紫坪铺水库诱发汶川8.0级地震的条件及影响分析

紫坪铺水库诱发汶川8.0级地震的条件及影响分析范晓（四川省地矿局区域地质调查队）本文刊载于将于2009年5月出版的《成都平原与龙门山：环境、发展与灾后重建》一书摘要：由于一些高坝大库诱发破坏性强震的案例，水库诱发地震已引起科学界和社会的高度关注。紫坪铺水库位于具有强烈地震活动背景的四川龙门山断裂带上，坝高156m、库容达11.12亿m3，属诱发地震机率很高的高坝大库；库坝区的水文地质条件和断裂带的空间形态，均有利于库水向深部渗透，从而有利于加强水体的物理化学效应对地震断层的影响；5.12地震的震中位置紧邻库区，发震时间正是对于逆冲断层最危险的水位下降时段，时空特征符合水库诱发地震的必要条件；紫坪铺水库自下闸蓄水后快速蓄水到高水位以及运行中巨大的水位变幅具有很高的诱发强震的危险性。根据中国地震专家公布的研究成果，紫坪铺水库蓄水以后引起的库仑应力变化，已达到足以明显影响地震活动的库仑应力变化量级的数倍至数十倍，而且对库区地震监测台网观测数据的分析表明，各种地震统计参数的变化点与水库水位的变化点具有良好的对应关系，尤其是2007年1月至5月、2008年1月至5月两次放水（卸载）过程中，出现了震源集中于库盆附近断裂带的诱发小震群，表现为能量加速释放和b值急剧减小等强震前兆特征，而后来汶川8.0级地震的震源亦紧邻这些小震群的震源，二者的震源机制解一致，而且与龙门山天然地质背景的震源机制解一致。因此，紫坪铺水库的蓄水活动具有诱发汶川8.0级地震的明显相关性。鉴于中国西部许多强震活动带上正在大规模地兴建高坝大库的现实，需要从库区地震监测、区域设防、大型水电工程的规划与布局等方面进行反思与调整，以减少地震地质灾害的影响与损失。关键词：水库诱发地震；紫坪铺水库；龙门山地震带；汶川8.0级地震；防震减灾在龙门山这样一个历史记录地震未超过6.5级、在中国南北地震带中地震活动强度和频度都相对较弱的地带，发生8.0级的巨大地震是一个反常的现象。印度板块和欧亚板块相互作用的影响，是适用于中国西部许多地震带发震构造的宏观机制，但不足以具体说明龙门山地震带5.12大地震的发生机制。从紫坪铺水库的宏观地震地质背景、世界上已有的水库诱发地震案例对比，以及有关专家对紫坪铺水库蓄水后的地震观测数据的具体分析来看，已初步显示紫坪铺水库的蓄水活动是汶川8.0级地震的重要诱因。1．水库诱发地震的研究背景水库诱发地震的现象，是随着人类建造大型水库和大坝以后逐渐认识的，最早在1931年发现于希腊的马拉松（Marathon）水库。20世纪60年代以来，先后在中国广东新丰江、赞比亚卡里巴（Kariba）、希腊科列马斯塔（Kremasta）、印度科因纳（Koyna）、中国青海龙羊峡等水库诱发了6级以上的强烈地震（参见表1），同时在美国丹佛地区，发现了深井注水诱发地震的现象，使水库诱发地震引起了科学界的高度关注。水库诱发地震（reservoir-inducedseismicity）或水库触发地震（reservoir-triggeredseismicity），被认为是在具备发生地震的地质构造背景条件下，发生了和水库蓄水活动有关系的地震，即地震发生的空间、时间、频度以及震级都受到水库的影响。1.1水库蓄水对天然地震产生影响的不同情况一是地震活动水平明显增强，甚至诱发震级远远超过当地历史记录上限的地震；二是水库蓄水前后地震活动没有明显变化，或者水库蓄水以后，地震活动性有所减弱。前一种情况因为对人类影响大，破坏严重，是人们主要关注和研究的对象。1.2水库诱发地震的成因机制（1）水库的荷载效应水库蓄水后水体对库底岩石产生压强，荷载在岩体内造成附加应力，恶化断裂面的应力条件；（2）水的物理化学效应库水的浸泡和渗透软化岩石，使岩体或断裂面降低它的抗剪强度，促进断裂生长；（３）孔隙水压力效应渗入充填到库底岩体裂隙空隙中的水，会产生附加的孔隙水压力，它也可以恶化断裂面的应力条件。美国丹佛往处理废液的深井注水并诱发地震是孔隙水压力效应的极好实例，在这里没有荷载效应，而只是因水的注入使裂隙中的孔隙水压力增加了120×105Pa；（4）库水惯性力作功构成的水平能效应根据地球自转的动力学原理，水库蓄水将使地球增加转动惯量，减少旋转动能，减少的旋转动能会转变为地壳的变形能，库区获得的变形能有一部分以地震能量释放，因而产生地震。[9]1.3水库诱发地震的概率（1）水库诱发地震的概率，约占世界大坝总数的2‰左右，约占中国大坝总数的1‰。但随坝高增加，水库诱发地震的比例也增加，世界上坝高超过200米的水库，诱发地震的比率为34％。中国坝高在100米以上，库容在100亿方以上的水库，发震比例为30%左右；（2）水库诱发地震的强度比率：发生6.0级以上强震的，全球占3%，中国占4%；5.9～4.5级的中强震，全球占27%，中国占16%；发生4.4级以下的弱震和微震的，全球占70%，中国占80%。但强烈和中强的水库地震在大多数情况下都超过了当地历史记载的最大地震。2．紫坪铺水库诱发汶川8.0级地震的条件与特征分析要证实地震系水库所诱发，首先是库区要具备发生地震的地质构造条件；其次，水库具备足以对地震断层产生影响的客观条件；再次，可以证明地震序列与水库的蓄水活动之间存在明确的相关关系。以下主要从这三个方面对紫坪铺水库诱发地震的可能性进行分析。2.1紫坪铺库区具有发生强烈地震的地质构造条件和天然地震背景2.1.1库坝区存在活动断裂构造及较强烈的天然地震活动的背景紫坪铺库区被挟持于北川—映秀、江油—都江堰两条区域性活动断裂之间，有一系列与之平行的次级断裂通过库坝区。据对库坝区断层系统的不完全统计，测得断层157条，断层长度≥10公里的有9条，占7.14%；断层长度1～10公里的有87条，占69.05%；断层长度0.3～1.0公里的有30条，占23.81%。[18]库坝区所处的龙门山断裂带，历史上多次发生≥6级的地震，库坝区附近的都江堰，自公元前195年，史书中就有发生强烈地震的记载，现代仪器记录，也表明在库坝区及附近，3～4级地震发生的频率较高，因此它具备了发生强震甚至巨大地震的条件。另外，发震的北川—映秀断层在汶川8.0级地震震中附近的上盘，为蓄能条件良好的岩浆岩杂岩体，容易形成应力高度集中的地区，导致破坏性强震。2.1.3库坝区位于晚新生代的断陷盆地—成都平原的边缘，新构造升降活动强烈在新构造运动中，龙门山的抬升和成都平原的沉降均十分强烈，靠近江油—都江堰断裂的成都平原西北缘是盆地沉降幅度最大的地带，多个沉降中心受龙门山断裂走向滑动的影响，呈右行斜列式，根据沉积物厚度分析，晚更新世以来最大沉降量达580米以上。2.1.4库区及周围的龙门山地区深部存在地球物理异常梯度带表15.12地震与世界上大于6级的水库诱发地震特征对比表fficeffice/水库名称坝高（m）库容亿m3开始蓄水及满库时间主震震级发震时间主要地震参数主震与蓄水、满库的时间间隔地震活动与水库蓄水的时空相关性中国广东新丰江105115ffice:smarttags/1959-10-201961-09-236.11962-03-19震源深度5km；最大烈度Ⅷ；b值，前震1.12，余震1.04；余震衰减系数0.92年零5个月1年半蓄水后地震活动频率和强度明显提高，前震序列丰富，历时28个月，共记录到Ms＞0.2以上的地震81719次，最大前震为1960年7月Ms3.8级地震。地震频率特别是地震强度与水位高度正相关，但比水位高峰时间滞后2至4个月，地震序列集中分布于水库主中轴线两端，以大坝附近峡谷段最密集，主震震中距大坝1.1km。赞比亚卡里巴1281601958-121963-86.11963-09-234年零9个月1个月自1959年蓄水以后，地震活动显著增多，并多集中于大坝附近及库水最深的盆地中，地震活动与水库水位有相关性，并与库底岩石中附加剪应力超过1巴的岩石体积正相关。1963年的6.1级主震后，至1984年，发生了≥5级的余震20次。希腊科列马斯塔16547.51965-07-2119666.31966-02-056个月不足2个月蓄水开始后六个月水深达120米即发生6.3级主震，地震活动频率与水位高度正相关，地震活动限于水库区小范围内。印度科因纳10327.081962-61964-86.51967-12-10震源深度10km；最大烈度Ⅷ5年零6个月3年零4个月蓄水后即出现诱发地震，地震频率与水位高度正相关，地震活动性明显滞后于高水位3至6个月。震中集中分布于以坝为中心的25km半径的范围内，且以10km为半径的范围内最为密集。中国青海龙羊峡178100（设计247）1986-101989-117.01990-04-26震源深度约30km；余震b值0.623年零6个月5个月发震断层为共和盆地南缘走向北西并向西南方向倾斜的隐伏逆冲断裂，震中离水库40km，1981年至1986年拦洪蓄水阶段，弱震活动与水位变化明显相关，共和盆地及其周边地区ML≥20地震的年发生率高于蓄水前10年间的水平，大坝附近出现大量弱震活动，形成蓄水后第一个小震活动密集区；1989年l1月达到峰值水位前的蓄水过程中，库区附近发生了以ML5.0地震为主的震群活动，共发生2级上地震约40次，大坝周围共发生ML≥2地震l1次，最大震级3.4。在水位达到峰值之后5个月，在水位持续下降过程中发生7.0级主震和4次5.0级以上强余震。中国四川紫坪铺15611.262004-122006-128.02008-05-12震源深度约14km；最大烈度Ⅺ；余震b值0.89；余震衰减系数1.013年零5个月1年零5个月2005年首次蓄水到高水位之后，最明显的特征表现为b值的总体下降趋势，其中2005年、2006年、2007年的下半年蓄水过程，表现为地震频度增加和b值相对增加；2007年和2008年的上半年放水过程中，表现为b值急剧减小，地震震级增大，其中2008年1至5月表现为能量释放率急剧增加，小震群集中在水库南西方向的北川-映秀断裂和南东方向的江油-都江堰断裂，随后的汶川8.0级地震震源即位于库区南西方向小震丛集区附近，震中距库岸线5.5km。范晓收集整理，主要数据来源见参考文献库坝区处于重力异常梯度带、航磁化极异常变异带以及地壳厚度急剧变化带上。表明地壳结构的不均衡以及可能存在巨大的隐伏断裂。2.2紫坪铺水库存在足以对地震断层产生明显影响的客观条件2.2.1紫坪铺水库属于诱发地震机率很高的高坝大库紫坪铺水库坝高156米，库容11.12亿方，最大水深大于120米。高坝大库之所以诱发地震的机率很高，是因为水足够深、体积足够大的水库水体，所附加的应力足以对库区的断层活动产生影响。专家们把作用于断层并引起断层活动的力，统称为库仑应力。已有的科学研究表明，在一定条件下0.1bar量级的库仑应力增量变化便足以明显地影响地震活动。[26]中国地震局的雷兴林等专家利用数学模型，对紫坪铺水库蓄水以后对库底断层附加的库仑应力变化进行了计算，结果发现，水库蓄水到高水位一年之后的2006年，断层3～4公里深度的库仑应力变化已达到1bar以上，而在2007年12月至2008年5月12日的水位下降期间，地下10公里附近的库仑应力变化已达到0.5bar以上（即库仑应力的变化量级已数倍于足以明显影响地震活动的库仑应力变化量级），而4～5公里以上竟达到几个bar的量级（即库仑应力的变化量级已数十倍于足以明显影响地震活动的库仑应力变化量级），说明紫坪铺水库的蓄水活动对库区地震断层的库仑应力产生了明显影响。[26]紫坪铺库区广泛分布有高含瓦斯的煤系地层，从宏观的角度来看，瓦斯突出的现象，很可能反映了水库水体荷载对地下含气构造裂隙的影响。2004年12月和2005年12月，两次水库水位抬升至高水位时，在水库旁的公路隧道施工中，恰好都发生了瓦斯突出和爆炸，并造成重大人员伤亡（值得注意的相关案例：2003年6月，三峡水库第一阶段蓄水达到135米，三个月后的9月15日，库区南岸的利川市建南镇黄金村，一口废弃多年的古盐井突然发生强