水庫誘發地震工程地質研究

1.誘發地震的類型(以誘發成因分類)

概念

水庫誘發地震： 是指由于人類修建水庫工程，水庫蓄水所引起的地震活動，稱為水庫誘發地震。

一、內動力地質因素誘發型：

(1)斷裂活化型：在人類工程活動因素影響下，某些已停止活動的或活動性微弱的斷裂帶其活動性又加強，形變和能量積累速率加大，產生新的斷裂錯動而誘發地震。也有人稱之為構造型誘發地震。

(2)熱能型：種類型主要出現于現代火山或高地熱能地區，地震活動與地殼含熱區或熱異常區的熱應

力較高有關。

(3)化學潛能型(巖礦相變型)： 地下存在某些特殊礦物組成的地層如硬石膏、硅石層或其它硅酸鹽礦物組成的地層時，在水化作用下，巖礦相變，體積膨脹，結果使其上覆地層產生橫向拉伸、破裂而誘發地震。

二、外動力地質因素誘發型：

(1)采礦誘發地震型：由于地下礦洞或采空區圍巖變形、脆性破裂、頂板巖層冒落、塌陷等巖石碎裂作用，引起巖體應力和應變能的集中釋放，并產生彈性波傳播所形成的地震現象，簡稱礦震。

(2)巖溶塌陷氣爆型：在碳酸鹽巖類分布地區，由于大型巖溶洞穴的自然塌陷或因暴雨或水庫蓄水造成巖溶管道充水，洞穴中封閉的空氣壓縮而產生圍巖爆裂，可導致中等強度的地震。

(3)滑坡崩塌型：大型滑坡或山體崩塌一般均伴隨一定程度的地震效應。

(4)易溶巖溶解塌陷型：由于地下某些易溶巖類受到人工注水或水庫滲入水的溶解作用導致地下空穴塌陷型地震。

(5)凍裂型：存寒冷地區或高海拔地區修建水庫，由于庫岸巖體淺部裂隙充水，冷凍膨脹，巖體破裂而導致地震。

三、綜合因素誘發型：在一定的地質條件下，誘發地震可以由內、外動力地質因素綜合引起，或以某一類因素為主導，所產生的誘發地震又構成了另一類因素產生地震的必要條件，由此產生連鎖反應。

2.水庫誘發地震的基本特征

一、空間分布特征：震中位置：震中主要集中在斷層破碎帶附近。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。震源較淺，震源體較小，一般發生在低烈度區。

二、地震活動與庫水位的關系：絕大多數水庫的地震活動與庫水位呈正相關。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。

三、地震活動的序列特點：

(1)震型：天然地震多屬于主震-余震型，構造型水庫地震多為前-余型，而非構造型水庫地震多為群震型。

(2)地震頻度與震級的關系：logN=a-bM 式中：N 為震級≥M 的地震數;a 為與觀測周期，觀測區大小和地震活動水平有關的常數;b 為震頻與震級線性關系式斜率。

水庫地震：b 值大于當地同震級的天然地震，b≥1，前震的b 值一般略高于余震。

(3)主震M0 與最大余震M1 的震級關系：

水庫地震：M0-M1<1 ; M1/M0≈1

天然地震：M0-M1=1.2 (淺源大震) M0-M1 與地震區應力狀態和介質的不均一性有關。

3.水庫誘發地震發生的地質背景條件

一、區域地質背景：

(1)地質背景的多樣性。

(2)區域構造背景與強震的相關性：產生強烈誘發地震活動的地質背景具有專屬性。據統計，發生Ms4.0 以上地震的水庫，幾乎全部位于構造活動區內。

(3)發震區應變能積累程度及速率：震源區巖體應力集中或應變能積累程度與巖體破裂極限所需應變能的差值，是控制誘發地震的時間滯后的主要因素。天然構造應力場的應變能積累速率也是產生誘發地震的重要背景之一。

二、發震區地質條件：

(1)構造條件：這是斷裂活化型誘發地震的必要條件。

(2)巖性條件：發震機率與巖石性質有關，震級大小與巖石強度有關。

(3)水文地質條件：水文地質條件是控制水庫誘發地震的重要因素，它決定著誘發地震的機制。

(4)外動力地質作用：外動力地質作用的類型和發育程度及其在人類工程活動條件下所可能產生的變化，是外生成因誘發地震的控制因素。

4.水庫誘發地震的誘發機制(水巖作用、水誘發機制、不同構造背景條件下的誘發機制)

水巖作用

一、降低巖體及結構面的強度：水滲入巖體后通常產生軟化、泥化和潤滑作用。水對巖石的軟化作用表現為巖石浸水后強度的降低。對于含泥質及親水礦物較多的巖石或破碎帶，水的軟化作用最為明顯。泥化作用一般產生于巖體的斷裂錯動帶和軟弱結構面上。

二、促進巖體中斷裂的生長：

(1)應力腐蝕作用：在地下水和應力的持續作用下，當應力強度因子高于某一界限值，但又低于快速破裂傳播的臨界應力強度因子時，巖石所發生的緩慢的、亞臨界的裂紋生長過程，被稱為應力腐蝕。

(2)楔裂作用：當裂隙巖體處于封閉水環境中時，由于高壓水體局部集中于有限的裂隙帶而產生“楔入推移力”，造成裂縫尖端的破壞和裂隙的發展。

三、水體荷載作用：水庫蓄水后，巨大的水體荷載對庫基巖體產生附加應力并引起巖體垂直變形及撓曲變形(彎梁效應)。

四、空隙水壓力效應：水庫蓄水后，水體向深部滲入或人工注水均將引起原地下水位以上巖體裂隙或孔隙的充水飽和，由此導致與地面水體有連通關系的深部斷裂帶中空隙水壓力的升高和有效應力的變化，從而改變了巖體和斷裂帶的應力狀態，稱為空隙水壓力效應。

水庫誘發地震的誘發機制：水荷載誘發型、空隙水壓力誘發型。

水誘發機制：在天然構造應力場已接近某種臨界狀態的背景上，由水體荷載在巖體內造成的附加應 力使陡傾斷裂面上的應力狀態發生變化，兩側斷塊失去平衡狀態，斷塊產生傾向滑動而誘發地震活動。

不同構造背景條件下的誘發機制：正斷型(傾滑型)構造應力場、平移塑(走滑型)構造應力場、 逆沖型(逆滑型)構造應力場。

5.誘發地震的工程地質研究及預測方法

工程地質研究

一、建庫前的地震地質研究

(1)第一階段在水電工程地質勘察的流域規劃、可行性研究及初步設計階段依次進行，對誘發地震的可能性及強度做出初步評價。

主要工作內容包括：

1、工程開發區所處的構造單元內新構造運動及天然地震活動成因及歷史;

2、工程開發區及其鄰近地區內潛在活動性斷裂的性質及構造應力場;

3、配合地震部門利用高頻流動地震臺網隊工程開發區的天然地震活動進行監測，確定噪聲水平較低的地區。

(2)第二階段根據第一階段的勘察資料，當認為有必要對誘發地震加強研究時，應進行本階段工作，

并在水庫蓄水前1-2年開始。

主要內容包括：

1、工程有關地區內的地質和新構造的詳細勘察;

2、安裝固定的測震儀器，開始監測工作;

3、進行地應力測量，確定構造應力方向及量值;

4、布設地面精密水準測量網，進行精密測量;

5、安裝對活斷層進行監測的儀器設備，監測斷塊相對位移;

6、預測可能的地震序列、震級及震中的可能部位;

7、預測水庫岸坡在未來地震時的穩定性;

8、對工程建筑物的抗震性能設計進行校核。

二、建庫發震后的工程地質研究

水庫建成蓄水后地震活動頻繁，應進行以下相應研究：

1、配合地震工作人員進行監測，應增設流動臺精確測震，測定震源位置，測定震源參數，研究地震序列;

2、裝置地應力測試裝置及傾斜儀等，觀測地應力變化及地形變化的情況;

3、加強進行精密水準測量與三角測量，尤其當主震發生后，要立即測量并與地震前對比;

4、研究水位變動、庫容增量與地震頻度、震級的關系;

5、對誘發地震的發展趨勢作出評價與預測;

6、配合設計、施工人員，對震害防治與處理措施提出建議。