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1、第七-3章 水库诱发地震的工程地质研究,工程地质学,本章主要内容： 7.1 基本概念及研究意义； 7.2 水库诱发地震活动性变化的几种典型情况； 7.3 水库诱发地震的共同特点； 7.4 水库诱发地震的诱发机制； 7.5 水库诱发地震的工程地质条件； 7.6 水库诱发地震工程地质研究的基本原则； 7.7 三峡水库诱发地震概况。,71 基本概念及研究意义 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（ induced earthquake ）。 其形成一方面依赖
2、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。 水库诱发地震是指在兴建水利水电工程中，由于水库蓄水而引起的地震活动。,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。但是水库诱发地震也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
3、，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。,水库诱发地震是涉及地震学、水文地质学、工程地质学、和结构抗震学等多学科交叉的前沿课题。 本世纪40年代以来，世界上已有34个国家的134座水库被报道出现了水库诱发地震，其中得到较普遍承认的超过90处。有4例发生了6级以上地震，他们是中国的新丰江(1962年,6.1级)、赞比亚津巴布韦的卡里巴(Kariba,1963年,6.1级)、希腊的克里马斯塔(科列马斯塔)(Kremasta,1966年,6.3级)、和印度的柯依纳(科因纳）(Koyna,1967年,6.5级)。 发生在坝址附近的强震和中强震，有可能对大坝和其它水工建筑物造成直接损害。
4、,表7-1 中国水库诱发地震震例基本情况一览表,7.2 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。下面分别介绍各种典型情况:,7.2.1 蓄水后地震活动性增强 7.2.1.1 卡里巴科列马斯塔型 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，以此作为地震活动性强烈变化的诱因
5、是缺乏说服力的。可是在正常高水位附近，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。,表72 水库诱发地震活动重要实例,7.2.1.2 科因纳新丰江型 1科因纳水库诱发地震 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)，而且又是产生在构造迹象最不明显、岩层产状基本水平、近200 a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、自古至始新世喷发的玄武岩层之上，由致密块
6、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。,2新丰江水库诱发地震 我国的新丰江水库地震（坝高105m，总库容115(139)亿立米，最大地震震级(烈度) 6.1()，1962年3月19日发生的61 级地震）造成的破坏最为严重，数百人在地震中丧生，成千人受伤，坝体建筑和发电设施受到不同程度的破坏，电站停止运转，以致造成区域性的工业瘫痪。,7.2.2 蓄水后地震活动性减弱 这种情况不易引起人们的注意，所以研究和报道较少，一般有两种情况： 1、在较强烈的天然地震区修建水库后地震活动性较建库前有所减少。主要有台湾的曾文水库、巴基斯坦的塔尔伯拉和曼格拉水库； 2、地震活动性以
7、特定形式减少的情况，称之为地震活动间隙。主要有美国的安德逊水库。,库区及附近断裂带,2、震源极浅（47Km，导致面波强，0点几级就有震感，3 级就可造成破坏）,3、地震活动峰值在时间上均较水位或库容峰值有所滞后,7.3 水库诱发地震的共同特点,7.4 水库诱发地震的诱发机制（成因） 水库诱发地震的确切诱因现在尚未完全查明，有多种学说：水库荷载机制；孔隙水压力机制；岩溶塌陷与气爆机制等。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(indirectly induced)。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
8、来的应变能较早地以地震的方式释放出来。,水库蓄水对库底岩体的各种效应 概括说来，水库蓄水以后对库底岩体可以产生以下三方面的效应： 1、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，可见这类效应并非是经常都起作用的。,2、水库的荷载效应 水库对库底岩石的荷载效应是最易理解的，并可根据水深计算其压强。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（尤其大水库）；当库底岩体两侧有深大陡立断裂时该效应更加明显。,空 隙 水 压力效应,即：,透水裂隙,3、空隙水压力效
9、应,75 诱发水库地震的工程地质条件 1、岩性： 石灰岩地区（透水）的诱震率较高； 花岗岩地区(岩石强度高、应变能大)诱震震级较高：5.5级以上6例中占4例； 岩性软弱的粘土岩或砂、页岩地区很少； 库底淤泥较厚时，也不易。,2、地质构造： 多出现在活动性大地构造环境， 尤以中新生代断陷盆地、第三纪以来的断裂谷地及其边缘为多， 但不局限于活动性构造环境，M4级的小震随机性很大。 陡倾角的张性和张剪性断层常构成发震构造。,3、地应力： 大多发震构造的力学类型是剪切破裂。已有断裂能否产生新的剪切破裂，主要取于1于断裂的夹角，以=30-60最多。 4、水文地质条件： 库区周围有隔水层分布，可形成大致圈
10、闭的水文地质条件：有利于库水沿断裂向深部入渗u上升断层面减小。,5、坝高与库容： 高坝诱震几率大，到80年代，全世界坝高与诱震强度有明显的正相关性。库容相对不明显。,H200m 的 25座: 诱震8座占32%,76 水库诱发地震工程地质研究的基本原则 坝高(100m)库容大(20 x108m3)的水库，在建坝前的工程地质调查中，水库诱发地震产生的可能性作为专门研究项目之一。,7.6.1 可行性阶段的研究 目的是初步判定产生可能性，主要研究如下内容： (1)区域地质及地应力状态研究。 主要是查明是否存在有利于水库诱发地震产生的上述大地构造及区域地质条件。根据大地构造部位、天然地震层源机制及近期活
11、断层错动机制，判定现代地应力场的基本特征，还需要判定近期活动断层的空间方位、水库位置及附加应力是否有利于断层活动。,(2)地震历史研究 历史地震及近期地理的震级、烈度、震中分布、震源深度、震源机制及与近期活动断层间的关系。 汪雍熙等参照地震危险性分析方法，考虑到水库诱发地震研究的最新进展和水库诱发地震的特殊规律，提出了一套逻辑上比较严密、工作步骤上充分程式化的水库地震危险性初步评价方法，使获得的成果能与天然地震危险性评价具有可比性和相近的可信度，从而能在坝址地震危险性评价中综合考虑天然地震与水库诱发地震的联合作用。其工作框图如图41所示：,图41 水库诱发地震危险性初步评价工作框图,762 初
12、步设计阶段的研究及蓄水的监测 早期研究如判定有水库诱发地震可能性且预计烈度大于基本烈度，应在选坝后进行以下详细研究以进一步判定可能性： (1)水库及坝区地质地貌及构造新活动性的详细勘察； (2)设置固定地震台网进行地震监测； (3)进行地应力测量确定构造应力量值及方向，以及它们随深度的变化； (4)测定有可能活动的断层带上下盘的透水性和断层带的地下水位；,(5)在水库附近布设精密水准测量网，进行定期量测，以便了解蓄水前后的地形变； (6)对伴有地震活动的活断层埋设仪器，以便进行蓄水前后活动性的对比。,7.6.3 建库发震后的工程地质研究 水库建成蓄水后地震活动频繁，应进行以下专门研究： (1)
13、增设流动台站进行精确测震工作，测定震源位置，确定它与断裂的关系，测定震源参数，研究地震序列； (2)装置地应力测试装置观测地应力变化装置倾斜仪等以观察地形变； (3)定期进行精密水准测量与跨断层短基线三角测量，特别是较高震级的地震发生要立即测量并与地震前对比；,(4)研究库水位变动、库容增减及水库充水速率变化与地震频度、震级之间的关系； (5)研究较强诱发地震的震害及地震影响场特征； (6)对库区主要岩石类型进行岩石力学测试，测定它们的力学参数； (7)对诱发地震的发展趋势作出评价与预测； (8)配合设计、施工人员，对震害防治与处理措施提出建议。,7.7 三峡水库 7.7 .1 三峡水库利与弊
14、 承载几代人梦想的三峡水库变成现实时，举国欢腾。可没过几年，诸多弊端呈现，又令我们大皱眉头。功在当代，利在千秋，现在看来，只是我们一厢情愿而已。是我们想得太好，还是考虑不周；是当时条件下无法前瞻，还是而今形势逆转？我思绪纷然。总之，弊端初现，我们必须正视。 灌溉、蓄洪、通航、养殖、发电，随便拈一样，都吸引我们的眼球，牵我们心动。,弊： 其一：三峡水库工程改变了河流的水文状态，破坏了生物的多样性，给洄游鱼类带来毁灭性的打击。长江流域曾是回溯鱼类理想栖息地，因为它给洄游鱼类生活提供了繁殖场、育卵场、产卵场和洄游通道。三峡水库落成后，长江中上游激流变成缓流，使适应激流性鱼类失去生存环境。而修建鱼道成
15、本大，难度高，效果如何，也有待论证，加之认识不统一，目前我国所修大坝都没有考虑鱼道。前一阶段媒体曾报道过许多洄游鱼类撞死在坝堤上的惨剧。,其二：三峡库区，由于长时间浸泡，高水位落差，会造成山体滑坡，形成消落带，大量崩岸涌浪高达数十米，范围十余里，而这也将带来很大隐患。 其三：库区每天形成的大雾天气，极不利于通航。虽然从理论上说，河道深了，通航条件好了，会增加通航能力，但由于长时间大雾弥漫，实际通航能力，并不像我们当初想得那样如意。,其四：带来气候性影响。虽然我们目前还不能断言，天府之国近几年来冬干春旱的反常气候，与水库有多大关联，但至少不能排除此影响。我们不能不满腹狐疑，向来风调雨顺的天府之国
16、，何以在水库落成之后，频频遭受气象性灾害。而处于中下游的洞庭湖、鄱阳湖水位也连续跌至历史最低，许多渔民无业可做。07年湖北沙市水位也跌至140年来最低，湘江水位也接近历史的枯水期，这些因素的变化，势必会影响气候，因为气候本身就是一个综合体。,其五：长江水文环境的大变，致使近年来洞庭湖鼠灾泛滥，农作物几乎绝收。少数脑活乡民，向广东贩卖鼠肉，以减少损失。其中隐患让人想到03年SARS，不寒而栗。 其六：库区水面垃圾成岛，水华频增，污染严重，使治理成本加大，已高于世界7%。我国因环境污染、生态破坏造成损失已占GDP15%，远远高于发达或其他发展中国家。敬,7.7.2 三峡水库诱发地震概况 关于三峡工程的地震安全性，从该工程纳入国家议事日程时起，就已作为工程建设的重大问题进行了研究。 在上世纪50、60年代，国家进行了大量的基础地质研究。从1958年开始，在三峡坝址和周围地区就建立了专用的地震监测台网，持续观测已有44年。 此阶段研究得出了重要结论：一是三峡工程处于区域地质构造相对稳定的弱震环境；二是天然地震活动水平较低。
