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1 5.12地震与世界上大于6级的水库诱发地震特征对比表ffice

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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烈天然气井喷,有4个气体喷口同时穿越地层向上喷发,日泄漏量约4万立方米。六个月后的12月19日,在巴东小溪河西岸马鬃山村发生2.5级地震,这也是三峡水库蓄水以后至当时的最大诱发地震。三天后,在库区北岸的开县发生天然气井喷,导致244人死亡)。

2.2.2库坝区的水文地质条件利于库水向深部渗透并影响发震断层

库坝区断层发育、岩石破碎,有石灰岩层构成的飞来峰,并发育有喀斯特。而且由石灰岩、砂岩、泥岩、煤层等多种岩石构成库底基岩。一方面,受断层破碎带的影响,岩石渗透率较高;另一方面,因岩组渗透率的高度不均一性及其断层渗透结构的差异变化,都有利于加强孔隙水压对断层的影响;同时,广泛分布的煤系地层在库水作用下更易发生软化变形,降低岩石强度,有利于断裂生长。在紫坪铺工程施工中,库区共发现132条煤洞、煤窑。此外,库区及龙门山地区地表倾斜角度较陡的推覆断裂系,向深部逐渐变缓并交汇于一个近于水平的逆掩断裂面,这些条件都有利浅层库水渗入深部,并向汇聚了众多断层的逆掩断层面集中,从而可能在发震断层附近产生叠加影响。根据中国地震专家用双差定位法对汶川8.0级地震序列的重新定位和修正,汶川8级地震的震源深度为13km[27],而这正是库区及龙门山区的逆冲断裂系的倾斜角度由陡向缓、变形特征由脆性向塑性变化过渡的地段。由于此次8级地震的震源深度很浅,而地震的抽水效应和大型断裂的存在都可把水带到深处,这种流体的存在至少可达10km以内的深度[26],因此,库水渗透的作用也会对发震断层产生更为明显的影响。(图1、图2)

库区的断裂组合型式属于走向北东的向深部交汇的逆冲推覆断裂系。原本由西北山区向东南流入平原的岷江,在水库的漩口至大坝这段主要的蓄水区,顺应活动断层的破碎带形成的软弱部位,形成90°的突然转折,变为西南~东北走向,形成与断层带走向重合的“构造次成河段”,从而使水库水体和活动断层带高度重合。(图1、图3)

此外,在库区还广泛存在与上述北东走向的主干断裂近于垂直的北西向断裂,这些断裂的性质主要为张扭性,并起到沟通平行的北东向断裂组的作用,这组北西向断裂对促进库水以及促进附加库仑应力在北东向断裂组中的渗透与扩散,可能有重要影响。(图1)

2.2.3龙门山断裂带应变积累速度和构造变形速率相对较小可能利于水库诱发地震

龙门山地区有很高的天然地应力条件,但应变积累速度或构造变形速率不是很高(中等

到较高,天然应力变化不大)。震前的GPS观测表明,整个龙门山推覆断裂带的构造变形速率很小,每年只有2~3mm,每条断裂上的滑动速率只有平均1mm左右,但整个青藏高原东部向东和向北的运动速率都很大,表明有很高的地应力条件。在应变积累速度不是很高的情况下,水库蓄水对地应力条件会产生较大影响。

赵珠等在研究四川二滩水库的水库诱震结构时,也曾指出在靠近大陆板块边缘的地震活动水平又处于相对较低的区域,水库诱震作用与构造应力相比较可能影响更为明显,并以诱发了6.2级地震的希腊克里马斯塔水库为例。[5]

2.2.4紫坪铺水库的快速蓄水和巨大的水位变幅具有很高的诱发强震的危险性

与三峡水库比较,三峡水库从1997年围堰挡水开始提高水位,2003年6月首次蓄水到135米,2006年10月首次蓄水到156米,2008年11月坝前水位首次蓄至172米,历时约11年,水位升高约110米;紫坪铺水库从2004年开始提高水位,至2006年12月首次达到正常高水位877米,历时仅两年,水位升高约120米。

三峡水库对应于135米、156米、175米蓄水水位的年最大变幅分别为:139米~135米,变幅4米;156米~145米,变幅11米;175米~145米,变幅30米。而紫坪铺水库蓄水到最高水位后,年最大变幅约60米。

水库的快速蓄水以及水库运行过程中的巨大水位变幅,无疑会使加压和卸载的效应增大,即附加的库仑应力变化及单位时间的变化率增大,也使诱发强震的危险加大。

2.3紫坪铺水库的蓄水活动与汶川8.0级地震的相关性

具有重要意义的是,雷兴林等首次公开并利用了紫坪铺水库库区地震监测台网从蓄水至汶川8.0级地震发生的完整时间段的观测数据,雷兴林等通过计算得出的紫坪铺水库对断层库仑应力有明显影响的结论,在对库区地震观测数据与水位变化关系的分析中,进一步得到了证实。研究结果发现,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,反映出紫坪铺水库的蓄水和放水(即加压和卸载)对该区地震活动产生了明显影响。[26]

2.3.1汶川8.0级地震的时空分布与紫坪铺水库有关

从宏观的角度看,水库诱发地震的时空分布均与水库的位置及水库水位变化的时间有关。

空间分布:水库诱发地震的震中一般位于库区中心点为圆心半径不超过20公里的范围内,主震震中距库岸一般3~5公里,或不超出库区所在河谷的第一分水岭。5.12大地震微观震中距紫坪铺水库库岸线最近距离仅5.5km,而宏观震中(漩口镇莲花芯沟)距紫坪铺水库岸线更近,不足4公里;(图1)

时间分布:水库诱发地震发生在水库或施工围堰开始蓄水之后,地震序列的主要部分或主震发生在蓄水位首次达到高水位之后,地震频次和强度的变化与库水位变化有明显的相关性。按主震发生时间与水库开始蓄水或首次蓄水到正常高水位的时间间隔,可分为快速反应

与滞后反应两种情况,破坏性大的水库诱发地震多为滞后型地震[23],其原因主要是为满足库水往深部渗透,产生足以对地震断层产生一定影响的孔隙水压力效应,需要足够的时间。紫坪铺水库从2004年12月开始蓄水,2005年12月,水位首次蓄至841米的高水位;2006年12月,水位首次达到正常高水位877米,汶川8.0级地震的发震时间距紫坪铺水库开始蓄水约三年半,距紫坪铺水库首次蓄到高水位约两年半,距紫坪铺水库首次蓄到正常高水位约一年半,应属滞后型,这对诱发破坏性强震是最危险的。

2.3.2汶川8.0级地震存在明显的水库诱发的前震活动

从雷兴林等公布的观测数据来看,紫坪铺水库蓄水后至5.12大地震发生,存在一系列与水库蓄水活动密切相关的前震活动。而这些前震活动与8级主震及其余震,构成了一个完整的前震—主震—余震系列。

水库诱发地震以前震丰富为特点,过去认为一些大地震前震不突出,近年来高倍率地震仪测量表明,大地震都是有前震的,但在以前常常因为它是弱震和微震而被忽略。而水库诱发地震相比天然地震,前震更为突出。

据雷兴林等发表的数据,紫坪铺水库自2004年下半年开始蓄水以来,按照冬升春降的运行惯例,有三次幅度最大的蓄水过程,分别是:①2005年9月至12月,水位由760m左右升至840m左右;②2006年8月至12月,水位由820m左右升至877m;③2007年9月至12月,水位由840m左右升至875m左右。还有两次幅度最大的放水过程,分别是:①2007年1月至2007年5月,水位由877m附近降至820m左右;②2008年1月至5月12日,水位由875m附近降至820左右。据雷兴林等的计算,在上述2006年年底至2007年5月的①放水过程中,水位从约875m下降到约817m,总卸载量高达约7.4亿m3(即约7.4亿吨)。

[21]而从水位变化来看,上述的蓄水②和放水②过程,其加载量或卸载量,也相当于这个规模。

在诸多的地震统计参数中,有一个表示震级与地震频度关系的重要参数b值。在一次地震序列中,如果强震愈多,则b值愈小;反之则b值增大。一般认为b值出现明显减小,就有出现较大地震的可能,所以也把它作为地震预报的前兆依据。与之前的地震活动相比,在2005年12月紫坪铺水库水位到达840m以后,地震活动最明显的特征是b值的总体下降趋势。[26]

具体来看,蓄水过程和放水过程的地震活动变化又有所不同。在上述三次蓄水过程中,地震频度增加和b值相对增加,能量释放率反而出现一定程度的减小,主要发生的是震级较小的地震;而2006年底至2007年5月的放水过程,表现为地震频度减小、能量释放率微弱减小和b值急剧减小,说明主要发生的是震级相对较大的地震;到了2008年1月至5月12日的放水过程,地震活动最大特征是能量释放率急剧增加和空间相关距离的急剧减小。能量释放率急剧增加,表明了能量的加速释放。空间距离急剧减小,也就是一系列地震的震源出现高度集中,雷兴林等特别指出,根据岩石破坏实验结果,这样的特征具有一定的前兆性意义[26]。换言之,当一系列破裂过程中能量释放的快速加大、且破裂面迅速趋于集中的时候,也就预示着最终最大的破裂即将到来。

5.12大地震之前,从与紫坪铺水库蓄水活动有关的一系列小震震源的空间分布来看,

都出现了在水库附近高度集中的特点。雷兴林等指出,在2006年10月,当作用在断层上部破碎带的流体压力经过一年多的扩散已使断层浅部3~4km的库仑应力变化(△CFS)达到了1bar以上时,在库区北东及南西方向,深度2~6km附近出现了两个明显的地震丛集区(集中区),尤其是库区南西方向的丛集区,显然属于诱发地震活动;在2007年底至2008年5月的放水过程中,地震集中在水库南西方向和南东方向发生(换言之,也就是这一期间的地震活动集中在水库南西方向的北川—映秀断裂带、以及水库南东方向的江油—都江堰断裂带上发生)。并在水库附近的这两条断裂带上,形成地震的丛集区(震源的集中区),值得注意的是,2008年5月12日8级大地震的震源正是位于上述的库区南西方向的地震丛集区附近[21]。因此雷兴林等指出,5.12大地震前发生在库区南西方向的地震丛集区的地震,一方面可能是水库诱发地震,另一方面又可能具有作为汶川大地震前震的特征[26]。

据四川省地震局的地震观测数据,在2008年1月至5月12日之间的一系列前震活动中,有几次特别引人注目的小震群活动:①都江堰小震群,2008年2月14日21时35分至2月15日0时54分,发生在江油—都江堰断裂带附近的都江堰市紫坪铺镇至玉堂镇一带的小震群,包括有2.9级、3.7级、2.5级、3.3级、2.5级五次震级较高的地震,而在2008年2月共发生地震(包括微震)约200次,使当月创下了紫坪铺水库蓄水以来地震月频度的最高记录;②都江堰-彭州小震群,2008年2月28日至3月12日,发生于北川—映秀断裂带附近的都江堰虹口与彭州大宝之间的小震群,包括3.8级、3.3级两次震级较高的地震;③江油小震群,2008年2月6日、2月24日、4月5日至4月6日发生在江油—都江堰断裂带附近的江油一带的小震群,其中特别是4月5日至6日在11个小时里发生密集小震,最高震级2.2级。与此同时,在龙门山断裂带南端的康定、泸定一带也出现了地震的活跃,2008年2月17日和2月27日,在海螺沟、姑咱先后发生4.0级、4.7级地震。同年3月,泸定、康定也相继发生2~3级地震多次。上述这些小震活动,都发生在紫坪铺水库放水的卸载阶段,其中都江堰小震群、都江堰-彭州小震群都位于库区及附近并与水库卸载直接相关,因此被认为更直接地反映了巨大地震前的微破裂机制。

2008年2月的都江堰小震群、2008年4月的江油小震群,使都江堰市、江油市震感强烈。都江堰市区3楼以上住户明显感觉身体摇晃、吊灯摆动、电暖炉等器物晃动、门窗玻璃哐哐作响,部分人跑出屋外躲避。这些有感地震在当地民众中造成了一定恐慌,有不少民众致电当地政府部门,询问有关情况。政府通过媒体对公众进行了安抚,成都电视台、华西都市报在2月中下旬,绵阳晚报在5月6日、5月12日,均发表报道,称这些地震属龙门山地震带的正常活动,与未来是否有强震没有直接关系。

2.3.3汶川8.0级地震恰好发生在对于逆冲断层最危险的水库水位快速降低的时段

对已有案例以及水库诱发地震的力学机制的研究表明,库水的荷载效应是瞬时效应,孔隙水压力效应是滞后效应,水位急剧下降使对潜在走向滑动型及逆冲型断层应力状态起稳定作用的负荷压力突然消失,而孔隙水压力则保持高水平,于是往往诱发较强地震。[13]

如前所述,位于龙门山逆冲断层带上的紫坪铺水库,在蓄水以后,也正是在两个大的水位下降时段出现了地震活动加强或能量加速释放的现象,而5.12大地震也正是发生在水位快速降低的时段,这和逆冲断层带水库诱发地震的基本特征一致。

2.3.4一些地震参数的比较和分析

易桂喜等利用1977年1月至2004年底四川省区域地震台网的数据,对龙门山断裂带的b值空间分布等地震活动参数值进行了分析。由于数据的时间段是在紫坪铺水库蓄水以前,因此可以用它来了解紫坪铺水库蓄水前的地震活动背景情况,并与蓄水后的情况进行对比。

易桂喜等按b值高低、地震震中分布密度、历史强震震源区、断裂带结构变化将龙门山断裂带沿走向分为6个段落,由南西向北东依次为:天全;宝兴-大邑;汶川;绵竹-茂县;北川;江油-平武。对6个段落的b值、单位面积的应变能年释放率、年频度值等进行分析比较后发现,绵竹-茂县段的平均b值为0.829,为整个龙门山断裂带最低,其它参数值组合最高,表明断层面处于高应力背景下,以平均震级较大的频繁中小震滑动为特征,属于龙门山断裂带上未来最可能发生强震的地段。汶川段是后来的汶川8.0级地震震源所在地,平均b值为1.076,在整个龙门山断裂带属中偏高,结合其它参数值特征,反映出该处的断层面正处于中偏低应力背景下的频繁小震滑动状态,尚不具备发生强震的活动背景。从整个龙门山断裂带来看,北段的绵竹-茂县;北川;江油-平武三个段落的相对应力水平分别为高、低、高,而中南段的天全;宝兴-大邑;汶川三个段落的相对应力水平分别为低、中等略偏高、偏低,因此龙门山北段总体处于相对高应力区。按自然趋势,2004年以后龙门山断裂带的强震似乎应在北段尤其是绵竹-茂县段出现。易桂喜还指出,,尽管龙门山断裂带也存在多个不同活动习性的段落,但与鲜水河断裂带、安宁河一则木河断裂带相比较,强震的平静时间要长得多,而且具有明显低b值特征的段落的尺度也要小得多,同时龙门山断裂带具有较低的现今变形速率与较低的应变积累速率。[15]

雷兴林等使用2004年底至2008年汶川8.0级地震的紫坪铺库区台网目录0.5级以上的地震数据,采用固定事件数扫描的方法进行了b值分析,尽管数据的提取范围与统计方法和易桂喜等有所差异,但从总体上仍可看出b值的变化情况。紫坪铺水库蓄水后该区地震活动b值大大低于蓄水前汶川段1.076的平均值,总体变化于0.35~0.75之间,而且总体呈下降趋势,尤其是在2006年底至2007年5月的放水期间,b值急剧下降至最低点0.35左右,到2007年10月才有所回升,在2008年2月升到0.67左右后,随着水库放水,又开始急剧下降至0.5左右,直至汶川8.0级地震发生[26]。反映出水库蓄水后,库区及附近的应力水平以及地震活动水平的显著升高。

另外,四川省地震局根据四川省地震台网2008年5月12日至9月30日测定的ML2.0~

6.4级的余震序列,按震级分档间隔0.2,拟合求出的b值为0.89。

张倬元等曾指出,水库诱发地震与天然地震不同的是前震、余震b值极其相近,且一般都大于1,大大高于同区的天然地震的b值。但在天然地震为高b值的地区,水库诱发地震却可出现低b值。例如美国加州天然地震序列b值高达0.8~1.02,而可能由于水库诱发地震的奥洛维尔1975.8.1的5.7级地震序列b值仅为0.55;安德逊水库1973.8.3发生的4.7级地震序列,b值也较该处天然地震序列b值低40%[13]。

汶川8.0级地震序列,似乎表现出在天然地震高b值背景下,出现低b值的水库诱发地震活动,如果是这样,有可能反映介质强度较高,以脆性破坏方式发震的特点,而这与汶川8.0级地震震源较浅的情况是吻合的。而且余震b值也较蓄水前的天然地震b值背景低,但高于蓄水后至主震的前震b值。当然,对于紫坪铺库区以及龙门山构造带不同段落的b值以及其它地震活动参数值,在紫坪铺水库蓄水前、蓄水后至5.12主震、5.12主震后三个时段

的变化特征,还应统一数据的提取和分析方法并作进一步研究,以便更深入地分析判断水库诱发地震的问题。

张倬元等还指出,所有天然地震的余震衰减系数p>1.3,而水库诱发地震则总是小于

1.3且一般情况下小于l。例如我国新丰江水库诱发地震p=0.9;又如我国丹江口水库诱发地震活动的p值为1.1,相同地区的天然地震p值高达1.92[13]。它说明水库诱发地震的余震衰减比天然地震更缓慢,余震延续时间更长。

四川省地震局的分析认为,汶川8.0级地震余震序列丰富,持续时间长,衰减缓慢,整体上呈现有起伏的衰减。据四川省地震局按2008年5月12日到9月8日余震区ML3.0级以上余震计算的衰减系数,P=1.01,这符合水库诱发地震的一般特点。

2.3.5紫坪铺水库蓄水后诱发小震群的震源机制解与汶川8.0级地震一致

判断水库诱发地震的另一个标志是,由震源机制解得出的应力场,与天然地震应力场或根据当地地质特征判定的应力场相同[13]。

根据四川省地震局对紫坪铺水库蓄水后至汶川8.0级地震震前,震级为2.5≤ML≤3.7的地震记录的震源参数研究,震源深度集中分布在5~14km的上地壳中,汶川8.0级地震的震源深度也正好在这一深度区间的下部。震源机制解呈现的主压应力方位均为WNW向,其平均应力张量的计算结果分别为132.6°和116°,震前地震活动的震源断层面呈现NE向与NW向两组节面走向,其中NE向节面走向为N50o~70oE,多为逆倾型;根据汶川8.0级地震震源机制解给出的主压应力方位为103°~122°,NE向节面走向为N49o~58oE,右旋逆倾型。无论是龙门山断裂带,还是汶川8.0级地震起始破裂区(段)震源参数的研究结果,震前小震活动整体呈现的主压应力方向、震源断面走向及其错动类型等都与8.0级主震源机制解是大体一致的。而且这一震源机制解和龙门山历史中强地震给出的震源机制解,以及地质研究得到的龙门山断裂带应力场的基本特征也是一致的[4]。

3.紫坪铺水库诱发地震值得注意和探讨的一些问题

3.1水库诱发地震出现首发强震或首发巨震的危险性

水库诱发地震最值得注意的问题是,它有可能诱发远远超过当地历史记录最大震级的强烈地震。世界上已有的水库诱发地震超过6级的案例,在水库诱发地震以前,都被认为是弱震区或少震区。例如,印度科因纳水库诱发地震产生在构造迹象最不明显、岩层产状基本水平、近200年没有明显地震活动的印度地盾德干高原之上,科因纳水库的库坝区均位于厚达1500m、产状水平、古新世至始新世喷发的玄武岩层之上[13];青海共和盆地的地震活动水平在有仪器记录以来是相当低的,在1990年以前,历史地震记录未超过5级,1972~1980年盆地内共发生ML≥2.0级地震11次,最大地震为ML3.6级,小震年平均发生率为l.2次,与青海省的平均地震活动水平相比也是相当低的[7];赞比亚卡里巴水库库区历史上无地震活动记载;希腊科列马斯塔水库库区虽有地震活动,但历史上从未观测到大于6级的地震,水库蓄水后竟发生了四次6级以上的地震。[29]

紫坪铺水库所在的龙门山构造带,虽然有强烈地震的活动背景,但从强震活动的频度和

震级来看,在中国南北向地震带中,它还是一个相对“沉寂”的区域。龙门山地震带有史以来的最大震级未超过6.5级,根据经验性和统计性的分析,长期(50、100年)预测的地震烈度区划为7度(汶川地震实际值达10~11度)、地震动参数0.1~0.15G(汶川地震实际值高约6~10倍),中期预测一是认为南北地震带中段的四川及邻区可能发生6~7级地震,但没有认识到会有8级地震;二是跟踪的重点地区是在安宁河地震带以及鲜水河地震带,而不是龙门山地震带。

专家们把这种在历史记录中首次出现的强震或巨震,称为首发强震或首发巨大地震,上述的水库诱发≥6级地震的案例以及5.12大地震,都具有典型的“首发”特征。虽然也可能会有历史地震漏记,但强震和巨震,一般都会在人类可考的史料中留下记载。虽然不能排除在上万年、几十万年甚至上百万年的地质历史中,当地曾经发生过强震和巨震,但如果在几千年的历史记载中或一百多年的仪器记录中,出现强震或巨震“空缺”,它至少说明,在这些地区发生强震和巨震的概率很低或周期很长。而从现象和相关性来看,水库诱发地震则可能在水库蓄水后的几年或十几年内便在水库附近出现首发强震或首发巨震(目前已知滞后时间最长的,是埃及阿斯旺水库在蓄水后17年诱发了5.6级主震)。[32]显然,对水库诱发地震的强度,很难根据历史记录来进行预测,而且如上述案例,在现有科学水平上,也很难根据已知地震地质背景和地震参数背景来作出判断。因此对它的预测和设防具有更大的不确定性,同时也具有更大的风险与隐患。

3.2逆冲断裂带上的水库诱发地震问题

根据水库荷载应力对断层影响的力学机制分析,荷载效应仅使潜在正断型的稳定状况有所恶化,而使走向滑动型与逆断型两者在不同程度上有所改善[9]。因此一般会认为逆冲断层带的水库蓄水对断层活动起到抑制作用,而不容易诱发地震。但一个简单的事实是,水库运行包含蓄水和放水(即加压和卸载)的交替活动,而蓄水到高水位后的放水卸载过程,则会使逆断层的稳定状况恶化,从而使诱发强震的危险性大大增加。除了上述紫坪铺水库在两次大的放水过程中能量加速释放、诱发小震群并最终出现8.0级主震的案例以外,如塔吉克斯坦的努列克、中国的龙羊峡、丹江口、乌江渡、岩滩等水库,都属逆冲断层型的水库诱发地震。而且值得注意的是,即使是逆冲断层带的水库,其诱发地震的活动也不仅是与放水过程有关,例如塔吉克斯坦的努列克水库,诱发地震的强度主要与水库水位的变化速率有关,而且诱发地震主要出现水位快速变化的时段,即使在水位升高时,也会使地震活动增强[30]。

另外,逆冲断层带上水库诱发地震的机制可能更为复杂。从青海龙羊峡、四川紫坪铺这两个案例来看,水库主体部分都位于发震的逆冲主断层的下盘,在这种情况下,水库蓄水活动对断层应力状态的影响和发震机制都需要进一步研究。荣代潞等在研究龙羊峡水库的诱发地震时认为,水库主体位于发震的逆冲主断层的下盘,相当于对断层的拉伸作用,使断层面上的正应力降低,也利于库水向断层面渗透,同时相当于给发震断层加了一个方向为垂直于断层面的扭矩,有利于断层发生走滑剪切错动,特别是当断层两盘在这种扭矩作用下发生小的垂直错动位移时,会使断层面所能承受的剪切应力突然减小,从而触发地震[3]。 上文所述,在紫坪铺水库蓄水前,龙门山断裂带高应力区分布在绵竹—茂县一线的东北侧,即龙门山断裂带的北段。紫坪铺水库蓄水后,这种情况似乎发生了变化,小震群的活动与b值的降低显示了紫坪铺库区附近应力水平的显著升高,8.0级巨大地震没有出现在原本应力水平较高的北段,而是出现在库区附近,有可能是受到水库蓄水所附加的库仑应力的影

响;而8级地震发生后,北川—映秀断裂主要表现出破裂向北东方向扩展的单侧破裂现象,似乎又与原先龙门山北段的相对高应力分布有关。

另外,对龙门山断裂带这样的向深部汇聚相交的逆冲断裂系来说,不能把发震断层两侧看作简单的上下盘,因为北川—映秀断裂带之下盘就是江油—都江堰断裂带之上盘,而且构成断裂带的众多次级断层又有各自的上下盘,因此,水库的蓄水活动是如何通过这种断层型式对发震断层施加影响是相当复杂的。从紫坪铺库区来看,孕震和发震的过程,北川—映秀断裂、江油—都江堰断裂都牵涉其中。

发震断层北川—映秀断层上盘的地质结构很不均一,比其下盘变化更复杂,尤其是在映秀至彭州一带上盘出现蓄能条件良好的强岩—彭灌岩浆岩杂岩体,而且在此段落,断裂上下盘的岩石强度或蓄能条件相差最大,这也可能是8.0级主震的初始破裂在此发生的因素之一。

3.3水库诱发强震或巨震的震源深度

水库诱发地震具有震源深度浅、地震烈度高的特点,它们几乎都属于震源深度小于30km的浅源地震。由于震源浅,所以面波强烈,震中烈度一般较天然地震高,零点几级就有感,3级就可以造成破坏[13]。另外,震源深度的确定本身也有许多需要解决的技术问题。汶川8.0级地震发生后,不同的机构在不同的时间对震源深度的确定有较大的差异。中国地震台网中心(CENC)最初公布的数据为33km,后更新为14km;美国地质调查局最初公布的数据为10km,后修订为19km;陈运泰等在2008年5月20日发布的《汶川地震震源特性分析报告》中公布的数据是10km,陈运泰后来在他的《汶川地震的成因断层、破裂过程与成灾机理》报告中订正为15km;吕坚等采用双差定位法对汶川8.0级地震重新定位后的结果是13km。

[27]总体来看,汶川8.0级地震的震源深度很浅,大多数的研究结果趋向于13km~15km,这样浅源的巨大地震也是罕见的。

如前所述,雷兴林等的研究表明,紫坪铺水库蓄水以后,在10km深处的库仑应力已产生了足以明显影响断裂活动的变化。四川省地震局选取紫坪铺水库蓄水以来到2008年5月震级在2.5≤ML≤3.7且有良好波形记录的全部13个地震,进行了震源参数和震源机制的研究,其震源深度集中分布在5~14km的上地壳中。汶川8.0级地震的震源深度不仅位于这些小震群震源深度带的下部,而且空间上紧邻这些小震群的下方。虽然水库诱发地震,并不是由水库的蓄水活动直接造成的地震,但从上述情况看,水库蓄水活动所附加的库仑应力变化显然和汶川8.0级主震之间存在某种相互作用的动力学反馈机制,即使库仑应力变化不能直接达到或直接影响到主震的震源深度,但这种库仑应力变化诱发的小震群很可能意味着主震之前初始破裂的开始,由于这些小震群的震源机制解以及所呈现的应力场与8.0级主震是一致的,空间上也与主震伴生,因此这些微破裂的增加以及由浅入深的发展,对8.0级主震是具有前兆性的。雷兴林等也特别指出,在孔隙压扩散与岩石破坏之间存在正的反馈效应,一方面孔隙压扩散可促进岩石的破坏,另一方面岩石的破坏又反过来增强孔隙压扩散,孔隙压的增加对任何产状的断层来说都是增加库仑应力的[26]。换言之,初始的水库诱发地震活动,包括微小地震活动都会极大地强化断层破碎带的渗透性,从而增加孔隙压的扩散,进而增加库仑应力,并反过来又促进地震活动即岩石破裂的发生,直至触发强震或巨震。在某种程度上,这有点类似于滚雪球的效应。

发震的北川—映秀断层在震中附近的上盘,为蓄能条件良好的强岩—彭灌岩浆岩杂岩体,加上断层倾角较陡(据陈运泰对汶川8.0级地震的震源机制解为39°),要使断层克服阻力发生破裂,需要巨大的推动力,根据岩石流变学理论,在这种情况下,断层破裂要启动必定要有大量流体参与。但龙门山是一个上部地壳推覆叠置的陆内造山带,被认为是典型的“薄壳”构造,在此次汶川8.0级地震震源深度范围以内,还主要属于脆性及脆韧性过渡的变形带,尚无证据显示有足够的岩浆及变质热液或流体活动。而紫坪铺水库向深部渗透的裂隙水,是否成为促使断层破裂的流体来源的一部分,显然值得深入研究。

4.紫坪铺水库诱发地震的问题带来的一些启示

4.1近年来中国西部地区的水库诱发地震活动值得高度关注

中国西部有着丰富的水能资源,但也是我国最重要的地震活动带,随着西部水电建设大规模的开展,水库诱发地震的案例也不断增多,但因为以前诱发强震的案例较少,一直未引起广泛的关注。而汶川8.0级地震发生后,人们不得不重新审视水库诱发地震的巨大风险。下面这几个近年来的西部地区水库诱震的案例同样值得关注。

4.1.1四川二滩水库

二滩水库位于四川省盐边县和米易县境内的雅砻江下游,坝高240m,库容58亿m3,装机容量330万千瓦。库区位于磨盘山断裂带与攀枝花断裂带上,并紧邻金河-程海断裂、安宁河断裂,这些断裂带历史上均发生过6~7级的强震。水库于1998年5月1日下闸蓄水后至1998年8月18日,水位由径流水位1030.78m快速上升至1182.26m,升幅高达151.48m,在此阶段诱发了快速反应型的一系列小震群,包括龙胜小震群、鳡鱼小震群、金龙山小震群,最高震级为2.2级。此后,在1998年9月至10月、1999年1月至4月的水位下降期间,地震活动趋于平静,而在1998年11月至12月、1999年4月以后的水位上升时段,又诱发一系列小震群。[6]由于二滩水库目前仍处在可能发生水库诱发强震的滞后时段内,而且其库坝区天然地震背景的强度和频度不高,其水库诱震活动仍值得高度关注。2008年8月30日,发生了四川攀枝花市仁和区与凉山州会理县交界处的Ms6.1级地震,震中位于二滩水库大坝南南东方向约50km的磨盘山断裂带南端,该断裂具有逆冲推覆加左行走滑的特征。虽然震中离库坝区有一定距离,但由于磨盘山断裂带由此往北穿过二滩水库库区,而且已有龙羊峡水库诱发的7级地震震中距库区可达40km的前例,因此,攀枝花地震与二滩水库的蓄水活动是否存在联系仍然存疑,需要对攀枝花Ms6.1级地震之前二滩水库库区及附近的地震序列作深入研究。

4.1.2四川冕宁县大桥水库

大桥水库位于四川省冕宁县大桥镇境内的安宁河干流上,坝高93m,库容6.58亿m3,装机容量9万千瓦。大坝位于安宁河地震带上,夹在安宁河东支和西支断裂之间,处于我国近年来多次圈定的强震危险区中。大桥水库于1999年6月下闸蓄水,蓄水后库坝及其周围地震明显增多,特别是是2001年9月13日水库蓄至满库水位后,诱发了一系列小震群,包括了200余次微小地震,且主要集中在安宁河东支断裂带。水库库水位从2001年5月的2003m高程到9月上升至满库水位2020m高程,维持高水位近3个月直至11月中旬后,才开始慢慢下降,当2002年3月3日水位下降到2005.07m高程时,诱发了冕宁MS4.6级地震,震源

深度为5km,位于安宁河东支断裂上,据震源机制解,断层破裂面呈南北走向,向西倾斜,错动表现为反时针的走向滑动与断层上盘(西侧)的下降,属伴有走向滑动的正断层。由于大桥水库是处于强震多发地区和地震高烈度区的大Ⅱ型水库,其地震地质结构条件比较复杂,随着库水不断向断层深部的渗透和安宁河断裂带应力的不断积累与调整,大桥水库目前还不能排除诱发新的和更强的地震的可能。[12]

4.1.3广西龙滩水库

龙滩水库位于红水河上游,坝高220米,最大水深近200米,总库容为273亿m3,装机容量540万千瓦。在距大坝约50km的断裂带上,1875年曾发生过6.5级地震。2007年以来,受龙滩库区与百色水利枢纽蓄水影响,广西及其邻区小震主要在龙滩、百色、靖西一带活动。自龙滩水库蓄水以来,大坝100公里范围以内,已发生3级以下地震70多次,3级以上地震1次。2007年3月17日,在广西河池市天峨县下老乡和贵州罗甸县罗妥乡之间发生ML3.8级地震,造成一些民房破坏。(广西龙滩库区发生地震主体工程未受影响,新华网广西频道,www.GX.xinhuanet.com,2007-03-20)

4.1.4长江三峡水库

三峡水库坝高181m,总库容393亿m3,总装机容量2240万千瓦。有秭归—渔洋关、黔江—兴山两个地震带穿过库区,其中秭归—渔洋关地震带中的仙女山—九湾溪断层、黔江—兴山地震带中的高桥断层最受人关注。1856年6月10日,在黔江—兴山地震带的黔江小南海—咸丰大路坝曾发生6.25级地震,并因大规模的山崩滑坡,形成地震堰塞湖—小南海。1961年3月8日、1979年5月22日,分别在仙女山—九湾溪断层、高桥断层发生过4.9级、5.1级地震。三峡水库在2003年、2006年、2008年已分别经历了135米、156米、172米三次分期提高水位的蓄水过程,自2003年蓄水以来,地震活动总的频度显著高于天然地震本底,表现出明显的水库诱发地震的特点,据相关专家对2003年至2007年的观测数据的研究[25],对应于135米、156米蓄水过程,分别出现了诱发地震的高潮。除了水库诱发的矿山坑道塌陷型和岩溶型地震以外,水库诱发的构造型地震主要集中于巴东的高桥断层,最高震级为3.3级,而九湾溪断层在这期间的异常活动并不明显。

由于三峡水库在2008年11月才首次蓄水到接近正常高水位,因此在未来的若干年时间,是有可能诱发强震的高风险时期。2008年11月4日,三峡水库坝前水位达到172米,三峡水库2008年的“试验性蓄水”宣布结束。特别值得注意的是,2008年11月22日,在水位由172米向下缓慢回落的过程中,在距三峡大坝29km的九湾溪断裂带附近的秭归县屈原镇,诱发了三峡工程蓄水以来库区震级最高的4.1级地震。这也许是一个信号,表明此次172m蓄水也使九湾溪断层出现了明显的活动迹象,而且三峡水库诱发地震的强度也达到了一个新的量级水平。

4.2中国西部一些地震活动带上在建的高坝大库存在诱发强震的巨大风险

目前在中国西部,还有许多建成或在建的、规模远大于紫坪铺的高坝大库,而且很多也是在有强烈地震活动的断裂带上(见表2)。其建设态势被称为“三高”(高坝、高烈度、高速度建设)。因此对紫坪铺水库诱发汶川8.0级地震的问题应进行深入的科学研究,为西部地区大型工程的决策,以及灾害风险的防范提供依据。

表2 长江上游主要河流具有诱发强震风险的一些高坝大库

以下是摘自网络的一段话:

我国曾总结了可能产生水库诱发地震的7项定性标志:一、坝高大于100米,库容大于10亿立方米;二、库坝区有活动断裂;三、库坝区为中新生代断陷盆地或其边缘,近代升降活动明显;四、深部存在重力梯度异常;五、岩体深部张裂隙发育,透水性强;六、库坝区历史上曾有地震发生;七、库坝区有温泉。上述7条,符合数越多,该水库蓄水后诱发地震的可能性就越大。紫坪铺水库符合了上述7项的前6条。


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