影響范圍也比較小。但是水庫誘發(fā)地震曾經(jīng)多次造成破壞性后果，更有甚者，水庫誘發(fā)地震還經(jīng)常威脅著水庫大壩的安全，甚至可能釀成遠比地震直接破壞更為嚴重的次生地質(zhì)災害，因此對水庫誘發(fā)地震發(fā)生的可能性應予以高度重視。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。二.水庫誘發(fā)地震活動性變化的幾種典型情況自1975年第一屆國際誘發(fā)地震會議以來，經(jīng)過研究的與水庫蓄水有關的地震活動性變化的事例迅速增多。其中有的是活動性(頻度、強度)增加，這類事例公認的約有百余例；活動性減弱的事例也有4例，絕大多數(shù)水庫蓄水后地震活動性沒有變化。下面以水庫活動性增強為重點介紹幾種典型情況。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m3）36747.51604開始蓄水及滿庫時間1935；1938.71965.7.21；1966.21958.12；1963.8地震活動特征第一次地震時間1936.91965.81961.7地震次數(shù)（起止時間）6000次（1936－1945）10000次（1936－1971）M≥2.0的前震740次，余震2580次（1966－1968）M≥2.0，1397次(1959.6－1968.12）主震震級（時間）5.0（1939.5.4）6.3（1966.2.5）6.1（1963.9.23）較大地震震級（時間）4.1（42.8.11）；4.4（42.9.9）；5.0（66.3.8）；5.0（66.4.3）；5.5（66.5.4）；5.5（66.6.11）；4.5（66.12.12）5.6（63.9.23）；5.8（63.9.23）；5.5（63.9.24）；6.0（63.9.25）；5.3（63.10.5）；5.8（63.11.8）；4.2（66.4.5）；5.5（67.4.20）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100m以上時發(fā)生地震，隨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32km之內(nèi)，震中沿斷層分布充水開始后六個月水深僅120m即發(fā)生6.3級主震。1967－1972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Vτ正相關。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表6－1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，305m27.08115160.51051962.6；1964.81959.10.20；1961.9.231967.111972（105m）；1976（205m）；1981（305m）1963年地震頻率明顯增高

1959.10，廣州臺記錄到來自庫區(qū)方向的2－4級地震三次；

1960.7的4.3級地震才引起重視1968.3（Ms≥2）

1971較集中的出現(xiàn)于水庫西南10－15km1972.10水庫主體之下出現(xiàn)地震M≥1.0，25000次（1963－1971）M≥3.0，450次（1963－1970）M≥4.0，35次（1969－1974）ML≥0.4，297035次（1961.9－1977.12）其中ML≥1.0，12862次Ms≥0.6，33761次（1960.10.13－1987.12.11）Ms≥1.0，13643次Ms≥0.5約110次Ms≥2.053次（1968.3－1977.4）1800次（1971－1979）1.4＜M＜4.66.5（1967.12.10）6.1（1962.3.19）4.7（1973.11.29）4.6（1972.11）5.8（67.12.11）；5.4（67.12.12.06）；5.9（67.12.12.15）；5.5（67.12.13.05）；5.6（67.12.13）；5.4（67.12.24）；5.0（68.3.8）；5.4（68.10.29）；5.1（73.10.17）4.9（62.4.5）；5.1（62.7.29）；4.3（63.12.6）；5.3（64.9.23）；4.5（72.12.18）；4.5（73.12）；4.3（75.7.25）；4.7（77.5.12）；4.3（75.7.25）；4.3（81.5.4）；4.6（87.9.15）4.2（73.11.29）；4.6（73.11.30）4.2（1971.12）4.6（1972.11）4.3（1972.11）4.1（1975.3）4.1（1975.12）4.1（1976.9）

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25km為半徑的范圍內(nèi)，且以10km為半徑的范圍內(nèi)最為密集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N30°W的密集帶和N70°E的密集帶，主震震中的兩帶交匯處，距大壩1.1km庫水深達50米后（1969.12）開始有明顯地震活動，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1.5個月發(fā)生了較強震動。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105m和205m相伴。所有大地震和多數(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(1)卡里巴—科列馬斯塔型（荷載誘發(fā)型）地震活動性的主要變化主要發(fā)生在1963年6月水庫蓄水位超出正常高水位之后，尤以1963年8月庫水位超出正常高水位2.9m之后為最強烈，此時水頭增值僅為2%。但在正常高水位附近，水位波動幾米庫容變化卻很大，顯然庫底巖石所承受的水庫附加荷載以及附加荷載的影響深度都隨之產(chǎn)生較大變化，水庫底部承受附加應力超出一定值的巖石的體積也會產(chǎn)生很大變化。(2)科因納—新豐江型（空隙水壓力誘發(fā)型）科因納水庫誘發(fā)地震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(6.5級，地震序列中大于5.0級的達15次)，而又是產(chǎn)生在構造跡象最不明顯、巖層產(chǎn)狀基本水平、近200a附近沒有明顯地震活動的印度地盾德干高原之上。庫、壩區(qū)均位于厚達1500m、產(chǎn)狀水平的玄武巖層之上，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。地震頻度與庫水位高峰正相關，但頻度峰值明顯滯后于水位峰值，一般滯后3-6個月。三.水庫誘發(fā)地震的特點

既然水庫誘發(fā)地震有水的活動和水庫荷載參與，這一特點必然在地震序列中有所反映。根據(jù)多個水庫誘發(fā)地震序列的研究，它們的特點如下：（1）震中分布在水庫邊緣和庫底，特別是大壩附近的峽谷區(qū)，常密集在庫周外10km范圍內(nèi)，空間上重復率較高。（2）頻度與震級關系中的b值較大，一般都大于1,而天然地震一般為0.3-0.6,且前震的b值大于余震的b值。(lgN=a-bm)

表6-7比較了某些地區(qū)水庫誘發(fā)地震與正常地震的b值，前者一般比后者大1.3-1.5倍。這是區(qū)別誘發(fā)地震和正常地震的主要標志之一。表6-7某些水庫地震的b值水庫名稱前震b值余震b值區(qū)域構造b值柯依納1.871.090.51卡里巴1.181.020.53克里馬斯塔1.411.120.64新豐江1.121.040.72丹江口1.050.980.51（3）震源深度比較淺，震級比正常地震為低。一般震源深度為4-7km，而目前水庫誘發(fā)地震的最大震級為6.5級，多數(shù)為微震、弱震，少數(shù)為強震。由于震源極淺，水庫誘發(fā)地震往往伴有地聲。我國有地聲的水庫誘發(fā)地震有新豐江、丹江口、南沖、佛子嶺。國外報導有地聲者有蒙太納、格朗格瓦爾、科列馬斯塔、康特拉、福達溪壩等等。由于震源淺，所以面波強烈，震中烈度一般較天然地震高，零點幾級就有感，3級就可以造成破壞。由于震源淺且震源體小，所以地震的影響范圍小，等震線衰減迅速．其影響范圍多屬局部性的。（4）震型上常為前震-主震-余震型，與天然地震相比，余震衰減率小。（5）具有非常高的地面加速度，但持續(xù)時間很短。（6）地震與水庫蓄水的相關性。許多水庫誘發(fā)地震都是在水庫開始蓄水一段時間后出現(xiàn)的，隨著水位升高，庫容量的加大，地震頻度也增高，震級加強，一直到主震發(fā)生。一般是水庫蓄水幾個月之后為微地震活動即有明顯的增強，隨后地震頻度也隨水位或庫容而明顯變化，但地震活動峰值在時間上均較水位或庫容峰值有所滯后。我國幾個水庫誘發(fā)地震蓄水開始與微震活動加強有如表6-3所示的關系。水庫名稱蓄水時間地震活動加強時間間隔時間(月)新豐江丹江口前進南沖柘林佛子嶺1959.101967.111970.51967.71972.11954.61959.111970.11971.101967.81972.101954.1212417196四.水庫誘發(fā)地震的機制

水庫誘發(fā)地震的確切誘因現(xiàn)在尚未完全查明，但已有震例已經(jīng)以充分資料證明，這類地震不是由于水庫荷載直接造成的．而是水庫的某種作用間接誘發(fā)的。亦即水庫的某種作用迭加于已有的天然應力場之上，使水庫蓄水前由于自然作用積累起來的應變能較早地以地震的方式釋放出來。

1.震源機制

水庫誘發(fā)地震震源機制主要為走向滑動型和正斷型兩種，且前者多于后者。屬于逆沖型機制者極其少見，蘇聯(lián)努列克水庫南側(cè)的誘發(fā)地震為逆沖斷層型。

圖6－3水庫誘發(fā)地震的兩類震源機制

據(jù)新豐江水庫誘發(fā)地震余震的震源力學研究，該處水庫誘發(fā)地層震源機制以沿北北西向斷裂的走向滑動為主，而后期則以北北西向斷裂帶上的正斷型傾向滑動為主，表明區(qū)域構造應力經(jīng)主震釋放之后，庫水荷重在誘發(fā)中占了主導地位。

2.形成機制水庫蓄水以后對庫底巖體可以產(chǎn)生以下三方面的效應。

水的物理化學效應這種效應使巖體斷裂面及其充填物軟化和泥化，從而降低了它的抗剪強度。只有當水庫蓄水前庫底巖體是干的才會出現(xiàn)這種效應，而天然情況下河谷下的斷裂面上一般是含水的．可見這類效應并不是經(jīng)常起作用的。

水庫的荷載效應（水庫荷載機制）水庫對庫底巖石的荷載效應是最易理解的,并可根據(jù)水深計算出壓強。這個荷載會在巖體內(nèi)造成附加應力，從而惡化斷裂面的應力條件。（多具正斷型機制，即地殼巖體內(nèi)的初始應力特征是以最大主應力垂直的，在水庫荷載的作用下進一步增大。這種地震的發(fā)生一般要求水庫庫容大，庫區(qū)為斷陷谷，河谷兩側(cè)斷裂發(fā)育，斷層面直立）

空隙水壓力效應（空隙水壓力機制）丹佛廢液處理井的誘發(fā)地震是空隙水壓力效應的極好實例。在這里沒有荷載效應，而只是因水的注入使裂隙中的空隙水壓力增加，相應地降低了作用在裂隙面上的有效正應力，從而按下式降低抗剪強度

τ＝C十(σn一pw)tgψ

目前多數(shù)人傾向于這種機制。五.產(chǎn)生水庫誘發(fā)地震的工程地質(zhì)條件大多數(shù)水庫不存在水庫誘發(fā)地震的問題。水庫誘發(fā)地震是多種因素共同影響的結(jié)果，只有在特定的地質(zhì)、水文地質(zhì)條件下水庫才可能引起高于當?shù)卣Ｇ闆r的地震活動。1.地質(zhì)結(jié)構誘發(fā)地震從根本上要借助于天然地震的醞釀,不具備潛在的發(fā)震構造體系-孕震構造，沒有應力集中，未達到發(fā)生地震的臨界狀態(tài)，是不可能發(fā)生地震的。所以主要在斷層較多，構造活動地區(qū)，尤其是差異運動強烈的斷陷谷地；地應力較高，甚至處于臨界應力狀態(tài)時水庫易誘發(fā)地震。屬潛在走向滑動型應力狀態(tài)，有產(chǎn)生誘發(fā)地震的可能性。潛在正斷型應力場產(chǎn)生水庫誘發(fā)地震的可能性最大，但在大陸上屬于此種應力狀態(tài)者限于東非斷裂谷型地塹帶或其它大斷陷盆地，典型震例為卡里巴。2．巖石類型與性質(zhì)據(jù)統(tǒng)計資料，由致密堅硬的脆性巖石組成的庫區(qū)易于發(fā)生誘發(fā)地震（如表6-8）。因為這類巖石能夠積聚較大的應變能，且在剪切作用下發(fā)生脆性破裂，大量釋放能量，產(chǎn)生較強地震。其中碳酸鹽巖區(qū)水庫誘發(fā)地震率較高，震級則以火成巖特別是花崗巖區(qū)較高，若庫區(qū)為粘土巖或砂頁巖或庫底有較厚的泥質(zhì)沉積物則不易誘發(fā)地震。表6-8國內(nèi)外部分水庫誘發(fā)地震地區(qū)的巖石類型水庫名稱所屬國家?guī)靺^(qū)巖石類型震級柯依納印度變質(zhì)巖、玄武巖6.4克里馬斯塔希臘硅質(zhì)灰?guī)r、灰?guī)r6.2卡里巴贊比亞-津巴布韋片麻巖、玄武巖、石英砂巖6.1新豐江中國花崗巖6.1丹江口中國石灰?guī)r、變質(zhì)巖4.7米德湖（胡佛大壩）美國片麻巖、石灰?guī)r5.0齊爾克伊前蘇聯(lián)石灰?guī)r5.13.水文地質(zhì)條件庫底巖石的透水性，孔隙-裂隙水的承壓水頭對水庫誘發(fā)地震具有重要的意義。巖體透水性較好，庫區(qū)周圍隔水層的分布，可形成大致封閉的水文地質(zhì)條件，有利于保持較大的水頭壓力，使庫水得以向深部大量滲入，增加節(jié)理、裂隙及斷層中的孔隙水應力，降低巖體的抗剪強度，因而易于誘發(fā)地震。4.具備較大庫容和較大壩高國內(nèi)外水庫誘發(fā)地震的資料顯示，高壩大庫誘發(fā)水庫地震的危險性大。當前，對于壩高大于100m，庫容超過20×108m3的水庫，在建壩前的工程地質(zhì)調(diào)查中，必須進行水庫地震的工程地質(zhì)研究，對水庫誘發(fā)地震的可能性做出可靠的評價。三峽水庫誘發(fā)地震條件分析：（1）水庫規(guī)模。三峽工程最大壩高181m，庫容393億m3，屬高壩水庫，產(chǎn)生水庫誘發(fā)地震的概率較中小型水庫高，但不是必然的。按壩高排位，三峽工程在全世界排位63名，按庫容排位26名。（2）巖性條件。三峽庫區(qū)主要分布三大巖類:①結(jié)晶巖類巖體分布于庫首黃陵結(jié)