概评水库诱发地震及激发机制

高 锐，张宏志，曲 波

(1.黑龙江省水利水电勘测设计研究院，哈尔滨150080;2.哈尔滨市呼兰区水务局，哈尔滨150500)

水库诱发地震是指在兴建水利水电工程中，由于水库蓄水而诱使坝区、水库库盆或近岸范围内发生的地震。中国是多地震的国家，也曾经发生多起水库诱发地震。因此，水库工程设计中必须作好工程环境影响评价，其中就包括诱发地震的评估。水库诱发地震将对经济建设和人民生命财产构成威胁，造成一定的损失，其危害绝不容忽视。

1 水库工程发生诱发地震实例概述

20世纪60年代以来，我国新丰江水库，赞比亚与津巴布韦界河上的卡里巴水库、希腊的克里马斯塔水库和印度的柯依那水库等都先后诱发了6级以上的上的地震，造成了较严重的破坏和人员伤亡。其中坝高105 m的新丰江水库6.1级地震和坝高103 m的柯依那水库6.4级地震都是在少震区诱发6级以上地震的例子。柯依那水库发生的MS6.4级地震是目前世界上最大的诱发地震震例。该地震使柯依那市大多数砖石房屋倒塌，死伤约2 500人。坝高128 m的卡里巴水库是世界上库容最大的水库，库区历史上无地震活动记载。蓄水诱发的6.1级主震发生在开始蓄水4 a后。坝高165 m的克里马斯塔水库虽然位于地震活动活跃区内，但蓄水前的100多年中从未在库区内观测到大于6级以上的构造地震。克里马斯塔是蓄水后唯一的发生了4次6级以上水库诱发地震的例子，且蓄水后仅6个月即发生了第一次6.2级地震。在我国水库建设历史上影响最大的1962年3月19日新丰江大坝附近发生的面波震级为6.1级的地震，其震中离大坝仅1.1 km，震中烈度高达8°。这次地震使刚按7°加固的大坝出现了长达82 m的水平贯穿性裂缝，发电机组和开关站均受损坏而停止运转。此后，1个月之内便发生了3.0级以上地震58次，频度很高。

2 诱发地震发生的条件

水库诱发地震的发生是有条件的，并不是所有的水库蓄水都会诱发地震。根据已发生诱发地震水库进行剖析，大多数发生在地质构造相对活动地区，且均于断陷盆地中并与活动断层有关，库区内断层发育，新构造差异运动显著、温泉发育，皆利于应力集中，从而容易诱发地震。

产生诱发地震，特别是6级以上的震区岩性多为变质岩、玄武岩类等脆性岩石，易于破碎，促使库水易向深部渗透。在孔隙水压力作用下，岩石易软化、使强度降低、而岩性不均一则有利于应力集中，这均利于使断层产生错动，但软基内均质岩体不易积蓄应力，故不易激发地震。

在构造活动区，水文地质条件复杂，岩体多变、断裂发育，透水性不均等点，常易形成局部的流体动力异常区，在水负荷作用下，含水层受压也会产生地震。多数水库没有地震活动，有的地震活动频度有所增高但震级不大，有的则是地震活动显著增强，它们大多是在蓄水前地震活动不明显，蓄水后一段时间，地震强度或频度急剧增加出现较强的主震。

3 水库诱发地震类型

水库诱发地震主要有前震－主震－余震型和震群型两大类，且以具有快速响应特征的震群型居多。

3.1 第一类型

震群型诱发地震特点是地震序列为一个或数个震群所组成，其震级较小，通常为3级以下，震源很浅，分布于水库或水域边缘附近。地震在时间分布上有秘籍和稀疏的变化，形成数组地震或互不相衔接的几个小震群。整个地震活动持续数月或数年。地震活动的连续性和持久性都较差。震群型诱发地震与水库水位变化有较好的对应关系。这种诱发地震的分布与库基地形和水体形状有一定关系。它们的形成还受浅层库基内小断裂网络的影响，而与大型活动断层关系不明显。震群型地震对于水库蓄水呈“快速响应”，以后每逢高水位时，如有类似反应仍为“快速响应”。其形成主要与两方面因素有关系:①为水库荷载使库基岩体发生弹性变形，导致浅层部位的库基岩体局部失稳。此外，应力腐蚀可能发挥一定作用;②为在库水作用下，库基断块沿着近于直立的断裂发生重力滑移。所以，这种类型的诱发地震受到地形和浅层构造断裂的支配，其震源应力场不完全反映区域构造应力场的特征。

3.2 第二类型

前震—主震—余震型，其特点是水库蓄水以后，或立即或滞后一段时间，诱发一系列微小地震，然后经过持续的地震活动才出现主震，最后为缓慢衰减的余震活动。由于主震之前有丰富的前震，所以，主震发生于水库蓄水数月或数年滞后。起初震源深度较浅，以后逐渐向深部扩展，最后终止于一定深度一般为10 km左右。地震序列的主震通常为3级以上。主震于最大余震的震级很相近，其比值介于0.80～0.98。所以，于相同震级的构造地震相比，水库地震的能量释放相对分散，通常在同一条活动断层上，有不止一次的连续错动。前震—主震—余震型的地震活动持续较久，在漫长的地震序列中，每次较强余震前后，还形成相对独立的地震序列，它们有列斯震群型的，有类似前震—主震—余震型的。在蓄水初期，地震活动与水库水位有良好的对应关系，但是随着时间的推移，它们的相关性持续数年之后将消失。这种类型的诱发地震与水库蓄水的响应关系既可以是“滞后响应”，也可以是“快速响应”与“滞后响应”相叠加的结果。它们的分布虽然仍然主要集中于水库区附近，但是它们的分布范围远比群震型的分布要广泛得多，而且沿着某些活动断层延展。这些活动断层或与库区常州平行，或斜贯水库。

4 水库诱发地震的特点

1)水库诱发地震与坝高，库容有相关性，且受水位升降影响。所有震级＞5级的水库诱发地震都发生在大坝高于100 m的水库，蓄水后短时间内即有弱震活动，且随水位上升，库容增大，地震活动增强。

2)水库诱发地震具有明显的前震多，余震延续时间长，衰减慢，逐渐趋向缓的特征，多数水库蓄水后产生地震的主震一般在高水位下，且延续一段时间，具有明显滞后现象。表征水库地震的震级－频度关系的B值较同样震级的天然构造地震的B值偏高，且构造型水库诱发地震的活动持续时间长，余震频繁，衰减慢且强度亦高。

3)水库地震活动范围较小，震源体积小，震中主要分布在库区内断裂发育，几组断层交汇，沿断层有温泉出露，岩层破碎和峡谷区水域边缘处。震中密集成带状或团块状、其延伸方向大体与库区内主要断裂线平行。

4)水库诱发地震的震源浅，震级不大，而震中烈度偏高。一般水库地震的震源都较浅、多为水库荷载影响范围内，一般在地表下2～10 km。多数水库诱发地震的最高震级不超过三级。据资料统计世界上诱发了5级以上中强震的水库约有20余例，而诱发6级以上强震的水库只有4例。水库地震的震中烈度较高，一般为V度，3级以上诱发地震震中烈度达6°的例子也不少。主震等震线长轴皆与水库区内主构造线走向一致。震中密集于库坝附近至水库岸边几十公里范围内。

5 水库诱发地震的激发条件

水库蓄水引发起水库诱发地震的激发，坝库区岩体特定的地质条件是水库诱发地震的基础，蓄水是引起岩体中应变能集中与释放的直接原因。蓄水激发地震的机制，其直接效应是水体荷载产生的压应力和剪应力破坏地壳应力均衡，引起断层错动，从而产生地震，其间接效应是除了水平荷载所产生的应力增值配合已有的天然应力场促成断层错动外，地下水孔隙压力的增加降低垂直于断面的正应力。水又起着润滑和软化岩石作用，使其沿断层面的抗剪强度低，引起断层错动、诱发地震。此外在水下渗过程中，因地热增值膨胀气化，可产生局部热应力集中和岩面的化学变化，降低了岩体强度，也可能对地表有一定的激发影响。

因此，对大型水库的诱发地震研究必须详细了解，收集水库的区域地质条件、构造、岩性、水文地质条件及地质环境、历史地质、历史地震的资料，查明库区及邻区地质构造特征、有无断陷盆地及活动断层其活动方式、速度、特征及与地震关系与水库的工程特性综合分析，预测末来蓄水后有否诱发地震的可能性，若判定有可能诱发地震时，则应进一步按地震等原理及有关公式进行震级大小，震中烈度及影响范围的定量计算，并建立高灵敏，高频率的地震观测网，监测地震活动;装置地应力仪，观测地应变化;装置倾斜仪观测地应变;设水准点观测蓄水后地面变形及水位升降;设长期观测点监测已有构造断层的位移、变形;研究地下水位变动与地震频度关系。

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