工程地质学基础 第三章 水库地震工程地质研究

1、l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交 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500-900m 深时,井区开始出现微震活动.1977年4月28 日MS=3.8级. 特征：震级小，周期大，衰减快， 烈度高，余

2、震衰减快。 影响范围小， 震源中且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：震源中，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（刘传正书P83表521）。 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） 1968.1.19 福尔特 利斯 1 离爆炸中心地面投影 点32km内11个便携式 和14个遥测台站 60d719500 Hamilton等 (1

3、971) 4、注液诱发地震 美国：丹佛盆地，深井3762m， 废液处理。62.3向井底注液，47天后，井 附近发生3-4级地震，其小震不断，66.2停止 注液，地震至70年才渐渐停息，其记录， 1584次，震源4.45.5km,震中呈椭圆形围绕 井口分布，右旋走滑。 我国：任丘油田，86.7.，845井注水， 86.9.6日发震，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， 4.7级地震，

4、对雅典城产生破坏。 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m3 ）36747.51604 开始蓄水及满库时 间 1935；1938.71965.7.21；1966.21958.12；1963.8 地 震 活 动 特 征 第一次地震时 间 1936.91965.81961.7 地震次数 （起止时间） 6000次（19361945） 10000次（19361971） M2.0的前震740次， 余震2580次（19661968） M2.0，1397次 (1959.61968.12） 主震震级（时

5、 间） 5.0（1939.5.4）6.3（1966.2.5）6.1（1963.9.23） 较大地震震级 （时间） 4.1（42.8.11）；4.4 （42.9.9）； 5.0（66.3.8）；5.0 （66.4.3）； 5.5（66.5.4）；5.5 （66.6.11）； 4.5（66.12.12） 5.6（63.9.23）；5.8（63.9.23）； 5.5（63.9.24）；6.0（63.9.25）； 5.3（63.10.5）；5.8（63.11.8）； 4.2（66.4.5）；5.5（67.4.20） 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100m以上时 发生地震，

6、随水位进一步增高 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 32km之内，震中沿断层分布 充水开始后六个月水 深仅120m即发生6.3级主震。 19671972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V正相 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

7、力坝，103单支墩大头坝，105宽缝重力坝，97土石坝，305m 27.08115160.5105 1962.6；1964.81959.10.20；1961.9.231967.111972（105m）；1976（205m）；1981 （305m） 1963年地震频率明显增高 1959.10，广州台记录到来自库 区方向的24级地震三次； 1960.7的4.3级地震才引起重视 1968.3（Ms 2） 1971较集中的出现于水库西南10 15km 1972.10水库主体之下出现地震 M 1.0，25000次 （19631971） M 3.0，450次 （19631970） M 4.0，35次 （1

8、9691974） ML 0.4，297035次 （1961.91977.12） 其中ML 1.0，12862次 Ms0.6，33761次 （1960.10.131987.12.11） Ms 1.0，13643次 Ms 0.5 约110次 Ms 2.0 53次 （1968.31977.4） 1800次 （19711979） 1.4M4.6 6.5（1967.12.10）6.1（1962.3.19）4.7（1973.11.29）4.6（1972.11） 5.8（67.12.11）； 5.4（67.12.12.06）； 5.9（67.12.12.15）； 5.5（67.12.13.05）； 5.6（

9、67.12.13）； 5.4（67.12.24）； 5.0（68.3.8）；5.4 （68.10.29）； 5.1（73.10.17） 4.9（62.4.5）；5.1（62.7.29）； 4.3（63.12.6）；5.3（64.9.23）； 4.5（72.12.18）； 4.5（73.12）；4.3（75.7.25）； 4.7（77.5.12）；4.3（75.7.25）； 4.3（81.5.4）； 4.6（87.9.15） 4.2（73.11.29）； 4.6（73.11.30） 4.2（1971.12）4.6（1972.11） 4.3（1972.11）4.1（1975.3） 4.1（1975

10、.12）4.1（1976.9） 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36个 月。 震中集中分布于以坝为 中心的25km为半径的范围内， 且以10km为半径的范围内最 为密集 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24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N30W的密集带和N70E的密集 带，主震震中的两带交汇处，距大 坝1.1km 库水深达50米后（1969.12） 开始有明显地震活动，地震频率 和强度与水位间有明显的同

11、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1.5 个月发生了较强震动。 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105m和205m相伴。所 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14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 名称 震级 （Ms） 震源 深 实际震 中烈度

12、计算震 中烈度 造成的破坏 丹江4.79 -损坏房间1904间，倒墙 305处 前进3.03 -有掉瓦现象 南冲2.86 +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我国某些水库诱发地震震中烈度比较表 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 1959.10 1967.11 1970.5 1967.7 1972.1 1954.6 1959.11 1970.1 1971.10 1967.8 1972.10 1954.12 1 24 17 1 9 6 60年代以后，世界出现高坝和大库，相继产生6级以上地震，我国新丰 江水库是第一例。 全世

13、界水库10万座，1亿m3以上1万座，发震的116座，分布于29个 国家 。我国有18座发震。 时间水库坝高（m） 库容（亿m3) 震级 62.3.19新丰江（中国） 105 15亿 6.1 62.9.23卡里巴（津巴布韦） 127 /606.1 66.2.5科列马斯塔（希腊） 165 47.56.3 67.12.10科因纳（印度） 103 27.16.5 丹江口水库附近震中分布图（19691975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 第二节 水库诱发地震的基本特征 在此之前，先介绍新丰江水库典例 坝高105m，库容115m3，河谷型水库。 地质

14、背景：花岗岩。两条活断层： 河流断裂（长600km，坝下1-5km 处通过）； 人字石断裂（坝上游6km)东面河源 为界为断陷盆地。 弱震区。 诱发地震概况：59.10.20蓄水， 一个月后水位上升20m，广州地震 台收到地震60.7.18，水位上升 到90m，不到1个月发生34.3级地 震9次，小震很多61.3，水位略 降，地震明显减少61.7水位猛涨 为113m，地震随之十分频繁。此后， 100m水位持续二年余，地震频发， 62.3.19.4时18分发生6.1级地震，其后 余震不断，其中4级20次之多，60-87 年总共发震337461次，4级 49次 震中：大坝附近，峡谷区，北北西和北东

15、东断裂控制。 震源深：4.5-5km，主要后延到7km。 震源体：走向滑动型，迁就NNW张扭断裂， 1为N730w，（与粤东应 力场基本一致）。 震中烈度：8度 一、空间分布特征一、空间分布特征 1、震中位置震中位置 震中主要集中在断层破碎带附近、大坝附近几km，峡 谷基岩裸露区。 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 2 2、震源 较浅，震源体较小，与构造地震差别十分大。大多47 km，一般210 km，最深20km左右，最浅者 500 m。初震震源浅， 随后不断加深。震源深度与

16、库容正相关。表现为震中区烈度高， 有的零点几级便有感，3级以上造成轻度破坏。震源体小，影响范 围小。 3 3、等震线形状等震线形状 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 向与新老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 主要与库区构造、岩性条件有关 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 库容呈正相关 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

17、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。 三、地震活动的序列特点 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

18、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。 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。 1.地震频度与震级的关系 N Na-bMa-bM N震级M的地震数 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，b值越大意味着小震次数越多， 说明震源介质不均匀，应力越低。变化于0.51.5.是判断构造地震与水库地震重要依据。 水地震： b前1.2-1.5; b余1.0-1.2 构造地震：b前0.

19、3-0.6; b余0.8- 1.2 b水b构； 水库地震 ：b前略大于b余； 构造地震： b前 4.0的水库地震，均位于现代构造活动活跃区，地应力高达103 104bar; 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。 3 1 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：几乎所有水库地震均发生于断层或 岩溶

20、裂隙 带地段。 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3-5km 层状弱3-5km 岩溶型 裂隙岩溶型弱、易发极浅 构造破碎岩溶型弱或强、易发4-5km或8-10km 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 达尔西。 岩体透水率随深度而减小，米勒1981年提出： （ 衰减系数，0.10.2；Z深度； 地表岩体透水率） Bredhocht等196

21、8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 km内，围压和温度对渗透率影响在一个数 量级之内。 24 1010 R z eRzR 0 )( 0 R 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 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

22、缩短，裂纹发展加速。 C 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13bar），计 算得 5 km处，垂直压力增量6.68bar、剪应力增量2.12bar、而该处岩体 应力 可达1000bar，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1011cm（实测 10cm）， 10km处，下沉值为0，水平位移向库心收缩，边缘最大。6km处为转换 带， 向下位移正好与上面相反。 认 识： 对于大库盆，大水深，荷载

23、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。 库盆受荷，深处的附加应力符合布涅斯克问题解。 )( 1 2 kmh vp h h wh wv 1 3 水的孔隙水压力效应 ctguctg)( h A 1 1 1 1 3 3 3 3 正断层 蓄水后：水荷载效应 h V 3 3 1 1 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 u u 3 3 1 1 1 1 3 3 走滑型 蓄水后：水荷载效应 H H 3 3 1 1 长期蓄水后：孔隙水压力效应 u u 3 3 1 1 1 1 1 1 3

24、 3 3 3 逆断层 蓄水后：水荷载效应 V3 3 H1 1 长期蓄水后：孔隙水压力效应 u u 3 3 1 1 第五节 工程地质研究 大型水库（坝高100m，库容20亿m2),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 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

25、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，预测的实质还是类 比 法，只是量化而已。 库诱发地震危险性初步评价工作框图 发震可能性预测： 诱发地震可能性预测方法很多，慨率统测方法（由美国的佩克 D.R.Packer 提出） 统计分析因素：库深（D）、库容（V）、地应力场 （S）、断裂活动性（F）、优势岩性条件（G） 目前为止还不完全明白诱发地震的必要条件，只能从现有的大型水库已发震与不发震者的 条件出发，找出比较公认的密切因素，进行统计分析，这些因素如下表。 诱震因素及其状态 诱震因素 因 素 状 态 1 2 3 库深 D（m)D1：很深 d1150D2：深的 150d292D3：浅的 d310 V2：大的 10V21.2 V3：小的 V392m， V10109m3),计算似然率如下表（发震的（RIS）与