淺談水庫誘發(fā)地震問題

馬俊紅

（山西省地勘局二一七地質(zhì)隊(duì)，山西 大同 037008）

因水庫蓄水而誘使壩區(qū)、水庫庫盆或近岸范圍內(nèi)發(fā)生的地震叫做水庫誘發(fā)地震。自1931年希臘的馬松水庫首次誘發(fā)地震以來，到 1986年底（1988年出版的《世界大壩登記》）的 55年時(shí)間內(nèi)，世界上已有79個(gè)國家建成庫壩37 308座，其中已有29個(gè)國家報(bào)道了116座水庫誘發(fā)地震的震例（詳見表1），發(fā)震率為3.1‰。筆者根據(jù)目前已掌握的資料對水庫誘發(fā)地震問題提出一些粗淺的認(rèn)識，以期與同行其商榷。

1 與水庫誘發(fā)地震相關(guān)的因素

1.1 巖性

從52例統(tǒng)計(jì)數(shù)分析，誘發(fā)地震的水庫可溶巖地區(qū)25例，占48.1%；火成巖地區(qū)12例，占23.1%；變質(zhì)巖地區(qū)11例，占21.1%；碎屑巖地區(qū)4例，占7.7%。其中，近一半的水庫誘發(fā)地震發(fā)生在可溶巖地區(qū)，說明水庫誘發(fā)地震與庫區(qū)巖石的滲透性能有著密切的關(guān)系，如我國湖北省的鄧家橋水庫，每當(dāng)庫水位淹沒庫左岸的溶洞口后，就會誘發(fā)一系列的微震；又如我國湖南的黃石水庫，每當(dāng)庫水位到達(dá)庫尾奧陶系灰?guī)r區(qū)時(shí)都要誘發(fā)地震。6例5.5級以上的水庫誘發(fā)地震中有4例發(fā)生在以花崗巖為主的火成巖地區(qū)，占 66.7%，說明巖石強(qiáng)度與水庫誘發(fā)地震的強(qiáng)度成正比關(guān)系。

1.2 構(gòu)造

從65例統(tǒng)計(jì)數(shù)分析，49例位于斷陷盆地和褶皺帶上或位于活動斷層附近，而其余誘發(fā)地震的水庫均與附近小構(gòu)造有著密切的關(guān)系。說明水庫誘發(fā)地震離不開地應(yīng)力相對集中的斷裂構(gòu)造，即離不開一般地震的機(jī)理。如1962年3月19日發(fā)生Ms6.1級主震的我國廣東新豐江水庫位于斷陷盆地邊緣的北北西和北東東向斷裂部位，1963年9月10日發(fā)生Ms4.0級主震的意大利瓦依昂水庫處在新生代褶皺帶上。

1.3 庫水荷載

從理論上分析，庫水荷載可以增大地下一定深度內(nèi)斷裂面的應(yīng)力。根據(jù) J.B.Beck對美國奧魯威爾庫水荷載的計(jì)算，庫水深200 m時(shí)地下1 km處的巖體因庫水荷載增加的剪應(yīng)力為3.4 kg/cm2，地下5～10 km處的巖體因庫水荷載增加的剪應(yīng)力為0.12 kg/cm2。

從實(shí)際來看，壩高10 m的美國卡賓溪水庫1956年誘發(fā)了初震，1967年4月誘發(fā)了Ms5.1級主震，壩高29 m的我國四川新店水庫1974年2月誘發(fā)了初震，1979年9月15日誘發(fā)了M s4.2級主震，而數(shù)以千計(jì)的上百米大壩的水庫并未誘發(fā)地震；庫容400萬m3的意大利安卑斯塔水庫1957年蓄水后誘發(fā)了小震，庫容40萬m3的瑞士威爾扎卡水庫自1967年蓄水后誘發(fā)了小震，而數(shù)以萬計(jì)的上億m3的水庫并未誘發(fā)地震。從上述兩個(gè)方面來看，庫水荷載對水庫誘發(fā)地震有一定影響，但由于在地下1 km處產(chǎn)生的影響僅是堅(jiān)硬巖體強(qiáng)度的3.4‰～5.6‰，在地下5～10 km處僅是堅(jiān)硬巖體強(qiáng)度的0.1‰左右，因此對水庫誘發(fā)地震的影響程度甚微。

表1 世界水庫誘發(fā)地震統(tǒng)計(jì)表

1.4 地震背景

從 56例統(tǒng)計(jì)資料分析：23例水庫誘發(fā)地震發(fā)生在地震區(qū)內(nèi)，占 41.1%，位于多震區(qū)的水庫蓄水后以誘發(fā)中強(qiáng)地震為主（占69%），但由于水的下滲可以促使正在聚集的相當(dāng)大的彈性變形能量以小震形式提前逐漸釋放，使地震活動強(qiáng)度降低，如巴基斯坦的曼格拉水庫，蓄水前地震烈度為Ⅷ～Ⅸ度，1968年水庫建成蓄水后發(fā)生的最大地震為Ms3.6級，這種情況下庫水可起到控震的作用。33例水庫誘發(fā)地震發(fā)生在無震區(qū)內(nèi)，占58.9%，位于無震區(qū)的水庫以誘發(fā)弱或微型地震為主（占71%）。

1.5 孔隙水壓力機(jī)制

從水庫誘發(fā)地震綜合分析孔隙水壓力機(jī)制是比較困難的，但從另一方面來看孔隙水壓力在水庫誘發(fā)地震中的作用就會一目了然。1962年美國科羅拉多州丹佛附近一家軍工廠為處理廢水打了一眼3 671 m的深井，以高壓向井內(nèi)注水誘發(fā)了地震；1972年我國武漢進(jìn)行深井施工時(shí)誘發(fā)了一系列小震；我國河北任丘油田在高壓注水后亦引發(fā)了一系列小震。以上實(shí)際資料充分說明了孔隙水壓力機(jī)制在水庫誘發(fā)地震中的重要作用和敏感性。

2 水庫誘發(fā)地震的特征

2.1 震中位置

水庫誘發(fā)地震的震中除少數(shù)發(fā)生在壩址附近外，絕大多數(shù)分布于庫區(qū)中部及尾部，距庫邊線一般不超過 3～5 km，最遠(yuǎn)10 km。從58例統(tǒng)計(jì)數(shù)分析：大壩上下游3 km范圍內(nèi)有13例，占22.4%，如1962年誘發(fā)Ms6.1級主震的我國廣東新豐江水庫大壩距構(gòu)造為1.1 km；庫區(qū)中部及其兩岸5 km范圍內(nèi)有35例，占60.3%，如1939年誘發(fā)Ms5.0級主震的美國米德湖水庫；庫區(qū)尾部及領(lǐng)區(qū)5 km范圍內(nèi)有10例，占17.2%，如1966年誘發(fā)Ms6.3級主震的希臘克里馬斯塔水庫。由于大壩選址一般都避開了構(gòu)造，而實(shí)際上發(fā)生在壩址附近的水庫誘發(fā)的地震比較少，這也間接說明了水庫誘發(fā)地震與構(gòu)造的密切關(guān)系。

2.2 震源深度

水庫誘發(fā)地震的震源深度一般都比較淺，均屬于淺源地震（多在地下10 km范圍），從孔隙水壓力機(jī)制來考慮，應(yīng)略大于庫水沿構(gòu)造下滲的深度。從43例統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析：震源深度小于3 km的有21例，占48.8%，瑞士的康脫拉水庫1964年8月蓄水，1965年5月誘發(fā)初震，1965年10月11日誘發(fā)Ms4.0級主震，震源深度最淺為500 m；震源深度在3～5 km范圍內(nèi)的有14例，占32.6%，震源深度大于5 km的有8例，占18.6%，如我國廣東新豐江水庫1962年誘發(fā)Ms6.1級主震的震源深度最大為7 km。

2.3 震中烈度

水庫誘發(fā)地震84%（25例統(tǒng)計(jì)數(shù)）發(fā)生在I0≤Ⅵ的地震烈度區(qū)劃低烈度區(qū)。由于水庫誘發(fā)地震的震源深度淺，水庫誘發(fā)地震震中的烈度相對高，如我國烏溪江水庫誘發(fā)M s2.8級地震時(shí)，震中區(qū)烈度達(dá)到Ⅴ～Ⅵ度，而同級別天然地震震中區(qū)烈度只能達(dá)到Ⅲ度左右。由于水庫誘發(fā)地震強(qiáng)度相對較小，影響范圍較小，從烈度相對較高的震中區(qū)向四周衰減速度較快。

2.4 發(fā)震時(shí)間

從水庫誘發(fā)地震的初震時(shí)間來看，一般都發(fā)生在水庫蓄水后2～24個(gè)月內(nèi)，最多為29個(gè)月，說明孔隙水壓力機(jī)制對水庫誘發(fā)地震非常敏感。從65例統(tǒng)計(jì)數(shù)分析，主震與初震時(shí)間相吻合的占26.1%，時(shí)間相接近的占39.1%，時(shí)間相差大的占34.8%，說明孔隙水壓力機(jī)制與地質(zhì)機(jī)制相結(jié)合的復(fù)雜性。

2.5 地震震級

從116例統(tǒng)計(jì)數(shù)分析，Ms≥6.0級的強(qiáng)震為4例，占3.4%，其中最大的為印度柯依納水庫1976年12月10日誘發(fā)的Ms6.4級主震。6＞Ms≥4.5級的中震為35例，占30.2%，Ms＜4.5級弱震與微震77例，占66.4%，最小的為奧地利1971年蓄水的舒勒蓋斯水庫誘發(fā)的Ms1.0級主震。

2.6 地震頻率

水庫誘發(fā)地震的頻率較高，一般呈有規(guī)律的變化。地震活動峰值在時(shí)間上均較水位或庫容峰值有所滯后，水位的急劇下降或上升，特別是水位急劇下降，往往有較強(qiáng)地震產(chǎn)生。我國的黃石水庫，自1973年汛期蓄水誘發(fā)地震以來，每年汛期幾乎都要誘發(fā)地震；前蘇聯(lián)的努列克水庫分別在1972年、1973年、1976年和1977年伴隨著庫水位上升到新的最大高度而誘發(fā)了地震；我國的盛家峽水庫，自1980年秋季蓄水以來，到春季放水后一般都誘發(fā)地震。

3 水庫誘發(fā)地震機(jī)制

水庫蓄水是水庫誘發(fā)地震的前提條件。盡管目前對水庫誘發(fā)地震的機(jī)制有不同的看法，但水庫誘發(fā)地震與庫水的作用效應(yīng)密切相關(guān)的認(rèn)識是比較一致的。確切地說，水庫誘發(fā)地震是天然地震中能量轉(zhuǎn)換為機(jī)械能之前的過程（全部或部分）和庫水的作用效應(yīng)相結(jié)合的產(chǎn)物。

天然地震是自然原因引起的地殼的顫動。由活動性斷層積累彈性變形能量，通過錯(cuò)動轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能而引起的地震叫構(gòu)造地震，世界上約90%的地震屬于這一種；由于火山噴發(fā)之前有能量的巖漿向接近地表移動，通過動能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能而引起的地震叫火山地震，世界上約7%的地震屬于這一種；由洞穴失去平衡塌陷，洞穴頂板的重力勢能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能而引起的地震叫陷落地震，世界上不足3%的地震屬于這一種，且規(guī)模較小；還有一種是殘留古巖溶束縛水壓縮氣體發(fā)生爆炸，壓縮氣體的彈性勢能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的地震，這類地震一般比較少見。綜上所述，得出天然地震的機(jī)制，見圖1。

圖1

水庫誘發(fā)地震是庫水作用效應(yīng)參與下誘發(fā)的地殼的顫動。目前認(rèn)為庫水的作用效應(yīng)有3種，即孔隙水壓力效應(yīng)、庫水體的荷載效應(yīng)和庫水的腐蝕效應(yīng)（包括水的物理作用、化學(xué)作用和溫度作用）。在水庫誘發(fā)地震中，孔隙水壓力效應(yīng)是主要的，一種是庫水沿滲水通道下滲到應(yīng)力平衡處于臨界狀態(tài)的能量聚焦部位馬上誘發(fā)地震，如蓄水后較短時(shí)間內(nèi)誘發(fā)地震，而且初震和主震時(shí)間相吻合的水庫誘發(fā)地震基本都是這種情況；另外一種是庫水沿滲水通道下滲到應(yīng)力平衡未處于臨界狀態(tài)的能量聚集部位，在孔隙水壓力效應(yīng)參與下應(yīng)力場發(fā)生平衡轉(zhuǎn)移，在新的條件下繼續(xù)積累能量，直到到達(dá)臨界狀態(tài)后失去平衡產(chǎn)生地震，如蓄水后較長時(shí)間才誘發(fā)主震，而且初震和主震時(shí)間不吻合的水庫誘發(fā)地震多數(shù)都是這種情況。在水庫誘發(fā)地震中，庫水體的荷載效應(yīng)只在洞穴塌陷引起的地震中起一定較為明顯的作用，但引起洞穴頂部巖體失穩(wěn)的主要因素仍是孔隙水壓力效應(yīng)的作用。在水庫誘發(fā)地震中，庫水的腐蝕效應(yīng)是在孔隙水壓力效應(yīng)的基礎(chǔ)上發(fā)生的，腐蝕效應(yīng)包括加速裂隙擴(kuò)張，增大水循環(huán)深度，軟化巖體強(qiáng)度，減少巖體結(jié)構(gòu)面抗滑阻力、熱液水氣化等，雖然庫水腐蝕性效應(yīng)的作用比較緩慢，但其機(jī)理非常復(fù)雜，目前尚無系統(tǒng)的資料能將其說清楚，但從7例水庫誘發(fā)地震有溫泉出露來看，庫水腐蝕性效應(yīng)在某一條件下可能起著重要作用。綜上所述，得出水庫誘發(fā)地震的機(jī)制，見圖2。

圖2

4 水庫誘發(fā)地震的分類

4.1 按照災(zāi)害情況和里氏震級標(biāo)準(zhǔn)對水庫誘發(fā)地震的主震進(jìn)行分類

破壞性地震：強(qiáng)震（Ms≥6.0）；中震（6.0＞Ms≥4.5）。

非破壞性地震：弱震（4.5＞Ms≥3.0）；中震（3.0≥Ms）。

4.2 按照水庫誘發(fā)地震的成因進(jìn)行分類

陷落型（巖溶塌陷）地震：洞穴頂部巖體具有重力勢能。

構(gòu)造型（斷層破裂）地震：斷裂構(gòu)造聚積彈性變形能量。

氣爆型地震：殘留古巖溶束縛水具有彈性勢能。

熱壓型地震：熱液富集處熱能聚集。

巖溶塌陷型在水庫誘發(fā)地震中最常見，多為弱震或中強(qiáng)震。我國在巖溶地區(qū)的大型水庫有8個(gè)，其中4個(gè)誘發(fā)了地震。斷層破裂型水庫誘發(fā)地震發(fā)生的概率雖然較低，但有可能誘發(fā)中強(qiáng)震或強(qiáng)震。我國的新豐江水庫和印度的柯依納水庫的誘發(fā)地震都屬于這種類型。后兩者成因的地震震級很小，不會對大壩和周圍環(huán)境造成危害。

4.3 按照水庫誘發(fā)地震的地震背景進(jìn)行分類

地震區(qū)誘發(fā)的地震：水庫位于強(qiáng)震區(qū)、中震區(qū)或者弱震區(qū)。

無震區(qū)誘發(fā)的地震：水庫位于無震區(qū)。

5 水庫誘發(fā)地震災(zāi)害地質(zhì)問題

由于水庫誘發(fā)地震震源淺，震中烈度較高，震中比同級天然地震破壞性大，Ms4級水庫誘發(fā)地震，震中烈度可達(dá)Ⅵ～Ⅶ度，中、強(qiáng)震占33.6%，在116例水庫誘發(fā)地震中，誘發(fā)強(qiáng)震（Ms≥6.0）4例，誘發(fā)中震（6＞Ms≥4.5）35例。

5.1 水庫誘發(fā)地震造成附近建筑物破壞

如我國湖北的丹江口水庫，1967年蓄水，1970年水位高度147 m時(shí)發(fā)生初震，1971年水位高度150.37 m時(shí)發(fā)生Ms4.0級地震，1973年11月29日發(fā)生Ms4.7級主震，附近農(nóng)村部分房屋損壞。

5.2 水庫誘發(fā)地震造成大壩失穩(wěn)

實(shí)際資料表明，大于Ms5.5級的水庫誘發(fā)地震均可造成水工建筑物不同程度的損壞，如我國廣東新豐江水庫，1959年蓄水后，一個(gè)月水位上升20 m，庫區(qū)開始有感地震頻繁，1962年3月19日發(fā)生Ms6.1級主震，余震不斷，右岸壩段頂部出現(xiàn)382 m長的水平裂縫，經(jīng)過加工才保證了穩(wěn)定，兩期加固費(fèi)用相當(dāng)于大壩造價(jià)。

5.3 水庫誘發(fā)地震造成大壩嚴(yán)重滲漏

如印度柯依納水庫壩高104 m，1962年6月開始蓄水，1963年誘發(fā)初震，1967年12月10日誘發(fā)了Ms6.4級強(qiáng)震，震中烈度Ⅶ度，大壩漏水，壩頂嚴(yán)重?fù)p壞，死傷2 000余人。