第六章 水库诱发地震活动的工程地质分析(新)

§3水库诱发地震活动的工程地质分析一.基本概念与研究意义在一定条件下，人类的工程活动可以诱发地震，诸如修建水库，城市或油田的抽水或注水，矿山坑道的崩塌，以及人工爆破或地下核爆炸等都能引起当地出现异常的地震活动，这类地震活动统称为诱发地震（inducedearthquake）。其形成一方面依赖于该区的地质条件、地应力状态和有待释放的应变能积累程度等因素；另一方面也与工程行为是否改变了一定范围内应力场的平衡状态密切相关。

一般说来诱发地震的震级比较小，震源深度比较浅，对经济建设和社会生活的影响范围也比较小。但是水库诱发地震曾经多次造成破坏性后果，更有甚者，水库诱发地震还经常威胁着水库大坝的安全，甚至可能酿成远比地震直接破坏更为严重的次生地质灾害，因此对水库诱发地震发生的可能性应予以高度重视。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。二.水库诱发地震活动性变化的几种典型情况自1975年第一届国际诱发地震会议以来，经过研究的与水库蓄水有关的地震活动性变化的事例迅速增多。其中有的是活动性(频度、强度)增加，这类事例公认的约有百余例；活动性减弱的事例也有4例，绝大多数水库蓄水后地震活动性没有变化。下面以水库活动性增强为重点介绍几种典型情况。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（1936－1945）10000次（1936－1971）M≥2.0的前震740次，余震2580次（1966－1968）M≥2.0，1397次(1959.6－1968.12）主震震级（时间）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，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。1967－1972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Vτ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表6－1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，305m27.08115160.51051962.6；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2－4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10－15km1972.10水库主体之下出现地震M≥1.0，25000次（1963－1971）M≥3.0，450次（1963－1970）M≥4.0，35次（1969－1974）ML≥0.4，297035次（1961.9－1977.12）其中ML≥1.0，12862次Ms≥0.6，33761次（1960.10.13－1987.12.11）Ms≥1.0，13643次Ms≥0.5约110次Ms≥2.053次（1968.3－1977.4）1800次（1971－1979）1.4＜M＜4.66.5（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（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（1975.12）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3－6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N30°W的密集带和N70°E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(1)卡里巴—科列马斯塔型（荷载诱发型）地震活动性的主要变化主要发生在1963年6月水库蓄水位超出正常高水位之后，尤以1963年8月库水位超出正常高水位2.9m之后为最强烈，此时水头增值仅为2%。但在正常高水位附近，水位波动几米库容变化却很大，显然库底岩石所承受的水库附加荷载以及附加荷载的影响深度都随之产生较大变化，水库底部承受附加应力超出一定值的岩石的体积也会产生很大变化。(2)科因纳—新丰江型（空隙水压力诱发型）科因纳水库诱发地震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(6.5级，地震序列中大于5.0级的达15次)，而又是产生在构造迹象最不明显、岩层产状基本水平、近200a附近没有明显地震活动的印度地盾德干高原之上。库、坝区均位于厚达1500m、产状水平的玄武岩层之上，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。地震频度与库水位高峰正相关，但频度峰值明显滞后于水位峰值，一般滞后3-6个月。三.水库诱发地震的特点

既然水库诱发地震有水的活动和水库荷载参与，这一特点必然在地震序列中有所反映。根据多个水库诱发地震序列的研究，它们的特点如下：（1）震中分布在水库边缘和库底，特别是大坝附近的峡谷区，常密集在库周外10km范围内，空间上重复率较高。（2）频度与震级关系中的b值较大，一般都大于1,而天然地震一般为0.3-0.6,且前震的b值大于余震的b值。(lgN=a-bm)

表6-7比较了某些地区水库诱发地震与正常地震的b值，前者一般比后者大1.3-1.5倍。这是区别诱发地震和正常地震的主要标志之一。表6-7某些水库地震的b值水库名称前震b值余震b值区域构造b值柯依纳1.871.090.51卡里巴1.181.020.53克里马斯塔1.411.120.64新丰江1.121.040.72丹江口1.050.980.51（3）震源深度比较浅，震级比正常地震为低。一般震源深度为4-7km，而目前水库诱发地震的最大震级为6.5级，多数为微震、弱震，少数为强震。由于震源极浅，水库诱发地震往往伴有地声。我国有地声的水库诱发地震有新丰江、丹江口、南冲、佛子岭。国外报导有地声者有蒙太纳、格朗格瓦尔、科列马斯塔、康特拉、福达溪坝等等。由于震源浅，所以面波强烈，震中烈度一般较天然地震高，零点几级就有感，3级就可以造成破坏。由于震源浅且震源体小，所以地震的影响范围小，等震线衰减迅速．其影响范围多属局部性的。（4）震型上常为前震-主震-余震型，与天然地震相比，余震衰减率小。（5）具有非常高的地面加速度，但持续时间很短。（6）地震与水库蓄水的相关性。许多水库诱发地震都是在水库开始蓄水一段时间后出现的，随着水位升高，库容量的加大，地震频度也增高，震级加强，一直到主震发生。一般是水库蓄水几个月之后为微地震活动即有明显的增强，随后地震频度也随水位或库容而明显变化，但地震活动峰值在时间上均较水位或库容峰值有所滞后。我国几个水库诱发地震蓄水开始与微震活动加强有如表6-3所示的关系。水库名称蓄水时间地震活动加强时间间隔时间(月)新丰江丹江口前进南冲柘林佛子岭1959.101967.111970.51967.71972.11954.61959.111970.11971.101967.81972.101954.1212417196四.水库诱发地震的机制

水库诱发地震的确切诱因现在尚未完全查明，但已有震例已经以充分资料证明，这类地震不是由于水库荷载直接造成的．而是水库的某种作用间接诱发的。亦即水库的某种作用迭加于已有的天然应力场之上，使水库蓄水前由于自然作用积累起来的应变能较早地以地震的方式释放出来。

1.震源机制

水库诱发地震震源机制主要为走向滑动型和正断型两种，且前者多于后者。属于逆冲型机制者极其少见，苏联努列克水库南侧的诱发地震为逆冲断层型。

图6－3水库诱发地震的两类震源机制

据新丰江水库诱发地震余震的震源力学研究，该处水库诱发地层震源机制以沿北北西向断裂的走向滑动为主，而后期则以北北西向断裂带上的正断型倾向滑动为主，表明区域构造应力经主震释放之后，库水荷重在诱发中占了主导地位。

2.形成机制水库蓄水以后对库底岩体可以产生以下三方面的效应。

水的物理化学效应这种效应使岩体断裂面及其充填物软化和泥化，从而降低了它的抗剪强度。只有当水库蓄水前库底岩体是干的才会出现这种效应，而天然情况下河谷下的断裂面上一般是含水的．可见这类效应并不是经常起作用的。

水库的荷载效应（水库荷载机制）水库对库底岩石的荷载效应是最易理解的,并可根据水深计算出压强。这个荷载会在岩体内造成附加应力，从而恶化断裂面的应力条件。（多具正断型机制，即地壳岩体内的初始应力特征是以最大主应力垂直的，在水库荷载的作用下进一步增大。这种地震的发生一般要求水库库容大，库区为断陷谷，河谷两侧断裂发育，断层面直立）

空隙水压力效应（空隙水压力机制）丹佛废液处理井的诱发地震是空隙水压力效应的极好实例。在这里没有荷载效应，而只是因水的注入使裂隙中的空隙水压力增加，相应地降低了作用在裂隙面上的有效正应力，从而按下式降低抗剪强度

τ＝C十(σn一pw)tgψ

目前多数人倾向于这种机制。五.产生水库诱发地震的工程地质条件大多数水库不存在水库诱发地震的问题。水库诱发地震是多种因素共同影响的结果，只有在特定的地质、水文地质条件下水库才可能引起高于当地正常情况的地震活动。1.地质结构诱发地震从根本上要借助于天然地震的酝酿,不具备潜在的发震构造体系-孕震构造，没有应力集中，未达到发生地震的临界状态，是不可能发生地震的。所以主要在断层较多，构造活动地区，尤其是差异运动强烈的断陷谷地；地应力较高，甚至处于临界应力状态时水库易诱发地震。属潜在走向滑动型应力状态，有产生诱发地震的可能性。潜在正断型应力场产生水库诱发地震的可能性最大，但在大陆上属于此种应力状态者限于东非断裂谷型地堑带或其它大断陷盆地，典型震例为卡里巴。2．岩石类型与性质据统计资料，由致密坚硬的脆性岩石组成的库区易于发生诱发地震（如表6-8）。因为这类岩石能够积聚较大的应变能，且在剪切作用下发生脆性破裂，大量释放能量，产生较强地震。其中碳酸盐岩区水库诱发地震率较高，震级则以火成岩特别是花岗岩区较高，若库区为粘土岩或砂页岩或库底有较厚的泥质沉积物则不易诱发地震。表6-8国内外部分水库诱发地震地区的岩石类型水库名称所属国家库区岩石类型震级柯依纳印度变质岩、玄武岩6.4克里马斯塔希腊硅质灰岩、灰岩6.2卡里巴赞比亚-津巴布韦片麻岩、玄武岩、石英砂岩6.1新丰江中国花岗岩6.1丹江口中国石灰岩、变质岩4.7米德湖（胡佛大坝）美国片麻岩、石灰岩5.0齐尔克伊前苏联石灰岩5.13.水文地质条件库底岩石的透水性，孔隙-裂隙水的承压水头对水库诱发地震具有重要的意义。岩体透水性较好，库区周围隔水层的分布，可形成大致封闭的水文地质条件，有利于保持较大的水头压力，使库水得以向深部大量渗入，增加节理、裂隙及断层中的孔隙水应力，降低岩体的抗剪强度，因而易于诱发地震。4.具备较大库容和较大坝高国内外水库诱发地震的资料显示，高坝大库诱发水库地震的危险性大。当前，对于坝高大于100m，库容超过20×108m3的水库，在建坝前的工程地质调查中，必须进行水库地震的工程地质研究，对水库诱发地震的可能性做出可靠的评价。三峡水库诱发地震条件分析：（1）水库规模。三峡工程最大坝高181m，库容393亿m3，属高坝水库，产生水库诱发地震的概率较中小型水库高，但不是必然的。按坝高排位，三峡工程在全世界排位63名，按库容排位26名。（2）岩性条件。三峡库区主要分布三大岩类:①结晶岩类岩体分布于库首黄陵结