水库地震监测预测进展

杜瑶 戴仕贵 阮祥 王余伟 邵玉平 杨晓源

引言

随着科学技术的进步，人类对自然资源的开发利用规模也越来越大。同时，人类大规模的工程活动对地球自然资源环境的影响也越来越强烈。如石化能源的大规模开采与燃烧排放的二氧化碳对大气和海洋的影响，已严重地影响地球生态圈。生存环境的改变不仅会造成物种灭绝，也影响着人类自身的生存与发展环境。于是人们开始寻找可再生的清洁能源用以替代有害于环境又不可再生的石化能源，风能、太阳能和水能便是清洁而又可再生的能源。

人类对水能的开发与利用远早于其他可再生的清洁能源，其规模也远大于其他能源。目前，水电站的坝高和库容越来越大，发电量也越来越多，水能资源的利用满足了人类发展和生活改善对电能的巨大需求（图1～图3），但我们也发现在水库及其周边偶尔会有地震发生。这些地震是由于水库蓄水引发的地震，我们称之为水库地震。

虽然水库地震多为危害性不大的小震或弱震，且发震水库只占总水库保有量的10%左右，但也有极少数水库周边发生了破坏性大的强震。例如，1962年3月19日，广东省新丰江水库附近发生6.1 级地震，这就是一个典型的水库地震震例。

新丰江水库修建在人们认为的少震弱震区，但水库蓄水后不久却发生了6.1级强震，于是催生了我国对水库可能诱发破坏性地震的研究与立法。其目的是既要合理开发利用水能这一种难得的可再生的清洁能源，又要预防极少部分水库可能诱发的地震对人类生产生活及社会的影响。

科研人员探讨为什么约90%的水库蓄水后都不会诱发地震；而那些已诱发地震的少量水库与大量未诱发地震水库比较，所在区域的地质条件有什么不同之处；特别是极少数已诱发破坏性强震的水库又有什么特殊之处；能否都像新丰江水库6.1级主震发生前提出准确的意见，为大坝加固和水库加卸载的决策提供依据，保障人民生命财产的安全和社会安定。

图1 川滇交界的金沙江下游的向家坝水库大坝

水库地震成因

（一）构造型水库地震

这类地震是因水库蓄水提前释放了构造断裂带中积聚贮藏的形变能而造成的地震，故有人称为水库触发地震。构造型水库地震的震级较高，但必然低于该断裂上可能发生的最大天然地震，新丰江水库6.1级地震就属于这一类型，因此，构造型水库地震也是水库地震监测和预测研究的重点。

产生构造型水库地震的前提条件是水库淹没或周边区域存在足够能量的断裂，且有裂隙供库水下渗至断裂面的通道。这些断裂虽然已经由于板块运动而储藏了一定的形变能，但此能量尚未达到能使断裂发生滑移或破坏的强度极限。水库没有蓄水前，这些断裂上并不会发生地震，相当一部分被库水淹没的断裂在有人类历史记载以来就未发生过破坏性大震，于是这里的水库被认为是建立在了无震或小震区域中。

但是人类历史与地球漫长的构造运动史相比极为短暂，特别是有记载流传的人类史更短,而有仪器记录地震的历史仅仅是100年左右。因此，人们对某一断裂的活动历史认识非常有限。人们建设水库时必然会避开那些有史以来强震多发或发生过地震的断裂，特别是深大断裂，力图将水库建设在人们认为是无震或少震的区域，虽然水工建筑也要离那些尚处于平静状态的断裂一定距离，但水库淹没或邻近区域存在这样的断裂就可能会难以避免，或对其诱发地震的可能性会估计不足。这可能就是为什么破坏性水库诱发地震往往会超出人们的认识水平，发生在历史无震或少震的地区原因之一。

图2 广东省河源市新丰江水库大坝

图3 四川省雅砻江流域锦屏一级水库大坝

构造型水库地震是水库地震中危害最大的一类，据统计，此类地震绝大多以前震—主震—余震型的活动规律呈现，且主震绝大多数滞后于下闸蓄水1～6年发震。构造型水库地震在主震的发震时间上明显滞后于下闸蓄水时间，因此也有文献称其为滞后型水库地震。

（二）岩溶型水库地震

岩溶型水库地震是水库淹没或邻近石灰岩类地层而诱发的地震。众所周知，石灰岩类的地层中存在大量的溶洞暗河等地下通道，有些地方的石灰岩溶洞规模还十分巨大且地下通道四通八达。库水以一定的压力沿地下通道浸入溶洞后可能会造成大规模的塌陷或气爆，这就是一般所谓的岩溶塌陷型水库地震或岩溶气爆型水库地震。

岩溶型水库地震释放的能量是塌陷物质的位能或洞内气体受压缩储藏的能量。这些能量一般都远小于构造断裂所储藏的形变能，因此岩溶型水库地震的震级一般都较低。观测实践证实，岩溶型水库地震的震级几乎都在4级以下。应当指出，尽管岩溶型水库地震的震级较低，但其对震中附近社区的影响力却不可小觑，其主要原因是岩溶型水库地震的震源深度一般都较浅。

震源深度浅意味着地震波从震源传播至地面的路径太短，不仅地表感觉强烈，破坏性也会高于震源较深的地震，这也是为什么水库地震的震中烈度会高于同震级天然地震的原因。岩溶类水库地震因为震源较浅，不仅震中烈度偏高而且地震波中高频成分衰减小，震中附近往往能听到隆隆的同震声响。

岩溶型水库地震的活动特征是震源浅、震级小、震中烈度偏高（相对于同震级的天然地震）并以震群的形式发生。所谓震群型活动特征就是震级最大的地震与排名第二、第三位的地震震级差异不大，不会超过1级。而前震—主震—余震型地震中的主震震级超过最大前震或最大余震1级或更多。四川省大渡河下游的铜街子水库蓄水初期发生的小震群便是这一类地震。这类地震的最高震级不高、每次发震释放的能量不强，对现代建筑不会造成破坏。

岩溶型水库地震在活动出现的时间与下闸蓄水时间的关系上表现为两者之间的短时差，有的水库甚至刚下闸蓄水几天便出现地震活动。岩溶型水库地震的活动性与库水的加卸载有一定的相关性，绝大多数水库在库水位上升时地震活动性增强。因此，有的学者将其称为快速响应型水库地震。

岩溶型水库地震之所以能快速响应水库的下闸蓄水和库水的加卸载，其主要原因是石灰岩类岩洞地区不仅地下溶洞比比皆是，而且地下暗河与裂隙四通八达，为库水的涌入提供了阻力小的便捷通道。而构造型水库地震的响应比较慢，因为库水要沿充满碎石与断层泥的破裂带下渗就不会那么容易，迂回曲折的下渗路径和狭窄且阻力大的通道大大延缓了库水的下渗速度，所以地震活动性与库水加卸载就没有明显相关性，并且有滞后性。

（三）其他类型的水库地震

除了以上两类水库地震之外，水库作为在地壳表面新增的荷重也可能诱发地震。这类地震多发生在库容大且明显库盆的库段，对于西部山区的高山峡谷型水库局部集中加载不多，很难诱发此类地震。此外所谓的库岸再造型水库地震，这类地震实质为库岸被水浸泡后的松动滑移进入新的平衡，在地震记录上其波形亦与地震波类似，称其为库岸再造型水库地震也可。库岸再造型水库地震的震源深度是极浅的，因为这类地震就发生在地表。

图4 四川水库大坝与活动断裂分布图

应当指出水库加载诱发地震在岩体中的附加应力远比岩体存储的形变应力小，加载增加的应力随距库底的距离增加而快速衰减，故仅对库底浅层的岩层有一定影响。

水库地震监测预测现状及展望

在了解了水库地震的成因后，我们讨论如何预测预防水库地震，为大坝及库区附近生产生活安全提供保障。

首先在水库选址阶段，工程设计和施工部门会进行大量调研和勘测，对水库的拦水大坝进行合理的选址和拟定坝型，以减少诱发强震的可能性并且能保障强震发生时大坝的安全（图4）。另外，我国政府部门通过立法要求大型水利水电站的业主必须同步投资建设水库地震专用监测台网，聘请相关专家开展水库地震的监测及预测研究工作。我国水利水电和地震的主管部门已经建章立制，对水库地震监测台网的监测能力、监测范围以及所使用的的仪器性能等做了详尽且合理的规定。

其中水库地震专用台网的建设，有效地弥补了专业区域地震台网布局稀疏的缺陷，就水库库区狭小区域而言，区域台网监测能力明显不足，其一般只能达到ML2.0级左右，无法提供更小地震的准确活动资料。如果水库台网能够精确测定前震的震源深度，可以获得随着时间的推移，前震的震源深度呈现沿断裂带由浅入深的渐进过程。根据测震学的理论，如果要求较精确地测定震源深度，至少应该有一个观测台的震中距小于震源深度。如果要求较精确地测定浅源地震的震源深度，就要求至少有一个台的震中距小于此浅源地震的震源深度。所以现有水库地震台网的子台布设密度都较高，现阶段不少水库台网固定台站的平均台距在8～12Km范围内，这样的布设密度对震源深度超过4～6Km的网内地震可以测定得较准，但对于小于此震源深度的地震，其震源深度测定结果的可信度必然会降低。

同时，监测预测和研究的人员还需要掌握较充足的水库库区下闸蓄水前的地震活动性资料，作为水库库区及附近的天然本底活动水平。对监测研究而言，越早建成水库地震专用台网，就越能较完整地掌握水库蓄水前的天然地震活动情况，更能有效地对比研究水库蓄水前后库水淹没区及周边的地震活动性变化，也更有利于对区域强震危险性判定，所以水库专用台网一定要先于水库下闸蓄水前建成并投入运行。

图5 水库地震监测台网野外勘选

如果水库地震台网中固定台的布设密度，无法满足对浅源或极浅源地震震源深度测定的精度要求，这需要临时布设的流动台来作为补充（图5、图6）。因此，一些为大型水利水电工程服务的水库地震监测台网就专门配置有流动地震观测设备，供震情应急加密观测使用。

目前，天然地震预报是世界公认的难题，涉及时间、地点、震级等主要难关。但水库地震预测地点相对固定，应在工程场区及其影响区，时间上又与水库加卸载有一定相关性，一般认为其难度应该小于天然地震的预测。因此，着眼水库地震研究可能是研究地震成因和孕育过程的不错的途径。从目前来看，要更好地开展水库地震研究，需要加强管理、工程技术和科学研究等诸多领域的工作。

管理方面，应须做到专业与专用相结合，地震专业台站布局时要考虑水库地震需要，水库专用地震台网布局时要结合专业台站共同布局，做到资源共享，提高投资效率；要打破水库监测数据各自为政的局面，实现各种地球物理观测数据和水库水位运行等数据统一管理和处理，让数据实现共享。

图6 水库地震监测台站设备安装调试

工程技术上，可以通过建立水库地震试验室（场）的形式，在开展具有水库地震风险的水库普遍监控的基础上，有重点地开展地震潜在危险性较高、地震地质构造复杂地区、前期研究认为具有水库地震风险较高水库的多学科、多手段综合地球物理观测，捕捉地震孕育、发生过程。除开展测震外，还可开展地应力应变、断层移动、深部探测、地下水、地电等多手段多学科观测，不断探索地球物理观测新技术、新方法。

科学研究方面，在科学观测基础上，开展蓄水前后、加卸载过程的地震活动研究、地震波传播研究、地壳应力应变研究和地下水动态研究等，不断探索地震学研究新理论、新方法，探索建立水库地震孕育、发生的物理模型。

结语

目前，要成功地预测水库地震还比较困难，相信坚持监测研究就有突破的一天。能充分认识水库地震的成因，库区及附近的地质构造、地震背景、库水的加卸载等，结合有效的水库地震监测手段，是可以探索到水库地震的发震机理及规律，并能发出预测信息，为水库大坝附近的群众生命及水利水电设施等提供一定的安全保障。

感谢四川省地震局原水库地震研究所韩进研究员为本文提出宝贵意见，四川省地震局宣教中心提供文中相关图件。