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1、水库诱发地震工程地质研究,提 要,概 述 水库诱发地震的基本特征 水库地震地质背景条件 水库诱发地震的水诱发机制 工程地质研究,类型,水库地震 向地下深部注液或抽液引起的地震 采矿诱发地震 地下爆炸诱发地震 岩溶气暴型地震,第一节 概 述,诱发地震由于工程活动，对特定地质环境施加某种影响，而导致一个无震地区发生地震或原发震区地震活动增强或减弱的地震现象。,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,当台吉竖井采掘到距地面500-900m深时,井区开始出
2、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，地震至70年才渐渐停息，其记录， 1584次
3、，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、水库诱发地震伴随水库蓄水过程，导致地壳应力状态 改变而出现库区及近区地震增强或减弱的现象。最早出现于1931年希腊的马拉松水库， 4.7级地震，对雅典城产生破坏。,水库诱发地震活动重要实例,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，发现有相当一部分水库蓄水过程中伴随有水库
4、诱发地震现象。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；另一方面是发现了深井注水(美国)可以诱发地震，为水库诱发地震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。,世界几例震级6.0以上水库地震,第二节 水库诱发地震的基本特征,典型实例 例1.新丰江水库 例2.科因纳水库,例1. 新丰江水库 坝高105m，库容115m3， 河谷型水库。 地质背景： 花岗岩，两条活断层： 河流断裂（长600km，坝下1-5km处通过）； 人字石断裂（坝上游6km)东面河源为界为断陷盆地。 弱震区。,诱发地震概况：59.1
5、0.20蓄水，一个月后水位 上升20m，广州地震台收到地震 60.7.18，水位上升到90m，不到 1个月发生343级地震9次，小 震很多61.3，水位略降，地震 明显减少61.7水位猛涨为113m， 地震随之十分频繁。此后，100m水 位持续二年余，地震频发，62.3.19， 4时18分发生6.1级地震，其后余震 不断，其中4级20次之多，60-87 年总共发震337461次，4级 49次震中：大坝附近，峡谷区，北北西和北东东断裂控制。震源深：4.5-5km，主要后延到7km。震源体：走向滑动型，迁就NNW张扭断裂，1为N730w，（与粤东应力场基本一致）。震中烈度：8度,例2. 科因纳水库
6、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，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，凝灰岩中夹有红色粘土，渗透性不良。,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
7、场与同一地区产生天然地震的应力场基本相同。,一、空间分布特征 1. 震中位置震中主要集中在断层破碎带附近、大坝附近几km，峡谷基岩裸露区(新丰江，丹江) 。密集于水库最大水深处及其附近(卡里巴、科因纳)，往往密集成条带状或团块状，其延伸方向大体与库区主要断裂线平行或与 X 型共轭剪切断裂平行。常分布于库区岩溶发育部位或断裂构造与岩溶裂隙带的复合部位。有的震中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)。,丹江口水库附近震中分布图（19691975年） 1、2、3、4蓄水前天然地震，圆圈大小表示震级； 5蓄水后诱发地震； 6水库边界,2. 震 源震源较浅，震源体较小，与构造地震差别
8、十分大。大多47 km，一般10 km以内，最深20km左右，最浅者 500m。初震震源浅，随后不断加深。震源深度与库容正相关。表现为震中区烈度高，面波强烈,有的零点几级便有感，3级以上造成轻度破坏。由于震源极浅，水库诱发地震往往伴有地声。震源体小，影响范围小。我国天然地震震级与震中烈度之间，有如下的关系式:M0.58I0 +1.5,3. 等震线形状主要与库区构造、岩性条件有关 构造型水库地震：椭圆形，长轴方向与所在地段的主要构造线或发震断层走向一致或平行 发生于新老地层接合部位的水库地震：等震线的长轴方向与新地层的接合线方向一致 岩溶区发生的水库地震：等震线多为不规则的多边形或近似圆形，且与
9、当地发育的岩溶形态一致或基本一致. 等震线衰减迅速,影响范围小。,我国某些水库诱发地震震中烈度比较表,二、地震活动与库水的关系,1、绝大多数水库的地震活动与库水位或 库容正相关随着库水位增高，库区的地震活动逐 步增强，随水位降低而减弱，且经过高水 位之后即发生主震。一般震前相关性好， 主震后相关性差一些。,2、少数水库区的地震活动性随着库水位的 增加而明显地降低，呈负相关原因： 逆断层应力状态不利于发展。蠕化变形释放能量，使地震减弱。 3、 滞后性一般 滞后几个月，最长几年，主 震在高水位后一段时间。与震源深浅、岩体透 水性等有关。,1970.1是根据三峡站记录地Ma 1.2的地震。较小地震因
10、库区无台未能测得，此值不可靠据另一种资料最早为1968.3.则间距为4月。,三、地震活动的序列特点,地震序列指时间相对集中，同处于一震源体内的一系列地震的强度和频度随时间变化过程，以及强度与频度的相关性。,实验现象：岩石受力破裂，弹性振动，振动频度与材料的不均匀性，强度有关，材料越不均匀，强度越低，越易产生高频振动；绝对均匀材料，只产生一次性破裂，不产生微裂。低应力比较高应力状态下，岩石更以微破裂占优势，即小震动频度高。 水库水的作用下，地质体特点： 水渗入岩体使其不均匀性增加。 水压力下，使岩体产生微破裂，加大不均匀性。 水对地质体软化作用，降低强度，增加粘滑性。 库水渗入深度有限，常在较浅
11、处、低应力下产生岩体破裂。,1. 地震频度与震级的关系, N a b MN震级M的地震数a与观测周期、观测区大小、地震活动水平有关的常数b受震源深度、震源均一性、震源应力条件的控制，b值越大意味着小震次数越多，说明震源介质不均匀，应力越低。变化于0.51.5。是判断构造地震与水库地震重要依据。,水库地震： b前1.2-1.5; b余1.0-1.2 构造地震：b前0.3-0.6; b余0.8-1.2 b水b构； 水库地震 ：b前略大于b余； 构造地震：b前 4.0的水库地震，均位于现代构造活动活跃区，地应力高达103104bar;与 差值正是诱发地震滞后的原因之一。地震发生于应变速率很高地区，但
12、太高地区不一定发震，往往为中等偏高地区。水库地震很少见于现代强震区，而往往在该区的附近地区，因为水诱发作用相对高应变速率微不足道。当地壳实际应变速率 岩体临界应变速率时才产生破裂。在应变积累速度很低的稳定地块内部，如俄罗斯地台、西伯利亚地台、加拿大地盾、非洲地盾等地，产生诱发地震的可能性很低，在这些地方有很多高坝、大库，均无明显的水库诱发地震。,三、构造条件断裂、裂隙发育情况，它们作为震源体和导水介质。 注意活动断裂、深大断裂、地热活动断裂。断裂与现代地应力关系。明显的新构造活动迹象是天然地震也是水库诱发地震的必要条件。地热流高是已有水库地震震例一般都具有的条件。它表明新构造活动影响到地壳深部
13、或达到地幔。反映地热流高的现象是近期火山活动和温泉。,四、岩性条件 有人将岩性的易发震性划分如表：,坚硬、多裂隙、易发震。大多为碳酸性岩区及火成岩。,五、水文地质,岩体透水性、天然地下水位、岩溶发育、第四系厚度、地下封闭环境。岩体透水性十分重要，据40多个水库和深井注水资料，测得岩体渗透率岩体透水率随深度而减小，米勒1981年提出：（ 衰减系数，0.1-0.2；Z深度； 地表岩体透水率）Bredhocht等1968年提出，只要岩体渗透率在毫微达尔西量级，就可保持有孔隙水压力（可测）。谢原定等人认为，地表浅层 5 km内，围压和温度对渗透率影响在一个数量级之内。原始地下水位低以及蓄水后具有利于库
14、水向深部渗入的通道，是有利于空隙水压力效应的良好水文地质条件。,第四节 水库诱发地震的水诱发机制,一、水岩作用机理,1. 水的物理化学效应,降低岩体及结构面强度至 ，,润滑作用 软化作用 泥化作用,促进岩体断裂的生长,楔裂作用：高压水使封闭裂隙局部应力集中，使裂纹扩展、生长、串通，引起局部应变能释放、产生微震。 应力腐蚀作用：岩石有的矿物（如石英），在临界温度以下，只要温度降低很小时，强度可大大降低，而水的作用可使其温度降低，从而使岩体破坏时间缩短，裂纹发展加速。 高渗流剃度效应,2. 水的荷载效应,垂直变形、挠曲变形附加应力,水荷载,（1）压力，例：对卡里巴水库计算，水深127m（相当库盆压力13bar），计算得 5 km处，垂直压力增量6.68bar、剪应力增量2.12bar、而该处岩体应力 可达1000bar，相比之下，增量微小，约以 衰减。（2）沉陷，例：新丰江水库，水位105m，计算库盆中心下沉10-11cm（实测10cm），10km处，下沉值为0，水平位移向库心收缩，边缘最大。6km处为转换带，向下位移正好与上面相反。,
