诱发地震工程地质研究【PPT课件】

第八章 水库诱发地震工程地质研究 提 要 概 述 水库诱发地震的基本特征 水库地震地质背景条件 水库诱发地震的水诱发机制 工程地质研究 类型 水库地震 向地下深部注液或抽液引起的地震 采矿诱发地震 地下爆炸诱发地震 岩溶气暴型地震 第一节 概 述 诱发地震 由于工程活动，对特定地质环境施加某种影响，而导致一个无震地区发生地震或原发震区地震活动增强或减弱的地震现象。 1、采矿诱发地震 由于地下开采活动形成较大采空区，或因强烈排水疏干等，采空区上覆岩体大范围下沉破裂或冒落冲击底板，引起岩体破坏振动而发震。 辽宁省北票煤田台吉井区 ,1921年开发， 1970年 ,当台吉竖井采掘到距地面 500井区开始出现微震活动 月 28日 特征：震级小，周期大，衰减快，烈度高，余震衰减快，影响范围小，震源常位于开采端面附近。 2、岩溶气暴型地震 大型溶洞，一旦快速充水而使洞内空气压缩，对岩体产生强大冲击力，使岩体 变形破裂或塌落引起地震。 特征：震源浅，震级小，影响范围小，无群震，全世界有 69例。 3、地下爆破引发地震 世界上已有几起因地下核实验诱发地震。例如美国进行过系统观测，结果如表。 核爆炸 野外观测 观测时间 观测的微震数 定位的微震数 参考文献 日期 名称 大小（百万 t） 尔特利斯 1 离爆炸中心地面投影点321个便携式和14个遥测台站 60d 719 500 (1971) 4、注液诱发地震 美国：丹佛盆地，深井 3762m， 废液处理。 47天后，井 附近发生 3小震不断， 止注液，地震至 70年才渐渐停息，其记录， 1584次，震源 中呈椭圆形围绕 井口分布，右旋走滑。 我国：任丘油田， 845井注水， 112次， 12月停止注水，地震 渐停息， 87年底 恢复 注水，又开始发震。 胜利油田、江汉油田、武汉洪山均有此例。 5、水库诱发地震 伴随水库蓄水过程，导致地壳应力状态 改变而出现库区及近区地震增强或减弱的现象。 最早出现于 1931年希腊的马拉松水库， 雅典城产生破坏。 美 国 胡佛坝（米德湖） 希 腊 科列玛斯塔坝 赞比亚 卡里巴坝 坝型及坝高（ m) 重力拱坝， 222 心墙堆石坝， 165 双曲拱坝， 127 库容 （亿 367 604 开始蓄水及满库时间 1935； 震 活 动 特 征 第一次地震时间 震次数 （起止时间） 6000次（ 1936 1945） 10000次（ 1936 1971） M前震 740次， 余震 2580次（ 1966 1968） M 1397次 ( 主震震级（时间） 较大地震震级 （时间） 地震活动与水库蓄水的时空相关性及其它特征 水库水升高到 100水位进一步增高地震活动加强，库水达到正常高水位并继续上升时发生主震，95以上的地震发生在距水库32中沿断层分布 充水开始后六个月水深仅 120967 1972仅有宏观记录，地震活动频率与水位高度正相关。 地震活动限于水库区小范围内 地震活动与库水位的变化对应关系不明显，但与库底岩石中附加剪应力超过 1巴的岩石体积 相关。 确切定位的 159次地震大多数位于水库范围内，且绝大部分位于坝附近库水最深的盆地中 水库诱发地震活动重要实例 印度 科因纳坝 中国 新丰江坝 中国 丹江口坝 塔吉克斯坦 努列克坝 块石混凝土重力坝， 103 单支墩大头坝， 105 宽缝重力坝， 97 土石坝， 305m 15 05 972（ 105m）； 1976（ 205m）； 1981（ 305m） 1963年地震频率明显增高 州台记录到来自库区方向的 2 4级地震三次； 2 ） 1971较集中的出现于水库西南 1015M 25000次 （ 1963 1971） M 450次 （ 1963 1970） M 35次 （ 1969 1974） 297035次 （ 其中 12862次 33761次 （ 13643次 约 110次 53 次 （ 1800次 （ 1971 1979） M 地震频率与水位高度正相关，但地震活动性明显的滞后于高水位，一般 3 6个月。 震中集中分布于以坝为中心的 25以 10水库蓄水之后地震活动的频率和强度立即有明显提高，在 1970年以前，地震频率特别是强度与水位高度正相关，但比水位高峰时间滞后 2 4个月， 70年后相关性减弱。 地震主震分布于水库主体中轴线两端，以大坝附近峡谷区最密集，呈 70 震震中的两带交汇处，距大坝 水深达 50米后（ 始有明显地震活动，地震频率和强度与水位间有明显的同步变化，频率峰值滞后于水位峰值约3个月，库容急增至最大之后 地震活动集中于丹库主体南北两端的灰岩峡谷区，库区外围本世纪内曾有 6级地震，蓄水后地震活动向库区集中 蓄水后地震活动超过蓄水前年平均发生率的四倍，最强的两次暴雨与 1972年和1976年水位分别达到 10505有大地震和多数地震活动都由水库充水速率下降所引发，地震活动性对充水速率降低反映迅速，滞后一般 1 4日。 1970年前地震分散地发生于库周附近，1972年后向水库主体集中，随库区水位增高上游充水，地震震中也向上游转移 水库诱发地震活动发现于本世纪 30年代。最早发现于希腊的马拉松水库伴随该水库蓄水、 1931年库区就产生了频繁的地震活动。此后，发现有相当一部分水库蓄水过程中伴随有水库诱发地震现象。 60年代以来出现了一些新的情况： 一方面是几个大水库相继产生了 6级以上的强烈地震，造成大坝、附近建筑物的破坏和人员的死伤； 另一方面是发现了深井注水 (美国 )可以诱发地震，为水库诱发地震的形成机制提供了有价值的资料。于是这方面的研究重新活跃起来。 世界几例震级 时 间 水 库 坝高（ m） 库容（亿 震 级 丰江（中国） 105 15 里巴（津巴布韦） 127 160 列马斯塔（希腊） 165 因纳（印度） 103 二节 水库诱发地震的基本特征 典型实例 例 例 例 1. 新丰江水库 坝高 105m， 库容 115 河谷型水库。 地质背景： 花岗岩，两条活断层： 1. 河流断裂（长 600坝下 1 2. 人字石断裂（坝上游 6面河源为界为断陷盆地。 弱震区。 诱发地震概况： 个月后水位 上升 20m， 广州地震台收到地震 位上升到 90m， 不到 1个月发生 34.次，小 震很多 位略降，地震 明显减少 13m， 地震随之十分频繁。此后， 100位持续二年余，地震频发， 4时 18分发生 后余震 不断，其中 4级 20次之多， 60总共发震 337461次， 4级 49次 震中：大坝附近，峡谷区，北北西和北东东断裂控制。 震源深： 主要后延到 7 震源体：走向滑动型，迁就 1为 与粤东应力场基本一致）。 震中烈度： 8度 例 2. 科因纳水库 之所以具有典型意义，就在于它是迄今为止最强的水库诱发地震 (震序列中大于 5次 )，而又是产生在构造迹象最不明显、岩层产状基本水平、近 200 度地盾，德干高原之上。 库、坝区均位于厚达 1500m、产状水平、自古至始新世喷发的玄武岩层之上，由致密块状玄武岩与凝灰岩及气孔状玄武岩互层，凝灰岩中夹有红色粘土，渗透性不良 。 从以上典型实例描述可知，水库诱发地震不同类型虽各有其特性，但概括起来它们却有很多共性。这主要是这类 地震 的 产生空间和活动随时间的变化与水库所在空间和水库水位或荷载随时间的变化密切相关 表示介质品质的 地震序列有其固有特点 和震源机制解得出的 应力场与同一地区产生天然地震的应力场基本相同 。 一、空间分布特征 1. 震中位置 震中主要集中在断层破碎带附近、大坝附近几 峡谷基岩裸露区 (新丰江，丹江 ) 。 密集于水库最大水深处及其附近 (卡里巴、科因纳 )， 往往密集成条带状或团块状，其延伸方向大体与库区主要断裂线平行或与 X 型共轭剪切断裂平行。 常分布于库区岩溶发育部位或断裂构造与岩溶裂隙带的复合部位。 有的 震中 初期距水库较远而随后逐渐向水库集中 (丹江口、苏联的努列克 )。 丹江口水库附近震中分布图（ 1969 1975年） 1、 2、 3、 4蓄水前天然地震，圆圈大小表示震级； 5蓄水后诱发地震； 6水库边界 2. 震 源 震源较浅，震源体较小，与构造地震差别十分大。大多4 7 一般 10 深 20浅者 500m。 初震震源浅，随后不断加深。 震源深度与库容正相关。 表现为震中区烈度高， 面波强烈 ,有的零点几级便有感，3级以上造成轻度破坏。 由于震源极浅，水库诱发地震往往伴有地声。 震源体小，影响范围小。 我国天然地震震级与震中烈度之间，有如下的关系式 : M . 等震线形状 主要与库区构造、岩性条件有关 构造型水库地震：椭圆形，长轴方向与所在地段的主要构造线或发震断层走向一致或平行 发生于新老地层接合部位的水库地震：等震线的长轴方向与新地层的接合线方向一致 岩溶区发生的水库地震：等震线多为不规则的多边形或近似圆形，且与当地发育的岩溶形态一致或基本一致 . 等震线衰减迅速 ,影响范围小。 水库 名称 震级（ 震源深 实际震中烈度 计算震中烈度 造成的破坏 丹江 - 损坏房间 1904间，倒墙305处 前进 - 有掉瓦现象 南冲 + 掉瓦，个别房屋裂缝 我国某些水库诱发地震震中烈度比较表 二、地震活动与库水的关系 1、绝大多数水库的地震活动与库水位或 库容 正相关 随着库水位增高，库区的地震活动逐 步增强，随水位降低而减弱，且经过高水 位之后即发生主震。一般震前相关性好， 主震后相关性差一些。 2、少数水库区的地震活动性随着库水位的 增加而明显地降低，呈 负相关 原因： 逆断层应力状态不利于发展。 蠕化变形释放能量，使地震减弱。 3、 滞后性 一般 滞后几个月，最长几年，主 震在高水位后一段时间。与震源深浅、岩体透 水性等有关。 水库名称 蓄水时间 地震活动加强时间 间隔时间 新丰江 丹江口 前 进 南 冲 柘 林 佛子岭 24 17 1 9 6 a 小地震因库区无台未能测得，此值不可靠据另一种资料最早为 月。 三、地震活动的序列特点 地震序列 指时间相对集中，同处于一震源体内的一系列地震的强度和频度随时间变化过程，以及强度与频度的相关性。 实验现象： 岩石受力破裂，弹性振动，振动频度与材料的不均匀性，强度有关，材料越不均匀，强度越低，越易产生高频振动；绝对均匀材料，只产生一次性破裂，不产生微裂。 低应力比较高应力状态下，岩石更以微破裂占优势，即小震动频度高。 水库水的作用下，地质体特点： 水渗入岩体使其不均匀性增加。 水压力下，使岩体产生微破裂，加大不均匀性。 水对地质体软化作用，降低强度，增加粘滑性。 库水渗入深度有限，常在较浅处、低应力下产生岩体破裂。 1. 地震频度与震级的关系 N a b M N 震级 a 与观测周期、观测区大小、 地震活动水平有关的常数 b 受震源深度、震源均一性、震源应力条件的控制， 明震源介质不均匀，应力越低。变化于 判断构造地震与水库地震重要依据。 水库地震： ; 构造地震： ; 水库地震 ： 大于 构造地震： 位于现代构造活动活跃区，地应力高达 103104 与 差值正是诱发地震滞后的原因之一。 地震发生于应变速率很高地区，但太高地区不一定发震，往往为中等偏高地区。水库地震很少见于现代强震区，而往往在该区的附近地区，因为水诱发作用相对高应变速率微不足道。 当地壳实际应变速率 岩体临界应变速率时才产生破裂。 在应变积累速度很低的稳定地块内部，如俄罗斯地台、西伯利亚地台、加拿大地盾、非洲地盾等地，产生诱发地震的可能性很低，在这些地方有很多高坝、大库，均无明显的水库诱发地震。 1 3 三、构造条件 断裂、裂隙发育情况，它们作为震源体和导水介质。 注意活动断裂、深大断裂、地热活动断裂。断裂与现代地应力关系。 明显的新构造活动迹象是天然地震也是水库诱发地震的必要条件。 地热流高是已有水库地震震例一般都具有的条件。它表明新构造活动影响到地壳深部或达到地幔。反映地热流高的现象是近期火山活动和温泉。 四、岩性条件 有人将岩性的易发震性划分如表： 坚硬、多裂隙、易发震。大多为碳酸性岩区及火成岩。 岩性 结构 发震程度 震源 松软岩土 无 裂隙岩体 块状 微、弱 极浅 层状 微、少发 极浅 构造破碎岩体 块状 中、强、易发 3状 弱 3溶型 裂隙岩溶型 弱、易发 极浅 构造破碎岩溶型 弱或强、易发 4、水文地质 岩体透水性、天然地下水位、岩溶发育、第四系厚度、地下封闭环境。 岩体透水性十分重要，据 40多个水库和深井注水资料，测得岩体渗透率 岩体透水率随深度而减小，米勒 1981年提出： （ 衰减系数， Z 深度； 地表岩体透水率） 968年提出，只要岩体渗透率在毫微达尔西量级，就可保持有孔隙水压力（可测）。 谢原定等人认为，地表浅层 5 压和温度对渗透率影响在一个数量级之内。 原始地下水位低以及蓄水后具有利于库水向深部渗入的通道，是有利于空隙水压力效应的良好水文地质条件。 24 1010 0)( 0R 第四节 水库诱发地震的水诱发机制 一、水岩作用机理 1. 水的物理化学效应 降低岩体及结构面强度至 ， 润滑作用 软化作用 泥化作用 C 促进岩体断裂的生长 楔裂作用：高压水使封闭裂隙局部应力集中，使裂纹扩展、生长、串通，引起局部应变能释放、产生微震。 应力腐蚀作用：岩石有的矿物（如石英），在临界温度以下，只要温度降低很小时，强度可大大降低，而水的作用可使其温度降低，从而使岩体破坏时间缩短，裂纹发展加速。 高渗流剃度效应 2. 水的荷载效应 垂直变形、挠曲变形 附加应力 库基垂直沉陷 库基水平位移 挤压 拉张 浅层 深层 水荷载 （ 1） 压力 ，例：对卡里巴水库计算，水深 127m（ 相当库盆压力 13 计算得 5 直压力增量 剪应力增量 而该处岩体应力 可达 1000相比之下，增量微小，约以 衰减。 （ 2） 沉陷 ，例：新丰江水库，水位 105m， 计算库盆中心下沉10实测 10 10沉值为 0，水平位移向库心收缩，边缘最大。 6下位移正好与上面相反。 库盆受荷，深处的附加应力符合布涅斯克问题解 。 )(12 识： 对于大库盆，大水深，荷载作用才有一定意义； 对浅源地震及临界应力状态有一定作用； 大库盆两侧垂直裂隙，限制应力向外围扩散（如断陷盆地）作 用更大。 13. 水的孔隙水压力效应 h A 1 1 3 3 正断层 蓄水后：水荷载效应 长期蓄水后： 孔隙水压力效应 二、不同天然构造应力场条件下水库地震的诱发机制 1 3 走滑型 蓄水后：水荷载效应 长期蓄水后： 孔隙水压力效应 1 1 3 3 逆断层 蓄水后：水荷载效应 长期蓄水后： 孔隙水压力效应 第五节 工 程 地 质 研 究 大型水库（坝高 100m， 库容 20亿 建库前应将水诱发地震作为专题研究，作出预测。水库建成后应作进一步监测研究。 建库前，分二阶段进行。 第一阶段： 了解区域构造背景，区域应力场，现代构造活动性（包括地震、活断层、地震应变速率、地热等） 了解库区基本地质条件（岩性、构造、地震、水文地质等） 结合水库水位、库容等大概确定有无发震的基本条件。 重要方法：与已发震水库的条件进行类比（包括已发震类分析和同条件下无震类比） 第二阶段： 认为有必要进一步研究诱震问题时，作详细的勘察工作。 地应力调查 钻孔测量，配合其它方法。 库区岩体透水性 压水 实验，理论推算。 监测工作 活断层、位移、测震。 预测工作 地质模型，数学模型，预测 。 (一 )目的是初步判定产生可能性，因之进行下列研究是必要的。 要是查明是否存在有利于水库诱发地震产生的上述大地构造及区域地质条件。根据大地构造部位、天然地震层源机制及活断层错动机制， 判定现代地应力场的基本特征，还需要判定近期活动断层的空间方位、水库位置及附加应力是否有利于断层活动。 2. 地震历史研究：历史地震及近期地理的震级、烈度、震中分布、震源深度、震源机制及与近期活动断层间的关系。 库诱发地震危险性初步评价工作框图 汪雍熙等参照地震危险性分析方法，考虑到水库诱发地震研究的最新进展和水库诱发地震的特殊规律，提出了一套逻辑上比较严密、工作步骤上充分程式化的水库地震危险性初步评价方法，使获得的成果能与天然地震危险性评价具有可比性和相近的可信度。 早期研究如判定有水库诱发地震可能性且预计烈度大于基本烈度，应在选坝后进行以下详细研究以进一步判定可能性。 及它们随深度的变化； (二 )初步设计阶段的研究及蓄水的监测 行定期量测，以便了解蓄水前后的地形变； 便进行蓄水前后活动性的对比。 (三 )建库发震后的工程地质研究 水库建成蓄水后地震活动频繁，应进行以下专门研究： 定震源位置，参数，研究地震序列，确定它与断裂的关系 置倾斜仪等以观察地形变； 别是较