概評水庫誘發(fā)地震及激發(fā)機(jī)制

高 銳，張宏志，曲 波

(1.黑龍江省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，哈爾濱150080;2.哈爾濱市呼蘭區(qū)水務(wù)局，哈爾濱150500)

水庫誘發(fā)地震是指在興建水利水電工程中，由于水庫蓄水而誘使壩區(qū)、水庫庫盆或近岸范圍內(nèi)發(fā)生的地震。中國是多地震的國家，也曾經(jīng)發(fā)生多起水庫誘發(fā)地震。因此，水庫工程設(shè)計(jì)中必須作好工程環(huán)境影響評價(jià)，其中就包括誘發(fā)地震的評估。水庫誘發(fā)地震將對經(jīng)濟(jì)建設(shè)和人民生命財(cái)產(chǎn)構(gòu)成威脅，造成一定的損失，其危害絕不容忽視。

1 水庫工程發(fā)生誘發(fā)地震實(shí)例概述

20世紀(jì)60年代以來，我國新豐江水庫，贊比亞與津巴布韋界河上的卡里巴水庫、希臘的克里馬斯塔水庫和印度的柯依那水庫等都先后誘發(fā)了6級以上的上的地震，造成了較嚴(yán)重的破壞和人員傷亡。其中壩高105 m的新豐江水庫6.1級地震和壩高103 m的柯依那水庫6.4級地震都是在少震區(qū)誘發(fā)6級以上地震的例子?？乱滥撬畮彀l(fā)生的MS6.4級地震是目前世界上最大的誘發(fā)地震震例。該地震使柯依那市大多數(shù)磚石房屋倒塌，死傷約2 500人。壩高128 m的卡里巴水庫是世界上庫容最大的水庫，庫區(qū)歷史上無地震活動記載。蓄水誘發(fā)的6.1級主震發(fā)生在開始蓄水4 a后。壩高165 m的克里馬斯塔水庫雖然位于地震活動活躍區(qū)內(nèi)，但蓄水前的100多年中從未在庫區(qū)內(nèi)觀測到大于6級以上的構(gòu)造地震?？死锺R斯塔是蓄水后唯一的發(fā)生了4次6級以上水庫誘發(fā)地震的例子，且蓄水后僅6個(gè)月即發(fā)生了第一次6.2級地震。在我國水庫建設(shè)歷史上影響最大的1962年3月19日新豐江大壩附近發(fā)生的面波震級為6.1級的地震，其震中離大壩僅1.1 km，震中烈度高達(dá)8°。這次地震使剛按7°加固的大壩出現(xiàn)了長達(dá)82 m的水平貫穿性裂縫，發(fā)電機(jī)組和開關(guān)站均受損壞而停止運(yùn)轉(zhuǎn)。此后，1個(gè)月之內(nèi)便發(fā)生了3.0級以上地震58次，頻度很高。

2 誘發(fā)地震發(fā)生的條件

水庫誘發(fā)地震的發(fā)生是有條件的，并不是所有的水庫蓄水都會誘發(fā)地震。根據(jù)已發(fā)生誘發(fā)地震水庫進(jìn)行剖析，大多數(shù)發(fā)生在地質(zhì)構(gòu)造相對活動地區(qū)，且均于斷陷盆地中并與活動斷層有關(guān)，庫區(qū)內(nèi)斷層發(fā)育，新構(gòu)造差異運(yùn)動顯著、溫泉發(fā)育，皆利于應(yīng)力集中，從而容易誘發(fā)地震。

產(chǎn)生誘發(fā)地震，特別是6級以上的震區(qū)巖性多為變質(zhì)巖、玄武巖類等脆性巖石，易于破碎，促使庫水易向深部滲透。在孔隙水壓力作用下，巖石易軟化、使強(qiáng)度降低、而巖性不均一則有利于應(yīng)力集中，這均利于使斷層產(chǎn)生錯(cuò)動，但軟基內(nèi)均質(zhì)巖體不易積蓄應(yīng)力，故不易激發(fā)地震。

在構(gòu)造活動區(qū)，水文地質(zhì)條件復(fù)雜，巖體多變、斷裂發(fā)育，透水性不均等點(diǎn)，常易形成局部的流體動力異常區(qū)，在水負(fù)荷作用下，含水層受壓也會產(chǎn)生地震。多數(shù)水庫沒有地震活動，有的地震活動頻度有所增高但震級不大，有的則是地震活動顯著增強(qiáng)，它們大多是在蓄水前地震活動不明顯，蓄水后一段時(shí)間，地震強(qiáng)度或頻度急劇增加出現(xiàn)較強(qiáng)的主震。

3 水庫誘發(fā)地震類型

水庫誘發(fā)地震主要有前震－主震－余震型和震群型兩大類，且以具有快速響應(yīng)特征的震群型居多。

3.1 第一類型

震群型誘發(fā)地震特點(diǎn)是地震序列為一個(gè)或數(shù)個(gè)震群所組成，其震級較小，通常為3級以下，震源很淺，分布于水庫或水域邊緣附近。地震在時(shí)間分布上有秘籍和稀疏的變化，形成數(shù)組地震或互不相銜接的幾個(gè)小震群。整個(gè)地震活動持續(xù)數(shù)月或數(shù)年。地震活動的連續(xù)性和持久性都較差。震群型誘發(fā)地震與水庫水位變化有較好的對應(yīng)關(guān)系。這種誘發(fā)地震的分布與庫基地形和水體形狀有一定關(guān)系。它們的形成還受淺層庫基內(nèi)小斷裂網(wǎng)絡(luò)的影響，而與大型活動斷層關(guān)系不明顯。震群型地震對于水庫蓄水呈“快速響應(yīng)”，以后每逢高水位時(shí)，如有類似反應(yīng)仍為“快速響應(yīng)”。其形成主要與兩方面因素有關(guān)系:①為水庫荷載使庫基巖體發(fā)生彈性變形，導(dǎo)致淺層部位的庫基巖體局部失穩(wěn)。此外，應(yīng)力腐蝕可能發(fā)揮一定作用;②為在庫水作用下，庫基斷塊沿著近于直立的斷裂發(fā)生重力滑移。所以，這種類型的誘發(fā)地震受到地形和淺層構(gòu)造斷裂的支配，其震源應(yīng)力場不完全反映區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場的特征。

3.2 第二類型

前震—主震—余震型，其特點(diǎn)是水庫蓄水以后，或立即或滯后一段時(shí)間，誘發(fā)一系列微小地震，然后經(jīng)過持續(xù)的地震活動才出現(xiàn)主震，最后為緩慢衰減的余震活動。由于主震之前有豐富的前震，所以，主震發(fā)生于水庫蓄水?dāng)?shù)月或數(shù)年滯后。起初震源深度較淺，以后逐漸向深部擴(kuò)展，最后終止于一定深度一般為10 km左右。地震序列的主震通常為3級以上。主震于最大余震的震級很相近，其比值介于0.80～0.98。所以，于相同震級的構(gòu)造地震相比，水庫地震的能量釋放相對分散，通常在同一條活動斷層上，有不止一次的連續(xù)錯(cuò)動。前震—主震—余震型的地震活動持續(xù)較久，在漫長的地震序列中，每次較強(qiáng)余震前后，還形成相對獨(dú)立的地震序列，它們有列斯震群型的，有類似前震—主震—余震型的。在蓄水初期，地震活動與水庫水位有良好的對應(yīng)關(guān)系，但是隨著時(shí)間的推移，它們的相關(guān)性持續(xù)數(shù)年之后將消失。這種類型的誘發(fā)地震與水庫蓄水的響應(yīng)關(guān)系既可以是“滯后響應(yīng)”，也可以是“快速響應(yīng)”與“滯后響應(yīng)”相疊加的結(jié)果。它們的分布雖然仍然主要集中于水庫區(qū)附近，但是它們的分布范圍遠(yuǎn)比群震型的分布要廣泛得多，而且沿著某些活動斷層延展。這些活動斷層或與庫區(qū)常州平行，或斜貫水庫。

4 水庫誘發(fā)地震的特點(diǎn)

1)水庫誘發(fā)地震與壩高，庫容有相關(guān)性，且受水位升降影響。所有震級＞5級的水庫誘發(fā)地震都發(fā)生在大壩高于100 m的水庫，蓄水后短時(shí)間內(nèi)即有弱震活動，且隨水位上升，庫容增大，地震活動增強(qiáng)。

2)水庫誘發(fā)地震具有明顯的前震多，余震延續(xù)時(shí)間長，衰減慢，逐漸趨向緩的特征，多數(shù)水庫蓄水后產(chǎn)生地震的主震一般在高水位下，且延續(xù)一段時(shí)間，具有明顯滯后現(xiàn)象。表征水庫地震的震級－頻度關(guān)系的B值較同樣震級的天然構(gòu)造地震的B值偏高，且構(gòu)造型水庫誘發(fā)地震的活動持續(xù)時(shí)間長，余震頻繁，衰減慢且強(qiáng)度亦高。

3)水庫地震活動范圍較小，震源體積小，震中主要分布在庫區(qū)內(nèi)斷裂發(fā)育，幾組斷層交匯，沿?cái)鄬佑袦厝雎?，巖層破碎和峽谷區(qū)水域邊緣處。震中密集成帶狀或團(tuán)塊狀、其延伸方向大體與庫區(qū)內(nèi)主要斷裂線平行。

4)水庫誘發(fā)地震的震源淺，震級不大，而震中烈度偏高。一般水庫地震的震源都較淺、多為水庫荷載影響范圍內(nèi)，一般在地表下2～10 km。多數(shù)水庫誘發(fā)地震的最高震級不超過三級。據(jù)資料統(tǒng)計(jì)世界上誘發(fā)了5級以上中強(qiáng)震的水庫約有20余例，而誘發(fā)6級以上強(qiáng)震的水庫只有4例。水庫地震的震中烈度較高，一般為V度，3級以上誘發(fā)地震震中烈度達(dá)6°的例子也不少。主震等震線長軸皆與水庫區(qū)內(nèi)主構(gòu)造線走向一致。震中密集于庫壩附近至水庫岸邊幾十公里范圍內(nèi)。

5 水庫誘發(fā)地震的激發(fā)條件

水庫蓄水引發(fā)起水庫誘發(fā)地震的激發(fā)，壩庫區(qū)巖體特定的地質(zhì)條件是水庫誘發(fā)地震的基礎(chǔ)，蓄水是引起巖體中應(yīng)變能集中與釋放的直接原因。蓄水激發(fā)地震的機(jī)制，其直接效應(yīng)是水體荷載產(chǎn)生的壓應(yīng)力和剪應(yīng)力破壞地殼應(yīng)力均衡，引起斷層錯(cuò)動，從而產(chǎn)生地震，其間接效應(yīng)是除了水平荷載所產(chǎn)生的應(yīng)力增值配合已有的天然應(yīng)力場促成斷層錯(cuò)動外，地下水孔隙壓力的增加降低垂直于斷面的正應(yīng)力。水又起著潤滑和軟化巖石作用，使其沿?cái)鄬用娴目辜魪?qiáng)度低，引起斷層錯(cuò)動、誘發(fā)地震。此外在水下滲過程中，因地?zé)嵩鲋蹬蛎洑饣?，可產(chǎn)生局部熱應(yīng)力集中和巖面的化學(xué)變化，降低了巖體強(qiáng)度，也可能對地表有一定的激發(fā)影響。

因此，對大型水庫的誘發(fā)地震研究必須詳細(xì)了解，收集水庫的區(qū)域地質(zhì)條件、構(gòu)造、巖性、水文地質(zhì)條件及地質(zhì)環(huán)境、歷史地質(zhì)、歷史地震的資料，查明庫區(qū)及鄰區(qū)地質(zhì)構(gòu)造特征、有無斷陷盆地及活動斷層其活動方式、速度、特征及與地震關(guān)系與水庫的工程特性綜合分析，預(yù)測末來蓄水后有否誘發(fā)地震的可能性，若判定有可能誘發(fā)地震時(shí)，則應(yīng)進(jìn)一步按地震等原理及有關(guān)公式進(jìn)行震級大小，震中烈度及影響范圍的定量計(jì)算，并建立高靈敏，高頻率的地震觀測網(wǎng)，監(jiān)測地震活動;裝置地應(yīng)力儀，觀測地應(yīng)變化;裝置傾斜儀觀測地應(yīng)變;設(shè)水準(zhǔn)點(diǎn)觀測蓄水后地面變形及水位升降;設(shè)長期觀測點(diǎn)監(jiān)測已有構(gòu)造斷層的位移、變形;研究地下水位變動與地震頻度關(guān)系。

［1］徐澤平.淺談地震與大壩安全［R］.北京:中國水利水電科學(xué)研究院巖土所，2009.

［2］江娃利.有關(guān)1976年唐山地震發(fā)震斷層的討論［J］.地震地質(zhì)，2006，28(2):312 －314.

［3］時(shí)偉.工程地質(zhì)學(xué)［M］.北京:科學(xué)出版社，2007.