概評水庫誘發地震及激發機制

高 銳，張宏志，曲 波

(1.黑龍江省水利水電勘測設計研究院，哈爾濱150080;2.哈爾濱市呼蘭區水務局，哈爾濱150500)

水庫誘發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、水庫庫盆或近岸范圍內發生的地震。中國是多地震的國家，也曾經發生多起水庫誘發地震。因此，水庫工程設計中必須作好工程環境影響評價，其中就包括誘發地震的評估。水庫誘發地震將對經濟建設和人民生命財產構成威脅，造成一定的損失，其危害絕不容忽視。

1 水庫工程發生誘發地震實例概述

20世紀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了6級以上的上的地震，造成了較嚴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誘發6級以上地震的例子。柯依那水庫發生的MS6.4級地震是目前世界上最大的誘發地震震例。該地震使柯依那市大多數磚石房屋倒塌，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，庫區歷史上無地震活動記載。蓄水誘發的6.1級主震發生在開始蓄水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內，但蓄水前的100多年中從未在庫區內觀測到大于6級以上的構造地震。克里馬斯塔是蓄水后唯一的發生了4次6級以上水庫誘發地震的例子，且蓄水后僅6個月即發生了第一次6.2級地震。在我國水庫建設歷史上影響最大的1962年3月19日新豐江大壩附近發生的面波震級為6.1級的地震，其震中離大壩僅1.1 km，震中烈度高達8°。這次地震使剛按7°加固的大壩出現了長達82 m的水平貫穿性裂縫，發電機組和開關站均受損壞而停止運轉。此后，1個月之內便發生了3.0級以上地震58次，頻度很高。

2 誘發地震發生的條件

水庫誘發地震的發生是有條件的，并不是所有的水庫蓄水都會誘發地震。根據已發生誘發地震水庫進行剖析，大多數發生在地質構造相對活動地區，且均于斷陷盆地中并與活動斷層有關，庫區內斷層發育，新構造差異運動顯著、溫泉發育，皆利于應力集中，從而容易誘發地震。

產生誘發地震，特別是6級以上的震區巖性多為變質巖、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、使強度降低、而巖性不均一則有利于應力集中，這均利于使斷層產生錯動，但軟基內均質巖體不易積蓄應力，故不易激發地震。

在構造活動區，水文地質條件復雜，巖體多變、斷裂發育，透水性不均等點，常易形成局部的流體動力異常區，在水負荷作用下，含水層受壓也會產生地震。多數水庫沒有地震活動，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，它們大多是在蓄水前地震活動不明顯，蓄水后一段時間，地震強度或頻度急劇增加出現較強的主震。

3 水庫誘發地震類型

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

3.1 第一類型

震群型誘發地震特點是地震序列為一個或數個震群所組成，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。地震在時間分布上有秘籍和稀疏的變化，形成數組地震或互不相銜接的幾個小震群。整個地震活動持續數月或數年。地震活動的連續性和持久性都較差。震群型誘發地震與水庫水位變化有較好的對應關系。這種誘發地震的分布與庫基地形和水體形狀有一定關系。它們的形成還受淺層庫基內小斷裂網絡的影響，而與大型活動斷層關系不明顯。震群型地震對于水庫蓄水呈“快速響應”，以后每逢高水位時，如有類似反應仍為“快速響應”。其形成主要與兩方面因素有關系:①為水庫荷載使庫基巖體發生彈性變形，導致淺層部位的庫基巖體局部失穩。此外，應力腐蝕可能發揮一定作用;②為在庫水作用下，庫基斷塊沿著近于直立的斷裂發生重力滑移。所以，這種類型的誘發地震受到地形和淺層構造斷裂的支配，其震源應力場不完全反映區域構造應力場的特征。

3.2 第二類型

前震—主震—余震型，其特點是水庫蓄水以后，或立即或滯后一段時間，誘發一系列微小地震，然后經過持續的地震活動才出現主震，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，主震發生于水庫蓄水數月或數年滯后。起初震源深度較淺，以后逐漸向深部擴展，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，有不止一次的連續錯動。前震—主震—余震型的地震活動持續較久，在漫長的地震序列中，每次較強余震前后，還形成相對獨立的地震序列，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關系，但是隨著時間的推移，它們的相關性持續數年之后將消失。這種類型的誘發地震與水庫蓄水的響應關系既可以是“滯后響應”，也可以是“快速響應”與“滯后響應”相疊加的結果。它們的分布雖然仍然主要集中于水庫區附近，但是它們的分布范圍遠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常州平行，或斜貫水庫。

4 水庫誘發地震的特點

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

2)水庫誘發地震具有明顯的前震多，余震延續時間長，衰減慢，逐漸趨向緩的特征，多數水庫蓄水后產生地震的主震一般在高水位下，且延續一段時間，具有明顯滯后現象。表征水庫地震的震級－頻度關系的B值較同樣震級的天然構造地震的B值偏高，且構造型水庫誘發地震的活動持續時間長，余震頻繁，衰減慢且強度亦高。

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內斷裂發育，幾組斷層交匯，沿斷層有溫泉出露，巖層破碎和峽谷區水域邊緣處。震中密集成帶狀或團塊狀、其延伸方向大體與庫區內主要斷裂線平行。

4)水庫誘發地震的震源淺，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，一般在地表下2～10 km。多數水庫誘發地震的最高震級不超過三級。據資料統計世界上誘發了5級以上中強震的水庫約有20余例，而誘發6級以上強震的水庫只有4例。水庫地震的震中烈度較高，一般為V度，3級以上誘發地震震中烈度達6°的例子也不少。主震等震線長軸皆與水庫區內主構造線走向一致。震中密集于庫壩附近至水庫岸邊幾十公里范圍內。

5 水庫誘發地震的激發條件

水庫蓄水引發起水庫誘發地震的激發，壩庫區巖體特定的地質條件是水庫誘發地震的基礎，蓄水是引起巖體中應變能集中與釋放的直接原因。蓄水激發地震的機制，其直接效應是水體荷載產生的壓應力和剪應力破壞地殼應力均衡，引起斷層錯動，從而產生地震，其間接效應是除了水平荷載所產生的應力增值配合已有的天然應力場促成斷層錯動外，地下水孔隙壓力的增加降低垂直于斷面的正應力。水又起著潤滑和軟化巖石作用，使其沿斷層面的抗剪強度低，引起斷層錯動、誘發地震。此外在水下滲過程中，因地熱增值膨脹氣化，可產生局部熱應力集中和巖面的化學變化，降低了巖體強度，也可能對地表有一定的激發影響。

因此，對大型水庫的誘發地震研究必須詳細了解，收集水庫的區域地質條件、構造、巖性、水文地質條件及地質環境、歷史地質、歷史地震的資料，查明庫區及鄰區地質構造特征、有無斷陷盆地及活動斷層其活動方式、速度、特征及與地震關系與水庫的工程特性綜合分析，預測末來蓄水后有否誘發地震的可能性，若判定有可能誘發地震時，則應進一步按地震等原理及有關公式進行震級大小，震中烈度及影響范圍的定量計算，并建立高靈敏，高頻率的地震觀測網，監測地震活動;裝置地應力儀，觀測地應變化;裝置傾斜儀觀測地應變;設水準點觀測蓄水后地面變形及水位升降;設長期觀測點監測已有構造斷層的位移、變形;研究地下水位變動與地震頻度關系。

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