由向家壩水庫(kù)震源機(jī)制探討誘發(fā)地震的成因

馮向東 岳秀霞 王曰風(fēng) 王曉山 刁桂苓*張洪智 程萬(wàn)正 李 悅 馮志仁

1)河北省地震局，石家莊 050022

2)天津市地震局，天津 300201

3)中國(guó)地震局工程力學(xué)所，哈爾濱 150080

0 引言

向家壩電站壩址位于四川省宜賓縣與云南水富縣交界的金沙江下游河段上，最大壩高162m(http:∥www.ctg.com.cn/xwzx/news.php?mnewsid=21582＆mtext=%CF%F2%BC%D2%B0%D3)。國(guó)家電力公司中南勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院的報(bào)告①國(guó)家電力公司中南勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，2003，金沙江向家壩水電站水庫(kù)工程地質(zhì)勘察報(bào)告。中指出:金沙江溪洛渡至向家壩河段河流流向受地質(zhì)構(gòu)造控制，鳥(niǎo)瞰呈“廠”字型;其中，溪洛渡至檜溪河段呈NE流向;檜溪至新市鎮(zhèn)河流呈近SN向，順SN走向的河段有猰子壩斷層;新市鎮(zhèn)以下河段呈近EW向。庫(kù)區(qū)地層出露較齊全，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，地形變化大，雨量充沛，物理地質(zhì)現(xiàn)象較發(fā)育。水庫(kù)蓄水后，將會(huì)遇到一系列工程地質(zhì)問(wèn)題，如水庫(kù)滲漏、水庫(kù)浸沒(méi)、水庫(kù)固體逕流、水庫(kù)誘發(fā)地震等。

向家壩水庫(kù)以及上游的溪洛渡水庫(kù)布設(shè)了地震臺(tái)網(wǎng)，有35臺(tái)儀器連續(xù)記錄，能夠很好地控制庫(kù)區(qū)和周圍地區(qū)的地震(樊啟祥等，2010)。水庫(kù)地震臺(tái)網(wǎng)記錄的2007年9月—2013年6月庫(kù)尾一帶1級(jí)以上地震共計(jì)38次，平均每月發(fā)生0.66次。而2013年7—9月則記錄ML≥1.0地震186次，活動(dòng)水平大大超出以往。同期還記錄1級(jí)以下地震553次，最小震級(jí)達(dá)－0.6級(jí)。在強(qiáng)震背景區(qū)發(fā)生大量小地震已經(jīng)引起巨大反響，況且向家壩是中國(guó)第三大水庫(kù)，大壩高、蓄水量大，如果發(fā)生災(zāi)害，必將威脅下游長(zhǎng)江流域的安全。

以往，國(guó)內(nèi)外建設(shè)的大型水庫(kù)都分布在地震風(fēng)險(xiǎn)小的區(qū)域，在高烈度區(qū)劃內(nèi)的向家壩水庫(kù)沒(méi)有誘發(fā)地震研究的經(jīng)驗(yàn)可資借鑒(程萬(wàn)正，2013)。西部地區(qū)是中國(guó)水能資源最豐富的地區(qū)，主要集中在岷江、大渡河、雅礱江、金沙江、瀾滄江、怒江等流域，這些地區(qū)為強(qiáng)烈地震和地質(zhì)災(zāi)害高發(fā)區(qū)。目前在建和擬建的一系列200m至300m級(jí)的世界級(jí)高壩，工程規(guī)模巨大且少有先例，壩址地震烈度高且缺乏工程震害實(shí)例，面臨一系列世界級(jí)技術(shù)難題。高壩大庫(kù)一旦受震潰決，將導(dǎo)致大壩下游的嚴(yán)重次生災(zāi)害，給人民生命及財(cái)產(chǎn)造成巨大損失。因此，大壩的抗震防災(zāi)研究成為當(dāng)前水電領(lǐng)域前沿性的重要研究課題(陳厚群等，2009)，有必要借鑒國(guó)內(nèi)外水庫(kù)地震的研究成果，分析這些地震是否與水庫(kù)蓄水有關(guān)，進(jìn)一步估計(jì)發(fā)展趨勢(shì)，探討成因，提出必要的工程措施和進(jìn)一步研究的建議，力圖減小和避免災(zāi)害的發(fā)生。

1 水庫(kù)誘發(fā)地震活動(dòng)

趙翠萍等①趙翠萍等，2011，國(guó)家科技支撐計(jì)劃——水庫(kù)地震發(fā)生條件探測(cè)技術(shù)研究課題(2008BAC38B02)報(bào)告。認(rèn)為:水庫(kù)地震精確定位結(jié)果顯示，水庫(kù)蓄水后的地震活動(dòng)均表現(xiàn)出明顯的叢集活動(dòng)特征，且大都發(fā)生在在距離庫(kù)岸區(qū)10km范圍內(nèi)，深度也大都＜10km。即水庫(kù)地震空間分布呈現(xiàn)出“雙十”特征。在查閱了國(guó)內(nèi)外有關(guān)水庫(kù)地震研究的大量文獻(xiàn)之后，發(fā)現(xiàn)存在水庫(kù)地震監(jiān)測(cè)臺(tái)網(wǎng)的水庫(kù)，蓄水后地震活動(dòng)的空間分布絕大多數(shù)符合“雙十”特征。公認(rèn)度較高的100多個(gè)水庫(kù)，蓄水后庫(kù)區(qū)發(fā)生的最大地震震源位置都符合“雙十”特征，而且具有一定的普適性。蔣海昆等②蔣海昆等，2011，國(guó)家科技支撐計(jì)劃——水庫(kù)地震預(yù)測(cè)方法研究課題(2008BAC38B03)報(bào)告。統(tǒng)計(jì)，截至1990年，世界上報(bào)道的具有較大影響的水庫(kù)誘發(fā)地震約有120例，分布在29個(gè)國(guó)家。國(guó)內(nèi)明確報(bào)道的水庫(kù)地震震例已達(dá)43例。其中有4次水庫(kù)誘發(fā)地震超過(guò)6.0級(jí)，它們是中國(guó)新豐江(1962－03－19，M6.1)，贊比亞－津巴布韋邊界Kariba(1963－09－23，M6.1)，希臘 Kremasta(1965－02－05，M6.2)，印度 Koyna(1967－12－10，M6.3)，大部分水庫(kù)誘發(fā)地震是＜5.0級(jí)的中小地震，約占90%。

向家壩庫(kù)尾一帶地震分布如圖1所示，密集分布的尺度不超過(guò)20km，地震全部集中在庫(kù)岸兩側(cè)10km范圍內(nèi);采用3維速度模型重新修訂震源位置，這些地震有94%發(fā)生在0～5km深度范圍;雖然地震數(shù)目多，但是最大震級(jí)僅僅ML3.4，2013年11月1日發(fā)生的更大地震，也僅僅ML3.7級(jí)，都屬于小震和微震。圖2給出0級(jí)以上地震震級(jí)和頻度隨時(shí)間的分布。根據(jù)楊國(guó)憲等(2003)提出的水庫(kù)誘發(fā)地震的判別依據(jù)，庫(kù)水影響區(qū)ML≥1.0的地震超過(guò)月平均發(fā)生頻次的6倍即可判別為誘發(fā)地震。蓄水前庫(kù)尾段的1級(jí)以上地震月平均次數(shù)是0.655，向家壩水庫(kù)2013年7—9月的3個(gè)月平均水平達(dá)到62次，已經(jīng)接近以往月均值的100倍。

圖1 向家壩水庫(kù)2013年6—9月誘發(fā)地震(黑框內(nèi))分布Fig.1 Distribution of Xiangjiaba reservoir-induced earthquakes(in the bottom right box)from June to September，2013.背景為2007年—2012年9月蓄水前地震

圖2 向家壩水庫(kù)誘發(fā)地震序列和頻度隨時(shí)間的分布(a);向家壩庫(kù)水位和溪洛渡水庫(kù)放水量隨時(shí)間的變化(b)Fig.2 Xiangjiaba reservoir-induced earthquake sequence and frequency distribution over time(a);Changes of Xiangjiaba reservoir water level and Xiluodu reservoir discharge over time(b).

向家壩水庫(kù)2012年10月11日開(kāi)始蓄水，至17日水位增加了71m，達(dá)到352m，此后水位平穩(wěn)。在此期間，小震活動(dòng)水平?jīng)]有顯著增長(zhǎng)。庫(kù)尾一帶距離大壩約100km，大壩下閘蓄水，尚未回流到庫(kù)尾。2013年6月27日再次蓄水，2013年7月6日水位又增加15m，2013年9月再次上漲(圖2b)，庫(kù)尾段起始在劉家坪，其水位與向家壩大壩處的水位差71.2m。這時(shí)的高水位已經(jīng)淹沒(méi)到向家壩庫(kù)尾段。而距離較近的溪洛渡大壩，提閘放水更能夠迅速影響向家壩庫(kù)尾一帶(圖2b)，7—9月的大規(guī)模放水與下游向家壩大壩下閘蓄水回流淹沒(méi)的共同作用，導(dǎo)致向家壩庫(kù)尾一帶的誘發(fā)地震發(fā)生，并且形成幾個(gè)集中活動(dòng)的小震群(圖2a，b)。

2 震源機(jī)制和應(yīng)力場(chǎng)

采用層狀介質(zhì)點(diǎn)源位錯(cuò)模型，利用水庫(kù)地震臺(tái)網(wǎng)的觀測(cè)資料，取垂直向記錄到直達(dá)P、S波的最大振幅，反演震源機(jī)制的方法(梁尚鴻等，1984)。在反演過(guò)程中，用理論振幅比值與相應(yīng)觀測(cè)資料擬合的方式求解震源參數(shù)，自一組模型參數(shù)的初值開(kāi)始，運(yùn)用通常的最優(yōu)化算法(BFGS算法)實(shí)現(xiàn)求解過(guò)程，其中選用的目標(biāo)函數(shù)定義如下:

式(1)中i為臺(tái)站序號(hào)，N為參與計(jì)算的臺(tái)站總數(shù)，Qi為理論振幅比值為實(shí)測(cè)振幅比值，f為擬合殘差，無(wú)量綱。

通過(guò)這種方法計(jì)算得到庫(kù)尾一帶蓄水之前9個(gè)(圖3a)、蓄水后69個(gè)小地震的震源機(jī)制(圖3b)，50%的結(jié)果擬合殘差＜0.2，近80%的結(jié)果擬合殘差＜1(圖3c)。

從圖3可以看出自水庫(kù)臺(tái)網(wǎng)有地震記錄以來(lái)，蓄水前僅僅得到9個(gè)震源機(jī)制(圖3左)，大致分布在2個(gè)地點(diǎn)。震源機(jī)制解由三角形分類方法將震源機(jī)制劃分成4類:走向滑動(dòng)型、逆沖型、正斷型、過(guò)渡型。走向滑動(dòng)型有5個(gè)，傾向滑動(dòng)型有2個(gè)(正斷型和逆沖型各1個(gè))，復(fù)合類型有2個(gè)，各種類型都有。而蓄水后的69個(gè)地震中，4種類型的震源機(jī)制分別有37個(gè)、8個(gè)、11個(gè)和13個(gè)。走向滑動(dòng)型最多，占近2/3，傾向滑動(dòng)的正斷型、逆沖型數(shù)目較少。這些地震震源深度都較淺，優(yōu)勢(shì)分布差別不大。

選用Gephart等(1984)的應(yīng)力場(chǎng)參數(shù)網(wǎng)格搜索的震源機(jī)制應(yīng)力反演(簡(jiǎn)稱FMSI)程序確定應(yīng)力場(chǎng)的主應(yīng)力軸方位。震源機(jī)制應(yīng)力反演程序有3個(gè)基本假定(Gephart et al.，1984;Gephart，1990):1)斷層面上的滑動(dòng)方向和計(jì)算的剪切應(yīng)力方向一致;2)研究區(qū)域內(nèi)應(yīng)力場(chǎng)方向是一致的;3)地震是剪切位錯(cuò)并且可以發(fā)生在先前已經(jīng)存在的斷層上。震源機(jī)制應(yīng)力反演程序使用的是網(wǎng)格搜索法，即在應(yīng)力場(chǎng)參數(shù)的模型空間中找到應(yīng)力模型與實(shí)際地震數(shù)據(jù)間平均殘差最小的最佳應(yīng)力模型。

蓄水前庫(kù)區(qū)9次小震震源機(jī)制可能屬于隨機(jī)發(fā)生，數(shù)據(jù)量太少，不適于反演應(yīng)力場(chǎng)。蓄水后小震分布明顯存在南北2個(gè)集中區(qū)(圖1)，以中間為界將研究區(qū)分為南北2個(gè)區(qū)，69個(gè)震源機(jī)制解在北區(qū)有39個(gè)，南區(qū)有30個(gè)(圖4)，利用其分別反演蓄水后南北2個(gè)區(qū)應(yīng)力場(chǎng)的結(jié)果如圖5a、b，同時(shí)，利用大區(qū)域內(nèi)416個(gè)震源機(jī)制反演的結(jié)果作為區(qū)域背景應(yīng)力場(chǎng)(圖5c)。表1給出了相應(yīng)的參數(shù)。

圖3 向家壩水庫(kù)庫(kù)尾段蓄水前(a)、后(b)的震源機(jī)制投影(紅色線為猰子壩斷層)，擬合殘差(c)Fig.3 Focal mechanisms in tail region of Xiangjiaba Reservoir before(a)and after(b)impoundment(The red line is for Yaziba Fault)，and the fitting residuals(c).

Wyss等(1992)和Gillard等(1996)的研究顯示:若震源機(jī)制解有15°的誤差，其引起應(yīng)力場(chǎng)反演的平均殘差不超過(guò)6°，因此平均殘差＜6°可能表明研究區(qū)域具有均勻的應(yīng)力場(chǎng)，而平均殘差＞9°則可能表明研究區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)的不均勻。當(dāng)平均殘差介于6°和9°之間時(shí)，反演得到的最佳應(yīng)力場(chǎng)模型被認(rèn)為是可以接受的解，但平均殘差反映了研究區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)存在一定程度的不均勻性(Wyss et al.，1995;Lu et al.，1997)。Wan等(2010)利用中國(guó)地殼應(yīng)力數(shù)據(jù)庫(kù)和哈佛大學(xué)矩張量解反演了中國(guó)現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)，絕大部分地區(qū)擬合殘差均＜9°，但在向家壩附近區(qū)域擬合殘差為13°左右，而本文反演的南、北2個(gè)區(qū)及區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)的擬合殘差角misfit分別為11°、13°和15°，這種情況反映研究區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)較為紊亂。

圖4 震源機(jī)制類型分布Fig.4 Distribution of focal mechanism types.

圖5 向家壩蓄水后北區(qū)(a)、南區(qū)(b)庫(kù)尾段的應(yīng)力場(chǎng)和向家壩區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)(c)投影Fig.5 Stress field projection to the north(a)and south(b)part of tail region of Xiangjiaba reservoir and the stress field of the whole Xiangjiaba reservoir region(c)after the impoundment.

表1 震源機(jī)制劃分區(qū)域和時(shí)間段反演的應(yīng)力場(chǎng)應(yīng)力軸參數(shù)Table 1 The stress axis parameters of stress field based on different zones and periods of focal mechanisms

區(qū)域背景應(yīng)力場(chǎng)其最大壓應(yīng)力主軸(圖5中的紅色方塊)方位288°，傾角16°;中等壓應(yīng)力主軸(圖5中的黑色圓點(diǎn))方位101°，傾角73°;最小壓應(yīng)力主軸(圖5中的綠色三角)方位197°，傾角2°。最大和最小壓應(yīng)力主軸水平，中等壓應(yīng)力主軸垂直(圖5c)。呈現(xiàn)出背景應(yīng)力場(chǎng)NWW－SEE向擠壓，NNE－SSW向拉張的走向滑動(dòng)狀態(tài)。蓄水后北區(qū)σ1水平，方位251°，傾角18°與背景應(yīng)力場(chǎng)σ1一致，整體上表現(xiàn)出明顯的NWW－SEE向擠壓狀態(tài)，而σ3傾角67°近于直立，與背景應(yīng)力場(chǎng)的走向滑動(dòng)狀態(tài)不同。南部應(yīng)力場(chǎng)呈現(xiàn)弱拉張狀態(tài)，與背景區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)差別較大。南、北兩區(qū)應(yīng)力場(chǎng)差別較大，顯示庫(kù)區(qū)應(yīng)力狀態(tài)不均勻，區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)對(duì)小震控制力不強(qiáng)。

3 討論與結(jié)論

據(jù)國(guó)家電力公司中南勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院的報(bào)告①同565頁(yè)①。，金沙江在新市鎮(zhèn)以南為近SN流向，主要出露老地層，為二疊紀(jì)以前的沉積巖，主要為震旦紀(jì)—寒武紀(jì)灰?guī)r、粉砂巖及二疊紀(jì)玄武巖等，受構(gòu)造影響巖層多為緊密褶皺，傾角較陡，背向斜受斷裂切割，分布方向紊亂，局部巖層倒轉(zhuǎn)巖石破碎，并發(fā)育橫跨構(gòu)造。巖石古老，巖性堅(jiān)硬，受構(gòu)造和巖性影響，節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖溶化程度較高，故巖溶水豐富，常見(jiàn)大泉、暗河出露。金沙江向家壩水庫(kù)SN向庫(kù)段存在的裸露型巖溶發(fā)育，從劉家坪到猰子壩對(duì)岸有10處以上的溶洞、暗河、伏流，溶洞洞頸0.5～6m不等，它們大多數(shù)在蓄水之后位于庫(kù)水面之下。在其他灰?guī)r分布區(qū)也常見(jiàn)巖溶泉水出露，如撒水壩右岸的瀑布水等。巖溶水主要接受大范圍的大氣降水補(bǔ)給，集中排泄于金沙江。巖溶發(fā)育地區(qū)在芭蕉灘冒水孔附近，發(fā)育高程為280～290m，320～340m，巖層為二疊紀(jì)、三疊紀(jì)灰?guī)r，正常蓄水時(shí)皆位于水面以下。由于二疊紀(jì)灰?guī)r廣泛出露，又有褶皺和斷裂構(gòu)造條件，造成巖溶現(xiàn)象的大面積發(fā)育，其中屏山縣冒水鄉(xiāng)左岸的暗河流量約360L/s，長(zhǎng)12～13km，此外還有溶洞10多處。據(jù)調(diào)查，該地形具有一定深度的地下水循環(huán)系統(tǒng)。

3個(gè)破裂類型多樣區(qū)，可能和易溶巖體、溶洞位置有關(guān)，也和巖石古老、巖性堅(jiān)硬的性質(zhì)有關(guān)。猜測(cè)溶洞周圍存在不同方向的裂隙和節(jié)理，庫(kù)水侵入溶洞導(dǎo)致裂隙強(qiáng)度降低，更容易使得破裂擴(kuò)展而誘發(fā)大量微小地震。向家壩水庫(kù)誘發(fā)地震以走向滑動(dòng)為主，說(shuō)明這些地震仍然是在區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)作用下產(chǎn)生的，前提條件是庫(kù)水侵入降低了巖石的強(qiáng)度。

趙翠萍等①同566頁(yè)①。反演了三峽和龍灘水庫(kù)5次4級(jí)以上地震的矩張量解，都具有明顯的非雙力偶分量?；邳c(diǎn)源位錯(cuò)模型的雙力偶震源機(jī)制解，地震垂直向記錄到P波初動(dòng)是向上或者是向下，在震源球面投影為四象限分布。在本文給出的蓄水后69次地震的震源機(jī)制解中，許多解的P波初動(dòng)符號(hào)與所在象限存在矛盾的現(xiàn)象，雖然經(jīng)過(guò)反復(fù)核實(shí)，查找各種原因，都沒(méi)有發(fā)現(xiàn)確定的影響因素，這在其他天然地震之中并不多見(jiàn)。

中國(guó)地震局地殼應(yīng)力研究所②國(guó)家地震局地殼應(yīng)力研究所，1990，金沙江向家壩水庫(kù)誘發(fā)地震危險(xiǎn)性初步分析。的研究結(jié)論是:在庫(kù)尾段冒水孔—糖房壩30km范圍內(nèi)，構(gòu)造發(fā)育程度復(fù)雜，強(qiáng)烈，巖溶的發(fā)育程度為全庫(kù)區(qū)之冠。認(rèn)為本庫(kù)段誘發(fā)地震的可能性最大，估計(jì)其震級(jí)較小，即M≤5.0?？赡苷T發(fā)地震位置在水庫(kù)2次穿過(guò)猰子壩斷層的庫(kù)段，并以北端相對(duì)更大。事實(shí)表明這種判斷已經(jīng)應(yīng)驗(yàn)，只是地震雖然數(shù)量多，強(qiáng)度卻很低，最大僅為ML3.7。

誘發(fā)地震集中區(qū)位于《中國(guó)地震動(dòng)峰值加速度區(qū)劃圖》的0.2g區(qū)，相當(dāng)于烈度Ⅷ度地震;而且有地震活躍的馬邊－大關(guān)地震帶穿過(guò)，曾經(jīng)發(fā)生一系列6～7級(jí)地震，如1216年3月24日馬湖地震。其震級(jí)達(dá)到7.0，烈度為Ⅸ度(國(guó)家地震局震害防御司編，1995)。震中位置在四川雷波馬湖(28.4°N、103.8°E)，震中定位精度為V類，誤差＞100km。看來(lái)震中存在很大的不確定性。地震災(zāi)害情況記錄:“東、西兩川地大震，馬湖夷界山崩八十里，江水不通。震后，3月28日、4月6日、9日、14日連震不已”。當(dāng)時(shí)西川治成都，東川治三臺(tái)，兩川轄境在今四川盆地西南、西北部。馬湖夷界指雷波馬湖地區(qū)一帶，江即今金沙江。已有研究認(rèn)為震中不在馬湖，猜測(cè)在馬邊－大關(guān)地震帶與金沙江相交處可能性大(梁小華等，2002)。

1970年至2012年馬邊－大關(guān)地震帶發(fā)生大量地震，但是在穿過(guò)水庫(kù)的區(qū)域地震活動(dòng)較弱，深度剖面存在空段，這可能是未來(lái)強(qiáng)震潛在的場(chǎng)所。恰好空段是目前水庫(kù)誘發(fā)地震集中發(fā)生的地方。因此屬于庫(kù)尾一帶的地震危險(xiǎn)性不能低估。況且馬湖地震已經(jīng)發(fā)生800a，是否會(huì)重復(fù)需要慎重分析研究。

馬邊－大關(guān)地震構(gòu)造帶有猰子壩斷裂穿過(guò)庫(kù)區(qū)(見(jiàn)圖3)，斷層長(zhǎng)度30km，斷層產(chǎn)狀(走向0°，傾向W，傾角70°～80°)，斷層性質(zhì)壓性，出露位置在庫(kù)區(qū)西部長(zhǎng)坪—猰子壩—綏江碗廠，所斷地層主要為三疊系，南段至震旦系，基本特征為區(qū)域性斷層，斷距達(dá)200m左右，第四紀(jì)以來(lái)有過(guò)活動(dòng)，展布方向與庫(kù)區(qū)金沙江近平行，具有繼承性活動(dòng)特點(diǎn)，它不僅控制金沙江的局部流向而且沿?cái)嗔褞Оl(fā)育有陸良、曲靖、昭通、馬湖等一系列第四紀(jì)盆地和斷陷湖，其中陸良盆地第四系厚1 200m，年平均活動(dòng)速率達(dá)l.2mm。此外繼承性活動(dòng)還表現(xiàn)在強(qiáng)震震中沿?cái)嗔褞С示€性分布，1974年5月11日的大關(guān)7.1級(jí)地震就發(fā)生在猰子壩斷裂的南端與次級(jí)NE向斷層交會(huì)處附近。猰子壩斷裂位于誘發(fā)地震區(qū)域以南，庫(kù)水主要作用在上盤，抑制了逆沖斷層的活動(dòng)，因此蓄水產(chǎn)生的誘發(fā)地震分布也就沒(méi)有顯示與該斷裂有關(guān)(圖3b)。

水庫(kù)蓄水后，庫(kù)區(qū)介質(zhì)的孔隙壓力P增大，介質(zhì)強(qiáng)度τf的表達(dá)式為

式(2)中，μ為摩擦系數(shù)，σn為斷層面上的正應(yīng)力，P為介質(zhì)的孔隙壓力。水庫(kù)蓄水后，庫(kù)區(qū)介質(zhì)的孔隙壓力增大，則將導(dǎo)致強(qiáng)度降低。水庫(kù)蓄水不僅使得孔隙壓增大，同時(shí)使得斷層面潤(rùn)滑和弱化，消除了斷層面上的“水文壁壘”(Kanamori，2004)，使得摩擦系數(shù)減小。蓄水后，斷層面上的剪應(yīng)力也同時(shí)發(fā)生變化，但變化的量值很小。此外，水的作用增大應(yīng)力腐蝕效應(yīng)，裂隙端部弱化，裂隙更易于擴(kuò)展，也是一個(gè)值得研究的誘發(fā)因素。

水庫(kù)區(qū)是否會(huì)出現(xiàn)誘發(fā)地震與可能產(chǎn)生什么樣的地震類型，必須結(jié)合具體地區(qū)的應(yīng)力條件和地質(zhì)條件來(lái)分析(馬瑾，1987)。Simpson(1988)歸納了影響水庫(kù)誘發(fā)地震的主要因素:1)先存應(yīng)力狀態(tài)，包括區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力狀態(tài)、初始應(yīng)力大小與應(yīng)變積累量;2)地質(zhì)和水文地質(zhì)條件，包括斷層產(chǎn)狀與斷層滲透性、巖體水力學(xué)參數(shù)(如巖性、裂隙發(fā)育程度、孔隙度、滲透率)以及地下水系統(tǒng)與庫(kù)水的連通性及儲(chǔ)水性;3)水庫(kù)特征，包括庫(kù)深(水壓)、體積(載荷)、形狀及水位波動(dòng)速率等。他特別指出，正斷層、走滑斷層環(huán)境，中等應(yīng)變積累的庫(kù)區(qū)易于誘發(fā)地震。Gupta(2002)指出，有利于水庫(kù)誘發(fā)強(qiáng)震的地質(zhì)環(huán)境是正斷層環(huán)境，庫(kù)體位于斷層下降盤。向家壩水庫(kù)誘發(fā)地震中正斷層地震獨(dú)立存在。

通過(guò)上述分析得到如下認(rèn)識(shí):

(1)向家壩水庫(kù)在庫(kù)首很少地震發(fā)生，當(dāng)水位上升淹沒(méi)到接近庫(kù)尾段時(shí)發(fā)生了大量微小誘發(fā)地震。而且絕大多數(shù)集中在庫(kù)岸兩側(cè)10km、深度5km、延伸20km長(zhǎng)度的范圍內(nèi)。地震覆蓋區(qū)域存在易溶的碳酸鹽巖、灰?guī)r，巖溶洞穴發(fā)育，有溫泉出露，具備地下水深循環(huán)水文地質(zhì)條件。庫(kù)水涌入溶洞、滲透到裂隙和層理，大大提高了孔隙壓力，降低了摩擦強(qiáng)度和破裂強(qiáng)度，微小破裂更容易發(fā)生。但是與當(dāng)?shù)氐幕顒?dòng)斷層猰子壩斷裂無(wú)關(guān)。

(2)反演得到的震源機(jī)制空間取向散亂，區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)控制較弱。在誘發(fā)地震連續(xù)發(fā)生的條件下應(yīng)力必然要調(diào)整;裂隙會(huì)相互溝通，裂隙尖端擴(kuò)展可以產(chǎn)生分叉，導(dǎo)致破裂方向復(fù)雜多樣;而且破裂類型也是復(fù)雜多樣。

(3)從向家壩庫(kù)尾段蓄水后沒(méi)有立即發(fā)生誘發(fā)地震，尚難判斷是否屬于滯后類型，而庫(kù)水淹沒(méi)該段則迅速響應(yīng)?？焖夙憫?yīng)型和滯后響應(yīng)型地震(Simpson et al.，1988)是否存在不同的成因，或者說(shuō)快速響應(yīng)類型地震是地殼在水壓力作用下產(chǎn)生彈性形變而誘發(fā)的?從破裂面空間取向的多樣性和破裂類型的多樣性來(lái)看，答案是否定的。

(4)盡管誘發(fā)地震數(shù)目眾多，但是最大地震僅僅ML3.7級(jí)。隨著時(shí)間延續(xù)，微裂隙會(huì)相互貫通、擴(kuò)展;不同部位的應(yīng)力相應(yīng)調(diào)整。況且?guī)煳捕卧?jīng)發(fā)生過(guò)強(qiáng)震，屬于高烈度區(qū)劃區(qū)，不能排除發(fā)生中等強(qiáng)度地震的可能性。

(5)向家壩水庫(kù)開(kāi)展過(guò)大量前期工作，在誘發(fā)地震活動(dòng)期間，如果同時(shí)進(jìn)行詳細(xì)的水文地質(zhì)、地球物理探測(cè)，必將提供精細(xì)的科學(xué)資料，為確定誘發(fā)地震的成因、尋找控制誘發(fā)地震的技術(shù)條件，對(duì)進(jìn)一步減輕突發(fā)事件的影響發(fā)揮重要作用。向家壩水庫(kù)蓄水顯然采取了緩慢提高水位的工程措施，以后在提高水位以及放水發(fā)電時(shí)，同樣需要抑制大幅度漲落，避免激發(fā)誘發(fā)地震的數(shù)量大量增加和強(qiáng)度增長(zhǎng)。