水庫誘發地震研究進展與思考①

李碧雄，田明武，莫思特

（1.四川大學 建筑與環境學院 土木系，四川 成都 610065；2.四川水利職業技術學院，四川 成都 611231；3.四川大學 電氣信息學院，四川 成都 610065）

0 引言

誘發地震是指由于人類的工程活動引起的地震，是地震學的一個分支學科，也是環境地球科學的一部分研究內容。隨著我國經濟建設的高速發展，由于水庫蓄水、深井注水、地下流體開發、礦山開采、地下爆炸等引起的地震，在一定程度上已經成為一種環境工程災害，是經濟建設過程中亟待解決的重要難題。同時，由于誘發地震本身所具有的某些有利的研究條件，也成為研究地震發生條件和發展過程以及探索地震預報的一個極佳的研究試驗場地［1］。

水庫地震是誘發地震中震例多、危害大的類型，是由于水庫蓄水導致環境物理狀態的改變，從而在庫區和壩址區引發地震的現象［2］。自1931年希臘60m高的馬拉松（Marathon）大壩水庫在1929年蓄水后發生一系列地震，以及1935年美國米德湖（Lake Mead）高220m的胡佛（Hoover）大壩蓄水后發生地震以來，世界上已有30多個國家先后報導了120多個與水庫蓄水有關的事例［3］。1969年在聯合國教科文組織內，由國際工程地質協會、國際地震和地球內部物理學協會、國際大壩委員會等8個學術團體的專家共同組成了一個水庫地震工作組，廣泛搜集各國水庫地震資料，探討水庫誘震的機制。水庫地震的機理復雜，與普通天然地震有不同的活動特征，具有反復性、群發性、震源淺、地震動高頻信息豐富等特點，往往較低震級可造成較大破壞。不僅能給工程建筑物和設備等財產造成破壞，還可能誘發滑坡等地質災害，引起涌浪。水庫地震已成為了水電工程建設中面臨的主要技術難題之一，同時也成為學術界研究的熱點之一。

我國四川、云南、貴州三省水能資源豐富。全長2308km的金沙江上正在規劃和建設一系列梯級水電大壩，不久的將來將成為世界超大水庫群，形成“世界水電在中國，中國水電在西南，西南水電在金沙”的大格局。備受社會爭議的怒江水電開發也拉開了大規模建設的序幕。雅礱江、岷江、大渡河、怒江的水能資源也將得到最大開發和利用。

西南地區（云南、四川西部地區）位于我國南北構造帶即南北地震帶的南段，是地殼運動劇烈、構造形態復雜、地震活動十分頻繁的地區。它西臨印度洋板塊的俯沖帶，東瀕古老穩定的四川地臺和黔桂古陸，巖層遭到十分強烈的擠壓，形成了一系列平行于印度洋板塊的巨型褶皺帶、深大斷裂帶及弧形山脈。在深大斷裂的控制下，塊體之間的水平運動和垂直差異運動都表現得十分明顯，而強烈地震大多數就發生在這些深大斷裂帶上，也是水平運動與垂直差異運動最為劇烈的地區。正在開發的大渡河、雅礱江、金沙江都分布在地震活動帶上：大渡河水電開發地處鮮水河地震活動帶上；雅礱江水電開發與安寧河—則木河地震活動帶相鄰；金沙江溪洛渡電站位于雷波—永善地震活動帶；瀾滄江—怒江水電站規劃電站群位于三江并流的構造活動帶。近100年來，西南地區的強地震在明顯增加。汶川地震后民間關于西南水電重新評估的建議重提，他們認為汶川地震凸顯了三個重要問題：地質斷裂帶上是否適合修建高壩大庫；在水庫設計過程中對地震烈度的評估是否存在錯誤？在活動斷裂帶上修建高壩大庫是否有誘發強震和巨震的可能性？

程萬正認為，這些區域的水庫地震研究需要考慮高烈度區水庫地震問題的特殊性，不能簡單套用一般低烈度區水庫誘發地震的技術思路和研究方法［5］。隨著西部大規模水電工程的開展，水庫誘發地震及其可能帶來的矛盾日趨顯現而突出［6］，因此加強對水庫地震的詳細觀測和研究已迫在眉睫，科學預測水庫誘發地震，并提出相應的預警措施是防震減災工作的前提和基礎。

1 水庫誘發地震典型震例分析

自上世紀70年代，各國學者廣泛搜集水庫地震的實例，并根據所積累的資料開展水庫地震相關因素的統計分析。1975年Gupta和Rastogi［7］系統論述了當時世界上已知的30處有震水庫的地質、水文和地震活動，分析了水庫水位與地震頻度的關系，介紹了水庫附加應力增量的計算方法，綜述了產生剪切破壞的孔隙壓力效應理論和相關的實驗研究成果。Packer［8］和Baecher等［9］搜集了已報導過的75個水庫地震的資料，對其中64個水庫根據其在時間上和空間上與水庫蓄水的關系劃分為確定的（45個）、有問題的（12個）和不是的（7個）三種類型；選擇了水庫的水深、庫容、區域應力狀態、主要巖石類型、斷層等作相關統計分析，結果表明在庫底為沉積巖、具有走向滑動應力狀態的水庫中，發震概率隨水深和庫容而增大；四個參數中水深和庫容與水庫地震的關系最密切。古普塔等［7］對全世界1799座水庫的大壩完成時間、壩型、建基面高程、水深、庫容、水庫面積、地理座標、降雨、蓄水過程、水位、地質和構造等各種因素與水庫誘發地震的關系作過統計分析，結果仍然表明，水深和庫容是水庫地震最明顯相關的因素。

Castle等［10］對41個發震實例和其他未發震的水庫地質條件的分析卻得出了相反的結論，他們認為構造狀態，包括斷層的存在、彈性應變的積累和斷層的類型對誘發地震特別關鍵，水庫地震一般發生在平行于水庫軸向的、陡傾角的、具有較高應變速率的引張或水平剪切斷層上。

肖安予［11］分析了國內外62個水庫地震震例，認為巨型水庫能改變庫區及其鄰近的構造應力狀態，導致原有地震蘊育和發展過程發生變化；特殊的地質背景是水庫誘震的基本條件，特殊地質背景的諸因素越齊備、越典型，誘震的幾率越高。魏柏林等［12］從構造環境、震源應力場、構造應力場和水的誘發作用等四個方面分析了世界四大水庫（新豐江、卡里巴、克里馬斯塔和柯依納）誘發六級以上地震的發震原因，認為四大水庫都在活動構造區，庫水與張應力場結合是誘發六級地震的主要原因。

水庫誘發地震震例分析是了解水庫誘震環境背景、誘震因素、誘震機理的可靠渠道。然而由于已知的水庫誘發地震數量有限，且缺乏系統的水庫地震監測資料，使得已有的震例分析主要停留在定性的類比層面，難以觸及至誘震的機理層面。

2 水庫誘發地震的機理

地震中的能量釋放是地球內部復雜的地球物理過程作用的結果。很多地震都是在水庫蓄水的同時或者不久以后發生的，雖然人們對這些地震活動究竟是水庫誘發還是巧合無法給出明確的答案，但一般認為水庫蓄水等外部過程可以誘發地震，并對其誘發地震的原因及機理進行了大量的研究，大致可以歸納為以下幾個方面。

2.1 水體荷載作用

蓄水對庫區應力狀態的影響一直受到研究者的重視。水體荷載說的一個重要依據就是許多震例在地震后都不同程度產生庫盆巖體的下沉現象，因而據此推斷由于庫盆下沉所造成的彈性變形引起了地震。Westergard［13］提出了由于水荷載引起水庫盆地下陷和下伏地層再調整，導致庫區大地構造活動的假說；Carder［4］首次指出美國米德湖（Lake Mead）的水荷載使該區原有的斷層重新活動；Gaugh夫婦［15－16］通過Kariba湖沉陷的研究強調水庫荷載造成的彈性變形的意義；Nikolaev［17］也曾指出大水庫的水體荷載可以釋放地震能量，在水的重力作用下，以地殼沉陷作用釋放重力位能轉變為彈性應變能和地震能；Baecher等［9］認為水體深度和庫容是引發地震的重要因子；而Rothe［18］則認為水的深度和局部應力水平可能比水庫庫容更重要。

Awad等［19－20］對 Aswan地區及其附近的地震數據進行了分析，根據該區地質結構將該區域的地震活動歸為淺層地震和深層地震兩種類型，發現淺層地震與水庫水位波動具有很好的相關性，而深層地震則無此特性。鐘羽云等［21］認為，水庫蓄水初期水位是影響庫區地震活動性的主要外因，且不同水庫的影響時間不同。

由于庫區基巖體介質的不均勻性，水體荷載所產生的附加應力場、形變場的形狀相對庫軸并不對稱，在斷層處產生的垂直位移迅速增加，除了庫岸區域存在附加張應力區之外，在斷層中同樣形成了附加張應力區，增加了斷層的不穩定性。如果初始應力與附加張應力平行，附加張應力可以部分抵消斷層面上的正應力，使正應力摩爾圓向左移動，更易與破裂線相交，從而使構造應力更易于造成斷層滑動。因此這些附加張應力區是誘發地震的重要場所。

2.2 孔隙水壓作用

Hubbert［22］對液體壓力在逆掩斷層中所起的作用進行了研究，提出了孔隙液體壓力增加使巖石強度降低的巖石破壞理論；Evans［23］認為丹佛地震就是由于液體注入后使穿過水庫巖石已有斷層的有效法向應力降低引起的；Bell［24］認為水庫蓄水引發地震的可能原因是：水庫蓄水引發地質彈性壓力增加導致巖石孔隙度降低，從而使飽和巖石中孔隙流體壓力增加，孔隙壓力變化引發流體流動。

1979年美國地質學會在加利福尼亞的圣迭戈召開了一次由多領域專家參加的流體孔隙壓力在地質變形破壞過程中作用的討論會，就有效應力定律、地震和孔隙壓力等問題進行了研討。之后，越來越多的科學家開始深入研究流體孔隙壓力在誘發地震中的作用。Talwani等［25－26］對孔隙壓力擴散在引發地震中的作用進行了闡述，并認為較之水庫水位的短期變化，其較長期（≥1年）變化很可能會引發更深層次、更高強度的地震；而大型水庫周邊較小型水庫周邊更可能發生地震，且震源更深，其具體位置取決于水庫底層附近的斷層特征。近年來美國地球物理協會和美國地質學會召開了一系列有關地下流體與地質作用過程的研討會，就地下流體在地殼變形、巖體破裂、物質運移等過程中的物理、化學作用進行了討論。

2.3 庫水對巖石的物理化學作用

水庫庫壩區斷層、節理密集帶等不均勻特征的存在，有利于水體的滲透，導致庫基巖體中孔隙水壓的變化以及其它物理、化學性質變化。與水庫地震關系密切的物理化學作用主要有以下幾種。

（1）潤滑軟化作用。

Lomtritz［27］強調巖石滲透性和軟弱帶對誘發地震形成的重要意義。秦四清等［28］提出了斷層帶弱化與巖體軟化效應誘震理論，認為水的作用增強了斷層帶介質的滑動弱化特性；同時水的滲透也增強了彈性巖體的軟化特性，降低了巖體剛度。這種耦聯作用易使剛度比降低，從而誘發水庫地震。潤滑弱化作用指的是由于庫水滲透對斷層面起了潤滑作用，同時大量水的滲入可能消除斷層面的某些“壁壘”［29］，從而使斷層面的摩擦系數減小。實驗證明，為水所飽和的巖石強度比干燥狀態下的強度要低得多。一般來說，孔隙大、膠結差的沉積巖，特別是含泥質和親水礦物較多時，水的軟化作用較大。

（2）水熱膨脹作用。

庫水滲透到地下高溫巖體附近，成為高溫熱水或高壓蒸氣并在某些部位聚集起來，變成誘發地震的動力，即汽化膨脹作用。另一方面，溫度升高能使孔隙水壓力增加，如果孔隙容積保持不變，溫度升高1℃，孔隙水壓力至少增加10×105Pa，亦即當溫度升高100℃時，就可使流體壓力增加1000×105Pa以上，這對誘發地震的作用是不可忽視的。

（3）應力腐蝕。

應力腐蝕作用是指硅酸鹽類巖石在地下水和應力的持續作用下礦物的結合力遭到削弱，結構強度降低，最后在應力場或重力場的作用下，裂隙的形成過程加速。Kisslinger稱這種物理過程為應力腐蝕，并且指出，在庫水位不太高時應力腐蝕作用可能是一種誘發地震的機制。

2.4 其它因素

己知震例中，較強的水庫地震（3級以上地震）發生之前都有大量微震。水庫蓄水后，應力腐蝕和庫基彈性變形使庫區局部出現應力不平衡，導致蓄水早期發生微震和微裂隙錯動。由于巖體微破裂隨著深度的增加、圍壓的增加而漸稀少，只形成震源很淺的微震。大量微震的形成表明地殼淺層的微裂隙得以串通，從而形成規模較大的裂隙，庫基巖體原不連續的微裂隙被貫通，并逐漸向深部發展，有利于庫水向更深更遠部位滲透，使孔隙水壓效應發揮作用。局部地塊的微錯動有可能使更大尺度的巖體內出現應力集中和應力不均衡，最終可能導致發生較大地震。因此，蓄水早期大量出現的微震也具有誘發地震的作用。

水庫地震與地熱之間存在一定的聯系［30］，庫區的地溫梯度較高或地溫異?？纱偈箮焖臐B透作用加速進行，利于深部與淺部水體的交換與循環。當水庫建成蓄水后，溫度相對較低的常溫庫水如果大量沿著斷層裂隙向深部巖體滲透，在與干熱巖體相遇時將會產生兩方面的作用：一方面庫水被加熱，溫度升高，體積膨脹、汽化，從而積累能量，促進巖體破裂；另一方面干熱狀態的巖體遇到溫度較低的庫水時，由于巖體溫度突然下降，接觸庫水的巖體驟然收縮而產生應力，使巖體表部出現大量的微破裂，如果這種作用繼續進行，裂隙將不斷增加和擴展，從而引起應力集中，形成較大的破裂而導致巖體突然破裂錯動，發生地震。因此，庫水與干熱巖體的作用所產生的溫度應力，亦可能是水庫地震的一種力源。

水庫地震的誘發機制是多因子共同作用、相互影響的復雜過程，各種誘發因素的作用是互相聯系的：水體荷載使某些斷面上的正應力有所降低，利于水的滲透；水的滲透對巖石可產生軟化作用；而軟化作用更有利于水的滲透，有助于孔隙水壓力效應的發展。

3 水庫誘發地震預測方法研究

水庫誘發地震預測的主要任務是大壩設計階段預測蓄水后誘發地震的可能性、可能的最大誘震震級和可能的發震部位；若蓄水后發生地震活動，則推測地震的發展趨勢［31］。前者是依據庫區所處的水文地質條件、斷裂分布、區域地震活動現狀等地震地質環境評估潛在的誘發地震活動危險性與可能的最大強度和危險地點；后者是研究如何根據已建水庫并發生了水庫地震活動的庫區的觀測資料，預測今后的誘發地震活動趨勢。

目前對水庫誘發地震機理的認識還存在很多局限與不足，水庫誘發地震的預測方法也還處在不斷探索和驗證階段。目前的研究內容主要集中在兩大方面［32］：一是根據某些水庫確定的水庫地震觀測資料，分析不同水庫的庫容、庫深、地理環境、形狀、構造、巖性、水文地質、深部環境、應力狀態、區域地震活動背景、水庫地震序列時空演化及特征等各種參數信息的統計分析，從中獲取易于誘震或不易于誘震條件，即稱為水庫地震的誘震條件判斷與類比預測法，如馬文濤等［33］使用的灰色聚類方法；二是在經驗積累的基礎上構建簡化的水庫地震機制的物理—地質—力學破裂過程描述模型，以某些誘發地震破裂準則或應力屈服準則的約束條件，通過數值模擬計算，對水庫地震危險性做出預測，稱為水庫地震預測的成因模型法。

由于水庫誘發地震的復雜性，震例的有限性和不確定性，及水庫誘發地震的背景環境呈現出的多樣性，加之水庫誘發地震的機理難以用實驗方法模擬或驗證，目前所提出的各種預測方法均具有較大的局限性。從水庫誘震機理的角度來進行科學預測是未來發展的方向。胡毓良［34］指出，水庫蓄水后如出現地震，應抓緊在前震期時間進行精細的研究，對是否發生強震進行評價。由此可見，加強水庫地震監測系統建設和監測數據的分析處理是進行水庫地震活動性趨勢預測的重要基礎和前提。

4 水庫誘發地震災害預測

在已發生的水庫誘發地震中，雖然震級都不太高，但由于震源深度淺，離大壩結構近，易造成壩體震害，甚至于導致了滑坡、漫壩頂、泥石流等次生災害，還存在水患和社會恐慌的隱憂，故從防災的角度來看，震害預測與地震預報同等重要。

水庫誘發地震災害預測是基于水庫地震危險性分析成果，結合對區域地震地質基礎資料的收集和補充調查，研究水庫與地震耦合工況下地震地質災害的分布范圍，對重點潛在失穩區進行破壞范圍及運動過程模擬，分析滑坡涌浪及其傳播過程，評價地震地質災害對水庫和重點移民集鎮的危害。具體包括：

（1）水庫地震地質災害危險性評價

水庫地震地質災害主要包括地震觸發的滑坡和崩塌。研究水庫地震地質災害空間預測方法，建立地震地質災害易發性評價模型，結合前期研究成果對水庫地震耦合工況下地質災害的分布范圍進行預測。

（2）近壩庫段地震地質災害評價

以區域地震地質災害評價成果為基礎對危害性較大的近壩庫段（距壩址20km范圍）補充地質調查和試驗，采用連續及不連續分析方法對地震作用下重點岸坡（包括基巖岸坡和堆積體岸坡）的動力穩定性進行評價，模擬其破壞范圍和運動過程，以及撞水產生的涌浪范圍、高度、傳播和衰減過程，評價其對水庫和樞紐建筑物的影響。

（3）重點移民集鎮地震地質災害評價

根據地震地質災害危險性評價成果對危害性較大的重點移民集鎮進行補充地質調查和試驗，采用連續及不連續分析方法評價潛在滑坡、崩塌的動力穩定性，模擬其破壞范圍、運動過程與堆積范圍，評估其對移民集鎮的影響。對存在涌浪風險的集鎮需進一步評估涌浪的高度與風險。對移民集鎮范圍的第四系松散堆積物進行物理力學特性試驗，評價其發生液化的可能性及對移民集鎮的影響。

科學的地震災害預測離不開合理的水庫地震危險性評價和預測。設立地震監測臺網可以加強水庫蓄水前后的地震活動性監測，及時分析地震活動與庫盆巖體結構、水文地質條件、斷層破碎帶及節理、裂隙的導水性以及水庫運行之間的聯系，預測水庫誘發地震的類型、潛在震源區及可能發生的地震強度，為保障工程正常運行以及庫區和周邊居民正常生產生活提供決策依據。

5 加強水庫地震監測和資料分析的意義

近年來，我國高壩建設數量多、規模大、梯級化，集中分布在我國西南地震多發區和高烈度區，水庫地震的潛在危險性和地震安全問題日益突出。2013年12月16日在三峽庫區巴東縣發生的5.1級地震再次引發整個社會對水庫誘發地震的熱議。因此，加強水庫地震的監測是我國防震減災工作的重要內容之一，同時具有以下幾方面的科學價值和社會意義：

（1）揭示水庫誘發地震的活動規律和探索水庫誘震的機理。系統分析庫區地震監測數據，對比分析蓄水前后地震活動性變化規律，類比以確認的水庫地震震例，有助于揭示水庫地震活動規律及特征；基于庫區地震監測數據，結合區域的地質構造、地震活動性特征、庫盆巖性以及水文地質特點，開展水庫地震綜合分析，有助于探討水庫地震誘發機理和誘震因素。

（2）為科學辨識水庫誘發地震建立識別標準。利用地震監測數據深入分析地震的震源機制、應力降、震源尺度、拐角頻率等震源特征參量，對比區域天然本底地震活動規律和特征與所監測的水庫誘發地震活動規律和特征，結合易于誘震的環境條件和誘震機理，建立水庫誘發地震的識別標準，對研究區內地震事件做出科學辨識，避免由于破壞性地震的責任鑒定不清或社會輿論給企業帶來的不良社會影響和巨大經濟損失。

（3）結合近年來特別是汶川地震以來全國地震區劃圖潛在震源區劃分方案、水庫地震監測數據等對水庫地震的危險性做出科學評價，對水庫地震災害做出合理預測，為指導工程正常運行和災后科學救災提供決策依據。

（4）利用大量的基礎監測數據和豐富的一手資料，通過系統、深入的研究，提高水庫地震的研究水平，為進一步細化和完善《水庫地震監測管理辦法》和《水庫地震監測技術要求》奠定研究基礎，并為揭示天然地震的發震機制和開展地震預報提供參考。

6 結語和展望

我國的水能資源大力開發面臨水庫誘發地震的巨大風險和挑戰，目前人類對水庫誘發地震的認識仍存在很大的局限性，因此加強水庫地震監測和相關研究具有以下幾方面的重要意義：

（1）我國西南地區水能資源的大力開發迫切需要建設水庫地震監測系統，以及監測資料的深入系統研究；

（2）水庫地震監測資料的綜合分析是揭示水庫誘發地震誘震機理、誘震因素的重要途徑；

（3）及時、系統和深入的水庫地震監測資料分析對于科學預測強震具有重要意義；

（4）水庫地震監測及其相關研究是科學辨識水庫誘發地震的前提和基礎；

（5）水庫地震監測資料的分析成果是指導工程正常運行和災后科學救災的決策依據。

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