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王儒述《三峡水库诱发地震的监测与探讨》

上一篇 / 下一篇 2008-05-19 14:44:59

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《三峡水库诱发地震的监测与探讨》

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王儒述（中国长江三峡工程开发总公司，湖北宜昌 443002）

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摘要：三峡水库已初步形成，随着蓄水位上升，库容加大，诱发水库地震的可能性也将加大。根据最大历史地震震级并适当加权，确定库区最大可信地震为6级左右。在仙女山和九湾溪断裂一带（距坝址为18 km）存在诱发地震的可能，震级MS=5.0~5.8级。对坝址所受影响烈度为Ⅵ度，不会对按烈度Ⅶ度设防的枢纽主要建筑物构成直接威胁。三峡水库蓄水运行后，地震频次与强度虽有所增加，但地震活动仍保持在三峡地区原有弱地震活动状态。必须加强对三峡水库诱发地震的监测与探讨，预防地震及地质灾害，确保工程建设及运行安全，构建和谐社会，确保长治久安。
三峡水利枢纽规模宏大，工程于1993年开工，2009年全部工程竣工投产。
三峡水库已初步形成，随着蓄水位上升，库容加大，诱发水库地震的可能性也将加大。
1　世界地震概况
地球上每年平均发生500万次大、小及微弱地震，其中构造地震约占90%，火山地震约占7%。近百年来世界大地震（ML≥6.0）见表1。
2　水库诱发地震
2.1　地震特点
水库诱发地震由于水库地应力和构造地应力叠加，以及水库地震能量和构造地震能量叠加而诱发产生。水库诱发地震因素复杂，其形成机理及发生发展过程尚难准确控制，发生时间、空间及强度更难预测预报。水库诱发地震与一般天然地震相比，具有如下特点：
2.1.1　分布范围
震中仅分布在水库及其周围5 km范围内，震源深度大多在5 km以内，很少超过10 km。震源深度与水库库容有一定的相关性，一般库容愈大，震源愈深。
国家地震部门曾对水库诱发地震明确界定：“大坝上下游两岸，方圆10 km范围内发生的地震，称为诱发地震。非此范围地震，不算水库诱发地震。”
2.1.2　发震时间
主震发震时间一般与水库蓄水密切相关。蓄水早期地震活动与库水位升降变化有较好的相关性。较强地震活动高潮大多出现在第一、二个蓄水期的高水位季节、水位回落或低水位时。但发震时间也无一定规律性，如我国湖南的南冲水库，1964年夏蓄水，随即发震；而美国哥伦比亚河大古力水电站，1941年蓄水发电，至今已66年，迄未发现较大地震。
2.1.3　发震趋势
由于水库蓄水引起内外条件变化，水库蓄水初期发震较多；随着时间的推移，逐步得到调整后趋于平衡。因而地震频度和强度将随时间的延长，呈明显下降趋势。
2.1.4　地震特点
水库诱发地震以弱震和微震为主，从国内外水库诱发地震统计资料看，6.0~6.5级强震仅有4例，占4%，即印度的柯依纳6.4级（1967 12 10），希腊的克里马斯塔6.3级（1966 02 05），赞比亚的卡里巴6.1级（1963 09 23）和我国的新丰江6.1级（1962 03 18）。诱发地震中5.0~5.9级中强震占14%，4.0~4.9级中强震占24%，3.0~3.9级地震占25%，小于3.0级弱震和微震占32%.
由于水库诱发地震震源较浅，与天然地震相比，具有较高的地振动频率，较高的地面峰值加速度和震中烈度；但极震区范围很小，烈度衰减较快。
2.2　诱发条件
2.2.1　水库规模
从国内外水库诱发地震统计资料看，诱发地震的发生概率随着坝高、蓄水深度和库容的增大而明显增高。据Packer 1985年对蓄水深度大于92 m，库容大于100亿m3的世界大型水库的统计分析，发震概率为12%。我国坝高100 m以上的高坝大库，发震概率约为32%，高于世界平均水平
据统计资料，全世界共有大中型水电站及水库上万座，但发生诱发地震的比例不到3 /1 000。我国现有坝高15 m以上的水库18 000座，其中仅有13座发生大小水库诱发地震，约占7.2/10 000。库容小于0.1亿m3的小型水库，其发震概率小于1/10 000, 0.1~1.0亿m3的中型水库，发震概率小于1/1 000, 1.0~10亿m3的大中型水库，发震概率大于1/100，大于100亿m3的大型水库，发震概率大于1/10。
2.2.2　岩性条件
据统计资料分析，组成库盆的岩性与水库诱发地震有一定的相关性。碳酸盐岩地区易于诱发岩溶性水库地震，其次为花岗岩、玄武岩和片麻岩类型坚硬脆性的结晶类岩石，易于诱发微弱的水库地震。碎屑岩和砂页岩构成库盆的水库，不易诱发地震。
2.2.3　构造条件
构造型水库诱发地震是岩体中的断裂在库水作用下发生错动引起的。张性断裂或张扭性断裂更利于库水向深部渗透，易于诱发地震。现代构造活动较强烈的地区，由于活动断裂常常随地应力的局部集中，有利于诱发较强的水库地震。
2.2.4　渗透条件
水库诱发地震的发生，必须有库水渗透参与，因此，库盆岩体的渗透条件是诱发地震重要条件之一。渗透性好的岩体，如碳酸盐岩、多裂隙脆性岩体等构成的库盆，较易诱发地震，而不利于库水渗透的砂页岩库盆，不易诱发地震
2.2.5　地应力动态
库盆及周围地区的天然地应力状态、水库附加荷载及库水渗透压力等综合作用，将使岩体中不连续面上的应力条件改变，导致不连续面破裂而诱发水库地震。库盆地应力水平较高的地区，诱发水库地震的强度可能较高。
2.2.6　区域地震活动水平
区域地震活动水平总体上反映该区域稳定状态，地震活动水平较高地区，可能诱发较强的水库地震。
2.3　地震类型
2.3.1　内成成因型
由于水库蓄水导致地壳上层数百m至10 km范围内的区域地应力场发生变化，从而改变了某些地块构造运动原先的进程，引起水库及邻近地区地震活动性发生明显变化的水库地震。
2.3.2　外成成因型
由于水库蓄水导致浅表数百m局部范围内外动力地质作用发生变化，致使岩体或岩块相对位移或遭受破坏而伴生的水库地震。
2.3.3　常见地震
（1）构造型：地震强度较高，常与一个地区构造条件、现代构造活跃程度及地震活动水平密切相关。
（2）岩溶型：只出现在可溶性岩石分布的库段，特别是近水平的厚层碳酸盐岩大面积出露，且岩溶发育的地区，但其震级一般小于4级。
（3）微破裂型：具有一定的随机性，在断裂发育、坚硬性脆的岩体中，具备一定的初始应力和水动力条件时即可发生，但其震级一般在3级左右。国内外水库诱发地震震例见表2，3。
3　三峡水库诱发地震监测与探讨

3.1　三峡水库

3.1.1　水库特点
三峡水库为河谷型狭长水库，位于长江上游下段，总面积55 000 km2；全长660 km，宽1.0~1.5 km，总水域面积1 048 km2。正常蓄水位175 m,总库容393亿m3，坝高181 m,坝前增加水头近110 m，属中坝中库，发震概率较一般中小型水库稍高。但按坝高计，三峡工程在全世界排名第63位；按库容计，排名第26位，均不属前列。
3.1.2　岩体分布

三峡库区可划分为结晶岩、碳酸盐岩和碎屑岩三种主要岩类。
结晶岩类分布于库首黄陵结晶地块内，为前震旦系变质岩和侵入其间的花岗-闪长岩体，岩体完整性好，断层多已胶结，岩体透水性微弱，产生诱发地震的可能性很小。
碳酸盐岩分布于干流庙河至白帝城库段及乌江、嘉陵江、大宁河等支流中。强岩溶化碳酸盐岩有利于诱发岩溶型地震。

碎屑岩主要分布于秭归、巴东、巫山等向斜及白帝城以西广大地区，为中上三叠统和侏罗系的砂、泥岩，不利于诱发水库地震。
3.1.3　渗透条件

三峡水库为河谷型水库。由碳酸盐岩构成的长江三峡，岩溶虽较发育，有利于库水渗透，但地处持续上升地区，两岸岩溶管道系统不很发育，延伸范围有限，因而库水可入渗范围和深度受到限制。结晶岩库段无区域性和地区性断裂分布，不会有深层和超深水文地质结构面。碎屑岩体渗透性弱，岩层产状平缓，具有多个隔水层，不利于库水渗透。
3.1.4　区域活动

三峡库区属弱震区。水库附近曾经发生的最大地震为1979年秭归龙会观5.1级地震，距库边约6 km。其岩性为碎屑岩类岩层，蓄水后不易诱发地震。
综上所述，三峡工程除坝高和库容属有利于产生水库诱发地震的因子外，其它条件均不利于诱发较强的构造型水库地震。

.2　发震可能性分析

3.2.1　库首结晶岩段

本库段从坝址到庙河全长16 km。坝前最大蓄水深度160 m，新增水头110 m。库盆岩性为前震旦系变质岩和侵入其间的花岗-闪长岩体及各类脉岩。本库段地震活动水平低，历史上无中强震记载，现今地震活动微弱。经分析，不具备诱发较强水库地震的地质背景，考虑库首段蓄水深度最大，不排除诱发浅源微破裂型小震的可能。
3.2.2　碳酸盐岩夹碎屑段

本库段从庙河到白帝城全长141.5 km。最大蓄水深度160~130 m，新增水头110~90 m。库盆岩性为碳酸盐岩与碎屑岩相间分布，组成低山宽谷。经分析，可能诱发较强的构造型水库地震和岩溶型水库地震。

3.2.3　碎屑岩低宽谷段

本库段从白帝城以上全长500 km。水库蓄水深由130 m过渡到天然状态。以中生代红色砂岩、泥岩为主，夹有几段碳酸盐峡谷，断裂不发育，岩体透水性弱。历史及现代地震活动微弱。经分析，不具备诱发较强水库地震的地质条件。

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TAG: 地震

czg118 发布于2008-05-19 14:43:36: 3.3　三峡水库诱发地震监测与探讨

3.3.1　监测背景
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长江水利委员会早在1954年以来，即对三峡库区地质进行勘探、科研与论证。1959年后长江委、中国地震局等单位先后在三峡库区建立地震台网，进行地震监测，并搜集库区地震历史资料，进行统计分析，在此基础上进行预测、预报及评价。根据水库在蓄水初期，发生较强诱发地震可能性较大的规律，应加强监测和预报。中国长江三峡工程开发总公司在1997年9月，委托中国地震局地震研究所与长江委三峡勘测研究院，建立《长江三峡工程诱发地震监测系统》，下设数字遥测地震台网、地壳形变监测网络、地下水动态观测井网及地震监测总站，共同对三峡工程诱发地震进行监测和预报。
3.3.2　监测资料

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I2I\长江委、中国地震局等单位已分别对三峡库区地震的历史及现代监测资料进行分析整理，编印成册。为三峡工程可行性研究、初步设计、技术设计、工程施工、运行管理及社会安定等提供可靠资料。"qW.@N*t7s5}I
国家环境保护总局自1997年起，汇编《长江三峡工程生态与环境监测公报》（中、英文版），每年5月向国内外颁布。根据1997~2005年《监测公报》，汇编《三峡库区地震监测资料》如表4。
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从有关历史与现代地震监测资料及表4看出：space.foodmate.net0M'`NR/a
（1）三峡水库局部地区有一定的中强地震活动背景，具有震源浅的特点。'y1TDs![c6^O
（2）三峡库区内有NE-NNE，NNW及NW、NWW向三组较大的区域性断裂展布，在坝址所在的黄陵背斜周缘及外围地区，这些断裂绝大部分在第四纪以来曾有过活动，个别断裂在晚更新世以来还有活动。随着水库蓄水，介质条件的变化。还有诱发个别断裂重新活动的可能。大量的研究结果表明，这些断裂对本区中等强度以上的地震起着明显的控制作用。

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G,t食品论坛;食品社区（3）近四十年来，三峡及邻区共记录到地震2 000余次，大多数地震的震源深度较浅，在5~15 km间。历史上距坝址外围300 km以内发生过4 次6级左右的地震。

（4）三峡库区包括库首、库中及库尾地区。三峡水库于2003年6月1-16日蓄水至135m通航发电。2003年共发生地震541次，地震频次较1996~2002年增加近3~13倍；2004、2005及2006年先后发生地震1 062、905、1 019次，地震频次比2003年增加近一倍，强度也有所增加，这与2003年6月1~16日及2006年9月20日~10月27日水库分期蓄水及运行有关。但大多为2级以下微震。如2004、2005及2006年先后发生2级以下微震1 003、836、958次，分别占94.4%、92.4%、94.0%。近年库区最大地震分别为2004、2005年巴东的3.8、3.5级及2006年重庆巫山的3.5级, 仍小于1997年在万县发生的最大地震4.4级。说明三峡水库蓄水运行后，微震频次虽有所增加，但地震活动仍保持在三峡地区原有弱地震活动本底状态。
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（5）2006年汛后三峡工程蓄水位已提高到156 m，2009年三峡工程建成后，蓄水位将逐步提高到175 m，相应水库蓄水深度、新增水头及库容亦将随着增加。以库首段为例，详见表5。
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随着三峡水库蓄水位、蓄水深度、水头及库容增加，水体与坝体压力、渗流量、渗透压力及库盆地应力等亦将随着加大；加之水库调度频繁，必将加大水库诱发地震的可能性。
必须加强对三峡水库诱发地震的监测与探讨，预防地震及地质灾害，保障工程建设及运行安全，构建和谐社会，确保长治久安。
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4　三峡水库诱发地震预报与评价

4.1　预报目的食品论坛;食品社区2L{5e2Cj3Z_

地震预报是为了在震前准确预测、预报地震发生的时间、地点和震级（三要素）及活动趋势，为政府、企、事业单位提供决策依据，及时采取紧急应对措施，预防地震及地质灾害，确保工程建设及运行安全。
T%Y+az*?z4.2　预报内容i0i"[ZN$o

地震预报应包括地震发生的时间、地点和震级（三要素）及活动趋势。按预报要求可分为：
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P|4.2.1　中、长期预报
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在地理上把较大范围内划定为未来较长时间内发生地震的危险区。食品伙伴个性空间,I
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4.2.2　短期预报

把危险区的时、空范围缩小到较短的时间和较小的地理区域内。space.foodmate.netI`5A&]}1V6n4d9~

z(m Rs7]1g0?食品伙伴个性空间4.2.3　临震预报
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对5级以上破坏性地震，要在24小时前作出“三要素”及活动趋势的准确预报。食品伙伴个性空间_iH6T)qy%P

4.3　预报方法

水库诱发地震构成因素较多，关系复杂，存在不确定性，准确预报是有困难的，一般采取如下方法：
4.3.1　经验判断预报

（1）构造型水库地震判别标志：主要判别库坝区有区域性或地区性断裂通过，并在晚更新世以来有活动证据，断裂带处于高应力积累状态并有地震活动依据，断裂带以张性或张扭性为主要特征，并与水库直接接触，或通过旁侧断裂与水库有水力联系。

（2）岩溶性水库地震判别标志：主要判别库区有大面积碳酸盐岩分布，现代岩溶作用强烈，在蓄水位以下有多层岩溶管道系统发育，具有向深部渗流和溶蚀的水文地质结构。食品论坛;食品社区'o9TFG0|0OT
4.3.2　统计分析预报
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国家地震局曾采用“模糊聚类分析”、“灰色聚类分析”和“概率统计预测”等三种方法对三峡水库诱发地震进行统计预测，在统计分析中考虑了库深、库容、区域地应力状态、断层活动性、岩性和地震活动背景等6种基本因素及22种状态。

$n"]e:? b:^/cspace.foodmate.net4.3.3　数值分析预报
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3vmaD~"g长江委曾采用数值分析方法对三峡水库诱发地震进行预测，通过蓄水后库底应力分析，计算库底应变能的积累，推算水库诱发地震震级。计算结果表明，库水作用的附加应变能与天然构造应变能叠加而造成水库诱发地震，其能量与天然构造应变能相比要小得多。因此，单纯由水库应力引起的诱发地震震级是很小的。V,?+u~YQ
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4.4　三峡水库诱发地震预测预报与影响评价H)lj)Q2QxDX-Km'n

长江委曾对三峡水库诱发地震作如下初步预报及影响评价, 并提出三峡水库地震对库区环境最大可能影响的预测示意图见图2。
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4.4.1　诱发地震预测预报

O1q&xoYU（1）库首结晶岩库段: 最高可能震级MS< 4级
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（2）重点库段九湾溪断裂展布区，香溪-巴东-碚石库段，可能诱发的地震震级为MS= 5.0~5.5级，最大不超过6级。
（3）碳酸盐岩库段：可能诱发MS≤4级的水库地震。

如果在上述库段发生水库地震，按照水库地震的衰减规律，在距坝址最近，危险性最大的九湾溪断裂处诱发5.5级地震，影响到坝址的地震烈度低于Ⅵ度；即使用该地区天然构造震级上限作为外包线，按MS= 6.0级计算，影响到坝址的地震烈度也只有Ⅵ度。在库首结晶岩区发生4级地震，影烈度亦为Ⅵ度，两者均小于大坝设防烈度Ⅶ度。岩溶型水库地震，因其强度较小，距坝址较远，对大坝没有影响。

#HttG4l,Ip食品伙伴个性空间4.4.2　影响分析与评价食品伙伴个性空间r]#H#M(rqe

[(|M a B3u:fb N根据《长江三峡水利枢纽环境影响报告书》（简写本1996 10），关于三峡水库诱发地震影响的评价结论为：“据最大历史地震震级并适当加权，确定库区最大可信地震为 6级左右。在仙女山和九湾溪断裂一带（距坝址为18 km）存在诱发地震的可能，应用断裂长度等统计法估算，诱发地震震级MS在5.0~5.8 级。对坝址所受影响烈度为Ⅵ度，不会对按烈度Ⅶ度设防的枢纽主要建筑物构成直接威胁。at#s+P8x_cQc
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语
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三峡水电工程的兴建，长江水资源的开发与利用，是人类改造客观世界、开发利用自然环境与资源的具体体现。三峡工程已初步发挥防洪、发电、航运等综合效益，促进长江流域经济、社会、资源和环境相互协调和可持续发展，促进中国经济的进一步腾飞。三峡工程是一项生态环境工程。
n%`&e\3K'I食品伙伴个性空间水库诱发地震形成因素较多，机理复杂，存在不确定性，准确预报是有困难的。但诱发地震是地球运动的自然现象，它是有规律的，而规律是可以认识的。随着科学技术进步，监测预报手段日新月异，地质地震资料积累增多，人类对客观世界、自然环境和诱发地震的认识也将日益深入，逐步加强对水库诱发地震的监测预报与探讨。
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根据最大历史地震震级并适当加权，确定库区最大可信地震为 6级左右。在仙女山和九湾溪断裂一带（距坝址为18 km）存在诱发地震的可能，震级MS=5.0~5.8 级。对坝址所受影响烈度为Ⅵ度，不会对按烈度Ⅶ度设防的枢纽主要建筑物构成直接威胁。三峡水库蓄水运行后，地震频次与强度虽有所增加，但地震活动裂度仍保持不超过在三峡地区原有弱地震活动状态。n[o7`.y!g6y~X
三峡水库已初步形成，随着蓄水位逐步升高，库容加大，发生诱发地震的可能性也将加大。食品论坛;食品社区OW}0B7tu@
必须加强对三峡水库诱发地震的监测、预报与探讨，预防地震及地质灾害，确保工程建设及运行安全，构建和谐社会，确保长治久安。食品论坛;食品社区sT5j-G2o(K
参考资料
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[2]王儒述.三峡工程的环境影响及其对策[C].武汉：长江流域资源与环境,2002,7 317-322 B4Azx yCL&s
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w3\^@ajDa食品伙伴个性空间[4]高福晖.地震力学[M].成都:四川科学技术出版社,1995,4 space.foodmate.netiGo-\6N
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{2{7@)@3`I7o;H作者简介：
3p]I:NQc`&as王儒述，教授级高级工程师，三峡总公司环境及文物保护委员会顾问，河海大学、武汉大学兼职教授，中南林业大学名誉教授。