水库诱发地震工程地质研究

水库诱发地震工程地质研究

殷琦曹建军王洁

殷琦曹建军王洁(南京市水利规划设计院有限责任公司)

摘要：水库诱发地震经常威胁水库、大坝的安全，而由其引起的次生灾害远比其造成的直接破坏更加严重。相对于天然地震，水库地震很容易产生水患和社会恐慌。因此，应对水库地震给予充分重视。预测水库诱发地震类型、潜在震源区及可能发生的震级上限，并对水库诱发地震的危险性进行评价，可为工程运行、库区周边居民正常生产生活提供决策依据，也为政府部门做好地震防范措施提供一定的参考。

关键词：水库；地震；条件；效应1水库诱发地震的基本特征1.1水库诱发地震类型水库诱发地震类型主要有以下几种：（1）构造破裂型。构造地震亦称“断层地震”，它是由地壳（或岩石圈）发生断层而引起。发震条件主要是：(1)有区域性或地区性断裂带通过库坝区；(2)断层在上更新世以来有明显的构造活动；(3)沿断裂带有地震活动的记载；(4)断裂带具有一定规模和导水能力，库水能渗向深部等。

（2）地表卸荷型（又称裂隙型）。水库蓄水后库水会渗入充填到库岸岩体的裂隙空隙中，会产生附加的孔隙水压力，水的渗透、浸泡及孔隙水压力软化了岩石，对裂面起到润滑作用，使浅表岩体更容易失稳，导致岩体局部坍塌而产生地震。

（3）岩溶塌陷型（也称气爆型）。因库水位上升，迅速淹没某些岩溶管道系统，造成被围堵的水和气体在其中冲击振荡，而库水下降时引起局部岩溶塌陷和气爆活动，并伴生地震。发震条件主要是：(1)库坝区及其附近有大面积的碳酸盐岩分布，特别是未变质的质纯、厚层块状灰岩；(2)岩溶发育，有管道系统。

1.2水库诱发地震特点（1）水库诱发地震震中主要集中在断层破碎带附近、库坝附近10km范围内，或水库主体两侧的峡谷基岩裸露区（如新丰江）。密集于水库最大水深处及其附近（卡里巴、科因纳），往往密集成带状或团块状分布。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。有的震中初期离水库较远而随后向水库集中。

（2）水库诱发地震震源较浅、震源体较小，一般影响范围小，与构造地震差别较大。震源深度大多在4~7km，一般在10km范围内，最深可达20km，最浅仅0.5km。一般表现为震中区烈度较高，面波强烈，有的零点几级便有震感，3级以上就会造成轻度破坏。由于震源浅，水库诱发地震往往伴有地声。

（3）水库诱发地震有两种重要的类型：快速响应型和滞后响应型。快速响应型地震的成因之一是岩溶塌陷或气爆，多发生于溶洞发育的石灰岩库段。水库荷载引发的地震也属快速响应范畴。滞后响应型地震则要在开始蓄水相当长一段时间后才发生。其滞后时间长短各不相同，一般为数月到数年不等；滞后响应型水库地震释放构造能。

破坏性大的水库诱发地震多为滞后型地震。

2水库诱发地震的地质背景条件2.1水库区的天然应力状态初始构造应力场形式对诱发地震产生的可能性有决定性意义。一般潜在正断型产生诱发地震的可能性最大，走滑型次之，逆冲型不产生甚至活动性减弱。水库诱发地震中正断型发生的地震最多，位于断陷盆地边缘的水库最易发震（如卡里巴地震），属于逆断型机制的水库诱发地震极少。

水库诱发地震需要很高的天然地应力和一定的应变速率条件，在应变积累速度很高的天然地震区，水库诱发地震的震级不高，高震级的水库诱发地震均不在天然高震级区；在应变积累速度中等到较高的地区，特别是蓄能条件好、应力较集中的地方，最利于水库诱发地震的发生；在应变速度很稳定的地区，产生水库诱发地震的可能性最小。

2.2构造条件（1）断裂、裂隙的发育情况。因为它们是水库诱发地震的震源体和导水介质，特别是活动断裂、深大断裂及地热活动断裂区域，最易发震。

（2）新构造活动迹象。明显的新构造活动迹象是产生天然地震也是产生构造地震的必要条件。

（3）地热流现象。地热流高是已有水库地震震例一般都具有的条件。根据已有水库诱发地震资料，大多有地热流现象。

2.3岩性条件水库诱发地震与岩石性质密切相关，脆性岩体不但强度高，有利于应变能的积累，而且在岩层变形过程中易产生张性结构面，为库水下渗提供良好通道，特别是在碳酸盐岩岩溶较发育区。根据已发水库诱发地震震例资料看出，在石灰岩、花岗岩等脆性岩分布区，水库诱发地震发生最多。柔性岩体恰好相反，蓄能条件差且隔水性好，不易产生水库诱发地震。

2.4水文条件岩体透水性、天然地下水位也与水库诱发地震密切相关。一般来说，岩体透水率随深度而减小，原始地下水位低以及蓄水后具有有利于向深部渗入的通道，是有利于孔隙水压力效应的良好水文地质条件。水库蓄水后改变了库底断层的受力状况，打破了原有平衡。另外，水会渗入充填到库底岩体的裂隙空隙中，会产生附加的孔隙水压力，水的渗透、浸泡和孔隙水压力软化了岩石，岩石饱水后强度降低，使岩体更容易破裂、断裂；水的渗入会对断层面起到润滑作用，导致断层摩擦系数降低，使断层更容易发生错动而产生地震。这种孔隙水对断层活动的影响，要大过水库荷载的影响。

3水库诱发地震的形成机制3.1水的物理化学效应水对库基岩体的物理化学效应主要表现在以下几点：（1）这种效应可以降低库基岩体及结构面强度，会使断裂面及充填物软化、泥化作用，对结构面起到润滑作用。

（2）产生楔裂作用，高压水使封闭裂隙局部应力集中，使裂纹扩展、生长、串通，引起局部应力释放，产生微震。

（3）应力腐蚀作用，库基岩石中有的矿物（如石英），在临界温度以下，只要温度降低很小时，强度可以大大降低，而水的作用可以使其温度降低，从而使岩体破坏时间缩短，裂纹发展加速。

3.2水的载荷效应水库对库基岩体的荷载能在岩体内造成附加应力，从而恶化断裂面的应力条件。如果岩体内发育有相互平行的陡立软弱结构面，则能限制应力向两侧传递、扩展，使应力集中在结构面所限的岩体中，因而能影响到较大深度。陡立结构面抗剪强度越低，其应力集中程度越高。大水库库基岩体若被深大陡立断裂面所限，水库载荷效应则能起到重要作用。

垂直载荷还能造成岩体变形，也会产生一定附加应力，若与构造应力叠加，则能在诱发地震中起到一定作用。

3.3孔隙水压力效应当库水向岩体裂隙中渗透后，岩体中的孔隙水压力会增大，相应降低了作用在裂隙面上的有效正应力，从而降低了抗剪强度。只要岩体是透水的，库水渗透后就会产生孔隙水压力效应，会在水库诱发地震中起到一定作用。

总之，上述几种效应只是地震的诱发因素，其决定性因素还是库底的地质条件。若库底有活断层或水库处于新构造活动区，则岩体内已存在相当大的构造应力场，在库水的载荷效应及孔隙水压力效应联合作用下，使地壳表层的应力状态重新调整，促使岩体内积累的应变能释放产生断裂错动而产生地震。

参考文献：[1]丁原章．水库诱发地震［M］．北京：地震出版社，1989．[2]吴景浓．岩石软化与水库地震［J］．华南地震，1981（1）：84-95．中国水电顾问集团成都勘测设计研究院．二滩水电站防震抗震安全性复核评价专题报告［R］，2008