三峡水库诱发地震可能性研究.docx

水库诱发地震在长江三峡库区的研究综述 摘要 中国长江三峡工程于2003 年6 月1 日正式下闸蓄水, 6 月7 日起突然在湖北省巴东县城北信陵镇沿江一线发生了2 000 多次密集的小震群, 引起了大家的严重关切, 在未来的几年内随着二期和三期工程的完工,水位将提高到156 m 和175 m , 是否会诱发更大更强的地震? 根据地震构造的观点分析了库区东段几条活动断裂的分布、交汇关系和孕震能力, 认为巴东和秭归可能为两个潜在震源区, 蓄水后有引发5.5级左右的地震可能,地震烈度可达 ; 并可能诱发库区内众多滑坡体的复活, 导致严重的地质灾害。关键词 长江三峡水库; 水库诱发地震; 地质灾害0 引言长江三峡水库蓄水后, 2003 年6 月10 日晚22时坝前水位达到一期预计高程135 m。在水位上升过程中, 6 月7 日下午3 点36 分起突然发生了2 000多次的小地震。此次地震群集活动与水库蓄水时间相吻合, 引起了人们的严重关注: 今后水位还要增高40 m , 是否会引起更大的地震?我将从一下几个方面来阐述：1 水库诱发地震的机理水库诱发地震是多种因素综合作用的结果。它与水库的地质构造，活动性断裂区域构造应力场状态，岩体的渗透性与可溶性，岩体力学特性，地区的水文地质条件，地区的历史地震活动及现代地震活动状态，太阳黑子，月相，气象条件等因素有关。综合上述复杂因素, 我们认为水库诱发地震的成因机制, 水库区的岩体渗透性与构造条件是内因, 水库蓄水是外因, 内因通过外因起作用而诱发地震。对于任何一个水库若产生诱发地震, 必须具备上述的外因和内因的联合作用, 否则都不可能产生诱发地震。内因通过外因作用的内涵是什么? 可从以下几方面加以论述。1.1 水库荷载的直接或间接影晌由于水库的水重量加在断裂的岩层上, 改变了原有的相对平衡状态, 促使产生地震。但计算表明, 这一荷载与岩层的重量相比, 很微小, 并不应该产生这样严重后果。但在岩溶地区, 又加上活动断裂的地应力平衡处于临界状态。在这种地区建造水库, 常常会提高岩溶水域的天然水位, 由此产生的荷载有时远远大于水库本身对地基的荷载。在这种地区, 水库对地震的影响机率相当大。南斯拉夫特雷比什尼察河上建造的格兰卡赖窝坝就是一例。在我国14 座水库地震中有1 座的震中区的岩性与碳酸岩类及其它可溶岩类有关, 占7 8 . 6% , 比例数极大。1.2 孔隙水压力的作用库水经过裂隙进入深层, 产生了孔隙水压力, 减小了岩石的正应力, 相应剪应力增大,造成岩体位移, 因而产生地震。这一观点的根据是: 水库地震的特征之一是地震随水位变化而改变, 而且常在最高水位时发生较大地震, 因而推断是由于孔隙水压力作用。另外一个依据就是在斑比较详细的记录地震之后, 地震常发生于最高水位之后的一段时间中, 解释滞后现象, 也认为是由于水缓慢渗透, 需要一段时间。还有在蓄水初期由于水库近旁孔隙水压力相当高, 而远离水库的地方低, 所以在靠近水库的地方容易产生诱发地震。然而随着时间的推移孔隙水压在离水库较远的地方也会升高, 相反由重量引起的应力增加大体上是不变的,其结果在远离水库的地方也有震源。另外如果水库水位急剧下降则由重量产生的应力迅速减少, 但孔隙水压力却不能同步下降。因此当水位急剧下降时, 也有可能诱地震。苏联乌兹别克地区的奴列克( N u r e k ) 和恰尔瓦科( C h a r r a k ) 两个大小水库都有这种情况。部岩体渗透, 当温度较低的库水与深部干热岩体相遇时, 水一方面加温、膨胀和气化, 产生压力, 另一方面, 干热的岩体由于温差而产生的应力, 导致岩体破裂, 从而诱发地震。1.3 渗透水的润滑作用自从在美国有几个深钻孔住水诱发地震之后, 这种观点逐渐增强了, 岩石裂隙和破碎带在饱和之后, 抗剪强度会大大降低。因此水在这时便起润滑作用, 使原来已处于稳定临界状态下的岩层开始移动,因而诱发地震1.4 温度应力的作用水库蓄水后, 库水在水头压力下向深部岩体渗透, 当温度较低的库水与深部干热岩体相遇时, 水一方面加温、膨胀和气化, 产生压力, 另一方面, 干热的岩体由于温差而产生的应力, 导致岩体破裂, 从而诱发地震。1.5 浸水以后岩层的物理化学作用这种观点认为, 在地下岩层遇水以后, 亲水岩层大量吸水、膨胀, 或发生重结晶, 或发生某种化学变化, 因而促使岩层增加了不稳定性, 以致诱发地震。总之, 各个水库的地质条件是不一样的, 诱发地震的原因也是不一样的, 诱震机制是多元的。库水渗入深部岩体, 所产生的机械力是水库地震的力源。这种力除库水渗透压力外, 水体自重及附加荷重, 温度应力、岩层膨胀或重结晶而产生的结构力, 都是水库地震的力源, 导致岩体破裂, 从而诱发地震。2 水库诱发地震的基本特点（1）水库诱发地震仅发生在水库及其周围几千米范围内, 常出现在水库的峡谷或基岩裸的库段, 往往与库区地质结构的不连续面密切相关, 如断层和裂隙等。震中分布具有一定的规律性, 其震中位置主要分布在水库边以外10 km 之内, 但多数集中在库区中段及库尾, 约占80% 。如新丰江水库, 地震震中主要分布集中在四个区域, 即峡谷区、洞源区、碉楼区及湖羊区, 这些地震绝大部分都发生在水库边不超过5km的范围之内。（2）水库诱发地震的时间与蓄水过程密切相关。一般在水库蓄水后不久即开始发生地震, 地震活动的加剧、高潮或强烈地震的发生, 常出现在库水蓄到最高水位的第一、第二个蓄水周期时期。地震学家古普塔等人认为: 影响水库地震频率的因素除地质和构造因素外, 还有水位增长速率、荷载持续时间、最高水位、高水位持续时间等有关。大多数水库的地震震例, 随着水位的迅速升高, 就诱发地震的活动, 而且当水位达到一个新的高度时, 就诱发新的一轮地震活动, 如我国的乌江渡和乌溪江水库。但也有的水库诱发地震的主震是在某一特定的条件下发生的, 而不是在最高水位, 当主震发生后, 水位再次达到或超过主震水位时虽有地震发生, 但震级不超过主震, 如新丰江水库1962 年3 月19 日主震前后水位与地震呈正相关系, 主震及其后的两次5 级余震都发生在高水位, 1965 年以后水位与地震已没有明显的对应关系。另有些水库水位升高甚至满库时都没有地震发生, 而在水库放水水位降低时反而诱发地震, 如盛家峡水库。（3）水库诱发地震一个最显著的特征就是震源浅, 一般不大于5 km, 其中有近半数小于3 km, 多属于弱震或微震, 只有个别是强震。从目前震例的统计, 震级上限为6. 5 级, 震源深度较浅。由于震源浅, 因而水库地震发生时常伴有地声。相对而言, 构造型水库地震比其他类型水库地震的震源更深一些, 震级也较高, 且具有早期震源较浅而随后加深的特点, 如我国的新丰江水库、丹江口水库及印度的柯依那水库等。相反, 非构造型水库地震的震源更浅, 震级也更低, 如乌江渡水库等。3 三峡库区地震构造背景3.1 有两条强震发生带通过库区（1）黔江恩施巴东强震发生带该带的总体走向为北东45, 纵贯鄂、川二省, 全长超过450 km。该带具显著的分段性, 南段黔江德江及北段兴山马桥为单一断裂, 而中段呈现为斜列迭错构造。沿断裂带新近纪到第四纪的山间盆地呈串珠状分布, 如黔江金溪盆地, 恩施盆地, 建始盆地等。断裂带中段的南端大路坝1856 年6 月10 日曾发生6.25级地震此次地震波及湖北、四川、湖南三省, 震中区有17 处大规模山崩和滑坡并形成小南海、汪大海和小叉塘三个地震湖, 其最大者小南海的天然堆石坝长达1 500 余m , 高达70 余m ,坝体体积420 106 m3 。关于小南海地震湖的形成, 清光绪20 年(公元1894 年) 黔江县志记载:“咸丰六年夏五月壬子地大震, 后坝乡山崩。先数日, 日光黯淡, 地气蒸郁异常, 是日弥甚,辰、巳间忽大声如雷震, 室宇晃摇, 势欲倾倒, 屋瓦皆飞, 池波涌立, 民惊号走出, 仆地不能起立,后坝许家湾溪口有山矗起, 倏中断如截, 响若雷霆, 地中石亦迸出, 横飞旁击, ”。据“屋瓦皆飞”的描述, 估计当时的地震加速度超过1 g ,震级可能达到7 级或更大。断裂中段的南端距大路坝地震东北方向40 km处, 利川清坪1931 年7 月1 日发生5 级地震, 震中位置在北纬3006, 东经10858, 区面积达181 km2 , 等震线长轴方向与郁江建始断裂带相一致。断裂带的中段北端, 1979 年5 月22 日在长江北岸的龙会观发生511 级地震, 震中位于北纬3106, 东经11028, 震中破坏达到 (0110115 g) , 区长轴15 km , 短轴6 km。巴东县城位于区的边界, 但已引起巴东大坪古滑坡体的复活。据地震仪器记录, 近、现代地震和现代活动的大滑坡体均沿该断裂带分布。滑坡体的形成时代同地震活跃期一致, 大约始于晚更新世。（2）仙女山香溪兴山强震发生带该断裂南起五峰渔洋关, 向北经周坪沿香溪河达兴山县城与新华断裂连为一体, 总体走向NNW , 全长达230 km 以上。在潘家湾(1961 年3 月8 日Ms4.9级, 震中烈度) 、周坪( 1972 年3 月13 日Ms3.3 级, 震中烈度) 和兴山峡口(2001 年12 月13 日ML4.1 级, 震中烈度)分别发生地震并引起房屋的破坏。该断裂带也是滑坡体的密集分布带。如在老林河有一近SN 向分支断裂即九湾溪断裂, 该断裂新活动剧烈, 岩石高度破碎, 形成九湾溪大峡谷,深切1 000 余m。向北延至长江对岸, 即为新滩滑坡体所在。又因地势陡峻, 致使新滩发生多次滑塌, 最近一次即是1985 年6 月12 日在原地发生的大规模岩崩与滑坡, 滑坡总体积3 000 104 m3以上, 其中超过200 104 m3 冲入长江, 激起对岸涌浪爬高达49 m。千年古镇新滩从此消失了。3.2 A 字形架构除上述两条强震带外, 沿长江还存在一条东西向活动断裂, 即巴东亩田湾断裂带。断裂带走向近东西, 西起巫峡口, 向东经亩田湾, 沿着长江河谷把黔江恩施巴东和仙女山香溪兴山两条强震带连接起来, 组成A 字形架构(图2) 。亩田湾断裂长约50 km , 倾向北, 倾角6570。这些断裂的活动将秭归侏罗系盆地改造成三角形, 地震记录显示震中沿亩田湾断裂带分布。1977 年在断裂东延部位的秭归县泄滩镇发生过密集的小震群,1989 年10 月16 日和18 日断裂带上还分别发生过2.2 和2.7 级地震, 故这是一条活动断层1979 年的龙会观5.1 级地震还在40 km 以外的新滩产生大崩塌, 巨大的崩塌岩块冲入长江形成新的险滩,这显然与此东西向活断层有成因联系。A 字形架构是三峡地区一个特殊的构造结构, 其断裂的新老活动均很剧烈, 致使结晶基底以上之沉积盖层下陷10 余km。这三条边界性断裂的交汇部位和断裂的最新活动决定了库区未来诱发地震的地点。4 水库诱发地震预测方法研究水库诱发地震预测方法研究实质上包括两大研究领域, 一是探索研究如何评价待建水库是否产生水库诱发地震危险性的评估方法; 二是探索研究水库诱发地震的预测、预警及预报的方法。这两大主要研究工作内容既有重点又相互联系,是不可分割的, 但侧重有所不同。前者重点是研究当在一个地区新建大型水库工程时, 依据库区所处的水文地质条件、断裂分布、区域地震活动现状等地震地质环境, 评估潜在的诱发地震活动危险性与可能的最大强度和危险地点; 后者重点是研究如何根据已建水库并发生了水库诱发地震活动的库区的观测资料, 预测预报今后的诱发地震活动趋势。简单概括地说, 前者是水库诱发地震危险性评估问题, 后者是水库诱发地震预测预报问题。类似于天然地震的成因和预测问题, 对水库诱发地震的危险性评估和预测预报问题, 目前仍然是世界上的科学难题, 其主要原因是目前我们对水库诱发地震产生的机理与活动规律仍有许多问题没有足够的认识和了解。但借助对构造地震的观测和研究成果, 结合水库诱发地震的观测资料, 进行成因、机理和预测方法的研究是非常有效的。当前, 国内外对水库诱发地震危险性评价和预测预报的研究主要从以下几个方面开展工作。4.1 水库诱发地震构造与地质背景研究这方面是研究水库诱发地震最重要的领域之一, 通过详细调查库区地质条件、地质环境、断层分布以及活动断层参数、块体构造特征、非均匀岩体、区域地震构造特点、库区地下断层分布及活动断层年代鉴定等, 构建出合理的诱发地震的地质模型, 通过水库诱发地震活动观测资料,做出诱发地震产生的机理解释, 由此试图建立科学的水库诱发地震危险性评价体系和方法。表1是根据一些水库诱发地震的地震地质环境总结出的认识, 对这方面的重点研究是希望总结出易产生或不易产生水库诱发地震的环境地质条件。4.2 水库诱发地震的水文地质环境研究主要调查库区水文地质条件、地下水分布状态、岩体水力学参数、裂隙发育程度、岩体饱和度、水扩散率、地下水与库水之间的连通性及储水性、库水的季节性波动变化等, 这方面的研究主要是采用在库区稳定的构造点打深井, 开展地下流体和水文地质的多参数观测, 探索水库诱发地震活动与水文地质参数之间的相关性。目前。国内外在这方面的研究成果虽然有一些涉及到机理方面的解释, 但更多的是对某些观测资料的现象解释。4.3 水库诱发地震的观测与研究这是国内外水库诱发地震观测与研究开展得最广泛、最深入的研究领域, 尤其是采用高精度、宽频带数字地震的观测台网, 为水库诱发地震提供了精确的定位结果。通过数字波形分析, 可以获得诱发地震的震源参数特征, 用以开展不同地震类型的比较研究, 从而使人们对水库诱发地震的动力学和运动学特征有了新的了解和认识。尤其是可以借鉴丰富的构造地震序列研究成果, 来分析水库诱发地震活动的特征和规律, 这为水库诱发地震的预测预报研究奠定了坚实基础。例如,高精度三维水库诱发地震活动图像, 可以用来分析研究库区地下断层分布与诱发地震活动的关系;诱发地震序列b值时空演化, 可以用来分析不同类型的地震活动特征; 震源力学参数的时空变化及随深度的变化, 可以用来研究水库诱发地震的震源破裂过程及触发机理; 在库区开展形变、地下水动态、断层位移等多学科观测手段, 结合地震活动性及地震学和前兆预测分析方法, 可以对水库诱发地震活动趋势进行预测预报。可以预期,对水库诱发地震开展地震学特征研究, 将对水库诱发地震的危险性评估和成功预报起到十分重要的作用。4.4 水库诱发地震评估方法研究由于水库诱发地震尤其是破坏性严重的水库诱发地震会造成严重的经济损失和人员伤亡, 所以这类地震引起了人们的广泛关注。但全球水库诱发地震活动又表明, 产生水库诱发地震活动的水库占全球已建水库总数的极少数。在地质、构造、水文等因素相同的条件下, 有的水库蓄水后会产生诱发地震, 有的水库则不会; 有的大型水库产生破坏性较弱的诱发地震, 有的中等甚至小型水库也会产生破坏性较大的诱发地震。因此,如何评价水库诱发地震的危险性以及哪些参数起控制作用, 是预测水库诱发地震危险性的关键。目前, 由于产生水库诱发地震的复杂性和不唯一性还有许多科学问题有待探索, 因此, 不同学科(地震学、地质学等) 对同一座水库诱发地震的危险性评估(如是否产生诱发地震, 诱发地震可能的最大强度以及可能发生的地点等) 的结论也会不尽相同, 甚至对同一学科由于不同学者分析方法或观点不同, 也会得出不同的结论。这方面的研究目前仍没有建立起统一的评价理论和方法, 也没有公认的成熟的方法, 处于观测资料积累和经验积累的认识阶段。目前, 国内外对水库潜在的诱发地震危险性评估主要采用的是根据地质环境、水文环境、地震活动、断层构造、岩性、坝高、水位、库容、水库特征参数等对已发生水库诱发地震的水库震例进行类比分析。同时,也通过地质) 力学模型的数值计算, 综合给出水库诱发地震潜在危险的预测结果。5 水库诱发地震的估计全球水库诱发地震已发生有100 多例。研究证实水库诱发地震与坝高、库容以及区域活动构造有关。高坝大库发生水库地震的概率很高, 坝高大于40 m , 库容大于10 108 m3 的水库, 发生概率为10 %左右。而坝高超过100 m , 库容100108 m3 以上者发生的概率达40 %左右。三峡地区具备以上的所有不利条件, 即三峡大坝坝高185m , 最高蓄水水位175 m , 库区最大水深为150 余m , 库容393 108 m3 ; 另外, 三峡地区多有峡谷,相对高差可达1 500 m 以上。江面宽度仅在100300 m , 秭归的链子崖峡谷仅宽100 余m , 峡谷的形成多与同方向的断层存在有关; 从库区岩石成分来看, 本区多为碳酸盐类地层分布, 全球120 余座水库地震震例中, 岩溶区地震占50 % , 在中国,这类地震要占70 %以上。三峡库区以古生代至中生代早期的灰岩沉积为主, 故本区具备水库诱发地震的岩性条件。5.1 地点的估计前述的A 字形断裂架构, 所围成的就是秭归盆地, 该盆地中堆积了(57) 103 m 厚的侏罗纪地层, 说明此三条断裂的升降位错很大, 活动的时间很长, 晚更新世以来抬升速率加剧。现今断裂上地震活动频繁, 所以这三条活动断层特别是A字形架构南部的两个交汇部位, 就是水库诱发地震的孕育之所在。具体说, 水库诱发地震的两个危险区为秭归危险区和巴东危险区。5.2强度的估计诱发地震的强度估算可用潜在震源区的上限震级来判断。根据潜在震源区的确定原则, 凡活动断层带发生过强震者(无论是古地震, 历史地震或仪器记录地震) 即可划为潜在震源区。震级上限的确定有历史地震法、古地震法、活断层特征参数法、构造类比法以及综合评判法等, 当地震资料不丰富时, 通常经验的做法是取已发生地震的最大震级再加上0.5 级。黔江恩施巴东强震发生带, 北延过长江在龙会观1979 年曾发生过5.1 级地震, 故巴东潜在震源区的震级上限为5.6 级。中段虽发生过6.4级强震, 但属于不同地质结构, 未予考虑。仙女山潜在震源区的震级上限以仙女山断裂带已发生的最大震级4.9 级计, 其震级上限应为5.4 级。概括此两条强震发生带因水库诱发作用而在两个地震危险区内的发震潜能, 其上限震级均可定为5.5 级。诱发地震若从同一构造区内的地震构造背景和区内强震记录来估算, 本区位于鄂西地震区内, 区中数条强震发生断层交织。历史上几次强震都位于强震发生断层或活断层的交叉点上。在一个统一的应力场中, 区域构造应力的强度将随着时间的推移而积累和释放。南阳、咸丰、常德三地在历史上均发生过6 级以上地震(南阳公元46 年10 月23 日, 6.5 级; 咸丰公元1856 年6 月10 日,6.25 级; 常德公元1631 年8 月14 日, 615 级) 。三次大震均发生在强震发生断层上。一次6.5 级地震发生后, 地应力下降影响到全区。待经过一定的年月, 构造应力积累达到一定的强度, 在适当的地点又可发生强震。现取离库区最近、年代最新的两个震例估算, 常德地震后, 经过225 年到咸丰大路坝地震, 大路坝地震距今148 年, 可大致估计出已蓄积了十几个相当5.5 级地震的能量(尚不到一个6 级地震的能量) , 完全具备发生5.5 级地震的条件。巴东和秭归两个地区, 即二条强震发生断层与东西向的活断层交汇处, 一旦得到水压力的引发,发生5.5 级左右地震是完全可能的。并且, 如果大路坝地震是7 级或大于7 级, 则更可发生6 级左右的地震。这两个潜在震源区分别距三峡大坝有70km 和20 km , 三峡大坝按设计, 所以不会对大坝造成危害。但对潜在震源区范围内的移民城镇和滑坡体将产生严重危害。5.3 时间的估计水库最大的诱发地震的发生, 多在水库开始蓄水后, 滞后一定时间。三峡水库自2003 年6月1 日开始蓄水, 7 天后在黔江恩施巴东强震发生带的北端信陵镇发生微震群活动, 23 天内发生2000 余次小震, 震源深达510 km。值得注意的是小震群发生后, 震源没有再向深处迁移。黔江恩施巴东强震发生带在巴东段多为三叠纪泥灰岩及粉砂岩组成, 岩性较之新丰江库区的花岗岩更易弱化变软, 水的渗透较慢, 因此估计其_发生最大诱发地震所需的滞后时间可能会较长, 亦就是在3 年或更长一点的时间。仙女山香溪兴山强震发生带中段的强震发生断层是九湾溪断层, 地表是灰岩, 约1 km 以下是花岗岩, 故可参考新丰江水库的滞后发生例子,推测诱发地震的时间约在蓄水后3 年之内。三峡水库将分三期提高水位(即2003 年水位达135 m , 2006 年达156 m , 2009 年达175 m) 。水位三次提高, 也就是三次水压加大。加压后, 水向外渗透软化的面积随着时间扩大。显然, 三期的水位抬高, 断层面的软化面积愈来愈大,