1、第三章 水庫誘發地震工程地質研究類型水庫地震向地下深部注液或抽液引起的地震采礦誘發地震地下爆炸誘發地震巖溶氣暴型地震第一節、概述第一節、概述誘發地震由于工程活動，對特定地質環境施加某種影響，而導致一個無震地區發生地震或原發震區地震活動增強或減弱的地震現象。 1、采礦誘發地震 由于地下開采活動形成交較大采空區，或因強烈排水疏干等，采空區上覆巖體大范圍下沉破裂或冒落沖擊底板，引起巖體破壞振動而發震。遼寧省北票煤田臺吉井區,1921年開發,1970年,當臺吉豎井采掘到距地面500-900m深時,井區開始出現微震活動.1977年4月28日MS=3.8級.特征：震級小，周期大，衰減快，烈度高，余震衰減快

2、。 影響范圍小，震源中且常位于開采端面附近。 2、巖溶氣暴型地震 大型溶洞，一旦快速充水而使洞內空氣壓縮，對巖體產生強大沖擊力，使巖體變形破裂或塌落引起地震。 特征：震源中，震級小，影響范圍小，無群震，全世界有69例。 3、地下爆破引發地震 世界上已有幾起因地下核實驗誘發地震。例如美國進行過系統觀測，結果如表（劉傳正書P83表521）。核爆炸野外觀測觀測時間觀測的微震數定位的微震數參考文獻日期名稱大小（百萬t）1968.1.19福爾特利斯1離爆炸中心地面投影點32km內11個便攜式和14個遙測臺站60d719500Hamilton等 (1971) 4、注液誘發地震 美國：丹佛盆地，深井3762

3、m，廢液處理。62.3向井底注液，47天后，井附近發生3-4級地震，其小震不斷，66.2停止注液，地震至70年才漸漸停息，其記錄，1584次，震源4.45.5km,震中呈橢圓形圍繞井口分布，右旋走滑。 我國：任丘油田，86.7.，845井注水，86.9.6日發震，112次，12月停止注水，地震漸停息，87年底 恢復 注水，又開始發震。 勝利油田、江漢油田、武漢洪山均有此例。 5、水庫誘發地震 伴隨水庫蓄水過程，導致地殼應力狀態改變而出現庫區及近區地震增強或減弱的現象。 最早出現于1931年希臘的馬拉松水庫，4.7級地震，對雅典城產生破壞。美 國胡佛壩（米德湖）希 臘科列瑪斯塔壩贊比亞卡里巴壩壩

4、型及壩高（m)重力拱壩，222心墻堆石壩，165雙曲拱壩，127庫容 （億m3 ）36747.51604開始蓄水及滿庫時間1935；1938.71965.7.21；1966.21958.12；1963.8地震活動特征第一次地震時間1936.91965.81961.7地震次數（起止時間）6000次（19361945）10000次（19361971）M2.0的前震740次，余震2580次（19661968）M2.0，1397次(1959.61968.12）主震震級（時間）5.0（1939.5.4）6.3（1966.2.5）6.1（1963.9.23）較大地震震級 （時間）4.1（42.8.11）；

5、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） 地震活動與水庫蓄水的時空相關性及其它特征 水庫水升高到100m以上時發生地震，隨水位進一步增高地震活動加強，庫水達到正常高水位并繼續上升時發生主震，95以上的地震發生在距水庫32km之內，震中沿斷層分布 充水開始后六個月水深僅120m即發生6.3

6、級主震。19671972僅有宏觀記錄，地震活動頻率與水位高度正相關。 地震活動限于水庫區小范圍內 地震活動與庫水位的變化對應關系不明顯，但與庫底巖石中附加剪應力超過1巴的巖石體積V正相關。 確切定位的159次地震大多數位于水庫范圍內，且絕大部分位于壩附近庫水最深的盆地中水庫誘發地震活動重要實例水庫誘發地震活動重要實例印度科因納壩中國新豐江壩中國丹江口壩塔吉克斯坦努列克壩塊石混凝土重力壩，103單支墩大頭壩，105寬縫重力壩，97土石壩，305m27.08115160.51051962.6；1964.81959.10.20；1961.9.231967.111972（105m）；1976（205m

7、）；1981（305m）1963年地震頻率明顯增高 1959.10，廣州臺記錄到來自庫區方向的24級地震三次； 1960.7的4.3級地震才引起重視1968.3（Ms 2） 1971較集中的出現于水庫西南1015km 1972.10水庫主體之下出現地震M 1.0，25000次 （19631971）M 3.0，450次 （19631970）M 4.0，35次 （19691974）ML 0.4，297035次（1961.91977.12）其中ML 1.0，12862次Ms0.6，33761次（1960.10.131987.12.11）Ms 1.0，13643次Ms 0.5 約110次Ms 2.0

8、53次（1968.31977.4）1800次 （19711979）1.4M4.66.5（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.

9、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） 地震頻率與水位高度正相關，但地震活動性明顯的滯后于高水位，一般36個月。 震中集中分布于以壩為中心的25km為半徑的范圍內，且以10km為半徑的范圍內最為密集 水庫蓄水之后地震活動的頻率和強度立即有明顯提高，在1970年以前，地震頻率特別是強度與水位高度正相關，但比水位

10、高峰時間滯后24個月，70年后相關性減弱。 地震主震分布于水庫主體中軸線兩端，以大壩附近峽谷區最密集，呈N30W的密集帶和N70E的密集帶，主震震中的兩帶交匯處，距大壩1.1km 庫水深達50米后（1969.12）開始有明顯地震活動，地震頻率和強度與水位間有明顯的同步變化，頻率峰值滯后于水位峰值約3個月，庫容急增至最大之后1.5個月發生了較強震動。 地震活動集中于丹庫主體南北兩端的灰巖峽谷區，庫區外圍本世紀內曾有6級地震，蓄水后地震活動向庫區集中 蓄水后地震活動超過蓄水前年平均發生率的四倍，最強的兩次暴雨與1972年和1976年水位分別達到105m和205m相伴。所有大地震和多數地震活動都由水

11、庫充水速率下降所引發，地震活動性對充水速率降低反映迅速，滯后一般14日。 1970年前地震分散地發生于庫周附近，1972年后向水庫主體集中，隨庫區水位增高上游充水，地震震中也向上游轉移水庫 名稱震級（Ms）震源深實際震中烈度計算震中烈度造成的破壞丹江4.79 -損壞房間1904間，倒墻305處前進3.03 -有掉瓦現象南沖2.86 +掉瓦，個別房屋裂縫我國某些水庫誘發地震震中烈度比較表我國某些水庫誘發地震震中烈度比較表水庫名稱蓄水時間地震活動加強時間間隔時間新豐江丹江口前 進南 沖柘 林佛子嶺1959.101967.111970.51967.71972.11954.61959.111970.1

12、1971.101967.81972.101954.1212417196 60年代以后，世界出現高壩和大庫，相繼產生6級以上地震，我國新豐江水庫是第一例。 全世界水庫10萬座，1億m3以上1萬座，發震的116座，分布于29個國家 。我國有18座發震。 時間水庫壩高（m） 庫容（億m3)震級62.3.19新豐江（中國） 105 15億6.162.9.23卡里巴（津巴布韋） 127 /606.166.2.5科列馬斯塔（希臘） 165 47.56.367.12.10科因納（印度） 103 27.16.5丹江口水庫附近震中分布圖（19691975年）1、2、3、4蓄水前天然地震，圓圈大小表示震級；5蓄水

13、后誘發地震； 6水庫邊界 第二節 水庫誘發地震的基本特征 在此之前，先介紹新豐江水庫典例 壩高105m，庫容115m3，河谷型水庫。 地質背景：花崗巖。兩條活斷層： 河流斷裂（長600km，壩下1-5km處通過）； 人字石斷裂（壩上游6km)東面河源為界為斷陷盆地。 弱震區。 誘發地震概況：59.10.20蓄水，一個月后水位上升20m，廣州地震臺收到地震60.7.18，水位上升到90m，不到1個月發生34.3級地震9次，小震很多61.3，水位略降，地震明顯減少61.7水位猛漲為113m，地震隨之十分頻繁。此后，100m水位持續二年余，地震頻發，62.3.19.4時18分發生6.1級地震，其后余

14、震不斷，其中4級20次之多，60-87年總共發震337461次，4級 49次 震中：大壩附近，峽谷區，北北西和北東東斷裂控制。 震源深：4.5-5km，主要后延到7km。 震源體：走向滑動型，遷就NNW張扭斷裂，1為N730w，（與粵東應力場基本一致）。 震中烈度：8度 一、空間分布特征一、空間分布特征1、震中位置震中位置 震中主要集中在斷層破碎帶附近、大壩附近幾km，峽谷基巖裸露區。 往往密集成條帶狀或團塊狀，其延伸方向大體與庫區主要斷裂線平行或與 X 型共軛剪切斷裂平行 常分布于庫區巖溶發育部位或斷裂構造與巖溶裂隙帶的復合部位2、震源 較淺，震源體較小，與構造地震差別十分大。大多47 km

15、，一般210 km，最深20km左右，最淺者 500 m。初震震源淺，隨后不斷加深。震源深度與庫容正相關。表現為震中區烈度高，有的零點幾級便有感，3級以上造成輕度破壞。震源體小，影響范圍小。3、等震線形狀等震線形狀 構造型水庫地震：橢圓形，長軸方向與所在地段的主要構造線或發震斷層走向一致或平行 發生于新老地層接合部位的水庫地震：等震線的長軸方向與新老地層的接合線方向一致 巖溶區發生的水庫地震：等震線多為不規則的多邊形或近似圓形，且與當地發育的巖溶形態一致或基本一致 等震線衰減迅速 主要與庫區構造、巖性條件有關二、地震活動與庫水的關系1、絕大多數水庫的地震活動與庫水位或庫容呈正相關 隨著庫水位增

16、高，庫區的地震活動逐步增強，隨水位降低而減弱，且經過高水位之后即發生主震。一般震前相關性好，主震后相關性差一些。2、少數水庫區的地震活動性隨著庫水位的增加而明顯地降低，呈負相關 原因： 逆斷層應力狀態不利于發展。 蠕化變形釋放能量，使地震減弱。3、 滯后性 一般 滯后幾個月，最長幾年，主震在高水位后一段時間。與震源深淺、巖體透水性等有關。三、地震活動的序列特點 實驗現象： 巖石受力破裂，彈性振動，振動頻度與材料的不均勻性，強度有關，材料越不均勻，強度越低，越易產生高頻振動，絕對均勻材料，只產生一次性破裂，不產生微裂。 低應力比較高應力狀態下，巖石更以微破裂占優勢，即小震動頻度高。 水庫水的作用

17、下，地質體特點： 水滲入巖體使其不均勻性增加。 水壓力下，使巖體產生微破裂，加大不均勻性。 水對地質體軟化作用，降低強度，增加粘滑性。 庫水滲入深度有限，常在較淺處、低應力下產生巖體破裂。 地震序列指時間相對集中，同處于一震源體內的一系列地震的強度和頻度隨時間變化過程，以及強度與頻度的相關性。1.地震頻度與震級的關系 Na-bM N震級M的地震數 a與觀測周期、觀測區大小、地震活動水平有關的常數 b受震源深度、震源均一性、震源應力條件的控制，b值越大意味著小震次數越多，說明震源介質不均勻，應力越低。變化于0.51.5.是判斷構造地震與水庫地震重要依據。水地震： b前1.2-1.5; b余1.0

18、-1.2 構造地震：b前0.3-0.6; b余0.8-1.2 b水b構； 水庫地震 ：b前略大于b余； 構造地震：b前 4.0的水庫地震，均位于現代構造活動活躍區，地應力高達103104bar; 與 差值正是誘發地震滯后的原因之一。 地震發生于應變速率很高地區，但太高地區不一定發震，往往為中等偏高地區。水庫地震很少見于現代強震區，而往往在該區的附近地區，因為水誘發作用相對高應變速率微不足道。 當地殼實際應變速率巖體臨界應變速率時才產生破裂。31 三、構造條件 斷裂、裂隙發育情況，它們作為震源體和導水介質。 注意活動斷裂、深大斷裂、地熱活動斷裂。 斷裂與現代地應力關系：幾乎所有水庫地震均發生于斷

19、層或 巖溶 裂隙 帶地段。四、巖性條件有人將巖性的易發震性劃分如表：堅硬、多裂隙、易發震。大多為碳酸性巖區及火成巖。巖性結構發震程度震源松軟巖土無裂隙巖體塊狀微、弱極淺層狀微、少發極淺構造破碎巖體塊狀中強、易發3-5km層狀弱3-5km巖溶型裂隙巖溶型弱、易發極淺構造破碎巖溶型弱或強、易發4-5km或8-10km五、水文地質巖體透水性、天然地下水位、巖溶發育、第四系厚度、地下封閉環境。巖體透水性十分重要，據40多個水庫和深井注水資料，測得巖體滲透率 達爾西。巖體透水率隨深度而減小，米勒1981年提出： （ 衰減系數，0.10.2；Z深度； 地表巖體透水率）Bredhocht等1968年提出，只

20、要巖體滲透率在毫微達爾西量級，就可保持有孔隙水壓力（可測）謝原定等人認為，地表淺層 5 km內，圍壓和溫度對滲透率影響在一個數量級之內。241010RzeRzR0)(0R 第四節 水庫誘發地震的水誘發機制（一）水巖作用機理1 水的物理化學效應降低巖體及結構面強度至 ，潤滑作用軟化作用泥化作用促進巖體斷裂的生長楔裂作用：高壓水使封閉裂隙局部應力集中，使裂紋擴展、生長、串通，引起局部應變能釋放、產生微震。應力腐蝕作用：巖石有的礦物（如石英），在臨界溫度以下，只要溫度降低很小時，強度可大大降低，而水的作用可使其溫度降低，從而使巖體破壞時間縮短，裂紋發展加速。C高滲流剃度效應2 水的荷載效應 垂直變形

21、、撓曲變形 附加應力庫基垂直沉陷庫基水平位移擠壓拉張淺層深層 水荷載（1）壓力，例：對卡里巴水庫計算，水深127m（相當庫盆壓力13bar），計 算得 5 km處，垂直壓力增量6.68bar、剪應力增量2.12bar、而該處巖體應力 可達1000bar，相比之下，增量微小，約以 衰減。（2）沉陷，例：新豐江水庫，水位105m，計算庫盆中心下沉1011cm（實測10cm）， 10km處，下沉值為0，水平位移向庫心收縮，邊緣最大。6km處為轉換帶， 向下位移正好與上面相反。 認 識： 對于大庫盆，大水深，荷載作用才有一定意義； 對淺源地震及臨界應力狀態有一定作用； 大庫盆兩側垂直裂隙，限制應力向外

22、圍擴散（如斷陷盆地）作 用更大。庫盆受荷，深處的附加應力符合布涅斯克問題解。)(12kmhvphhwhwv13 水的孔隙水壓力效應ctguctg)(hA1 11 13 33 3正斷層蓄水后：水荷載效應hV3311長期蓄水后：孔隙水壓力效應（二）不同天然構造應力場條件下水庫地震的誘發機制uu33111 13 3走滑型蓄水后：水荷載效應HH3311長期蓄水后：孔隙水壓力效應uu33111 11 13 33 3逆斷層蓄水后：水荷載效應V33H11長期蓄水后：孔隙水壓力效應uu3311 第五節 工程地質研究 大型水庫（壩高100m，庫容20億m2),建庫前應將水誘發地震作為專題研究，作出預測。水庫建成

23、后應作進一步監測研究。 建庫前，分二階段進行： 第一階段：了解區域構造背景，區域應力場，現代構造活動性（包括 地震、活斷層、地震應變速率、地熱等） 了解庫區基本地質條件（巖性、構造、地震、水 地質等） 結合水庫水位、庫容等大概確定有無發震的基本條件。 重要方法：與已發震水庫的條件進行類比（包括已發震類分析和同條 件下無震類比） 第二階段： 認為有必要進一步研究誘震問題時，作詳細的勘察工作。 地應力調查鉆孔測量，配合其它方法。 庫區巖體透水性壓水 實驗，理論推算。 監測工作活斷層、位移、測震。 預測工作地質模型，數學模型，預測的實質還是類比 法，只是量化而已。 庫誘發地震危險性初步評價工作框圖發震可能性預測： 誘發地震可能性預測方法很多，慨率統測方法（由美國的佩克 D.R.Packer 提出） 統計分析因素：庫深（D）、庫容（V）、地應力場 （S）、斷裂活動性（F）、優勢巖性條件（G） 目前為止還不完全明白誘發地震的必要條件，只能從現有的大型水庫已發震與不發震者的條件出發，找出比較公認的密切因素，進行統計分析，這些因素如下表。 誘震因素及其狀態 誘震因素 因 素 狀 態 1 2 3庫深 D（m)D1：很深 d1150D2：深的 150d2