水库诱发地震的震例比较与分析

马文涛 蔺 永 苑京立 李海鸥 徐长朋 罗佳宏

1)中国地震局地质研究所，活动构造和火山重点实验室，北京 100029

2)山东省地震局，济南 250014

0 引言

水库诱发地震(Reservoir-Induced Seismicity，RIS)有别于天然地震，它是指因人工修建水库、蓄水后水位变化引发的地震，是一种与人类工程活动相关的地质灾害现象，简称水库地震(Gupta et al.，1976;丁原章等，1989)。当某水库附近出现地震或震群时，大家最为关心的一个重要问题就是:它是属于水库诱发地震、还是天然地震(陈颙，2009)?判断的主要根据是什么?也就是说水库诱发地震与天然地震的主要区别在哪里?这些问题的答案具有非常重要的科学意义和实际运用价值。

本文收集了全球150例水库诱发地震震例资料，试图用统计学方法，研究水库诱发地震的空间、时间、强度、震源环境等方面的特征及与库水位变化的关系，来认识水库诱发地震的基本特点，期望能回答水库诱发地震与天然地震的主要区别等问题。

1 研究简述

水库诱发地震是一种特殊的地震类型，它具有震源浅、震中烈度偏高，易于引发岩崩、滑坡及其他次生灾害等特点。在分析汶川8级地震与紫坪铺水库的关系时，范晓(2008)认为水库诱发地震有7项定性标志:1)坝高＞100m，库容＞10亿m3;2)库坝区有活动断裂;3)库坝区为中新生代断陷盆地或其边缘，近代升降活动明显;4)深部存在重力梯度异常;5)岩体深部张裂隙发育，透水性强;6)库坝区历史上曾有地震发生;7)库坝区有温泉。但李敏等①李敏等，2009，http://blog.sciencenet.cn/blog －51597 －38675.html。认为这些标志并不能作为水库诱发地震的基本特点。从这些标志来看，它们有些只是诱震因素，有些是发震环境特征，能否成为水库诱发地震的基本特点尚值得商榷。

实际上水库诱发地震与天然地震的最大区别在于其形成机理上的差异。水库诱发地震机理最新研究成果表明，库水因渗透成为附加应力、润滑剂，减少了正应力和应力腐蚀，导致岩石由临界状态或亚稳定状态迅速向失稳状态转变，激发出弹性波释放而引发地震。遗憾的是:正因为诱发机理的复杂性和机制上的不确定性，有关水库诱发地震或者天然地震的动力学方程不能列出，因此，现在还无法使用确定性的方法表示出水库诱发地震与天然地震的差异。在研究方法上还必须借鉴统计学原理，利用水库诱发地震与天然地震等在地震活动性“时、空、强”和机制上的差异，统计出具体指标，形成水库诱发地震的基本特点。

在总结水库诱发地震活动特征时发现，水库诱发地震离岸距离大都在5km以内②胡平等，1990，水库诱发地震的机理和评价原则。或10km以内(杨晓源，1999;廖武林等，2009)，地震频次与水位密切相关，地震能量高频成分多，震中烈度偏高，地震序列为“前震－主震－余震”型或“前震－震群－余震”型，b值较高，多为1左右(Gupta et al.，1976;胡毓良等，1979;夏其发等，1984，2012;丁原章等，1989;黄乃安等，1991;杨清源等，1996;杨晓源，1999;毛玉平等，2007;廖武林等，2009;车用太等，2009;陈翰林等，2009;卢显等，2010;Wentao Ma，2012);震源具有应力降偏小、震源尺度偏大②的特征(华卫等，2010)。

但在这些规律当中，有一些并不是水库诱发地震所独有的，其他浅源的天然地震、矿山地震、抽注液地震或塌陷地震、爆破事件等也有类似的现象发生(杨清源等，1994;胡毓良，1994，1998)。浅源地震的震中烈度普遍偏高;矿震和抽注液地震b值也高;受地形地貌影响，爆破事件波形变化也会干扰对它的正确判断。

人们在面对这些问题时，一般只是进行一些地震活动性方面的粗略统计和分析，尚缺乏系统的分析与详细统计。有些结论是根据以前的有限资料获得，因此，有必要使用最新资料，除了借鉴一些地震活动性和机制上的特征外，也有必要借鉴一些构造地质、水文地质、震源物理等方面的资料，利用综合因素来探索水库诱发地震的基本特点。

2 水库诱发地震数据统计与分析

截止2011年底，中国已建成各类水库88 605座(潘家铮等，2000)(图1)，总库容约6 000亿m3，其中大型水库500余座(中国水利年鉴编写组，2012)。在这些水库中发生水库诱发地震的比例是很低的(钟以章，1990;张邵波，1993;杨清源等，2001;张秋文等，2001)。据统计，小型水库的发震概率小于万分之一，中型水库的发震概率＜1‰，大Ⅱ型水库发震概率为1%左右，大Ⅰ型水库发震概率为14%。但当坝高＞100m时，水库的发震概率可以占到同类水库的1/3。

图1 中国大型水库和水库诱发地震分布示意图(陈晓利等，2010)Fig.1 The distribution of large reservoirs and reservoir-induced earthquakes in China(after CHEN Xiao-li，et al.，2010).

我们已经收集到全球诱发地震的震例150个(陈晓利等，2010)，其中发生＞6级地震的有5例:2008年中国汶川MS8的紫坪铺水库地震(Klose，2008;雷兴林等，2008;Shemin Ge et al.，2009;马文涛等，2011)，1962年中国广东省MS6.1的新丰江水库地震，1963年赞比亚MS6.1的卡里巴水库地震，1966年希腊MS6.3的克里马斯塔水库地震和1967年印度MS6.5的柯伊纳水库地震。这些强震都造成了大量的人员伤亡和地表建筑物破坏、财产损失。震级5.0～6.0级的15例，4～5级的30例，3～4级的37例，而＜3级的63例。按照区域划分，亚洲61例(中国35例)，北美洲26例，南美洲20例，大洋洲7例，非洲6例。还收集了中国未发震的大型水库532座的资料。在这些水库资料当中，共有24个参数，它们大部分是非独立量，主要包括:水库名称、位置、水库坝高、库容(m3)、蓄水日期、发震日期、最大震级、震中烈度、最大地震日期、发震区岩性等。这些参数大体能够满足区分水库诱发地震与天然地震的统计的需要。

2.1 水库地震空间分布

水库地震一般分布在水库周边地区(Hu et al.，1996)。前人对水库诱发地震的离岸距离和震源深度进行了统计，结果表明，各个水库地震分布存在很大的差异。在较早时期的柯伊纳、米德、塔尔宾哥、塔吉克、本莫尔、安德森等水库(Gupta et al.，1976;余永毓，1987;丁原章等，1989;薛军蓉等，1992;杨清源等，1996;胡先明等，2004，2009;苏锦星等，2000;王建平，2010;)，水库地震的离岸最大距离在20km以上。其中，柯伊纳水库和安德森等水库地震离岸最大距离可以达到27km，米德水库和塔尔宾哥水库地震离岸最大距离为17.5km，塔吉克水库地震离岸最大距离为22.5km，本莫尔水库地震离岸最大距离达到90km。安德森等水库比较特殊，由于水库地震引发了断层活动，地震数目随离岸距离增加并没有衰减，而是沿断裂带延伸的。考虑到这些水库地处偏远山区，发震时附近地区地震台站较少，台距大于数十km，其地震监测能力有限，定位精度存在着较大误差，地震平面位置只能作为水库地震的参考数据。而在他宾、奥洛威尔、奥斯曼萨加、凯奥威、蒙蒂塞洛、乔卡西、丹江口、水口、长江三峡、三板溪、新丰江等水库建设了水库专用地震台站，其水库地震离岸最大距离分别为12.5km、13.5km、4.25km、1.5km、4.25km、3.25km、13.5km、5km、10km、10km和6km。这些都说明绝大多数水库地震的离岸最大距离都在10km范围之内(图2)，少数水库地震具有空间延展性，它们一定是沿断裂带、溶洞、(温)泉等渗水通道向外延伸，可达10km以上至更远。

从水库地震的震源深度来看，全球150个震例中最高震级的震源深度都＜12km(图3)。水库地震深度＞10km的有:希腊克雷马斯塔湖6.2级地震深度约20km，新西兰本莫尔水库5级地震深度12km，加拿大买加水库地震深度12～15km，日本黑部第四水库4.9级地震深度约20km，柯伊纳水库地震深度可达32km，这与天然地震的震源深度没有多大区别。但由于震源深度误差更大，可信度不高。而具有高精度测量结果的长江三峡水库地震震源深度最深可达14km。可见，全球水库诱发地震最高震级的震源深度大都＜10km，只有少数震源深度较深。

图2 水库地震离岸距离与地震次数统计图Fig.2 The number of reservoir-induced seismicity versus distance from reservoir in the world.

图3 水库地震最大地震震源深度与震例数统计图Fig.3 The hypocenter depth of maximum RIS and number of RIS cases in the world.

2.2 地震活动与水位变化关系

水库地震活动性最显著的特点就是地震与水位变化密切相关。虽然不同水库蓄水过程差别较大，有些水位缓慢上升，有些迅速增长，而更多的是水位在升降交替过程之中上升，对应着的地震活动水平也存在着很大差别，但其地震活动水平与水位之间还是存在着明显的相关关系(胡毓良等，1979;夏其发等，1984;丁原章等，1989;胡平等，1997;丁仁杰等，2004;陈翰林等，2009;马文涛等，2010)。

水库地震活动与库水位关系主要存在着2种类型(马瑾，1987):1)当库水位发生变化时，立刻就对应着诱发地震发生，具有时间的同步性特征，有人称之为快速响应性水库诱发地震;2)另一种情况是存在着时间的滞后，当库水位达到一定值后，过一段时间，对应着较大震级或震群型地震发生，存在着一个明显的库水渗透过程(谭周地等，1989;常宝琦等，1997)。

从蓄水至初次诱发地震一般间隔一段时间，主要是因为库水位淹没到震中区高程或孔隙压达到阀值需要一定时间。短的时间间隔需要1个月，如新丰江水库，1959年10月蓄水，11月即开始地震;鲁布革水库1988年11月蓄水，不到1个月即发生地震;时间较长的可相隔4～5a，如黄石水库，1969年6月蓄水，经过4a，1973年诱发地震。另外，还有一些水库从蓄水到诱发地震的时间间隔长达20a，其原因是蓄水过程比较慢，蓄水到最高水位时间长。按照现有全球水库诱发地震震例统计(图4)，61%的水库蓄水后在1a时间内出现初震活动，82%的水库蓄水后在3a时间内出现初震活动，4a及以后出现初震的比例＜20%(孙君秀，1996)。

按照最高震级的水库诱发地震发生时间统计，在蓄水1a内发生最大地震的只占27%左右，而79%的最大地震则出现在蓄水后6a内(图5)。

图4 水库蓄水后出现初震时间差的震例比例数Fig.4 The time difference of initial shocks after the impoundment and the number of earthquake cases.

图5 水库蓄水到最大地震时间差的震例比例数Fig.5 The time difference of maximum shock after the impoundment and the number of earthquake cases.

从水库达到最高水位时间与最大地震发生的时间差来看(图6)，在蓄水后到最高水位前都存在着发生水库最大地震的可能性，并且随着接近最高水位，其可能性增加;到蓄水至最高水位后1a左右，发生最大水库地震的可能性最大，并且在蓄水到最高水位3a之后，发生最大地震的水库就比较少了。这些现象充分说明水库诱发地震主要与蓄水过程相关。

2.3 水库诱发地震序列特征

从水库诱发地震序列看，一般为“前震－主震－余震”型或“前震－震群－余震”型(袁曲等，2005)。如果单从初始地震到最大地震时间差统计(图7)，水库初震发生时间到最大地震发生时间差1a内的比例数占45.8%，5a内的比例数占81.4%。中国新丰江水库在6.1级地震前的最大前震为4级，并伴随地震频次不断增强的现象。印度的柯依纳6.5级水库地震前发生过5级地震。

按照地震频次与震级统计，水库诱发地震以1～3级微震居多，中强地震较少，所以往往水库诱发地震b值较大，在1左右(图8)。但是也有少部分水库地震b值与天然地震相类似，因为b值高低反映的是大小破裂展布在空间上的几何特征。

图6 水库最高水位时间到最大地震时间差的关系Fig.6 The relation of the time difference of maximum shock and maximum water level of reservoir.

图7 水库初震时间到最大地震时间差的震例比例数Fig.7 The time difference of initial shock to the maximum magnitude earthquake and the number of earthquake cases.

因为水库地震序列中都存在着震级较小的前震发生(Gupta et al.，1976;胡毓良等，1979;夏其发等，1984;丁原章等，1989;黄乃安等，1991;杨清源等，1996;胡平等，1997;杨晓源，1999;毛玉平等，2007;廖武林等，2009;车用太等，2009;陈翰林等，2009;卢显等，2010;Wentao Ma，2011)，说明其最大地震的发生有一个充分的孕育过程和时间差，从水库诱发地震机理研究结果看，蓄水前地壳应力状态处于失稳的亚临界或临界状态，当水库蓄水后，岩石由稳定向失稳状态转变，体现为一系列小震或弱震的发生，表明水库诱发地震有一个孕育、发生和发展的完整过程。

2.4 水库诱发地震震级与震中烈度

现场调查结果表明，由于震源非常浅，水库地震震中烈度明显高于同一震级的天然地震的震中烈度。往往水库诱发地震4～5级就可造成地表房屋建筑出现破坏现象，引起山体滑坡或岩崩;2～3级地震能掉瓦、墙体出现裂缝;有时1～2级水库诱发地震也能产生山体振动、轰鸣。这些都是浅源地震的基本特征。

按照实际的水库地震震级(MS)与震中烈度(I0)，可以拟合出关系式:MS=1.26I0－3.99(图9)，与天然地震关系式比较:MS=0.58I0+1.5或者:MS=0.68I0+1.3lg h－1.4(式中h是震源深度)，相同震级的水库地震震中烈度比起天然地震明显偏高1～3度，所以，更易造成地表破坏。

2.5 震源特征

图8 水库地震b值分布Fig.8 Distribution of b value of reservoir-induced earthquakes in the world.

图9 水库地震最高震级与震中烈度的关系Fig.9 The relationship of highest magnitude of reservoirinduced earthquake and the epicentral intensity.

大部分水库地震震源应力环境还未处在天然地震的破裂临界状态之下，其震源特征也与天然地震有一些区别。邹振轩等(2007)利用珊溪水库地震序列的数字波形资料，估算了该次地震序列4.6≥ML≥2.8的震源参数，并对有关的震源参数随时间的变化做了统计分析。结果表明:地震矩范围为1.24×1013～1.83×1015N·m，震源破裂半径为155～1 227m，拐角频率为0.6～8.43Hz，地震应力降多数为0.04～2.36MPa。与相同震级的天然地震相比，水库地震的应力降明显偏小。如广东及其邻近地区1999—2004年9月间86个ML≥2.0地震的应力降值(胡秀敏等，2007)分析结果表明，应力降随震级的增大而出现不同尺度的变化，lgΔσ的分布大致分为2个阶段:1)ML≤4.0地震，随着震级增大，lgΔσ呈增大的趋势;2)ML≥4.0地震，lgΔσ不随震级的增大而增大，而是稳定在一范围内。统计结果表明，本区ML2.0～2.9地震应力降平均值为4.5bar，ML3.0 ～3.9 地震为7.6bar，ML4.0 ～4.9 地震为10.7bar。

对比新丰江、三峡和龙滩水库地震和大姚2次6级地震序列以及青岛震群的应力降结果也得到相类似的结论(图10)。在4级以下水库地震与天然地震定标率中地震震级与应力降的关系存在明显差异。总体上水库地震应力降小于同震级天然地震应力降，2级左右水库地震应力降小于天然地震应力降1个数量级(华为等，2010)。因此，震级＜4级时，水库地震应力降小于相邻地区天然地震应力降的特征，可以作为水库地震的鉴别标准。

张永久等(2011)在研究紫坪铺水库震级在ML1.7～3.6的地震时发现，在汶川8级地震之前，287个地震的拐角频率在2～13Hz之间变化，在紫坪铺水库附近地震的应力降在0.01～32MPa之间，应力降也偏小;震源尺度为100～1 000m，明显偏大。这种水库地震的震源应力降偏小、震源尺度偏大的现象可能就是因为水库地震震源应力环境不同于天然地震，还未处在天然地震的破裂临界状态的缘故。

大多数水库地震震级比较小，是由一个单破裂组成;而较大地震或强震一般由一系列小破裂事件组成，是数个、数十个或更多小破裂贯通而成，所以，大多数震级较大的水库地震震源初始破裂过程，是以比较的小破裂为开端、数个破裂联通而震级逐步增大，最后形成一个大地震的发生过程。对于汶川8级地震(范晓，2008;雷兴林等，2008)，震源初始破裂比较小、逐步缓慢增大(王卫民等，2008)，因此，使用大台网和小台网确定出的震源深度差别较大，震源深度从6～10km到12～19km，这是因为近台和远台P波初始波震相起始点辨别差异所致(马文涛等，2011)。

图10 不同地区应力降与震级关系图(华为等，2010)Fig.10 The stress drop versus magnitude of reservoir-induced earthquakes in the world(HUA Wei et al.，2010).

2.6 岩性、构造的库水渗透条件

由于水库地震的发生与库水的渗透有关，因此水库的渗透条件非常重要。在这里需要特别说明的是，库水的渗透主要是指库水沿着裂隙、岩溶、(温)泉等较大规模的库水渗透通道进行的，而不是指岩石内矿物间的孔隙渗透(张更生等，1959)。

全球水库诱发地震的150震例和中国532座未发震水库的数据统计结果表明，可溶岩的发震概率占67.1%，花岗岩占37.7%，碎屑岩占10.1%。可溶岩最易发震，一般岩溶非常发育;其次是花岗岩类，因其中裂隙发育;碎屑岩中一般裂隙不发育，所以最不易发震。因此，水库地震的发生与其所处的地质构造环境与水文地质条件等有密切的关系(图11)。

对国外120余座水库诱发地震库区岩性的分析也显示了灰岩区水库诱发地震的概率大于其他岩性的特性(杨清源等，1996)。另外，在构造复杂，节理丰富，岩体完整程度差的水库区域，也容易诱发水库地震。虽然，很多诱发地震水库附近区域没有较大的区域性断裂通过，但是在更为详细的大比例尺地质图上及实际的野外勘查中却显示了许多水库库区发育了众多小规模的构造，它们也提供了流体的渗透通道(丁原章等，1989)。

在岩溶发育区域，岩溶、地下暗河都有利于库水渗透(易立新等，2000)，与区域应力的张性区或挤压区无关。在长江三峡水库区，香溪河口附近分布着NNE向的九湾溪断裂、香溪河断裂(车用太等，2009)，它们属于张性断裂，同时分布着近SN向的岩溶，因此具备了库水渗透的岩性和构造条件;在巴东北部的神龙溪两岸，沿着近EW向地层走向，发育着地下暗河(马文涛等，2011)(图12);在龙滩水库的5个地震密集区，出露着岩溶发育的地层，这些都是库水渗透的良好通道。

图11 水库库区岩性分布Fig.11 The distribution of lithology of reservoir area.

图12 三峡库区湖北段2009年3—12月地震分布(马文涛等，2011)Fig.12 The distribution of earthquakes during March －December，2009 in the Three Gorges reservoir in China(MA Wen-tao et al.，2011).

但在非岩溶区，在压性断裂并且断裂面胶结完好的断裂带上，由于库水不易沿断裂面渗透，一般不易发生水库诱发地震。但如果在区域应力场作用下，断裂呈张性，则可将一些断层面胶结不好或者存在着较小裂隙的断裂变成可渗透的断裂，将有利于水库诱发地震的发生。例如，在华南构造区域，区域构造应力场为NW向。在这种应力场作用下，新丰江水库(图13a)、水口水库(图13b)和珊溪水库(图13c)的NNW向断裂呈张性，有利于库水渗透(图13)，导致了水库诱发地震沿着区域应力场方向孕育、发生和发展，水库诱发地震的发生都是沿着渗水通道进行的，显示出地震与水渗透的密切关系。

图13 新丰江水库、水口水库和珊溪水库的NNW向发震断裂Fig.13 The NNW-trending seismogenic faults at Xinfengjiang reservoir，Shuikong reservoir and Shanxi reservoir in China.

据我们现场调查，在水口水库、三峡水库和珊溪水库等都有(温)泉出露，这些都是地下水良好的渗透通道(杨清源等，1996)。另据刘耀炜①刘耀伟等，2011，三峡库区地下流体场动态参数野外观测研究子专题报告(2008BAC38B040201)。在三峡水库8口井流体场的观测结果，凡是与库水相通的地方，都发生了水库地震。

3 结论

依据全球150例水库诱发地震震例资料，借鉴统计学原理，分析了水库诱发地震震例的空间、时间、强度、震源物理环境、构造地质和水文地质条件等方面的数据，归纳出水库诱发地震的基本特征:

(1)时空一致性:诱发地震发生在水库周围并在蓄水过程中，多数距库岸10km范围之内、震源深度＜10km，少数沿着断裂带、溶洞、(温)泉等渗水通道向外延伸可达10km以上;

(2)在时间上，水库诱发地震活动的频次和较大震级与库水水位变化呈相关关系，大部分最大震级地震发生在首次达到最高水位前或者之后的2～3个蓄水周期内，之后发生最高震级的水库地震概率比较少;

(3)水库诱发地震序列完整，一般多为“前震－主震－余震”型或“前震－震群－余震”型，以1～3级微震居多，所以往往水库诱发地震b值较大，多在1左右;

(4)水库诱发地震具有较高的震中烈度、地震动频率和地面峰值加速度①同第915页②。，一些1～3级地震的震中烈度可达到Ⅵ度，但随震中距的增加烈度衰减很快;

(5)在震源特征上，水库地震应力降小于该地区同级别的天然地震应力降，震源尺度大于同级别的天然地震;较大地震震源过程是以较小初始破裂开始，之后逐渐缓慢增大;

(6)水库诱发地震的发震地段具有良好的库水渗透的岩性条件和构造条件，张性断裂带、未胶结的断裂面、岩溶、(温)泉等成为库水的渗透通道;或者在区域应力作用下，断裂带显张性，也可成为库水的渗透通道。

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