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1、第六章 水库诱发地震活动的工程地质分析,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。 其形成一方面依赖于该区的地质条件、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。,6.1 基本概念及研究意义,1、采矿诱发地震 由于地下开采活动形成较大采空区，或因强烈排水疏干等，采空区上覆岩体大范围下沉破裂或冒落冲击底板，引起岩体破坏振动而发震。 辽宁省北票煤田台吉井区,1921年开发,1970年,当台吉竖井
2、采掘到距地面500-900m深时,井区开始出现微震活动.1977年4月28日MS=3.8级. 特征：震级小，周期大，衰减快，烈度高，余震衰减快。 影响范围小，震源常位于开采端面附近。 2、岩溶气暴型地震 大型溶洞，一旦快速充水而使洞内空气压缩，对岩体产生强大冲击力，使岩体变形破裂或塌落引起地震。 特征：震源浅，震级小，影响范围小，无群震，全世界有69例。,3、地下爆破引发地震 世界上已有几起因地下核实验诱发地震。例如美国进行过系统观测，结果如表。,4、注液诱发地震 美国：丹佛盆地，深井3762m，废液处理。62.3.向井底注液，47天后，井附近发生3-4级地震，其小震不断，66.2.停止注液，
3、地震至70年才渐渐停息，其记录，1584次，震源4.45.5km,震中呈椭圆形围绕井口分布，右旋走滑。 我国：任丘油田，86.7.，845井注水，86.9.6日发震，112次，12月停止注水，地震渐停息，87年底 恢复 注水，又开始发震。 胜利油田、江汉油田、武汉洪山均有此例。,5.水库诱发地震:由于水库蓄水而导致库区地震活动显著增强的现象。 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。但是水库诱发地震则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
4、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，阿尔及利亚福达溪水坝（1932） ，美国胡佛水库（1935，5级）先后发生地震活动。,60年代以来出现了一些新的情况： 一方面是几个大水库相继产生了6级以上的强烈地震，造成大坝、附近建筑物的破坏和人员的死伤；我国新丰江水库（1962,6.1级），赞比亚卡巴里水库（1963，6.1级），希腊科列马斯塔水库（1966,6.3级），印度科因纳水库（1963,6.5级），其中3次地震造成不同程度的伤害。 另一方面是发现了深井注水可以诱发地震，为水库诱发地震
5、的形成机制提供了有价值的资料。于是这方面的研究重新活跃起来。,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，而以水库活动性增强为着重点。,6.2 水库诱发地震活动性变化 的几种典型情况,6.2.1 蓄水后地震活动性增强水库诱发地震3种类型：卡里巴科列马斯塔型：地震活动与库水位波动相关性不明显，震源机制解为倾向滑动型(正断层)，水库位于断层下降盘。科因纳新丰江型：地震活动与库水位波动明显正相关，但
6、震动峰值滞后于水位峰值，震源机制解属于走向滑动型。努列克型：地震活动对水库充水速率降低极其敏感，震源机制解为逆冲、走滑兼而有之，地震产生于断层上盘。,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。,6.2.1.1 卡里巴科列马斯塔型,科纳因水库,6.2.1.2
7、 科因纳新丰江型,典型性,水库诱发地震最高达6.5级库区附近近200年无地震活动主震发生于蓄水之后的5.5年地震频度峰值滞后水位峰值3-6个月,（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200a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，由致密块状玄武岩与凝灰岩及气孔状玄武岩互层，凝灰岩中央有红色粘土，渗透性不良。,地盾是大陆地壳上相对稳定的区域。和造山带相反，在地
8、盾中造山活动、断层以及其它地质活动都很少。地盾通常是大陆板块的核心。,仅在右岸近河床部分发现一条走向近南北、近于直立的剪切破碎带。地震频度与库水位高峰正相关，但频度峰值明显滞后于水位峰值，一般滞后3-6个月。震中密集于大坝及水库水深最大的部位附近。震源机制解为走滑断层，主压应力方向近于南北向，与印度地盾的构造应力方向一致。,据科因纳不到100km的印度西海岸有区域性大断层。致密玄武岩和基底片麻岩、花岗岩产生的弹性变形能量储存起来，近200a左右的期间没有释放，应变能累积程度很高。厚层玄武岩透水性不良，故高孔隙水压力诱发的地震活动显著滞后于水位峰值，且由浅入深逐级诱发，逐步为水的向深部渗入创造条
9、件，并于蓄水5a多之后诱发了大震。,（2）新丰江水库诱发地震,新丰江水库,典型性,水库诱发地震最高达6.1级但大于5级地震共发生了三次主要发生于水库蓄水后两年内地震峰值滞后于水库蓄水24个月，比科纳因水库短,库区主要为侏罗纪花岗岩，受多条断裂切割，尤其是下游1.5km处的河源-邵武大断裂，该断裂属区域性发震断裂，水库蓄水前25年内发生过4次2-4级地震。但是水库诱发地震活动沿此断裂带和人字石断裂带均不发育。控制本区水库诱发地震分布的是地面上不突出的NNW和NEE向两组交叉断裂。,洞源区,大坝附近峡谷区,与科因纳水库比较，新丰江水库由于库坝区岩体被多条断层切割成块体，所以蓄能条件较差，震级较低。
10、接近断裂带处岩体的渗透性较好，所以主震发震早、震动释放能量E的峰值滞后于水位峰值的时间也短得多。,（3）努列克型,典型意义：它是天然地震强烈且现代地应力场和现代断裂活动均属于逆掩断层型的少有的水库诱发地震实例之一。,水库附近的塔吉克坳陷层多次发生大地震，其中包括8级地震。蓄水后1971-1979年发生1800多次地震（1.4-4.6级），超过了蓄水前年均发生率的4倍。蓄水是地震活动显著增强。所有的高地震活动性时期都发生在水位高出以前最高水位或接近以前最高水位的10m范围内。,塔吉克坳陷,如果水位较以前最高水位下降10m则地震活动性减弱。所有大地震和多数地震活动的爆发都由于水库冲水速率下降所引发
11、，而冲水速率增加并不由发地震活动。例如最大诱发地震都伴随冲水速率以0.5m/d降低而产生，多数情况下，水库已0.2m/d的较小速率开始放空，地震活动性也立即增强，地震活动与冲水速率降低时间关系一般滞后1-4日。,报道较少，分两种情况：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；地震活动性在水库所在部位近于消失，产生所谓的“地震活动性间断”,6.2.2 蓄水后地震活动性减弱,曾文水库（我国台湾）属第一种情况。水库附近震源深2.5km的事件，此后这些事件消失蓄水的大多数地震事件发生于震源深为2.58km间，库区附近地震活动性显著降低,曾文水库概貌,（1）水库蓄水后地震活动性一般地减少
12、,塔尔柏拉水库（巴基斯坦）属于第二种位于喜玛拉雅南麓，断层基本都为逆断裂水库蓄水5年后，地震活动性显著降低,安德逊水库1950年蓄水后，沿北西向断层分布的地震带在库区附近地震活动明显减弱,微震消失是由于空隙水压力使断层面上的有效压应力降低，使断层上有震粘滑点转为无震蠕滑点,从以上典型实例描述可知，水库诱发地震不同类型虽各有其特性，但概括起来它们却有很多共性。这主要是：这类地震的产生空间和地震活动随时间的变化与水库所在空间和水库水位或荷载随时间的变化密切相关，表示介质品质的地震序列有其固有特点和震源机制解得出的应力场与同一地区产生天然地震的应力场基本相同。,6.3 水库诱发地震的共同特点,6.3
13、1 地震活动与水库的空间联系 6.3.1.1 震中密集于库坝附近,通常主要是密集分布于水库边岸几km到十几km范围之内。或是密集于水库最大水深处及其附近(卡里巴、科因纳)，或是位于水库主体两侧的峡谷区(新丰江见图612，丹江口如图625)。如库区及附近有断裂，则精确定位的震中往往沿断裂分布。有的水库诱发地层初期距水库较远而随后逐渐向水库集中(丹江口、苏联的努列克)。,水库诱发地震主要发生在库水或水库荷载影响范围之内，所以震源深度很浅。一般多在地表之下10km之内，以4-7km范围内为最多，且有初期浅随后逐步加深的趋势。,6.3.1.2 震源极浅、震源体小,新丰江水库诱发地震1962年至1965
14、年5月震源深度分布有如图6-26所示。由于震源浅，所以面波强烈，震中烈度一般较天然地震高，零点几级就有感，3级就可以造成破坏。 我国天然地震震级与震中烈度之间，有如下的关系式。,M0.58I0 +1.5 其中：M为震级；I0为震中烈度。 由于震源极浅，水库诱发地震往往伴有地声。我国有地声的水库诱发地震有新丰江、丹江口、南冲、佛子岭等。国外报导有地声者有蒙太纳、格朗格瓦尔、科列马斯塔、康特拉、福达溪坝等。 由于震源浅且震源体小，所以地震的影响范围小，等震线衰减迅速，其影响范围多属局部性的。,这种相关性已被广泛用以判别地震活动是否属水库诱发地震。一般是水库蓄水几个月之后为微地震活动即有明显的增强，
15、随后地震频度也随水位或库容而明显变化，但地震活动峰值在时间上均较水位或库容峰值有所滞后。 我国几个水库诱发地震蓄水开始与微震活动加强有如表6-3所示的关系。,6.3.2 诱发地震活动与库水位及水荷载随时间变化的相关性,1970.1是根据三峡站记录的Ma1.2的地震.较小地震因库区无台未能测得，故值不可靠，据另一种资料最早为1968.3，则间距为4月。,表6-3 水库蓄水时间与地震活动加强时间对照表,水位的急剧上升与急剧下降，特别是急剧下降，往往有较强地震产生。例如丹江口的4.7级震即产生在水位急剧上升后的急剧下降期，新丰江水库1977年的4.7级震也产生在水位急剧下降期.,既然水库诱发地震有水
16、的活动和水库荷载参与，这一特点必然在地震序列中有所反映。根据多个水库诱发地震序列的研究，它们的特点如下：,6.3.3 水库诱发地震序列的特点,(1)水库诱发地震以前震级丰富为特点，属于前震余震型(茂木2型)，而相同地区的天然地震往往属主震余震型(茂木1型)(图627)。以新丰江水库诱发地震为例，从蓄水到主震发生的39个月内，共记录到从0.4的前震81719次。,与水库诱发地震相比，天然地震前震小而少就很突出了。茂木2型地震序列表明介质不均匀，被断裂切割为多个块体，且应力分布也是不均匀的，这是由于水库蓄水使岩体弱化所致。 (2)水库诱发地震余震活动以低速度衰减，例如我国新丰江水库诱发地震，1960年10月18日新丰江水库设立第一个地震台开始至1987年12月31日止，已记录到从0.6级地震337461次，活动时间持续至今，整个活动期已30余年，科因纳水库地震活动迄今仍未停止。,
