马俊红
（山西省地勘局二一七地质队，山西 大同 037008）
因水库蓄水而诱使坝区、水库库盆或近岸范围内发生的地震叫做水库诱发地震。自1931年希腊的马松水库首次诱发地震以来，到 1986年底（1988年出版的《世界大坝登记》）的 55年时间内，世界上已有79个国家建成库坝37 308座，其中已有29个国家报道了116座水库诱发地震的震例（详见表1），发震率为3.1‰。笔者根据目前已掌握的资料对水库诱发地震问题提出一些粗浅的认识，以期与同行其商榷。
1 与水库诱发地震相关的因素
1.1 岩性
从52例统计数分析，诱发地震的水库可溶岩地区25例，占48.1%；火成岩地区12例，占23.1%；变质岩地区11例，占21.1%；碎屑岩地区4例，占7.7%。其中，近一半的水库诱发地震发生在可溶岩地区，说明水库诱发地震与库区岩石的渗透性能有着密切的关系，如我国湖北省的邓家桥水库，每当库水位淹没库左岸的溶洞口后，就会诱发一系列的微震；又如我国湖南的黄石水库，每当库水位到达库尾奥陶系灰岩区时都要诱发地震。6例5.5级以上的水库诱发地震中有4例发生在以花岗岩为主的火成岩地区，占 66.7%，说明岩石强度与水库诱发地震的强度成正比关系。
1.2 构造
从65例统计数分析，49例位于断陷盆地和褶皱带上或位于活动断层附近，而其余诱发地震的水库均与附近小构造有着密切的关系。说明水库诱发地震离不开地应力相对集中的断裂构造，即离不开一般地震的机理。如1962年3月19日发生Ms6.1级主震的我国广东新丰江水库位于断陷盆地边缘的北北西和北东东向断裂部位，1963年9月10日发生Ms4.0级主震的意大利瓦依昂水库处在新生代褶皱带上。
1.3 库水荷载
从理论上分析，库水荷载可以增大地下一定深度内断裂面的应力。根据 J.B.Beck对美国奥鲁威尔库水荷载的计算，库水深200 m时地下1 km处的岩体因库水荷载增加的剪应力为3.4 kg/cm2，地下5～10 km处的岩体因库水荷载增加的剪应力为0.12 kg/cm2。
从实际来看，坝高10 m的美国卡宾溪水库1956年诱发了初震，1967年4月诱发了Ms5.1级主震，坝高29 m的我国四川新店水库1974年2月诱发了初震，1979年9月15日诱发了M s4.2级主震，而数以千计的上百米大坝的水库并未诱发地震；库容400万m3的意大利安卑斯塔水库1957年蓄水后诱发了小震，库容40万m3的瑞士威尔扎卡水库自1967年蓄水后诱发了小震，而数以万计的上亿m3的水库并未诱发地震。从上述两个方面来看，库水荷载对水库诱发地震有一定影响，但由于在地下1 km处产生的影响仅是坚硬岩体强度的3.4‰～5.6‰，在地下5～10 km处仅是坚硬岩体强度的0.1‰左右，因此对水库诱发地震的影响程度甚微。
表1 世界水库诱发地震统计表
1.4 地震背景
从 56例统计资料分析：23例水库诱发地震发生在地震区内，占 41.1%，位于多震区的水库蓄水后以诱发中强地震为主（占69%），但由于水的下渗可以促使正在聚集的相当大的弹性变形能量以小震形式提前逐渐释放，使地震活动强度降低，如巴基斯坦的曼格拉水库，蓄水前地震烈度为Ⅷ～Ⅸ度，1968年水库建成蓄水后发生的最大地震为Ms3.6级，这种情况下库水可起到控震的作用。33例水库诱发地震发生在无震区内，占58.9%，位于无震区的水库以诱发弱或微型地震为主（占71%）。
1.5 孔隙水压力机制
从水库诱发地震综合分析孔隙水压力机制是比较困难的，但从另一方面来看孔隙水压力在水库诱发地震中的作用就会一目了然。1962年美国科罗拉多州丹佛附近一家军工厂为处理废水打了一眼3 671 m的深井，以高压向井内注水诱发了地震；1972年我国武汉进行深井施工时诱发了一系列小震；我国河北任丘油田在高压注水后亦引发了一系列小震。以上实际资料充分说明了孔隙水压力机制在水库诱发地震中的重要作用和敏感性。
2 水库诱发地震的特征
2.1 震中位置
水库诱发地震的震中除少数发生在坝址附近外，绝大多数分布于库区中部及尾部，距库边线一般不超过 3～5 km，最远10 km。从58例统计数分析：大坝上下游3 km范围内有13例，占22.4%，如1962年诱发Ms6.1级主震的我国广东新丰江水库大坝距构造为1.1 km；库区中部及其两岸5 km范围内有35例，占60.3%，如1939年诱发Ms5.0级主震的美国米德湖水库；库区尾部及领区5 km范围内有10例，占17.2%，如1966年诱发Ms6.3级主震的希腊克里马斯塔水库。由于大坝选址一般都避开了构造，而实际上发生在坝址附近的水库诱发的地震比较少，这也间接说明了水库诱发地震与构造的密切关系。
2.2 震源深度
水库诱发地震的震源深度一般都比较浅，均属于浅源地震（多在地下10 km范围），从孔隙水压力机制来考虑，应略大于库水沿构造下渗的深度。从43例统计数据分析：震源深度小于3 km的有21例，占48.8%，瑞士的康脱拉水库1964年8月蓄水，1965年5月诱发初震，1965年10月11日诱发Ms4.0级主震，震源深度最浅为500 m；震源深度在3～5 km范围内的有14例，占32.6%，震源深度大于5 km的有8例，占18.6%，如我国广东新丰江水库1962年诱发Ms6.1级主震的震源深度最大为7 km。
2.3 震中烈度
水库诱发地震84%（25例统计数）发生在I0≤Ⅵ的地震烈度区划低烈度区。由于水库诱发地震的震源深度浅，水库诱发地震震中的烈度相对高，如我国乌溪江水库诱发M s2.8级地震时，震中区烈度达到Ⅴ～Ⅵ度，而同级别天然地震震中区烈度只能达到Ⅲ度左右。由于水库诱发地震强度相对较小，影响范围较小，从烈度相对较高的震中区向四周衰减速度较快。
2.4 发震时间
从水库诱发地震的初震时间来看，一般都发生在水库蓄水后2～24个月内，最多为29个月，说明孔隙水压力机制对水库诱发地震非常敏感。从65例统计数分析，主震与初震时间相吻合的占26.1%，时间相接近的占39.1%，时间相差大的占34.8%，说明孔隙水压力机制与地质机制相结合的复杂性。
2.5 地震震级
从116例统计数分析，Ms≥6.0级的强震为4例，占3.4%，其中最大的为印度柯依纳水库1976年12月10日诱发的Ms6.4级主震。6＞Ms≥4.5级的中震为35例，占30.2%，Ms＜4.5级弱震与微震77例，占66.4%，最小的为奥地利1971年蓄水的舒勒盖斯水库诱发的Ms1.0级主震。
2.6 地震频率
水库诱发地震的频率较高，一般呈有规律的变化。地震活动峰值在时间上均较水位或库容峰值有所滞后，水位的急剧下降或上升，特别是水位急剧下降，往往有较强地震产生。我国的黄石水库，自1973年汛期蓄水诱发地震以来，每年汛期几乎都要诱发地震；前苏联的努列克水库分别在1972年、1973年、1976年和1977年伴随着库水位上升到新的最大高度而诱发了地震；我国的盛家峡水库，自1980年秋季蓄水以来，到春季放水后一般都诱发地震。
3 水库诱发地震机制
水库蓄水是水库诱发地震的前提条件。尽管目前对水库诱发地震的机制有不同的看法，但水库诱发地震与库水的作用效应密切相关的认识是比较一致的。确切地说，水库诱发地震是天然地震中能量转换为机械能之前的过程（全部或部分）和库水的作用效应相结合的产物。
天然地震是自然原因引起的地壳的颤动。由活动性断层积累弹性变形能量，通过错动转变为机械能而引起的地震叫构造地震，世界上约90%的地震属于这一种；由于火山喷发之前有能量的岩浆向接近地表移动，通过动能转变为机械能而引起的地震叫火山地震，世界上约7%的地震属于这一种；由洞穴失去平衡塌陷，洞穴顶板的重力势能转变为机械能而引起的地震叫陷落地震，世界上不足3%的地震属于这一种，且规模较小；还有一种是残留古岩溶束缚水压缩气体发生爆炸，压缩气体的弹性势能转变为机械能的地震，这类地震一般比较少见。综上所述，得出天然地震的机制，见图1。
图1
水库诱发地震是库水作用效应参与下诱发的地壳的颤动。目前认为库水的作用效应有3种，即孔隙水压力效应、库水体的荷载效应和库水的腐蚀效应（包括水的物理作用、化学作用和温度作用）。在水库诱发地震中，孔隙水压力效应是主要的，一种是库水沿渗水通道下渗到应力平衡处于临界状态的能量聚焦部位马上诱发地震，如蓄水后较短时间内诱发地震，而且初震和主震时间相吻合的水库诱发地震基本都是这种情况；另外一种是库水沿渗水通道下渗到应力平衡未处于临界状态的能量聚集部位，在孔隙水压力效应参与下应力场发生平衡转移，在新的条件下继续积累能量，直到到达临界状态后失去平衡产生地震，如蓄水后较长时间才诱发主震，而且初震和主震时间不吻合的水库诱发地震多数都是这种情况。在水库诱发地震中，库水体的荷载效应只在洞穴塌陷引起的地震中起一定较为明显的作用，但引起洞穴顶部岩体失稳的主要因素仍是孔隙水压力效应的作用。在水库诱发地震中，库水的腐蚀效应是在孔隙水压力效应的基础上发生的，腐蚀效应包括加速裂隙扩张，增大水循环深度，软化岩体强度，减少岩体结构面抗滑阻力、热液水气化等，虽然库水腐蚀性效应的作用比较缓慢，但其机理非常复杂，目前尚无系统的资料能将其说清楚，但从7例水库诱发地震有温泉出露来看，库水腐蚀性效应在某一条件下可能起着重要作用。综上所述，得出水库诱发地震的机制，见图2。
图2
4 水库诱发地震的分类
4.1 按照灾害情况和里氏震级标准对水库诱发地震的主震进行分类
破坏性地震：强震（Ms≥6.0）；中震（6.0＞Ms≥4.5）。
非破坏性地震：弱震（4.5＞Ms≥3.0）；中震（3.0≥Ms）。
4.2 按照水库诱发地震的成因进行分类
陷落型（岩溶塌陷）地震：洞穴顶部岩体具有重力势能。
构造型（断层破裂）地震：断裂构造聚积弹性变形能量。
气爆型地震：残留古岩溶束缚水具有弹性势能。
热压型地震：热液富集处热能聚集。
岩溶塌陷型在水库诱发地震中最常见，多为弱震或中强震。我国在岩溶地区的大型水库有8个，其中4个诱发了地震。断层破裂型水库诱发地震发生的概率虽然较低，但有可能诱发中强震或强震。我国的新丰江水库和印度的柯依纳水库的诱发地震都属于这种类型。后两者成因的地震震级很小，不会对大坝和周围环境造成危害。
4.3 按照水库诱发地震的地震背景进行分类
地震区诱发的地震：水库位于强震区、中震区或者弱震区。
无震区诱发的地震：水库位于无震区。
5 水库诱发地震灾害地质问题
由于水库诱发地震震源浅，震中烈度较高，震中比同级天然地震破坏性大，Ms4级水库诱发地震，震中烈度可达Ⅵ～Ⅶ度，中、强震占33.6%，在116例水库诱发地震中，诱发强震（Ms≥6.0）4例，诱发中震（6＞Ms≥4.5）35例。
5.1 水库诱发地震造成附近建筑物破坏
如我国湖北的丹江口水库，1967年蓄水，1970年水位高度147 m时发生初震，1971年水位高度150.37 m时发生Ms4.0级地震，1973年11月29日发生Ms4.7级主震，附近农村部分房屋损坏。
5.2 水库诱发地震造成大坝失稳
实际资料表明，大于Ms5.5级的水库诱发地震均可造成水工建筑物不同程度的损坏，如我国广东新丰江水库，1959年蓄水后，一个月水位上升20 m，库区开始有感地震频繁，1962年3月19日发生Ms6.1级主震，余震不断，右岸坝段顶部出现382 m长的水平裂缝，经过加工才保证了稳定，两期加固费用相当于大坝造价。
5.3 水库诱发地震造成大坝严重渗漏
如印度柯依纳水库坝高104 m，1962年6月开始蓄水，1963年诱发初震，1967年12月10日诱发了Ms6.4级强震，震中烈度Ⅶ度，大坝漏水，坝顶严重损坏，死伤2 000余人。
