水庫(kù)地震監(jiān)測(cè)預(yù)測(cè)進(jìn)展

杜瑤 戴仕貴 阮祥 王余偉 邵玉平 楊曉源

引言

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，人類(lèi)對(duì)自然資源的開(kāi)發(fā)利用規(guī)模也越來(lái)越大。同時(shí)，人類(lèi)大規(guī)模的工程活動(dòng)對(duì)地球自然資源環(huán)境的影響也越來(lái)越強(qiáng)烈。如石化能源的大規(guī)模開(kāi)采與燃燒排放的二氧化碳對(duì)大氣和海洋的影響，已嚴(yán)重地影響地球生態(tài)圈。生存環(huán)境的改變不僅會(huì)造成物種滅絕，也影響著人類(lèi)自身的生存與發(fā)展環(huán)境。于是人們開(kāi)始尋找可再生的清潔能源用以替代有害于環(huán)境又不可再生的石化能源，風(fēng)能、太陽(yáng)能和水能便是清潔而又可再生的能源。

人類(lèi)對(duì)水能的開(kāi)發(fā)與利用遠(yuǎn)早于其他可再生的清潔能源，其規(guī)模也遠(yuǎn)大于其他能源。目前，水電站的壩高和庫(kù)容越來(lái)越大，發(fā)電量也越來(lái)越多，水能資源的利用滿足了人類(lèi)發(fā)展和生活改善對(duì)電能的巨大需求（圖1～圖3），但我們也發(fā)現(xiàn)在水庫(kù)及其周邊偶爾會(huì)有地震發(fā)生。這些地震是由于水庫(kù)蓄水引發(fā)的地震，我們稱之為水庫(kù)地震。

雖然水庫(kù)地震多為危害性不大的小震或弱震，且發(fā)震水庫(kù)只占總水庫(kù)保有量的10%左右，但也有極少數(shù)水庫(kù)周邊發(fā)生了破壞性大的強(qiáng)震。例如，1962年3月19日，廣東省新豐江水庫(kù)附近發(fā)生6.1 級(jí)地震，這就是一個(gè)典型的水庫(kù)地震震例。

新豐江水庫(kù)修建在人們認(rèn)為的少震弱震區(qū)，但水庫(kù)蓄水后不久卻發(fā)生了6.1級(jí)強(qiáng)震，于是催生了我國(guó)對(duì)水庫(kù)可能誘發(fā)破壞性地震的研究與立法。其目的是既要合理開(kāi)發(fā)利用水能這一種難得的可再生的清潔能源，又要預(yù)防極少部分水庫(kù)可能誘發(fā)的地震對(duì)人類(lèi)生產(chǎn)生活及社會(huì)的影響。

科研人員探討為什么約90%的水庫(kù)蓄水后都不會(huì)誘發(fā)地震；而那些已誘發(fā)地震的少量水庫(kù)與大量未誘發(fā)地震水庫(kù)比較，所在區(qū)域的地質(zhì)條件有什么不同之處；特別是極少數(shù)已誘發(fā)破壞性強(qiáng)震的水庫(kù)又有什么特殊之處；能否都像新豐江水庫(kù)6.1級(jí)主震發(fā)生前提出準(zhǔn)確的意見(jiàn)，為大壩加固和水庫(kù)加卸載的決策提供依據(jù)，保障人民生命財(cái)產(chǎn)的安全和社會(huì)安定。

圖1 川滇交界的金沙江下游的向家壩水庫(kù)大壩

水庫(kù)地震成因

（一）構(gòu)造型水庫(kù)地震

這類(lèi)地震是因水庫(kù)蓄水提前釋放了構(gòu)造斷裂帶中積聚貯藏的形變能而造成的地震，故有人稱為水庫(kù)觸發(fā)地震。構(gòu)造型水庫(kù)地震的震級(jí)較高，但必然低于該斷裂上可能發(fā)生的最大天然地震，新豐江水庫(kù)6.1級(jí)地震就屬于這一類(lèi)型，因此，構(gòu)造型水庫(kù)地震也是水庫(kù)地震監(jiān)測(cè)和預(yù)測(cè)研究的重點(diǎn)。

產(chǎn)生構(gòu)造型水庫(kù)地震的前提條件是水庫(kù)淹沒(méi)或周邊區(qū)域存在足夠能量的斷裂，且有裂隙供庫(kù)水下滲至斷裂面的通道。這些斷裂雖然已經(jīng)由于板塊運(yùn)動(dòng)而儲(chǔ)藏了一定的形變能，但此能量尚未達(dá)到能使斷裂發(fā)生滑移或破壞的強(qiáng)度極限。水庫(kù)沒(méi)有蓄水前，這些斷裂上并不會(huì)發(fā)生地震，相當(dāng)一部分被庫(kù)水淹沒(méi)的斷裂在有人類(lèi)歷史記載以來(lái)就未發(fā)生過(guò)破壞性大震，于是這里的水庫(kù)被認(rèn)為是建立在了無(wú)震或小震區(qū)域中。

但是人類(lèi)歷史與地球漫長(zhǎng)的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)史相比極為短暫，特別是有記載流傳的人類(lèi)史更短,而有儀器記錄地震的歷史僅僅是100年左右。因此，人們對(duì)某一斷裂的活動(dòng)歷史認(rèn)識(shí)非常有限。人們建設(shè)水庫(kù)時(shí)必然會(huì)避開(kāi)那些有史以來(lái)強(qiáng)震多發(fā)或發(fā)生過(guò)地震的斷裂，特別是深大斷裂，力圖將水庫(kù)建設(shè)在人們認(rèn)為是無(wú)震或少震的區(qū)域，雖然水工建筑也要離那些尚處于平靜狀態(tài)的斷裂一定距離，但水庫(kù)淹沒(méi)或鄰近區(qū)域存在這樣的斷裂就可能會(huì)難以避免，或?qū)ζ湔T發(fā)地震的可能性會(huì)估計(jì)不足。這可能就是為什么破壞性水庫(kù)誘發(fā)地震往往會(huì)超出人們的認(rèn)識(shí)水平，發(fā)生在歷史無(wú)震或少震的地區(qū)原因之一。

圖2 廣東省河源市新豐江水庫(kù)大壩

圖3 四川省雅礱江流域錦屏一級(jí)水庫(kù)大壩

構(gòu)造型水庫(kù)地震是水庫(kù)地震中危害最大的一類(lèi)，據(jù)統(tǒng)計(jì)，此類(lèi)地震絕大多以前震—主震—余震型的活動(dòng)規(guī)律呈現(xiàn)，且主震絕大多數(shù)滯后于下閘蓄水1～6年發(fā)震。構(gòu)造型水庫(kù)地震在主震的發(fā)震時(shí)間上明顯滯后于下閘蓄水時(shí)間，因此也有文獻(xiàn)稱其為滯后型水庫(kù)地震。

（二）巖溶型水庫(kù)地震

巖溶型水庫(kù)地震是水庫(kù)淹沒(méi)或鄰近石灰?guī)r類(lèi)地層而誘發(fā)的地震。眾所周知，石灰?guī)r類(lèi)的地層中存在大量的溶洞暗河等地下通道，有些地方的石灰?guī)r溶洞規(guī)模還十分巨大且地下通道四通八達(dá)。庫(kù)水以一定的壓力沿地下通道浸入溶洞后可能會(huì)造成大規(guī)模的塌陷或氣爆，這就是一般所謂的巖溶塌陷型水庫(kù)地震或巖溶氣爆型水庫(kù)地震。

巖溶型水庫(kù)地震釋放的能量是塌陷物質(zhì)的位能或洞內(nèi)氣體受壓縮儲(chǔ)藏的能量。這些能量一般都遠(yuǎn)小于構(gòu)造斷裂所儲(chǔ)藏的形變能，因此巖溶型水庫(kù)地震的震級(jí)一般都較低。觀測(cè)實(shí)踐證實(shí)，巖溶型水庫(kù)地震的震級(jí)幾乎都在4級(jí)以下。應(yīng)當(dāng)指出，盡管巖溶型水庫(kù)地震的震級(jí)較低，但其對(duì)震中附近社區(qū)的影響力卻不可小覷，其主要原因是巖溶型水庫(kù)地震的震源深度一般都較淺。

震源深度淺意味著地震波從震源傳播至地面的路徑太短，不僅地表感覺(jué)強(qiáng)烈，破壞性也會(huì)高于震源較深的地震，這也是為什么水庫(kù)地震的震中烈度會(huì)高于同震級(jí)天然地震的原因。巖溶類(lèi)水庫(kù)地震因?yàn)檎鹪摧^淺，不僅震中烈度偏高而且地震波中高頻成分衰減小，震中附近往往能聽(tīng)到隆隆的同震聲響。

巖溶型水庫(kù)地震的活動(dòng)特征是震源淺、震級(jí)小、震中烈度偏高（相對(duì)于同震級(jí)的天然地震）并以震群的形式發(fā)生。所謂震群型活動(dòng)特征就是震級(jí)最大的地震與排名第二、第三位的地震震級(jí)差異不大，不會(huì)超過(guò)1級(jí)。而前震—主震—余震型地震中的主震震級(jí)超過(guò)最大前震或最大余震1級(jí)或更多。四川省大渡河下游的銅街子水庫(kù)蓄水初期發(fā)生的小震群便是這一類(lèi)地震。這類(lèi)地震的最高震級(jí)不高、每次發(fā)震釋放的能量不強(qiáng)，對(duì)現(xiàn)代建筑不會(huì)造成破壞。

巖溶型水庫(kù)地震在活動(dòng)出現(xiàn)的時(shí)間與下閘蓄水時(shí)間的關(guān)系上表現(xiàn)為兩者之間的短時(shí)差，有的水庫(kù)甚至剛下閘蓄水幾天便出現(xiàn)地震活動(dòng)。巖溶型水庫(kù)地震的活動(dòng)性與庫(kù)水的加卸載有一定的相關(guān)性，絕大多數(shù)水庫(kù)在庫(kù)水位上升時(shí)地震活動(dòng)性增強(qiáng)。因此，有的學(xué)者將其稱為快速響應(yīng)型水庫(kù)地震。

巖溶型水庫(kù)地震之所以能快速響應(yīng)水庫(kù)的下閘蓄水和庫(kù)水的加卸載，其主要原因是石灰?guī)r類(lèi)巖洞地區(qū)不僅地下溶洞比比皆是，而且地下暗河與裂隙四通八達(dá)，為庫(kù)水的涌入提供了阻力小的便捷通道。而構(gòu)造型水庫(kù)地震的響應(yīng)比較慢，因?yàn)閹?kù)水要沿充滿碎石與斷層泥的破裂帶下滲就不會(huì)那么容易，迂回曲折的下滲路徑和狹窄且阻力大的通道大大延緩了庫(kù)水的下滲速度，所以地震活動(dòng)性與庫(kù)水加卸載就沒(méi)有明顯相關(guān)性，并且有滯后性。

（三）其他類(lèi)型的水庫(kù)地震

除了以上兩類(lèi)水庫(kù)地震之外，水庫(kù)作為在地殼表面新增的荷重也可能誘發(fā)地震。這類(lèi)地震多發(fā)生在庫(kù)容大且明顯庫(kù)盆的庫(kù)段，對(duì)于西部山區(qū)的高山峽谷型水庫(kù)局部集中加載不多，很難誘發(fā)此類(lèi)地震。此外所謂的庫(kù)岸再造型水庫(kù)地震，這類(lèi)地震實(shí)質(zhì)為庫(kù)岸被水浸泡后的松動(dòng)滑移進(jìn)入新的平衡，在地震記錄上其波形亦與地震波類(lèi)似，稱其為庫(kù)岸再造型水庫(kù)地震也可。庫(kù)岸再造型水庫(kù)地震的震源深度是極淺的，因?yàn)檫@類(lèi)地震就發(fā)生在地表。

圖4 四川水庫(kù)大壩與活動(dòng)斷裂分布圖

應(yīng)當(dāng)指出水庫(kù)加載誘發(fā)地震在巖體中的附加應(yīng)力遠(yuǎn)比巖體存儲(chǔ)的形變應(yīng)力小，加載增加的應(yīng)力隨距庫(kù)底的距離增加而快速衰減，故僅對(duì)庫(kù)底淺層的巖層有一定影響。

水庫(kù)地震監(jiān)測(cè)預(yù)測(cè)現(xiàn)狀及展望

在了解了水庫(kù)地震的成因后，我們討論如何預(yù)測(cè)預(yù)防水庫(kù)地震，為大壩及庫(kù)區(qū)附近生產(chǎn)生活安全提供保障。

首先在水庫(kù)選址階段，工程設(shè)計(jì)和施工部門(mén)會(huì)進(jìn)行大量調(diào)研和勘測(cè)，對(duì)水庫(kù)的攔水大壩進(jìn)行合理的選址和擬定壩型，以減少誘發(fā)強(qiáng)震的可能性并且能保障強(qiáng)震發(fā)生時(shí)大壩的安全（圖4）。另外，我國(guó)政府部門(mén)通過(guò)立法要求大型水利水電站的業(yè)主必須同步投資建設(shè)水庫(kù)地震專(zhuān)用監(jiān)測(cè)臺(tái)網(wǎng)，聘請(qǐng)相關(guān)專(zhuān)家開(kāi)展水庫(kù)地震的監(jiān)測(cè)及預(yù)測(cè)研究工作。我國(guó)水利水電和地震的主管部門(mén)已經(jīng)建章立制，對(duì)水庫(kù)地震監(jiān)測(cè)臺(tái)網(wǎng)的監(jiān)測(cè)能力、監(jiān)測(cè)范圍以及所使用的的儀器性能等做了詳盡且合理的規(guī)定。

其中水庫(kù)地震專(zhuān)用臺(tái)網(wǎng)的建設(shè)，有效地彌補(bǔ)了專(zhuān)業(yè)區(qū)域地震臺(tái)網(wǎng)布局稀疏的缺陷，就水庫(kù)庫(kù)區(qū)狹小區(qū)域而言，區(qū)域臺(tái)網(wǎng)監(jiān)測(cè)能力明顯不足，其一般只能達(dá)到ML2.0級(jí)左右，無(wú)法提供更小地震的準(zhǔn)確活動(dòng)資料。如果水庫(kù)臺(tái)網(wǎng)能夠精確測(cè)定前震的震源深度，可以獲得隨著時(shí)間的推移，前震的震源深度呈現(xiàn)沿?cái)嗔褞в蓽\入深的漸進(jìn)過(guò)程。根據(jù)測(cè)震學(xué)的理論，如果要求較精確地測(cè)定震源深度，至少應(yīng)該有一個(gè)觀測(cè)臺(tái)的震中距小于震源深度。如果要求較精確地測(cè)定淺源地震的震源深度，就要求至少有一個(gè)臺(tái)的震中距小于此淺源地震的震源深度。所以現(xiàn)有水庫(kù)地震臺(tái)網(wǎng)的子臺(tái)布設(shè)密度都較高，現(xiàn)階段不少水庫(kù)臺(tái)網(wǎng)固定臺(tái)站的平均臺(tái)距在8～12Km范圍內(nèi)，這樣的布設(shè)密度對(duì)震源深度超過(guò)4～6Km的網(wǎng)內(nèi)地震可以測(cè)定得較準(zhǔn)，但對(duì)于小于此震源深度的地震，其震源深度測(cè)定結(jié)果的可信度必然會(huì)降低。

同時(shí)，監(jiān)測(cè)預(yù)測(cè)和研究的人員還需要掌握較充足的水庫(kù)庫(kù)區(qū)下閘蓄水前的地震活動(dòng)性資料，作為水庫(kù)庫(kù)區(qū)及附近的天然本底活動(dòng)水平。對(duì)監(jiān)測(cè)研究而言，越早建成水庫(kù)地震專(zhuān)用臺(tái)網(wǎng)，就越能較完整地掌握水庫(kù)蓄水前的天然地震活動(dòng)情況，更能有效地對(duì)比研究水庫(kù)蓄水前后庫(kù)水淹沒(méi)區(qū)及周邊的地震活動(dòng)性變化，也更有利于對(duì)區(qū)域強(qiáng)震危險(xiǎn)性判定，所以水庫(kù)專(zhuān)用臺(tái)網(wǎng)一定要先于水庫(kù)下閘蓄水前建成并投入運(yùn)行。

圖5 水庫(kù)地震監(jiān)測(cè)臺(tái)網(wǎng)野外勘選

如果水庫(kù)地震臺(tái)網(wǎng)中固定臺(tái)的布設(shè)密度，無(wú)法滿足對(duì)淺源或極淺源地震震源深度測(cè)定的精度要求，這需要臨時(shí)布設(shè)的流動(dòng)臺(tái)來(lái)作為補(bǔ)充（圖5、圖6）。因此，一些為大型水利水電工程服務(wù)的水庫(kù)地震監(jiān)測(cè)臺(tái)網(wǎng)就專(zhuān)門(mén)配置有流動(dòng)地震觀測(cè)設(shè)備，供震情應(yīng)急加密觀測(cè)使用。

目前，天然地震預(yù)報(bào)是世界公認(rèn)的難題，涉及時(shí)間、地點(diǎn)、震級(jí)等主要難關(guān)。但水庫(kù)地震預(yù)測(cè)地點(diǎn)相對(duì)固定，應(yīng)在工程場(chǎng)區(qū)及其影響區(qū)，時(shí)間上又與水庫(kù)加卸載有一定相關(guān)性，一般認(rèn)為其難度應(yīng)該小于天然地震的預(yù)測(cè)。因此，著眼水庫(kù)地震研究可能是研究地震成因和孕育過(guò)程的不錯(cuò)的途徑。從目前來(lái)看，要更好地開(kāi)展水庫(kù)地震研究，需要加強(qiáng)管理、工程技術(shù)和科學(xué)研究等諸多領(lǐng)域的工作。

管理方面，應(yīng)須做到專(zhuān)業(yè)與專(zhuān)用相結(jié)合，地震專(zhuān)業(yè)臺(tái)站布局時(shí)要考慮水庫(kù)地震需要，水庫(kù)專(zhuān)用地震臺(tái)網(wǎng)布局時(shí)要結(jié)合專(zhuān)業(yè)臺(tái)站共同布局，做到資源共享，提高投資效率；要打破水庫(kù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)各自為政的局面，實(shí)現(xiàn)各種地球物理觀測(cè)數(shù)據(jù)和水庫(kù)水位運(yùn)行等數(shù)據(jù)統(tǒng)一管理和處理，讓數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)共享。

圖6 水庫(kù)地震監(jiān)測(cè)臺(tái)站設(shè)備安裝調(diào)試

工程技術(shù)上，可以通過(guò)建立水庫(kù)地震試驗(yàn)室（場(chǎng)）的形式，在開(kāi)展具有水庫(kù)地震風(fēng)險(xiǎn)的水庫(kù)普遍監(jiān)控的基礎(chǔ)上，有重點(diǎn)地開(kāi)展地震潛在危險(xiǎn)性較高、地震地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜地區(qū)、前期研究認(rèn)為具有水庫(kù)地震風(fēng)險(xiǎn)較高水庫(kù)的多學(xué)科、多手段綜合地球物理觀測(cè)，捕捉地震孕育、發(fā)生過(guò)程。除開(kāi)展測(cè)震外，還可開(kāi)展地應(yīng)力應(yīng)變、斷層移動(dòng)、深部探測(cè)、地下水、地電等多手段多學(xué)科觀測(cè)，不斷探索地球物理觀測(cè)新技術(shù)、新方法。

科學(xué)研究方面，在科學(xué)觀測(cè)基礎(chǔ)上，開(kāi)展蓄水前后、加卸載過(guò)程的地震活動(dòng)研究、地震波傳播研究、地殼應(yīng)力應(yīng)變研究和地下水動(dòng)態(tài)研究等，不斷探索地震學(xué)研究新理論、新方法，探索建立水庫(kù)地震孕育、發(fā)生的物理模型。

結(jié)語(yǔ)

目前，要成功地預(yù)測(cè)水庫(kù)地震還比較困難，相信堅(jiān)持監(jiān)測(cè)研究就有突破的一天。能充分認(rèn)識(shí)水庫(kù)地震的成因，庫(kù)區(qū)及附近的地質(zhì)構(gòu)造、地震背景、庫(kù)水的加卸載等，結(jié)合有效的水庫(kù)地震監(jiān)測(cè)手段，是可以探索到水庫(kù)地震的發(fā)震機(jī)理及規(guī)律，并能發(fā)出預(yù)測(cè)信息，為水庫(kù)大壩附近的群眾生命及水利水電設(shè)施等提供一定的安全保障。

感謝四川省地震局原水庫(kù)地震研究所韓進(jìn)研究員為本文提出寶貴意見(jiàn)，四川省地震局宣教中心提供文中相關(guān)圖件。