水库诱发地震研究进展与思考①

李碧雄，田明武，莫思特

（1.四川大学 建筑与环境学院 土木系，四川 成都 610065；2.四川水利职业技术学院，四川 成都 611231；3.四川大学 电气信息学院，四川 成都 610065）

0 引言

诱发地震是指由于人类的工程活动引起的地震，是地震学的一个分支学科，也是环境地球科学的一部分研究内容。随着我国经济建设的高速发展，由于水库蓄水、深井注水、地下流体开发、矿山开采、地下爆炸等引起的地震，在一定程度上已经成为一种环境工程灾害，是经济建设过程中亟待解决的重要难题。同时，由于诱发地震本身所具有的某些有利的研究条件，也成为研究地震发生条件和发展过程以及探索地震预报的一个极佳的研究试验场地［1］。

水库地震是诱发地震中震例多、危害大的类型，是由于水库蓄水导致环境物理状态的改变，从而在库区和坝址区引发地震的现象［2］。自1931年希腊60m高的马拉松（Marathon）大坝水库在1929年蓄水后发生一系列地震，以及1935年美国米德湖（Lake Mead）高220m的胡佛（Hoover）大坝蓄水后发生地震以来，世界上已有30多个国家先后报导了120多个与水库蓄水有关的事例［3］。1969年在联合国教科文组织内，由国际工程地质协会、国际地震和地球内部物理学协会、国际大坝委员会等8个学术团体的专家共同组成了一个水库地震工作组，广泛搜集各国水库地震资料，探讨水库诱震的机制。水库地震的机理复杂，与普通天然地震有不同的活动特征，具有反复性、群发性、震源浅、地震动高频信息丰富等特点，往往较低震级可造成较大破坏。不仅能给工程建筑物和设备等财产造成破坏，还可能诱发滑坡等地质灾害，引起涌浪。水库地震已成为了水电工程建设中面临的主要技术难题之一，同时也成为学术界研究的热点之一。

我国四川、云南、贵州三省水能资源丰富。全长2308km的金沙江上正在规划和建设一系列梯级水电大坝，不久的将来将成为世界超大水库群，形成“世界水电在中国，中国水电在西南，西南水电在金沙”的大格局。备受社会争议的怒江水电开发也拉开了大规模建设的序幕。雅砻江、岷江、大渡河、怒江的水能资源也将得到最大开发和利用。

西南地区（云南、四川西部地区）位于我国南北构造带即南北地震带的南段，是地壳运动剧烈、构造形态复杂、地震活动十分频繁的地区。它西临印度洋板块的俯冲带，东濒古老稳定的四川地台和黔桂古陆，岩层遭到十分强烈的挤压，形成了一系列平行于印度洋板块的巨型褶皱带、深大断裂带及弧形山脉。在深大断裂的控制下，块体之间的水平运动和垂直差异运动都表现得十分明显，而强烈地震大多数就发生在这些深大断裂带上，也是水平运动与垂直差异运动最为剧烈的地区。正在开发的大渡河、雅砻江、金沙江都分布在地震活动带上：大渡河水电开发地处鲜水河地震活动带上；雅砻江水电开发与安宁河—则木河地震活动带相邻；金沙江溪洛渡电站位于雷波—永善地震活动带；澜沧江—怒江水电站规划电站群位于三江并流的构造活动带。近100年来，西南地区的强地震在明显增加。汶川地震后民间关于西南水电重新评估的建议重提，他们认为汶川地震凸显了三个重要问题：地质断裂带上是否适合修建高坝大库；在水库设计过程中对地震烈度的评估是否存在错误？在活动断裂带上修建高坝大库是否有诱发强震和巨震的可能性？

程万正认为，这些区域的水库地震研究需要考虑高烈度区水库地震问题的特殊性，不能简单套用一般低烈度区水库诱发地震的技术思路和研究方法［5］。随着西部大规模水电工程的开展，水库诱发地震及其可能带来的矛盾日趋显现而突出［6］，因此加强对水库地震的详细观测和研究已迫在眉睫，科学预测水库诱发地震，并提出相应的预警措施是防震减灾工作的前提和基础。

1 水库诱发地震典型震例分析

自上世纪70年代，各国学者广泛搜集水库地震的实例，并根据所积累的资料开展水库地震相关因素的统计分析。1975年Gupta和Rastogi［7］系统论述了当时世界上已知的30处有震水库的地质、水文和地震活动，分析了水库水位与地震频度的关系，介绍了水库附加应力增量的计算方法，综述了产生剪切破坏的孔隙压力效应理论和相关的实验研究成果。Packer［8］和Baecher等［9］搜集了已报导过的75个水库地震的资料，对其中64个水库根据其在时间上和空间上与水库蓄水的关系划分为确定的（45个）、有问题的（12个）和不是的（7个）三种类型；选择了水库的水深、库容、区域应力状态、主要岩石类型、断层等作相关统计分析，结果表明在库底为沉积岩、具有走向滑动应力状态的水库中，发震概率随水深和库容而增大；四个参数中水深和库容与水库地震的关系最密切。古普塔等［7］对全世界1799座水库的大坝完成时间、坝型、建基面高程、水深、库容、水库面积、地理座标、降雨、蓄水过程、水位、地质和构造等各种因素与水库诱发地震的关系作过统计分析，结果仍然表明，水深和库容是水库地震最明显相关的因素。

Castle等［10］对41个发震实例和其他未发震的水库地质条件的分析却得出了相反的结论，他们认为构造状态，包括断层的存在、弹性应变的积累和断层的类型对诱发地震特别关键，水库地震一般发生在平行于水库轴向的、陡倾角的、具有较高应变速率的引张或水平剪切断层上。

肖安予［11］分析了国内外62个水库地震震例，认为巨型水库能改变库区及其邻近的构造应力状态，导致原有地震蕴育和发展过程发生变化；特殊的地质背景是水库诱震的基本条件，特殊地质背景的诸因素越齐备、越典型，诱震的几率越高。魏柏林等［12］从构造环境、震源应力场、构造应力场和水的诱发作用等四个方面分析了世界四大水库（新丰江、卡里巴、克里马斯塔和柯依纳）诱发六级以上地震的发震原因，认为四大水库都在活动构造区，库水与张应力场结合是诱发六级地震的主要原因。

水库诱发地震震例分析是了解水库诱震环境背景、诱震因素、诱震机理的可靠渠道。然而由于已知的水库诱发地震数量有限，且缺乏系统的水库地震监测资料，使得已有的震例分析主要停留在定性的类比层面，难以触及至诱震的机理层面。

2 水库诱发地震的机理

地震中的能量释放是地球内部复杂的地球物理过程作用的结果。很多地震都是在水库蓄水的同时或者不久以后发生的，虽然人们对这些地震活动究竟是水库诱发还是巧合无法给出明确的答案，但一般认为水库蓄水等外部过程可以诱发地震，并对其诱发地震的原因及机理进行了大量的研究，大致可以归纳为以下几个方面。

2.1 水体荷载作用

蓄水对库区应力状态的影响一直受到研究者的重视。水体荷载说的一个重要依据就是许多震例在地震后都不同程度产生库盆岩体的下沉现象，因而据此推断由于库盆下沉所造成的弹性变形引起了地震。Westergard［13］提出了由于水荷载引起水库盆地下陷和下伏地层再调整，导致库区大地构造活动的假说；Carder［4］首次指出美国米德湖（Lake Mead）的水荷载使该区原有的断层重新活动；Gaugh夫妇［15－16］通过Kariba湖沉陷的研究强调水库荷载造成的弹性变形的意义；Nikolaev［17］也曾指出大水库的水体荷载可以释放地震能量，在水的重力作用下，以地壳沉陷作用释放重力位能转变为弹性应变能和地震能；Baecher等［9］认为水体深度和库容是引发地震的重要因子；而Rothe［18］则认为水的深度和局部应力水平可能比水库库容更重要。

Awad等［19－20］对 Aswan地区及其附近的地震数据进行了分析，根据该区地质结构将该区域的地震活动归为浅层地震和深层地震两种类型，发现浅层地震与水库水位波动具有很好的相关性，而深层地震则无此特性。钟羽云等［21］认为，水库蓄水初期水位是影响库区地震活动性的主要外因，且不同水库的影响时间不同。

由于库区基岩体介质的不均匀性，水体荷载所产生的附加应力场、形变场的形状相对库轴并不对称，在断层处产生的垂直位移迅速增加，除了库岸区域存在附加张应力区之外，在断层中同样形成了附加张应力区，增加了断层的不稳定性。如果初始应力与附加张应力平行，附加张应力可以部分抵消断层面上的正应力，使正应力摩尔圆向左移动，更易与破裂线相交，从而使构造应力更易于造成断层滑动。因此这些附加张应力区是诱发地震的重要场所。

2.2 孔隙水压作用

Hubbert［22］对液体压力在逆掩断层中所起的作用进行了研究，提出了孔隙液体压力增加使岩石强度降低的岩石破坏理论；Evans［23］认为丹佛地震就是由于液体注入后使穿过水库岩石已有断层的有效法向应力降低引起的；Bell［24］认为水库蓄水引发地震的可能原因是：水库蓄水引发地质弹性压力增加导致岩石孔隙度降低，从而使饱和岩石中孔隙流体压力增加，孔隙压力变化引发流体流动。

1979年美国地质学会在加利福尼亚的圣迭戈召开了一次由多领域专家参加的流体孔隙压力在地质变形破坏过程中作用的讨论会，就有效应力定律、地震和孔隙压力等问题进行了研讨。之后，越来越多的科学家开始深入研究流体孔隙压力在诱发地震中的作用。Talwani等［25－26］对孔隙压力扩散在引发地震中的作用进行了阐述，并认为较之水库水位的短期变化，其较长期（≥1年）变化很可能会引发更深层次、更高强度的地震；而大型水库周边较小型水库周边更可能发生地震，且震源更深，其具体位置取决于水库底层附近的断层特征。近年来美国地球物理协会和美国地质学会召开了一系列有关地下流体与地质作用过程的研讨会，就地下流体在地壳变形、岩体破裂、物质运移等过程中的物理、化学作用进行了讨论。

2.3 库水对岩石的物理化学作用

水库库坝区断层、节理密集带等不均匀特征的存在，有利于水体的渗透，导致库基岩体中孔隙水压的变化以及其它物理、化学性质变化。与水库地震关系密切的物理化学作用主要有以下几种。

（1）润滑软化作用。

Lomtritz［27］强调岩石渗透性和软弱带对诱发地震形成的重要意义。秦四清等［28］提出了断层带弱化与岩体软化效应诱震理论，认为水的作用增强了断层带介质的滑动弱化特性；同时水的渗透也增强了弹性岩体的软化特性，降低了岩体刚度。这种耦联作用易使刚度比降低，从而诱发水库地震。润滑弱化作用指的是由于库水渗透对断层面起了润滑作用，同时大量水的渗入可能消除断层面的某些“壁垒”［29］，从而使断层面的摩擦系数减小。实验证明，为水所饱和的岩石强度比干燥状态下的强度要低得多。一般来说，孔隙大、胶结差的沉积岩，特别是含泥质和亲水矿物较多时，水的软化作用较大。

（2）水热膨胀作用。

库水渗透到地下高温岩体附近，成为高温热水或高压蒸气并在某些部位聚集起来，变成诱发地震的动力，即汽化膨胀作用。另一方面，温度升高能使孔隙水压力增加，如果孔隙容积保持不变，温度升高1℃，孔隙水压力至少增加10×105Pa，亦即当温度升高100℃时，就可使流体压力增加1000×105Pa以上，这对诱发地震的作用是不可忽视的。

（3）应力腐蚀。

应力腐蚀作用是指硅酸盐类岩石在地下水和应力的持续作用下矿物的结合力遭到削弱，结构强度降低，最后在应力场或重力场的作用下，裂隙的形成过程加速。Kisslinger称这种物理过程为应力腐蚀，并且指出，在库水位不太高时应力腐蚀作用可能是一种诱发地震的机制。

2.4 其它因素

己知震例中，较强的水库地震（3级以上地震）发生之前都有大量微震。水库蓄水后，应力腐蚀和库基弹性变形使库区局部出现应力不平衡，导致蓄水早期发生微震和微裂隙错动。由于岩体微破裂随着深度的增加、围压的增加而渐稀少，只形成震源很浅的微震。大量微震的形成表明地壳浅层的微裂隙得以串通，从而形成规模较大的裂隙，库基岩体原不连续的微裂隙被贯通，并逐渐向深部发展，有利于库水向更深更远部位渗透，使孔隙水压效应发挥作用。局部地块的微错动有可能使更大尺度的岩体内出现应力集中和应力不均衡，最终可能导致发生较大地震。因此，蓄水早期大量出现的微震也具有诱发地震的作用。

水库地震与地热之间存在一定的联系［30］，库区的地温梯度较高或地温异常可促使库水的渗透作用加速进行，利于深部与浅部水体的交换与循环。当水库建成蓄水后，温度相对较低的常温库水如果大量沿着断层裂隙向深部岩体渗透，在与干热岩体相遇时将会产生两方面的作用：一方面库水被加热，温度升高，体积膨胀、汽化，从而积累能量，促进岩体破裂；另一方面干热状态的岩体遇到温度较低的库水时，由于岩体温度突然下降，接触库水的岩体骤然收缩而产生应力，使岩体表部出现大量的微破裂，如果这种作用继续进行，裂隙将不断增加和扩展，从而引起应力集中，形成较大的破裂而导致岩体突然破裂错动，发生地震。因此，库水与干热岩体的作用所产生的温度应力，亦可能是水库地震的一种力源。

水库地震的诱发机制是多因子共同作用、相互影响的复杂过程，各种诱发因素的作用是互相联系的：水体荷载使某些断面上的正应力有所降低，利于水的渗透；水的渗透对岩石可产生软化作用；而软化作用更有利于水的渗透，有助于孔隙水压力效应的发展。

3 水库诱发地震预测方法研究

水库诱发地震预测的主要任务是大坝设计阶段预测蓄水后诱发地震的可能性、可能的最大诱震震级和可能的发震部位；若蓄水后发生地震活动，则推测地震的发展趋势［31］。前者是依据库区所处的水文地质条件、断裂分布、区域地震活动现状等地震地质环境评估潜在的诱发地震活动危险性与可能的最大强度和危险地点；后者是研究如何根据已建水库并发生了水库地震活动的库区的观测资料，预测今后的诱发地震活动趋势。

目前对水库诱发地震机理的认识还存在很多局限与不足，水库诱发地震的预测方法也还处在不断探索和验证阶段。目前的研究内容主要集中在两大方面［32］：一是根据某些水库确定的水库地震观测资料，分析不同水库的库容、库深、地理环境、形状、构造、岩性、水文地质、深部环境、应力状态、区域地震活动背景、水库地震序列时空演化及特征等各种参数信息的统计分析，从中获取易于诱震或不易于诱震条件，即称为水库地震的诱震条件判断与类比预测法，如马文涛等［33］使用的灰色聚类方法；二是在经验积累的基础上构建简化的水库地震机制的物理—地质—力学破裂过程描述模型，以某些诱发地震破裂准则或应力屈服准则的约束条件，通过数值模拟计算，对水库地震危险性做出预测，称为水库地震预测的成因模型法。

由于水库诱发地震的复杂性，震例的有限性和不确定性，及水库诱发地震的背景环境呈现出的多样性，加之水库诱发地震的机理难以用实验方法模拟或验证，目前所提出的各种预测方法均具有较大的局限性。从水库诱震机理的角度来进行科学预测是未来发展的方向。胡毓良［34］指出，水库蓄水后如出现地震，应抓紧在前震期时间进行精细的研究，对是否发生强震进行评价。由此可见，加强水库地震监测系统建设和监测数据的分析处理是进行水库地震活动性趋势预测的重要基础和前提。

4 水库诱发地震灾害预测

在已发生的水库诱发地震中，虽然震级都不太高，但由于震源深度浅，离大坝结构近，易造成坝体震害，甚至于导致了滑坡、漫坝顶、泥石流等次生灾害，还存在水患和社会恐慌的隐忧，故从防灾的角度来看，震害预测与地震预报同等重要。

水库诱发地震灾害预测是基于水库地震危险性分析成果，结合对区域地震地质基础资料的收集和补充调查，研究水库与地震耦合工况下地震地质灾害的分布范围，对重点潜在失稳区进行破坏范围及运动过程模拟，分析滑坡涌浪及其传播过程，评价地震地质灾害对水库和重点移民集镇的危害。具体包括：

（1）水库地震地质灾害危险性评价

水库地震地质灾害主要包括地震触发的滑坡和崩塌。研究水库地震地质灾害空间预测方法，建立地震地质灾害易发性评价模型，结合前期研究成果对水库地震耦合工况下地质灾害的分布范围进行预测。

（2）近坝库段地震地质灾害评价

以区域地震地质灾害评价成果为基础对危害性较大的近坝库段（距坝址20km范围）补充地质调查和试验，采用连续及不连续分析方法对地震作用下重点岸坡（包括基岩岸坡和堆积体岸坡）的动力稳定性进行评价，模拟其破坏范围和运动过程，以及撞水产生的涌浪范围、高度、传播和衰减过程，评价其对水库和枢纽建筑物的影响。

（3）重点移民集镇地震地质灾害评价

根据地震地质灾害危险性评价成果对危害性较大的重点移民集镇进行补充地质调查和试验，采用连续及不连续分析方法评价潜在滑坡、崩塌的动力稳定性，模拟其破坏范围、运动过程与堆积范围，评估其对移民集镇的影响。对存在涌浪风险的集镇需进一步评估涌浪的高度与风险。对移民集镇范围的第四系松散堆积物进行物理力学特性试验，评价其发生液化的可能性及对移民集镇的影响。

科学的地震灾害预测离不开合理的水库地震危险性评价和预测。设立地震监测台网可以加强水库蓄水前后的地震活动性监测，及时分析地震活动与库盆岩体结构、水文地质条件、断层破碎带及节理、裂隙的导水性以及水库运行之间的联系，预测水库诱发地震的类型、潜在震源区及可能发生的地震强度，为保障工程正常运行以及库区和周边居民正常生产生活提供决策依据。

5 加强水库地震监测和资料分析的意义

近年来，我国高坝建设数量多、规模大、梯级化，集中分布在我国西南地震多发区和高烈度区，水库地震的潜在危险性和地震安全问题日益突出。2013年12月16日在三峡库区巴东县发生的5.1级地震再次引发整个社会对水库诱发地震的热议。因此，加强水库地震的监测是我国防震减灾工作的重要内容之一，同时具有以下几方面的科学价值和社会意义：

（1）揭示水库诱发地震的活动规律和探索水库诱震的机理。系统分析库区地震监测数据，对比分析蓄水前后地震活动性变化规律，类比以确认的水库地震震例，有助于揭示水库地震活动规律及特征；基于库区地震监测数据，结合区域的地质构造、地震活动性特征、库盆岩性以及水文地质特点，开展水库地震综合分析，有助于探讨水库地震诱发机理和诱震因素。

（2）为科学辨识水库诱发地震建立识别标准。利用地震监测数据深入分析地震的震源机制、应力降、震源尺度、拐角频率等震源特征参量，对比区域天然本底地震活动规律和特征与所监测的水库诱发地震活动规律和特征，结合易于诱震的环境条件和诱震机理，建立水库诱发地震的识别标准，对研究区内地震事件做出科学辨识，避免由于破坏性地震的责任鉴定不清或社会舆论给企业带来的不良社会影响和巨大经济损失。

（3）结合近年来特别是汶川地震以来全国地震区划图潜在震源区划分方案、水库地震监测数据等对水库地震的危险性做出科学评价，对水库地震灾害做出合理预测，为指导工程正常运行和灾后科学救灾提供决策依据。

（4）利用大量的基础监测数据和丰富的一手资料，通过系统、深入的研究，提高水库地震的研究水平，为进一步细化和完善《水库地震监测管理办法》和《水库地震监测技术要求》奠定研究基础，并为揭示天然地震的发震机制和开展地震预报提供参考。

6 结语和展望

我国的水能资源大力开发面临水库诱发地震的巨大风险和挑战，目前人类对水库诱发地震的认识仍存在很大的局限性，因此加强水库地震监测和相关研究具有以下几方面的重要意义：

（1）我国西南地区水能资源的大力开发迫切需要建设水库地震监测系统，以及监测资料的深入系统研究；

（2）水库地震监测资料的综合分析是揭示水库诱发地震诱震机理、诱震因素的重要途径；

（3）及时、系统和深入的水库地震监测资料分析对于科学预测强震具有重要意义；

（4）水库地震监测及其相关研究是科学辨识水库诱发地震的前提和基础；

（5）水库地震监测资料的分析成果是指导工程正常运行和灾后科学救灾的决策依据。

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