第七章-3 水库地震

第七-3章水库诱发地震的工程地质研究本章主要内容：7.1基本概念及研究意义；7.2水库诱发地震活动性变化的几种典型情况；7.3水库诱发地震的共同特点；7.4水库诱发地震的诱发机制；7.5水库诱发地震的工程地质条件；7.6水库诱发地震工程地质研究的基本原则；7.7三峡水库诱发地震概况。7·1基本概念及研究意义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（inducedearthquake）。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。水库诱发地震是指在兴建水利水电工程中，由于水库蓄水而引起的地震活动。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。但是水库诱发地震也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，发现有相当一部分水库蓄水过程中伴随有水库诱发地震现象。水库诱发地震是涉及地震学、水文地质学、工程地质学、和结构抗震学等多学科交叉的前沿课题。本世纪40年代以来，世界上已有34个国家的134座水库被报道出现了水库诱发地震，其中得到较普遍承认的超过90处。有4例发生了6级以上地震，他们是中国的新丰江(1962年,6.1级)、赞比亚─津巴布韦的卡里巴(Kariba,1963年,6.1级)、希腊的克里马斯塔(科列马斯塔)(Kremasta,1966年,6.3级)、和印度的柯依纳(科因纳）(Koyna,1967年,6.5级)。发生在坝址附近的强震和中强震，有可能对大坝和其它水工建筑物造成直接损害。表7-1中国水库诱发地震震例基本情况一览表7.2水库诱发地震活动性变化的几种典型情况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:7.2.1蓄水后地震活动性增强7.2.1.1卡里巴—科列马斯塔型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。美国胡佛坝（米德湖）希腊科列玛斯塔坝赞比亚卡里巴坝坝型及坝高（m)重力拱坝，222心墙堆石坝，165双曲拱坝，127库容（亿m3）36747.51604开始蓄水及满库时间1935；1938.71965.7.21；1966.21958.12；1963.8地震活动特征第一次地震时间1936.91965.81961.7地震次数（起止时间）6000次（1936－1945）10000次（1936－1971）M≥2.0的前震740次，余震2580次（1966－1968）M≥2.0，1397次(1959.6－1968.12）主震震级（时间）5.0（1939.5.4）6.3（1966.2.5）6.1（1963.9.23）较大地震震级（时间）4.1（42.8.11）；4.4（42.9.9）；5.0（66.3.8）；5.0（66.4.3）；5.5（66.5.4）；5.5（66.6.11）；4.5（66.12.12）5.6（63.9.23）；5.8（63.9.23）；5.5（63.9.24）；6.0（63.9.25）；5.3（63.10.5）；5.8（63.11.8）；4.2（66.4.5）；5.5（67.4.20）地震活动与水库蓄水的时空相关性及其它特征水库水升高到100m以上时发生地震，随水位进一步增高地震活动加强，库水达到正常高水位并继续上升时发生主震，95％以上的地震发生在距水库32km之内，震中沿断层分布充水开始后六个月水深仅120m即发生6.3级主震。1967－1972仅有宏观记录，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地震活动与库水位的变化对应关系不明显，但与库底岩石中附加剪应力超过1巴的岩石体积Vτ正相关。确切定位的159次地震大多数位于水库范围内，且绝大部分位于坝附近库水最深的盆地中表7－2水库诱发地震活动重要实例印度科因纳坝中国新丰江坝中国丹江口坝塔吉克斯坦努列克坝块石混凝土重力坝，103单支墩大头坝，105宽缝重力坝，97土石坝，305m27.08115160.51051962.6；1964.81959.10.20；1961.9.231967.111972（105m）；1976（205m）；1981（305m）1963年地震频率明显增高1959.10，广州台记录到来自库区方向的2－4级地震三次；1960.7的4.3级地震才引起重视1968.3（Ms≥2）1971较集中的出现于水库西南10－15km1972.10水库主体之下出现地震M≥1.0，25000次（1963－1971）M≥3.0，450次（1963－1970）M≥4.0，35次（1969－1974）ML≥0.4，297035次（1961.9－1977.12）其中ML≥1.0，12862次Ms≥0.6，33761次（1960.10.13－1987.12.11）Ms≥1.0，13643次Ms≥0.5约110次Ms≥2.053次（1968.3－1977.4）1800次（1971－1979）1.4＜M＜4.66.5（1967.12.10）6.1（1962.3.19）4.7（1973.11.29）4.6（1972.11）5.8（67.12.11）；5.4（67.12.12.06）；5.9（67.12.12.15）；5.5（67.12.13.05）；5.6（67.12.13）；5.4（67.12.24）；5.0（68.3.8）；5.4（68.10.29）；5.1（73.10.17）4.9（62.4.5）；5.1（62.7.29）；4.3（63.12.6）；5.3（64.9.23）；4.5（72.12.18）；4.5（73.12）；4.3（75.7.25）；4.7（77.5.12）；4.3（75.7.25）；4.3（81.5.4）；4.6（87.9.15）4.2（73.11.29）；4.6（73.11.30）4.2（1971.12）4.6（1972.11）4.3（1972.11）4.1（1975.3）4.1（1975.12）4.1（1976.9）地震频率与水位高度正相关，但地震活动性明显的滞后于高水位，一般3－6个月。震中集中分布于以坝为中心的25km为半径的范围内，且以10km为半径的范围内最为密集水库蓄水之后地震活动的频率和强度立即有明显提高，在1970年以前，地震频率特别是强度与水位高度正相关，但比水位高峰时间滞后2－4个月，70年后相关性减弱。地震主震分布于水库主体中轴线两端，以大坝附近峡谷区最密集，呈N30°W的密集带和N70°E的密集带，主震震中的两带交汇处，距大坝1.1km库水深达50米后（1969.12）开始有明显地震活动，地震频率和强度与水位间有明显的同步变化，频率峰值滞后于水位峰值约3个月，库容急增至最大之后1.5个月发生了较强震动。地震活动集中于丹库主体南北两端的灰岩峡谷区，库区外围本世纪内曾有6级地震，蓄水后地震活动向库区集中蓄水后地震活动超过蓄水前年平均发生率的四倍，最强的两次暴雨与1972年和1976年水位分别达到105m和205m相伴。所有大地震和多数地震活动都由水库充水速率下降所引发，地震活动性对充水速率降低反映迅速，滞后一般1－4日。1970年前地震分散地发生于库周附近，1972年后向水库主体集中，随库区水位增高上游充水，地震震中也向上游转移7.2.1.2科因纳—新丰江型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，凝灰岩中夹有红色粘土，渗透性不良。2．新丰江水库诱发地震我国的新丰江水库地震（坝高105m，总库容115(139)亿立米，最大地震震级(烈度)6.1(Ⅷ)，1962年3月19日发生的6．1级地震）造成的破坏最为严重，数百人在地震中丧生，成千人受伤，坝体建筑和发电设施受到不同程度的破坏，电站停止运转，以致造成区域性的工业瘫痪。7.2.2蓄水后地震活动性减弱这种情况不易引起人们的注意，所以研究和报道较少，一般有两种情况：1、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。主要有台湾的曾文水库、巴基斯坦的塔尔伯拉和曼格拉水库；2、地震活动性以特定形式减少的情况，称之为地震活动间隙。主要有美国的安德逊水库。1、震中密集于库坝附近水库最大水深区库区及附近断裂带2、震源极浅（4～7Km，导致面波强，0点几级就有震感，3级就可造成破坏）3、地震活动峰值在时间上均较水位或库容峰值有所滞后7.3水库诱发地震的共同特点7.4水库诱发地震的诱发机制（成因）水库诱发地震的确切诱因现在尚未完全查明，有多种学说：⑴水库荷载机制；⑵孔隙水压力机制；⑶岩溶塌陷与气爆机制等。但已有震例已经以充分资料证明，这类地震不是由于水库荷载直接造成的，而是水库的某种作用间接诱发的(indirectlyinduced)。亦即水库的某种作用迭加于已有的天然应力场之上，使水库蓄水前由于自然作用积累起来的应变能较早地以地震的方式释放出来。水库蓄水对库底岩体的各种效应概括说来，水库蓄水以后对库底岩体可以产生以下三方面的效应：1、水的物理化学效应这种效应使岩体断裂面及其充填物软化和泥化，从而降低了它的抗剪强度。只有当水库蓄水前库底岩体是干的才会出现这种效应，而天然情况下河谷下的断裂面上一般是含水的，可见这类效应并非是经常都起作用的。2、水库的荷载效应水库对库底岩石的荷载效应是最易理解的，并可根据水深计算其压强。这个荷载会在岩体内造成附加应力，从而恶化断裂面的应力条件（尤其大水库）；当库底岩体两侧有深大陡立断裂时该效应更加明显。空隙水压力效应原抗剪强度τ=c+σntgфσnτ=c+σntgф现抗剪强度τ=c+(σn-Pw)tgф(考虑空隙水压力后）Pwσnτ=c+(σn-Pw)tgф即：透水裂隙库水渗入提高空隙水压力降低裂隙面上正应力降低抗剪强度3、空隙水压力效应7．5诱发水库地震的工程地质条件1、岩性：石灰岩地区（透水）的诱震率较高；花岗岩地区(岩石强度高、应变能大)诱震震级较高：5.5级以上6例中占4例；岩性软弱的粘土岩或砂、页岩地区很少；库底淤泥较厚时，也不易。2、地质构造：多出现在活动性大地构造环境，尤以中新生代断陷盆地、第三纪以来的断裂谷地及其边缘为多，但不局限于活动性构造环境，M4级的小震随机性很大。陡倾角的张性和张剪性断层常构成发震构造。3、地应力：大多发震构造的力学类型是剪切破裂。已有断裂能否产生新的剪切破裂，主要取于σ1于断裂的夹角α，以α=30°-60°最多。4、水文地质条件：库区周围有隔水层分布，可形成大致圈闭的水文地质条件：有利于库水