水库地震分析

一、水库诱发地震成因

水库诱发地震是人类大规模水利水电建设工程活动与地质环境中原有的内生或外成不稳定因素相互作用的结果。按成因分类,可划分为内成因、外成因和混合成因三大类型。

1.内成因的水库诱发地震

由于蓄水导致库区地壳上层的区域地应力场发生变化,从而改变了某些区域地块构造运动故有的进程,引起水库及其邻区地震活动性的明显变化,称之为内成因的水库诱发地震或构造破裂型水库诱发地震(简称构造型水库地震,亦可称为断层破裂型)。按照地震活动性变化的性质,构造型水库地震可分为两个亚型。

(1)构造破裂增强亚型。

(2)构造破裂减弱亚型。

在没有特殊说明的情况下,构造破裂型水库地震一般均指其增强亚型。

2.外成因的水库诱发地震

由于蓄水改变了外动力地质作用的条件,导致地表(0m至1～2km)局部范围内不良自然地质作用加剧,岩体或岩块相对位移或遭受破坏,所伴生的地震现象称为外成因的水库地震,外成因水库地震又可分出以下6个亚型。

(1)岩溶(喀斯特)塌陷型。蓄水改变了天然喀斯特管道系统中的水动力条件,使其中的塌陷、气爆作用加剧而伴生的地震,如中国贵州乌江渡水电站、湖南黄石水库、湖北邓家桥水库、南斯拉夫的比累恰水库、土耳其凯班水库等。

(2)地壳表层卸荷型(浅层应力调整型)。由于河流侵蚀下切作用而在谷坡中形成的水平卸荷裂隙及岸边剪切裂隙,在库水的影响下加速其破裂过程所带来的地震效应,如美国蒙蒂赛洛水库、中国浙江乌溪江水库和贵州三板溪水库等。

(3)冻裂型。严寒季节库水位大幅度快速消落时,库岸充水裂隙中的冻裂作用所产生的地震效应,如瑞士埃莫逊坝、蓬达加尔坝等。

(4)易溶岩溶解塌陷型。蓄水引起水库与开采中的岩盐矿床相连通而导致的快速溶解及塌陷地震,如中国四川新店水库。

(5)滑坡崩塌型。库水位大幅度升降引起谷坡滑坡崩塌作用加剧而伴生的地震效应,如意大利的瓦依昂坝(当时出现不同意见)。

(6)矿硐塌陷型。废弃或停产的煤矿等矿井或矿硐因蓄水产生塌陷而引发的频繁的微小地震。

3.混合型水库诱发地震

在蓄水过程中,同一库段或水库的不同地段,同时或先后出现几种不同成因的水库地震,它们之间可能相互影响,也可能互不联系。这种现象暂称之为混合型水库诱发地震。混合型水库诱发地震并不是一个独立的成因类型,但在不少震例中,蓄水后发生震情变化的初期,几种成因的水库地震的特征都有表现,互相混杂,不易辨别。为此,专门将其列为一种类型,以强调在发震之初不能把所有的震情变化都一概认为是构造地震和断层活动,而要从早期大量其他外成因水库地震的表现之中,及时辨识是否存在构造型水库地震的最初信号。在各种成因类型的水库地震中,构造破裂型中的增强亚型是最重要的一类,有可能达到较高的震级,给工程和库区环境带来严重危害,应该成为研究和预测的重点。在已有的水库地震震例中,绝大部分属外成成因。在前期预测中,只强调构造型水库地震危害,或在震情初期几种成因类型的水库地震混在一起时一概归因于断层的最新活动,往往夸大了水库地震的危险性,引起防范过度,会造成不必要的经济损失。常见的外成成因水库诱发地震的类型主要有3种,即碳酸盐岩类岩溶(喀斯特)塌陷型、矿洞塌陷型和地壳表层卸荷型(亦有称之为浅表应力局部调整型或微破裂型或重力失稳型等)。在我国的33个水库诱发地震震例中,岩溶塌陷型所占比例最高,有20例,占总震例数的60.6%。不同成因类型的水库地震,其诱震因素不同,发震条件不同,可能的最大发震强度和对工程的影响程度必定也大不相同。因此,水库诱发地震的预测必须针对不同成因类型建立多种判别标志组合。

二、水库诱发地震判别标志

判别一座水库蓄水后是否出现了水库诱发地震,主要是从3个方面考虑:一是地震活动与水库水位的相关性;二是地震是否发生在水库区及库水影响范围内;三是地震活动特征(频度、强度、空间)与天然地震本底值是否有明显的异常。如果一个水库蓄水后,在水库区及其库水影响范围内出现了与水位升降有明显的对应关系(特别是在初期急速蓄水阶段)的地震活动,并且地震活动特点(特别是频度)与蓄水前有较大的差别,则可认为该水库出现了水库诱发地震。衡量一个水库是否出现了水库诱发地震,最重要的指标是蓄水前的天然地震活动本底值,只有当蓄水后库区地震活动性明显超出天然地震本底的正常波动范围时,才能确认是诱发了水库地震。量化的水库诱发地震判别标准如下。

(1)时间上是蓄水初期,水库地震的初震只发生在围堰挡水之后和蓄水位达到设计水位5次之前的时间段内。若此期间库区地震活动性未出现异常,此后则属于天然地震的正常波动。在水库地震的发震初期,地震活动性与库水位有比较明显的相关性(正相关或负相关),但达到最高设计水位之后,这种相关性会逐渐减弱。

(2)空间分布上,在断裂不发育或断裂规模较小的库段,水库地震的主震和地震集中区处在距库边线3～5km范围之内或不超出该河谷的第一分水岭。在岩溶管道系统发育地区,库边线应将在大型岩溶管道系统中形成的充水范围地下水库考虑在内。在区域性活动断裂穿过或平行库边通过的库段,距库边线不超过10km。若地震活动只出现在此范围以外,则属于水库地震的可能性很小,库水的影响力不至于此。

(3)在深度上,一般来说库水的重力荷载对库盆基岩的影响深度仅相当于水库宽度的一半。而蓄水造成的孔隙压力增量,一般不会传递到库盆的第一潜水含水层以下,除非库区存在深水文地质结构面。即便如此,由于深部岩石密度和温度的增加,库水的影响也不可能无限地向下传递,影响深度应该不会超过10km。

(4)蓄水后地震活动的年频次超过天然地震本底值(实测多年平均值)5～10倍,其上限值仅适用于天然地震活动性相对较高的局部地段。构造破裂型水库地震的能量年释放率应高出天然地震本底值2～3个数量级;减弱亚型的年频次和年释放能量应连续数年低于多年观测系列中的最低值,且初期与库水位的升降呈明显的负相关。

(5)水库地震序列的前震、余震序列的b值高于天然构造地震的多年统计值,可能超过1.0。

(6)水库地震通常有明显的烈度正异常并伴有地声,地壳表层卸荷型等非构造成因水库地震的这个特点尤为突出。震级较高的构造型水库地震则没有明显的烈度异常。

由此可见,积累蓄水前的天然地震活动本底非常重要,是判别水库蓄水后是否出现水库诱发地震的关键指标和基本依据。

三、地震成因的判别方法

对于判别地震类型可按以下两个步骤进行。

第一步:对地震波形进行时域参量、拐角频率和优势频率、振幅比等参数分析。一般构造型地震水平向振幅比大于3,且水平向振幅比大于垂直向振幅比。而对于塌陷型地震,水平向振幅比和垂直向振幅比差别不是很大。表1-1-1给出了各类地震判别参数。

第二步。①对于构造型地震,是天然地震还是构造型水库地震,需要根据地震震中到水库的距离来定:若小于10km,则认为是构造型水库地震;若大于10km,则认为是天然地震。②构造型地震一般发生在断裂附近。③对于塌陷型地震,是岩溶塌陷型还是矿硐塌陷型,也需根据地震震中的位置而定:若在煤矿区,则属矿硐塌陷型;若在岩溶区,则属岩溶塌陷型。④构造塌陷混合型,一般发生在断裂、煤矿/岩溶区等地区。既有构造型地震的特点,也有塌陷型地震的特点。