高烈度区的水库地震问题＊

程万正

1）中国地震局工程力学研究所，哈尔滨150080

2）四川省地震局，成都610041

学术论文

高烈度区的水库地震问题＊

程万正1，2）

1）中国地震局工程力学研究所，哈尔滨150080

2）四川省地震局，成都610041

本文提出重视我国中西部高烈度区水库地震问题的基础研究，即水库水域区位于历史地震影响烈度或地震区划在Ⅶ度及以上区域的水库地震问题。这些区域的水库地震研究，不能简单套用一般低烈度区水库诱发地震的一些技术思路和方法，而是需要研究高烈度区水库地震问题的特殊性，主要体现在库区构造环境、断裂活动、随机性背景地震活动水平高等特点。研究水库地震评价问题，包括水库地震强度的预测问题。用金沙江下游梯级水库地震研究事例试图说明这一点。分析水库地震问题，首要抓住在工程设计寿命期间构造地震的潜在危险性这一关键问题。水库地震研究中一些常见的统计预测不合理，应分析水库地震或诱发地震活动需要考虑的地震构造条件、库区岩性条件、地下应力条件、应变积累势态等。

水库地震；高烈度区；地震预测；金沙江梯级电站

引言

本文定义的高烈度区是水库水域区位于历史地震影响烈度或地震区划在Ⅶ度及以上的区域。之所以提出这个问题，是因为近年大型水库或巨型水库逐渐在我国中西部地区新建，不同于以往中东部地区地震构造背景，而水库地震研究套用低烈度区的一些技术思路和方法是不合适的。这包括：水库地震研究中一些坝高、库容、库深等统计结果的不合理应用；库区场地的地震安全性评价中过分依赖近100年库区附近历史中强地震的影响烈度的估计；过分依赖局部小区域地震活动的统计结果，如小区域最大地震强度的记录；过分相信断裂带距库区直线距离的安全性评判等等。

为此，需要研究高烈度地区或附近地区拟建水库的地震问题。这方面首要考虑的是高烈度区域水库地震问题的特殊性，再是研究思路和方法问题，包括水库地震的预测问题。

1 高烈度区水库地震问题的特殊性

1.1 库区或附近地区的强震构造环境

高烈度地区或附近地区拟建水库存在发生构造强地震的可能。图1给出中国水系、水库与历史强震（M≥6.0）的分布。图中水系、水库的分布资料是采用1∶20万地图资料库给出的数据，历史强地震资料根据中国地震局台网中心给出的数据。可见，中国水系自西向东，水域和水库分布东部比西部地区密集。而历史强地震却密集分布于青藏高原及邻区、天山地区、华北地区、台湾地区以及东北深震区。如华南地区、东北地区水系和水库分布也很多，却少有历史强地震发生。因此，强地震或强构造地震的发生，与水系或水库无关。

图1 中国水系、水库与历史强震分布。图中水系、水库采用1∶20万资料库数据，地震取有资料记载以来6.0级以上历史地震，图例括号内为地震次数（下同）

在华南地区、东北地区罕遇的地震问题，在中国中西部地区可能是常遇事件，在工程未来100年时间尺度的估计应是如此。

图2举例给出了川滇中西部地区历史强地震综合等震线分布。地震烈度是描述地震影响强度的标度，也是地表宏观破坏现象严重程度的量度。地震烈度除地震的强度和深浅因素外，与浅层构造地质条件有关。将历次强震的地震烈度值数据叠加，取各点最大烈度值绘出等值线，称为综合等烈度线。根据中国地震台网中心和李胜乐研究员提供的数据库（中国地震综合等震线的数字化结果），绘制川滇中西部地区历史地震综合等烈度。综合等烈度线值是根据该区域有等烈度线的数据叠加绘出，给出了综合地震烈度（Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ、Ⅷ、Ⅸ、Ⅹ）的分布。川滇高地震烈度区主要集中分布在地块边界带及其两侧地区。一些地块边界主要断裂带的某些地段的地震烈度值高，是因为近断层地震动受地震破裂过程的影响。沿破裂传播方向，地震动振幅增加；垂直破裂传播方向，地震动振幅减小。

从图2中可见，沿地块边界带及两侧较宽尺度的区域位于Ⅶ度或以上区域。因此，① 木格措水库位于鲜水河断裂带南东段内，雅拉河断裂、色拉哈—康定断裂和折多塘断裂是鲜水河断裂带南东段的3条分支断裂，近代的强烈活动形成醒目的断错地貌，历史上曾发生过1725年的7级地震和1955年的7.5级地震［1］。② 瀑布沟水电站工程位于大渡河干流上，是典型的高山峡谷型高坝大水库，工程场址的地震基本烈度为Ⅶ度，存在诱发中等水库地震的条件。③ 紫坪铺水库蓄水的第一个高峰年，地震活动主要集中分布在龙门山中央断裂带，汶川8.0级地震起始破裂位置及其西南侧显著集中、密集。水库蓄水的第二个高峰年，汶川8.0级地震起始破裂位置的东南侧显著集中、密集，龙门山前山断裂带，即都江堰董家山一带开始出现地震活动。水库蓄水的第三个高峰年，即汶川8.0级地震前1年，地震活动主要集中分布在龙门山中央断裂带，汶川8.0级地震起始破裂的东侧相对密集。龙门山前山断裂带，即都江堰董家山一带2008年2月14日地震活动显示密集增加的现象［2］。

图2 川滇中西部地区历史地震综合等震线与主要活动断裂带分布

由分析中国西部地区部分库区的强震构造环境可见，其本身就处于地震活跃地带，或处于高烈度Ⅶ度或以上区域。对这些地区水库地震问题的研究，首先应该研究的是构造地震的潜在危险性，而不是避开此重要问题去分析诱发小震活动的问题。

正如陈厚群院士指出，研究的重点要突出对重大工程防止引发次生灾害的严重地震灾变［3］。高坝大库一旦溃决，次生灾害不堪设想。为了防止次生灾害的发生，对重大工程，不能仅满足目前抗震设计中最大设计地震单一水准的要求，还需要校核在场地地震地质条件下可能发生的极端地震，即所谓“最大可信地震”作用下，不发生“溃坝”的灾变后果。防止严重地震灾变，加强“最大可信地震”研究［3］。特别指出，由库水触发穿过或邻近库区的、已处于临界状态的发震断层的构造型水库地震。

1.2 库区或附近地区存在活动断裂

库坝区的断裂构造具有双重作用，既作为诱发地震的震源错动本身，又是库水下渗扩散的通道。因而断裂构造的存在是水库诱发地震的最基本条件之一，并且库区地壳破裂网络愈密集，库水的各种力学、物理和化学的作用愈能发挥，产生水库地震的几率愈大［1］。断裂活动，发生构造地震，断裂本身成为孕震构造，这是其一；其二是，沿先存断层、节理和裂隙发生的新的地震活动，或称水库诱发地震。例如，金沙江下游梯级水库区域位于马边—盐津地震带南部，地壳变动十分强烈，断块的垂直差异运动突出，断裂构造复杂，第四纪以来活动显著，地震活动频繁。

图3是金沙江下游梯级水电站周围有记载以来的MS≥5.0地震的震中分布。历史破坏性地震活动的空间分布是不均匀的，主要群集在马边—盐津地震带，该带曾发生2次MS7.0地震，即1216年四川雷波马湖7.0级地震和1974年云南大关7.1级地震。另外，区外安宁河—则木河断裂带发生的强地震离金沙江较远。其他区域，中强地震活动不集中，零星分布，强度也不高。可见，金沙江下游梯级水库区未来预计主要潜在地震危险及影响来自马边—盐津地震带的活动。20世纪以来，这一带强震和中等强度的地震活动频繁，原地重复率高。马边地区主要有NW向的利店断裂、玛瑙断裂和近EW向的靛兰坝断裂，1935—1936年、1971年的2个震群均发生在这两组断裂的交汇部位及附近。大关一带，有EW向的木杆河断裂、NE向的新田断裂，还有近NS向的猰子坝断裂，7.1级的大关地震就发生在这3组断裂的交汇部位。而活动断裂的分段性和历史强震的分布是划分潜在震源区的重要基础资料。潜在震源区是指未来具有发生破坏性地震潜在可能的地区。而马边—盐津地震带潜在震源区震级上限确定，北段是7.0级，南段是7.5级。

图3 金沙江下游梯级水库周围的活动断裂与历史强震（MS≥5.0）分布

1.3 库区或附近地区背景地震活动

高烈度区，背景地震活动的水平也高。在工程场地的地震安全评价工作中，背景地震是指潜在震源区外随机发生的零散地震。而高烈度区的背景地震活动的震级估计，在中国中西部多数区域都在6.0级。而金沙江下游梯级水库区及附近地区背景地震活动的震级估计也达到5.5级。因此，该区域的任何时候都可能随机发生5级左右的中等强度地震。

1.4 库区或附近地区应力积累状态

水库地震成因的研究，我们认为荷载效应，孔隙水压力效应，渗流，对断层的软化、溶蚀及应力腐蚀效应，以及水沿裂隙至断层可能下渗的速度、深度等显示很强的局域性和差异性，这些因素可能促使浅部岩体中结构面的破坏或错动，诱发地震活动。

而构造型水库地震，其重要前提条件是较高应力应变能积累，以及透水性结构面及孕震构造的存在。实际指水库及两侧附近区域发生的构造地震，也就是天然地震。

例如图4所示，若根据马边—盐津地震带累计地震应变量推算，该带已存在发生6级地震的危险性。该带1936年马边6级震群发生后，至1974年大关7.1级地震发生，其间隔时间38年；1974年大关7.1级地震至今也已38年，考虑强震发生的不确定性，在未来工程设计期内显然存在发生6级地震的危险性。因此，若该带发生预期中的强地震，由于该地震带穿过金沙江下游梯级水库区，势必造成严重的影响。

图4 马边—盐津地震带及附近地区（27.0°～29.5°N，103.0°～106.0°E）地震M-t图（a）和累计地震应变释放曲线（b）

1.5 强震构造环境中的“安全岛”问题

在中国中西部地区选择坝址，往往寻找地震构造环境中的稳定地块或地段，或称“安全岛”。其主要根据是少震区或少震地段，也是历史强震活动的空白区。若这类少震段或空区是处于密集地震活动带内，断裂构造复杂，则可能是下次强震发生的地点，即带内强震相邻复发的震源位置。如紫坪铺水库区就位于龙门山中段，历史强震少发的地段。

又如，图5给出金沙江下游梯级水电站水库水域及周围地震活动分布。可见沿金沙江流域属于现今低地震活动区域。马边—盐津地震带实际是由两段组成，北段是马边震群区，地震活动密集。南段是永善、大关地震活动密集区。中段，除历史记载的1216年的雷波马湖地震外，现今地震活动相对稀疏，成为该地震带中明显的现今地震活动空段。而此空段正是金沙江下游梯级水库水域覆盖区。若按7级地震复发时间计算，1216年距今已是796年，已到复发间隔时间。若认为此空段是稳定地段，该空段内展布的活动断裂不足以支持此种看法。因此，强震构造环境中的地震稀疏区不一定是“安全岛”，需要综合各种资料来分析判定。

图5 金沙江下游梯级水库水域及周围现今地震活动分布。图中实心圆表示历史上有记载以来的5.0级以上地震，空心圆表示1970年以来的小震活动

综上分析，作者认为高烈度区水库地震问题的特殊性，体现在库区或附近地区的强震构造环境的特殊性，需要重视库区或附近地区断裂的活动性。鉴于本身背景地震活动的水平较高，因此应分析区域构造地震应变积累的状态，而不能将断裂分布较复杂的地段简单判定为地震活动带中的“稳定区”或“安全岛”。

2 高烈度区水库地震的研究问题

水库地震问题的研究首先是一个科学的问题，再是应用研究问题。

自20世纪30年代以来，国内外围绕水库诱发地震问题，已经开展大量监测研究工作。但研究工作一直处于资料积累、探索方法、探讨成因阶段，主要进行水库诱发地震的地质和地震学分析、水库震例资料的收集、地震活动特点的总结，主要用于拟建水利工程的水库诱发地震危险性评估。

水库地震问题涉及大量的科学问题需要研究和讨论。

2.1 水库地震预测问题

水库地震研究中可以利用的资料是十分有限的。首先是高烈度区水库震例的缺乏。从目前世界上已报道的120余个水库地震震例来看，大多数几乎没有诱发地震，或诱发地震的强度很低。但是，统计的这些震例中，有多少库区是在地震区划Ⅶ度以上区域修建的？至少应将高烈度区的水库地震单独给出。即便是国内的震例，以往在高烈度区建成的高坝水库也是不多的。其次是蓄水前有监测资料，蓄水后也有较长监测资料的水库地震震例更少。

水库地震研究中一些试图将坝高、库容、库深，或者是坝前水深、水库面积等数字进行统计，进而预测水库地震强度的做法，至少存在以下几点不合理思考和应用：

首先，它假定所有水库的地震构造环境是一样的，即包括构造条件、岩性条件、应力条件都是一样的，地震活动水平也是一样的。这可能吗？至于建立在震例分析基础上，通过研究已发生水库地震的水库所处的地质构造、地震活动背景、地层岩性等，总结归纳水库地震的地震地质条件、诱发机制和判别标志，然后用于拟建或在建水库的诱震可能性评价。但这些工作，多数是个案而非一般规律性特征。

其次，水库地震危险性评估，多数是在水库建设前开始的。许多水库地震安全性评价工作因受当时地震资料的限制，科技水平等因素的制约，对库区深部构造环境、应力状态、岩体结构渗透性等介质的物理性质的研究深度不够。下述几点，作者认为是重要的：① 环境条件：库区是稳定地块，还是多断裂切割区；若是断裂展布复杂的，需要重视和深入开展工作。② 构造条件：库区断层是剪切、逆或正断层，若展布走滑、正断需要重视；深入研究断裂的现今活动性。③ 岩性条件：库区岩性（沉积、变质、火成岩）与裂隙结构，重视对渗透性，包括岩溶等分析。④ 应力条件：库区承受构造应力是挤压、拉张，或压扭、张扭，结合震源力学机制分析应力状态。⑤ 孕震状态：库区断层与小震活动密集带关系、应变积累势态等，分析是否存在蕴震条件和孕震构造。

即使这些工作在蓄水前已经开展，蓄水后鉴于地下构造的复杂性，持续跟踪监测水库地震动态更是必要的。作者根据有限的资料，给出发生较强水库地震的时间表（表1）。从表中可以看出，水库地震无论是响应型，即蓄水开始就发生大量诱发地震，还是滞后型，即蓄水后间隔较长时间才发生诱发地震活动，两者发生最大水库地震时间都在其后从0.5年到17年间。这里，表1并没有统计预测的意义，只是给出实际水库最大地震的发生时间。因此，根据表1，说明适时跟踪监测的重要性，需要持续分析库区震情，边监测，边研究，进行动态分析和预测，为库区突发震情及对策提供技术依据和参考意见。这项工作将有利于库区的防震减灾、地质灾害或山地灾害及其他次生灾害的防御和应对。

表1 发生较强水库地震的时间表

2.2 水库诱发地震的估计问题

前节阐述的水库地震问题，既包括库区及附近地区的水库构造地震，也包括水库诱发地震问题。构造型水库地震的重要前提条件是较高应力应变能积累，以及透水性结构面及孕震构造的存在。这里着重对水库诱发地震问题进行探讨。

不存在水库构造地震孕育发生的情况下，水库荷载效应，孔隙水压力效应，尤其是渗流，对断层的软化、溶蚀及应力腐蚀效应，以及水沿裂隙至断层可能下渗的速度、深度等显示很强的局域性，这些因素可能促使浅部岩体中结构面的破坏或错动，诱发水库地震活动。

就库区岩性条件分析，当库盆岩体是由渗透性较好的岩体，如灰岩等碳酸盐岩组成时，较易发生水库地震。例如，金沙江下游西段约50km，库区附近构造新活动特征明显，展布近NS向猰子坝基底断裂，与其相邻还有玛瑙断裂。根据国家电力公司中南勘测设计研究院给出的勘察结果，库区西段岩性为碳酸盐、中厚层砂岩、岩溶发育区。该地段灰岩出露，岩溶发育，可能诱发地震活动。且，沿金沙江岸两侧地带也是地质灾害如崩塌、滑坡、泥石流发生区。因此库区西段存在水库诱发地震的可能，而且容易诱发次生地质灾害。

脆性材料的断裂韧性低，延性材料的断裂韧性高，花岗岩、玄武岩和片麻岩类等坚硬性脆的结晶岩类易诱发水库地震，而碎屑岩、砂页岩、泥岩等软岩构成库盆的水库不易诱发地震。例如，金沙江下游东段，则主要是碎屑岩分布区段，层间剪切破碎带和小型断裂发育，也为库水渗漏提供了一些有利条件。估计发生水库诱发地震的强度低于西段。尽管如此，库区两岸部分地段也存在诱发地质灾害（崩塌、滑坡、泥石流等）的可能，需要重点防御。

对水库区域各库段可能发生水库诱发地震的最大震级的确定仍然是问题。一方面是基于国内外已有的水库地震事件和水库坝高、库容等参数的类比，问题已前述。再者是影响因素分析，譬如库区岩溶发育，且有断层、裂隙切割的库盆诱发地震的概率相对较高。三是概率计算，其结果的参考意义并不大。最后给出综合评判。因此，水库诱发地震的强度预测问题，包括水库各区段的水库诱发地震强度预测问题，存在和需要探讨的问题是显见的，同时又有很强的个案特征，非一般水库的统计特征所能解决的。

3 分析与讨论

汶川大地震使得我国水坝、水电站建设的科学性和安全性得到了一次很好的检验。这次所有处在强震区内的水坝、水电站，都不负众望地经受住了特大地震的严峻考验［4］。面对高烈度区的水库地震问题，我国已经有了成功建坝的事实和经验，无需赘述。需要认真研究的是水库地震评价中的基础科学与应用研究问题。

高烈度区的水库地震问题，首要研究的是水库构造地震，或称天然地震，其次是蓄水后的诱发地震问题。本文提出高烈度区水库地震的特殊性和研究的重要性。用西南地区，特别是金沙江下游梯级水库地震研究事例试图说明这一问题。分析我国中西部地区部分库区的强震构造环境，处于地震活跃地带或烈度Ⅶ度及以上区域的水库地震问题，首要抓住在工程设计寿命期间构造地震的潜在危险性这一关键问题，而不是避开去分析诱发小震活动的问题。

高烈度区水库地震问题的特殊性，体现在库区构造环境的特殊性，断裂活动特殊性，随机性背景地震活动水平高的特点。库区场地的地震安全性评价中不能过分依赖近100年库区附近历史中强地震对水库区的影响烈度的估计；不能过分依赖局部小区域地震活动的统计结果，如小区域最大地震强度的记录；不能过分相信断裂带距库区直线距离超过了多少米的安全性评判等等。

水库地震研究中一些常见的统计预测并不靠谱或不合理。高烈度区的水库地震问题套用低烈度区的一些资料、案例，尤其一些技术思路和方法是不合适的。这包括水库地震研究中不区分活动地块还是稳定地块区水库的一些坝高、库容、库深、面积等统计结果的不合理应用。应分析水库地震或诱发地震活动需要考虑的地震构造环境条件、库区岩性条件、地下应力条件、应变积累势态等。

水库蓄水后持续跟踪监测小震动态是必要的，包括微震或震群活动精定位和动态扩展，库水位升、降与微震活动的增强与平静，震源机制和库区应力状态的变化等，其分析结果可直接用于库区水库地震的震情监测分析和灾害防御。

水域区位于历史地震影响烈度或地震区划在Ⅶ度及以上区域的水库地震问题至今仍然是没有解决的科学难题，又是水库地震工程必须面对的问题，也是社会和政府关注的安全问题，是探索性的更是极富挑战性的研究问题。近年大型水库或巨型水库逐渐在我国中西部地区新建，水库地震研究问题自然推到工程勘测、设计、地震、地质及地球物理相关学科研究的前沿。但目前这方面的研究滞后，进展缓慢，与社会需求是极不适应的，应在今后加大研究。

（作者电子信箱，程万正：cwzscdz＠163.com）

［1］周荣军，龚宇，马声浩，等.木格措电站库坝区水库诱发地震的可能性评价.水电站设计，2001，17（2）：81-88

［2］程万正，张致伟，阮祥.紫坪铺水库区不同蓄水阶段的地震活动及成因分析.地球物理学进展，2010，25（3）：759-767

［3］陈厚群，徐泽平，李敏.关于高坝大库与水库地震的问题.水力发电学报，2009，28（5）：1-7

［4］张博庭.西南地质灾害高发区水电站建设安全性研究.水力发电，2009，35（5）：5-11

The reservoir induced earthquake problem in the high intensity area

Cheng Wanzheng1，2）
1）Institute of Engineering Mechanics，China Earthquake Administration，Harbin 150080，China
2）Earthquake Administration of Sichuan Province，Chengdu 610041，China

This paper proposes that one should pay attention to the basic research of reservoir induced earthquakes in the high intensity area in mid-western China，namely the earthquakes induced by the reservoir located in the area where the intensity of historical earthquake or seismic regionalization up toⅦdegree.To study the reservoir induced earthquake

of these areas，the technical ideas and methods generally developed for the area with low intensity should not be simply copied.The particularity of reservoir induced earthquake in high intensity area must be studied，and it is embodied in the structural environment，faulting activities of the reservoir region and the high level of random background seismicity.The evaluation of reservoir earthquake includes the prediction problem of reservoir earthquake intensity.To illustrate this point，we analyze the reservoir induced earthquake of Jinsha river downstream cascade reservoir.To analyze the reservoir induced earthquake，it is the first of all to consider the potential dangers of tectonic earthquake during the engineering design life.Some common method such as statistical predition in the study of reservoir induced earthquake is not reasonable，the conditions of earthquake structure，reservoir lithology，the underground stress and the strain accumulation tendency should be considered.

reservoir induced earthquake；high intensity area；earthquake predition；Jinsha river cascade hydropower station

P315.9；

A；

10.3969／j.issn.0235-4975.2013.04.006

2012-10-24；

2012-12-03。

金沙江下游梯级水电站水库地震监测系统建设与运行项目（JS（06）001）资助。