三峽水庫誘發(fā)地震的成功預測及新的認識

摘要：2013年12月16日在三峽庫區(qū)發(fā)生有史以來最大的一次水庫誘發(fā)破壞性地震（5.1級，震源深度5000米，震中區(qū)破壞烈度達到8度），該地震位于先期確定的潛在震源區(qū)內(nèi)，這是一次水庫誘發(fā)地震成功預測的先例。本文重點描述了水庫誘發(fā)地震所具有突出特點，即水誘發(fā)地震的強度和頻度均高于當?shù)靥烊坏卣鸬恼Ｋ?。世界上已?jīng)發(fā)生的四次6級以上破壞性地震無一例外都發(fā)生在歷史地震活動的空白區(qū)。

關(guān)鍵詞：水庫誘發(fā)地震；三峽庫區(qū)；預報

一、引言

自三峽工程蓄水以來，庫區(qū)誘發(fā)上萬次水庫地震。2013年12月16日在三峽庫區(qū)發(fā)生有史以來最大的一次破壞性地震，震級5.1，震源深度5000米，震中區(qū)破壞烈度達到8度，導致庫區(qū)大量人員受傷和房屋損毀，震中位于北緯31.1度，東經(jīng)110.4度（湖北巴東縣移民遷建新址）。這次地震位于我們長期研究預期中的潛在震源區(qū)內(nèi)，再次證明水庫誘發(fā)地震的強度和頻度均高于當?shù)靥烊坏卣鸬恼Ｋ?，這是一種新的認識。

人類的文明發(fā)展與治水的關(guān)系密不可分。所謂上善若水，治國之要重在治水，只有河清海晏，人民才能安居樂業(yè)天下太平。據(jù)典籍《禹貢》記載，我國早在公元前2100年大禹治水，禹別九州，隨山濬川，任土作貢，導水注海，則水害既除，地復本生。夏禹一改其父鯀以“堵”為主的治水方略，“疏”水成功，堯帝溢美其績。禹年七十四，舜始薦之于天，薦后十二年始使禹代攝行天子事。

世界治水史上，考古發(fā)現(xiàn)過公元8000年前美索不達米亞以東Zagros地區(qū)人類修建灌渠的遺跡。公元6500年以前。底格里斯河與幼發(fā)拉底河下游草原上蘇美爾人建起過縱橫交錯的灌溉網(wǎng)絡。至今發(fā)現(xiàn)最早的水壩位于約旦境內(nèi)Jawa古城供水水源地，它是由10個土石圈起來的小型水庫，水壩最大者有4米多高，80多米長。19世紀正在迅速工業(yè)化的西方國家建起了幾百座壩高15米以上的土石壩，這些大壩的設計基本上沒有什么科學的依據(jù)，質(zhì)量和功能都沒有保障，所以水壩坍塌的事故頻仍。美國在1930年之前建成的土石壩有1/10是失敗的，1889年賓夕法尼亞州的Johnstown上游的一座水壩坍塌，由此造成2200人死于此次災難。直到1932年阿爾及利亞的Quedd Fodda大壩建成，人們首次觀測到水庫蓄水后庫容的變化和地震活動之間的密切關(guān)系。20世紀50～60年代，隨著壩工技術(shù)的發(fā)展，水壩越建越多，庫容越來越大，水壩越來越高。誰也不曾想到，正在人們歡呼高壩大庫肯定是世界奇觀的時候，由衷贊嘆“那延伸開來的鋼筋混凝土峭壁，那力大無比的起卸機、迷宮般的隧道、巨型的水電站”，以及有關(guān)大壩迷人而秀麗的景色的時候，連續(xù)四次強烈地震的搖動，使得科技界和工程界突然發(fā)現(xiàn)，水庫可能誘發(fā)地震的發(fā)生。近40年來，世界上已經(jīng)有120多例水庫誘發(fā)的地震震例，對水庫誘發(fā)地震的研究也已經(jīng)有了較為深刻的認識。但是，自三峽工程一期蓄水實現(xiàn)以來，針對水庫誘發(fā)地震的評價不時見諸如媒介，甚至在高層權(quán)威部門和歷史性文獻中，不斷傳達出“三峽庫區(qū)蓄水誘發(fā)地震問題已經(jīng)作了充分論證，認為并不會引發(fā)地震”，但論述中又表示“三峽水庫下閘蓄水后，有可能誘發(fā)地震……，上限震級應該在5.5級左右”。此類相互矛盾的描述，如果只是在學術(shù)范圍內(nèi)或?qū)λ畮斓卣鸩惶私獾娜后w中，是可以理解的，但出現(xiàn)在高層決策部門或行業(yè)系統(tǒng)，這是令人費解的，至少說明相關(guān)職能部門的某些失誤和真正專家意見的缺失。故有必要對水庫誘發(fā)地震的某些突出特點進行總結(jié)和描述。

二、水庫誘發(fā)地震的強度和頻度均高于當?shù)靥烊坏卣鸬恼Ｋ剑?/p>

地震學和地質(zhì)學現(xiàn)在尚不能全面了解水庫誘發(fā)地震的全部過程，更不可能準確預報哪一個水壩會誘發(fā)地震或多大的地震。然而，截止目前為止已經(jīng)積累有120多座水庫的誘發(fā)地震的震例，這些震例中有4例誘發(fā)的地震震級超過6級。強烈的地震奪去了許多人的生命并造成了嚴重的建筑與結(jié)構(gòu)的破壞。鑒于這一現(xiàn)象在社會經(jīng)濟上的重要性，聯(lián)合國教科文組織早在1970年就成立了一個“Seismic phenomena Associated with Large Reservois”（與大型水庫有關(guān)地震現(xiàn)象）的工作小組，該小組在對當時所了解的30處大壩進行分析的基礎上，得出了幾點共識：

1）這些水庫約有一半在蓄水或蓄水以后發(fā)生地震；

2）這些水庫誘發(fā)的地震頻度和強度均高于當?shù)卣Ｋ剑?/p>

3）地震的震中位置都在水庫區(qū)附近。

40多年來水庫誘發(fā)地震的震例證明，上述結(jié)論性認識是客觀的和正確的，特別是“水庫誘發(fā)的地震頻度和強度均高于當?shù)卣Ｋ健钡恼J識，據(jù)世界上已經(jīng)發(fā)生的四次水庫誘發(fā)地震震級均超過6級以上，其發(fā)生地點都在歷史上的無震區(qū)、少震區(qū)或弱震區(qū)。根據(jù)我們已經(jīng)統(tǒng)計的世界上132例水庫誘發(fā)地震，位于無震區(qū)、少震區(qū)或弱震區(qū)的水庫誘發(fā)地震約占74%，這是值得我們深思和研究的。

（1） 1962年3月19日，中國新豐江大壩東北約1公里處發(fā)生Ms 6.1級強烈地震

此次地震損失嚴重，有69人死傷，倒塌和損毀房屋2萬余間。當時河源皮革加工廠門前的一尊石獅（高1.9m，長0.67m，寬0.49m）逆時針發(fā)生11°的扭轉(zhuǎn)，東江和新豐江河流階地上出現(xiàn)大量雁列式地震縫。大壩雖為混凝土單支墩式大頭壩，左右兩岸由重力壩與壩肩相連。又因1960年7月18日大壩附近發(fā)生過4.3級信號地震而采取了緊急加固措施，大壩抗震設計烈度由Ⅵ度提高到Ⅷ度，但地震仍然導致右岸壩段（13～17號壩墩）108m高程上游面產(chǎn)生82m長的貫穿性水平裂縫，壩段間接縫止水處受損，大壩中部下游發(fā)電廠局部破損。

新豐江水庫地震的一個突出特點是，區(qū)內(nèi)歷史上150公里范圍內(nèi)從未有過破壞性地震的記錄，是一個典型的無震區(qū)或少震區(qū)。1934年以來距新豐江大壩65公里半徑范圍內(nèi)只有4次地震，分別是1934年3月12日距大壩65公里處的博羅響水發(fā)生過Ⅴ度地震，1937年2月20日在河源縣城關(guān)（距大壩4公里）發(fā)生過Ⅴ度地震，1953年1月1日在河源茍排（距大棋6公里）發(fā)生過Ⅵ度地震，1959年秋在河源仙塘（距大壩16公里）發(fā)生過Ⅴ度地震。

（2） 1963年9月23日，贊比亞—津巴布韋交界處的卡里巴（Kariba）水庫誘發(fā)Ms6.1級強烈地震

卡里巴大壩為一雙曲拱壩，壩高128米，庫容1750×108m3。此次地震并未對大壩造成威脅，也未見傷亡和財產(chǎn)損失方面的報道。震前和震后都有許多地質(zhì)工作者進行過調(diào)查，如邦德（Bond， 1953， 1960），希昌（Hitchon， 1958），尼爾和瓊斯（Knill， Jones， 1965），德賴斯代爾和韋勒（Drysdall and Weller， 1966），以及柯克帕特里克和羅伯遜（Kirkpatrick and Robertson， 1968）等。戈爾什科夫（Gorshkov， 1963）還編制過本地區(qū)的地震目錄。遺憾的是在卡里巴水庫蓄水之前（1958年12月）附近沒有地震觀測臺站，水庫荷載前缺乏地震動態(tài)方面的精確資料。但有一點是肯定的，即卡里巴地區(qū)一直被認為是一個無震區(qū)。

（3） 1966年2月5日，希臘的克雷馬斯塔（kremasta）水庫誘發(fā)Ms6.2級強烈地震

克雷巴斯塔水庫位于希臘半島西部，壩高165m，庫容47.5×108m3，最大水深120m。水庫于1965年7月21日開始蓄水，8月底開始誘發(fā)地震，11月至次年1月庫水水位迅速上升，地震活動漸次增強，1966年2月地震達到高峰，并于5日發(fā)生Ms6.2級地震，至年底共記錄到2580次地震。令人感到意外的是，主震的前震和余震都達到5.6級。此次地震震中位于大壩以此25公里湖之北端，地震導致1人死亡，60人受傷，倒塌或摧毀房屋1680間，同時還誘發(fā)了多起山崩和滑坡。

從大區(qū)域范圍內(nèi)（87， 000平方公里）分析，克雷馬斯塔水庫位于有地震活動的地區(qū)，但大壩所在的庫區(qū)從1700～1965年間沒有任何值得重視的地震。1951～1965年期間，在大壩下游40公里處有地震活動，但從1821年直到水庫蓄水之前整個流域沒有明顯的地震活動，屬于大范圍地震活動區(qū)內(nèi)的地震平靜區(qū)。

（4） 1967年12月10日，印度的科伊娜（Koyna）大壩發(fā)生Ms6.5級強烈地震

印度科伊那大壩形成巨大的希伐基薩加爾湖，庫容達27.80×108立方米，最大水深100米。大壩為混凝土重力壩，長853米，高103米。大壩于1962年開始蓄水。隨之帶有類似爆炸聲音的地震開始發(fā)生，特別是在大壩附近比較集中。1967年12月10日發(fā)生MS6.5級主震，致使200人喪生，1500多人受傷，科伊那納加爾地區(qū)成為一片廢墟，百分之八十以上的房屋全毀或不能居住。大壩及附屬工程受到不同程度的破壞，大壩18號石柱上吊機塔破壞，大壩壩孔上花磚運動向壩孔中心位移增大，24號石柱上控制室混凝土墻上水平錯斷，鋼梯彎曲，石柱上丁字梁混凝土表層剝落。高山巖體坍落，大量地裂縫雁列式排列。

科伊那大壩位于印度半島穩(wěn)定的地盾上，在地質(zhì)上是典型的穩(wěn)定區(qū)，歷史上從未有地震的記錄。印度標準研究所（Indian Standards Institution）1962年編繪并于1966年修訂出版的印度地震區(qū)劃圖上是地震空白區(qū)。大壩蓄水6.5級主震發(fā)生后，在1969年至1974年間又突然連珠砲似在庫區(qū)發(fā)生4級以上地震29次。印度地震學家H·K·古普塔和B·K·拉斯托吉在1976年出版的《Dams and Earthquakes》一書中總結(jié)認為：科伊那大壩和希伐基薩加爾湖位于印度半島地盾上，過去認為該地不會有什么大的地震活動。然而，在科伊那地震以后，使我們聯(lián)想到，盡管半島地盾在地質(zhì)上一向是穩(wěn)定的，但完全排除發(fā)生這樣地震的可能性是錯誤的。

三、水庫誘發(fā)地震的統(tǒng)計

四、結(jié)論

本文通過對三峽庫區(qū)水庫誘發(fā)地震及全球水庫誘發(fā)地震的規(guī)律性研究，可以得到部分結(jié)論性的認識，這種認識既是理論研究的基礎又是工程抗震設防的依據(jù)，對澄清目前比較混亂的說法亦有裨益，故不揣淺陋示璞于眾，以為求教或以正視聽：

（1）水庫大壩所在地區(qū)和庫區(qū)水位淹沒區(qū)附近，已經(jīng)誘發(fā)了5.1級水庫地震，該震級遠大于區(qū)內(nèi)歷史上地震活動的水平和強度，國內(nèi)外水庫誘發(fā)地震震例亦概莫能外，這一點十分重要。隨著三峽大壩工程的建成和我國西部、南部大規(guī)模水電工程的開展，水庫誘發(fā)地震及可能帶來的問題日趨顯現(xiàn)而突出，加強水庫誘發(fā)地震方面的研究迫在眉睫，時不我待；

（2）自三峽工程蓄水以來，峽區(qū)東段相繼密集發(fā)生過10000余次地震。2013年12月16日在三峽庫區(qū)發(fā)生有史以來最大的一次破壞性地震，震級5.1，震源深度5000米，導致庫區(qū)大量人員受傷和房屋損毀，震中位于北緯31.1度，東經(jīng)110.4度（湖北巴東縣移民遷建新址）。這次地震位于我們長期研究預期中的潛在震源區(qū)內(nèi)。

未來水庫誘發(fā)地震機理的研究，現(xiàn)在仍只局限于個人的研究和經(jīng)驗總結(jié)，而國家層面的研究工作尚未開展。作者認為，無論從任何一個角度來看，三峽庫區(qū)水庫誘發(fā)地震的機理研究都是十分重要和急迫的科技課題。

參考文獻

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