水库地震工程地质研究

刘华清 1 宋国盛 2

长江三峡勘测研究院有限公司（武汉） 湖北武汉 430079

摘要：水库地震经常威胁水库、大坝的安全，而由其引起的次生灾害远比其造成的直接破坏更加严重。相对于天然地震，水库地震很容易产生水患和社会恐慌。因此，应对水库地震给予充分重视。预测水库地震类型、潜在震源区及可能发生的震级上限，并对水库地震的危险性进行评价，可为工程运行、库区周边居民正常生产生活提供决策依据，也为政府部门做好地震防范措施提供一定的参考。

关键词：水库；地震；工程地质；研究

1诱发地震的类型(以诱发成因分类)

由于人类修建水库工程，水库蓄水所引起的地震活动，称为水库地震。

1.1内动力地质因素诱发型

(1)断裂活化型：在人类工程活动因素影响下，某些已停止活动的或活动性微弱的断裂带其活动性又加强，形变和能量积累速率加大，产生新的断裂错动而诱发地震。也有人称之为构造型诱发地震。(2)热能型：种类型主要出现于现代火山或高地热能地区，地震活动与地壳含热区或热异常区的热应力较高有关。(3)化学潜能型(岩矿相变型)：地下存在某些特殊矿物组成的地层如硬石膏、硅石层或其它硅酸盐矿物组成的地层时，在水化作用下，岩矿相变，体积膨胀，结果使其上覆地层产生横向拉伸、破裂而诱发地震。

1.2外动力地质因素诱发型

(1)采矿诱发地震型：由于地下矿洞或采空区围岩变形、脆性破裂、顶板岩层冒落、塌陷等岩石碎裂作用，引起岩体应力和应变能的集中释放，并产生弹性波传播所形成的地震现象，简称矿震。(2)岩溶塌陷气爆型：在碳酸盐岩类分布地区，由于大型岩溶洞穴的自然塌陷或因暴雨或水库蓄水造成岩溶管道充水，洞穴中封闭的空气压缩而产生围岩爆裂，可导致中等强度的地震。(3)滑坡崩塌型：大型滑坡或山体崩塌一般均伴随一定程度的地震效应。(4)易溶岩溶解塌陷型：由于地下某些易溶岩类受到人工注水或水库渗入水的溶解作用导致地下空穴塌陷型地震。(5)冻裂型：存寒冷地区或高海拔地区修建水库，由于库岸岩体浅部裂隙充水，冷冻膨胀，岩体破裂而导致地震。

1.3综合因素诱发型

在一定的地质条件下，诱发地震可以由内、外动力地质因素综合引起，或以某一类因素为主导，所产生的诱发地震又构成了另一类因素产生地震的必要条件，由此产生连锁反应。

2水库地震的基本特征

可分为构造型、岩溶型、滑坡崩塌型、冻裂型及混合型等。其中以构造型水库地震的强度较高，岩溶型水库地震较为常见。

2.1构造型水库地震

可能因岩体强度大，又积累了较高的应变能，当库水沿断裂带向深部集中渗透，促使破裂面强度降低，造成能量急剧释放而诱发地震。发震条件主要是：①有区域性或地区性断裂带通过库坝区；②断层在上更新世以来有明显的构造活动；③沿断裂带有地震活动的记载；④断裂带有一定规模和导水能力，库水能渗向深部等。据已观测到的实例，这类地震的特点是：①震中位于断裂带附近;②震源深度一般3～5km,深的约8km；③震级较高，已发生的最强为6.5级；④蓄水深度或水压力大小与发震的相关性不明显。

构造型水库地震引起的地震活动变化多使地震增强，但修建在多震区、强震区或曾发生破坏性地震地区的水库，如美国格兰峡水库、佛莱明峡水库、日本黑部第四水库、意大利皮亚韦－卡多雷水库、南斯拉夫格兰察雷沃水库等，都是蓄水后微、弱震明显增加，而中强震很少。对此，有些学者认为是库水引起岩体中蕴集的应变能提前释放，才使原有地震活动性减弱。

2.2岩溶型水库地震

可能因库水位上升，迅速淹没某些岩溶管道系统，造成被围堵的水和气体在其中冲击振荡，而库水下降时引起局部岩溶塌陷和气爆活动，并伴生地震。发震条件主要是：①库坝区及其附近有大面积的碳酸盐岩分布，特别是未变质的质纯、厚层块状灰岩；②岩溶发育，有管道系统，蓄水前已有天然岩溶塌陷和诱发地震的记载。这类地震的特点是：①震中常位于岩溶发育的峡谷河段，无明显迁移现象；②库水位与发震的相关性密切，发震时间滞后于库水位到达某一库水位的时间短；③震级较低，大多在4级以下；④震源深度浅，深的一般只1～2km;⑤常为单发、多发的震群型地震,没有明显的前震和余震。

3水库地震的工程地质环境

众所周知，任何事物总不是孤立存在，都不同程度受到周围环境的影响，水库地震亦如此。

3.1大地构造环境

从大地构造环境看，属于边冲型的板块俯冲地带诱震可能性小，转换断层及大的平推断层所控制的地区则有可能。而潜在的正断层山前拗陷及张裂系统易于诱震。例如赞比亚的长里巴、希腊的克雷马斯塔等水库，其震源机制属倾滑型，我国丹江口为倾滑兼走滑新丰江和印度的柯依纳、美国米德湖等水库则为走滑型。

3.2区域地质条件

（1）现代应力状态之局部集中区及明显的新构造活动带，是诱震的优势环境，而且诱震水库区常见温泉等地热异常现象。（2）从建库前天然地震背景看，大部分诱发地震往往发生弱震或无震区，即实现于是中等应变速率的高能区的外围地带，因为这些地区易积累能量。（3）库区地层的组合和岩性条件。不同岩石组成的库盆，诱震的概率和强度不同。坚硬致密的岩石地区，一般发震强度高；半坚硬的岩体或坚硬破碎的岩石地区，发震强度低，多为震群型；石灰岩地区发震率高于其它岩类，但强震多在火成岩体中。有利的地形因素可以为水库地震的产生创造良好的条件。一般而言，盆地、宽谷和地形平坦的地区，由于各种风化、搬运和堆积作用，松散堆积物厚度大，形成天然覆盖，不利于水的入渗。相反，陡峻的峡谷或基岩裸露地区，库水易沿结构面入渗，所以，我国已知的所有水库地震均发生在水库的峡谷地段或基岩裸露地区。

3.3水文地质条件

适宜的水文地质条件是发生水库地震的另一个重要因素。坚硬致密的岩体具有利水渗流的导水裂隙，且深部的水位或承压水头较低时，可为库水的深循环创造条件。尤其初始地下水位低，利于形成强烈渗流高压异常地带。

3.4水对库盆的效应

如果库区地质构造、岩性和水文地质诸条件是诱震的前提和基础，那么，库水的参与则可进一步改变介质的性状和结构，促使库区范围已储聚的能量释放出来，从而有可能产生具有特殊表现的水库地震。

4水库地震的形成机制

4.1水的物理化学效应

水对库基岩体的物理化学效应主要表现在以下几点：（1）这种效应可以降低库基岩体及结构面强度，会使断裂面及充填物软化、泥化作用，对结构面起到润滑作用。（2）产生楔裂作用，高压水使封闭裂隙局部应力集中，使裂纹扩展、生长、串通，引起局部应力释放，产生微震。（3）应力腐蚀作用，库基岩石中有的矿物（如石英），在临界温度以下，只要温度降低很小时，强度可以大大降低，而水的作用可以使其温度降低，从而使岩体破坏时间缩短，裂纹发展加速。

4.2水的载荷效应

水库对库基岩体的荷载能在岩体内造成附加应力，从而恶化断裂面的应力条件。如果岩体内发育有相互平行的陡立软弱结构面，则能限制应力向两侧传递、扩展，使应力集中在结构面所限的岩体中，因而能影响到较大深度。陡立结构面抗剪强度越低，其应力集中程度越高。大水库库基岩体若被深大陡立断裂面所限，水库载荷效应则能起到重要作用。 垂直载荷还能造成岩体变形，也会产生一定附加应力，若与构造应力叠加，则能在诱发地震中起到一定作用。

4.3孔隙水压力效应

当库水向岩体裂隙中渗透后，岩体中的孔隙水压力会增大，相应降低了作用在裂隙面上的有效正应力，从而降低了抗剪强度。只要岩体是透水的，库水渗透后就会产生孔隙水压力效应，会在水库地震中起到一定作用。

5结束语

总之，上述几种效应只是地震的诱发因素，其决定性因素还是库底的地质条件。若库底有活断层或水库处于新构造活动区，则岩体内已存在相当大的构造应力场，在库水的载荷效应及孔隙水压力效应联合作用下，使地壳表层的应力状态重新调整，促使岩体内积累的应变能释放产生断裂错动而产生地震。

参考文献：

[1]夏金梧.《水库诱发地震评价理论与实践》[M].武汉：长江出版社，2020.

[2]毛玉平.《水库诱发地震研究》[M].北京：地震出版社，2008.