工程地质分析原理 第六章水库诱发地震活动的工程地质分析
第六章 水库诱发地震活动的工程地质分析
61基本概念及研究意义 在一定条件下,人类的工程活动可以诱发地震 诸如修建水库,城市或油田的抽水或注水,矿山 坑道的崩塌,以及人工爆破或地下核爆炸等都能 引起当地出现异常的地震活动,这类地震活动统 称为诱发地震( induced earthquake)。其形 成一方面依赖于该区的地质条件、地应力状态和 有待释放的应变能积累程度等因素;另一方面也 与工程行为是否改变了一定范围内应力场的平衡 状态密切相关
◼ 6·1 基本概念及研究意义 ◼ 在一定条件下，人类的工程活动可以诱发地震， 诸如修建水库，城市或油田的抽水或注水，矿山 坑道的崩塌，以及人工爆破或地下核爆炸等都能 引起当地出现异常的地震活动，这类地震活动统 称为诱发地震（ induced earthquake ）。其形 成一方面依赖于该区的地质条件、地应力状态和 有待释放的应变能积累程度等因素；另一方面也 与工程行为是否改变了一定范围内应力场的平衡 状态密切相关
般说来诱发地震的震级比较小,震源深度比 较浅,对经济建设和社会生活的影响范围也比较 小。但是水库诱发地震则曾经多次造成破坏性后 果,更有甚者,水库诱发地震还经常威胁着水库 大坝的安全,甚至可能酿成远比地震直接破坏更 为严重的次生地质灾害,因此对水库诱发地震发 生的可能性应予以高度重视。 水库诱发地震活动发现于本世纪30年代。最早 发现于希腊的马拉松水库.伴随该水库蓄水、 1931年库区就产生了频繁的地震活动。此后,发 现有相当一部分水库蕾水过程中伴随有水库诱发 地震现象
◼ 一般说来诱发地震的震级比较小，震源深度比 较浅，对经济建设和社会生活的影响范围也比较 小。但是水库诱发地震则曾经多次造成破坏性后 果，更有甚者，水库诱发地震还经常威胁着水库 大坝的安全，甚至可能酿成远比地震直接破坏更 为严重的次生地质灾害，因此对水库诱发地震发 生的可能性应予以高度重视。 ◼ 水库诱发地震活动发现于本世纪30年代。最早 发现于希腊的马拉松水库．伴随该水库蓄水、 1931年库区就产生了频繁的地震活动。此后，发 现有相当一部分水库蓄水过程中伴随有水库诱发 地震现象
60年代以来出现了一些新的情况 方面是几个大水库相继产生了6级以上 的强烈地震,造成大坝、附近建筑物的破 坏和人员的死伤; 另一方面是发现了深井注水(美国)可以诱 发地震,为水库诱发地震的形成机制提供 了有价值的资料。于是这方面的研究重新 活跃起来
◼ 60年代以来出现了一些新的情况： ◼ 一方面是几个大水库相继产生了6级以上 的强烈地震，造成大坝、附近建筑物的破 坏和人员的死伤； ◼ 另一方面是发现了深井注水(美国)可以诱 发地震，为水库诱发地震的形成机制提供 了有价值的资料。于是这方面的研究重新 活跃起来
62水库诱发地震活动性变化的几种典型 情况 自1975年第一届国际诱发地震会议以来,经过 研究的与水库蓄水有关的地震活动性变化的事例 迅速增多。其中有的是活动性(颇频度、强度)增加 这类事例公认的约有百余例;活动性减弱的事例 也有4例,绝大多数水库蓄水后地震活动性没有变 化。下面分别介绍各种典型情况,而以水库活动 性增强为着重点
◼ 6.2 水库诱发地震活动性变化的几种典型 情况 ◼ 自1975年第一届国际诱发地震会议以来，经过 研究的与水库蓄水有关的地震活动性变化的事例 迅速增多。其中有的是活动性(频度、强度)增加， 这类事例公认的约有百余例；活动性减弱的事例 也有4例，绝大多数水库蓄水后地震活动性没有变 化。下面分别介绍各种典型情况，而以水库活动 性增强为着重点
6.2.1蓄水后地震活动性增强 6.21.1卡里巴一科列马斯塔型 地震活动性的主要变化主要发生在1963年6月 水库蓄水位超出正常高水位之后,尤以1963年8 月库水位超出正常高水位2.9m之后为最强烈,此 时水头增值仅为2%,以此作为地震活动性强烈变 化的诱因是缺乏说服力的。可是在正常高水位附 近,水位波动几米库容变化却很大,显然库底岩 石所承受的水库附加荷载以及附加荷载的影响深 度都随之产生较大变化,水库底部承受附加应力 超出一定值的岩石的体积也会产生很大变化
◼ 6.2.1 蓄水后地震活动性增强 ◼ 6.2.1.1 卡里巴—科列马斯塔型 ◼ 地震活动性的主要变化主要发生在1963年6月 水库蓄水位超出正常高水位之后，尤以1963年8 月库水位超出正常高水位2.9m之后为最强烈，此 时水头增值仅为2％，以此作为地震活动性强烈变 化的诱因是缺乏说服力的。可是在正常高水位附 近，水位波动几米库容变化却很大，显然库底岩 石所承受的水库附加荷载以及附加荷载的影响深 度都随之产生较大变化，水库底部承受附加应力 超出一定值的岩石的体积也会产生很大变化
表6-1水库诱发地震活动重要实例 美国 希腊 赞比 胡佛坝(米德湖) 科列玛斯塔坝 卡里巴坝 坝型及坝高(m) 重力拱坝,222 心墙堆石坝,165 双曲拱坝,127 库容(亿m3 367 47.5 1604 开始蓄水及满库时 1935;1938.7 1965.7.21;1966.2 195812:19638 第一次地震 19369 19658 1961.7 时间 地震次数600×(1936-1945) M≥20的前震740次 M≥20,1397次 (起止时间)1000(1936-1971)余震2580次(1966 (19596-1968.12) 地 1968) 震|主震震级50(193954) 63(196625) 61(1963923) 动「较大地震震41(42811):44 5.0(6638);5.0 56(63923);58 特级 (4299) (6643) (63923) 征(时间) 5.5(665.4);5.5 5.5(63924);6.0 66611) (63.9.25) 4.5(661212) 53(63105);5.8 (63.11.8) (664.5);5.5 地震活动水库水升高到100m以上 充水开始后六个月水深 地震活动与库水位的变化 与水库蓄水时发生地震,随水位进一步仅120m即发生63级主震。对应关系不明显,但与库底 的时空相关增高地震活动加强,库水达1967-1972仅有宏观记岩石中附加剪应力超过1巴 性及其它特到正常高水位计继续上升时录,地震活动频率与水位的岩石体积∨正相关 发生主震:95%以上的地震高度正相关 确切定位的159次地震大 发生在距水库32km之内 地震活动限于水库区小多数位于水库范围内,且绝 震中沿断层分布 范围内 部分位于坝附近库水最深 的盆地中
美 国 胡佛坝（米德湖） 希 腊 科列玛斯塔坝 赞比亚 卡里巴坝 坝型及坝高（m) 重力拱坝，222 心墙堆石坝，165 双曲拱坝，127 库容 （亿m3 ） 367 47.5 1604 开始蓄水及满库时 间 1935；1938.7 1965.7.21；1966.2 1958.12；1963.8 地 震 活 动 特 征 第一次地震 时间 1936.9 1965.8 1961.7 地震次数 （起止时间） 6000次（1936－1945） 10000次（1936－1971） M≥2.0的前震740次， 余震2580次（1966－ 1968） M≥2.0，1397次 (1959.6－1968.12） 主震震级 （时间） 5.0（1939.5.4） 6.3（1966.2.5） 6.1（1963.9.23） 较大地震震 级 （时间） 4.1（42.8.11）；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） 地震活动 与水库蓄水 的时空相关 性及其它特 征 水库水升高到100m以上 时发生地震，随水位进一步 增高地震活动加强，库水达 到正常高水位并继续上升时 发生主震，95％以上的地震 发生在距水库32km之内， 震中沿断层分布 充水开始后六个月水深 仅120m即发生6.3级主震。 1967－1972仅有宏观记 录，地震活动频率与水位 高度正相关。 地震活动限于水库区小 范围内 地震活动与库水位的变化 对应关系不明显，但与库底 岩石中附加剪应力超过1巴 的岩石体积Vτ正相关。 确切定位的159次地震大 多数位于水库范围内，且绝 大部分位于坝附近库水最深 的盆地中 表6－1 水库诱发地震活动重要实例
中国 塔吉克斯坦 科因纳坝 新丰江坝 丹江口坝 努列克坝 块石混凝土重力坝,103 单支墩大头坝,105 宽缝重力坝,97 土石坝,305m 115 160.5 105 1962.6:19648 19591020;1961923 1967.11 1972(105m):1976(205m) 1981(305m) 1963年地震频率明显增高 195910,广州台记录到来自库19683(M22) 1971较集中的出现于水库西南10 区方向的2-4级地震三 15km 19607的4.3级地震才引起重视 1972.10水库主体之下出现地震 M≥10,25000次 M1204,297035次 M5≥0.5约110次 1800次(1971-1979) (1963-1971) (19619-197712) M5≥2053次 4.6 M≥30,450次 其中ML21.0,12862次 (19683-19774) (1963-1970) M20.6,33761次 M≥4.0,35次 9601013-1987.12.11) (1969-1974) Ms≥1.0,13643次 6.5(19671210) 6.1(19623.19) 4.7(1973.11.29 4.6(197211) 58(6712.11) 4.9(624.5):5.1(62.7.29) 4.2(73.11.29) 4.2(1971.12)46(1972.11) 54(67121206) 43(63126);5.3(64923):46(7311.30) 59(67121215) 4.5(7212.18) 41(197512)4.1(1976.9) 55(671213.05) 4.5(73.12):4.3(75.725) 56(671213 54(67.122 5.0(683.8);54 46(87.9.15) (6810.29 5.1(73.10.17 关,但地震活动性明显的滞强度立即有明显提高在1970年以开始有明显地震活动,地震频率率的四倍,最强的两次暴雨与1928 要频率与水位高度正相水库蓄水之后地震活动的频率和 库水深达50米后(196912 后地震活动超过蓄水前年平均发 集中分布于以坝为中度正相关,但比水位高峰时间滞后2化,频率峰值滞后于水位峰值约所有大地震和多数地震活动都由水库充水 心的25km为半径的范围内 后相关性减弱 3个月,库容急增至最大之后1.5速率下降所引发,地震活动性对充水速率 且以10km为半径的范围内 地震主震分布于水库主体中轴线个月发生了较强震动。 降低反映迅速,滞后一般1-4日 最为密集 两端,以大坝附近峡谷区最密集 也震活动集中于丹库主体南 1970年前地震分散地发生于库周附近 呈N30W的密集带和N70°E的密集 端的灰岩峡谷区,库区外围1972年后向水库主体集中,随库区水位增 带,主震震中的两带交汇处,距大本世纪内曾有6级地震,蓄水后高上游充水,地震震中也向上游转移 坝11km 地震活动向库区集中
印度 科因纳坝 中国 新丰江坝 中国 丹江口坝 塔吉克斯坦 努列克坝 块石混凝土重力坝，103 单支墩大头坝，105 宽缝重力坝，97 土石坝，305m 27.08 115 160.5 105 1962.6；1964.8 1959.10.20；1961.9.23 1967.11 1972（105m）；1976（205m）； 1981（305m） 1963年地震频率明显增高 1959.10，广州台记录到来自库 区方向的2－4级地震三次； 1960.7的4.3级地震才引起重视 1968.3（Ms ≥2） 1971较集中的出现于水库西南10－ 15km 1972.10水库主体之下出现地震 M ≥1.0，25000次 （1963－1971） M ≥3.0，450次 （1963－1970） M ≥4.0，35次 （1969－1974） ML ≥0.4，297035次 （1961.9－1977.12） 其中ML ≥1.0，12862次 Ms≥0.6，33761次 （1960.10.13－1987.12.11） Ms ≥1.0，13643次 Ms ≥0.5 约110次 Ms ≥2.0 53次 （1968.3－1977.4） 1800次 （1971－1979） 1.4＜M＜4.6 6.5（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（73.12）；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） 地震频率与水位高度正相 关，但地震活动性明显的滞 后于高水位，一般3－6个月。 震中集中分布于以坝为中 心的25km为半径的范围内， 且以10km为半径的范围内 最为密集 水库蓄水之后地震活动的频率和 强度立即有明显提高，在1970年以 前，地震频率特别是强度与水位高 度正相关，但比水位高峰时间滞后2 －4个月，70年后相关性减弱。 地震主震分布于水库主体中轴线 两端，以大坝附近峡谷区最密集， 呈N30°W的密集带和N70°E的密集 带，主震震中的两带交汇处，距大 坝1.1km 库水深达50米后（1969.12） 开始有明显地震活动，地震频率 和强度与水位间有明显的同步变 化，频率峰值滞后于水位峰值约 3个月，库容急增至最大之后1.5 个月发生了较强震动。 地震活动集中于丹库主体南 北两端的灰岩峡谷区，库区外围 本世纪内曾有6级地震，蓄水后 地震活动向库区集中 蓄水后地震活动超过蓄水前年平均发生 率的四倍，最强的两次暴雨与1972年和 1976年水位分别达到105m和205m相伴。 所有大地震和多数地震活动都由水库充水 速率下降所引发，地震活动性对充水速率 降低反映迅速，滞后一般1－4日。 1970年前地震分散地发生于库周附近， 1972年后向水库主体集中，随库区水位增 高上游充水，地震震中也向上游转移
正断层 走向错动断层 卡里巴 卡里巴 1963,9.23 1967.12.10 09:01 塞克斯(1967) 塞克斯(1970 (下半球投影) (下半球投影) 科列马斯塔 新丰江 1966.25 1962.3.18 02:01 20:18 麦肯齐(1972) 沉崇刚等人(1974) (下半球投影) (上半球投影) 奥洛维尔 胡佛 由多个余震计算 1972-1973 1975.8 小震综合求解 布夫等人 (下半球投影) 罗杰斯等人 (1974) 图6-3水库诱发地震的两类震源机制
图6－3 水库诱发地震的两类震源机制
6212科因纳一新丰江型 1.科因纳水库诱发地震 科因纳水库诱发地震之所以具有典型意义,就 在于它是迄今为止最强的水库诱发地震(05级, 地震序列中大于5.0级的达15次),而又是产生在 沟造迹象最不明显、岩层产状基本水平、近200a 附近没有明显地层活动的印度地盾德干高原之上。 库、坝区均位于厚达1500m、产状水平、自古 至始新世喷发的玄武岩层之上,由致密块状玄武 岩与凝灰岩及气孔状玄武岩互层,凝灰岩中夹有 红色粘士,渗透性不良(图6-7)
◼ 6.2.1.2 科因纳—新丰江型 ◼ 1．科因纳水库诱发地震 ◼ 科因纳水库诱发地震之所以具有典型意义，就 在于它是迄今为止最强的水库诱发地震(0.5级， 地震序列中大于5.0级的达15次)，而又是产生在 构造迹象最不明显、岩层产状基本水平、近200 a 附近没有明显地层活动的印度地盾德干高原之上。 ◼ 库、坝区均位于厚达1500m、产状水平、自古 至始新世喷发的玄武岩层之上，由致密块状玄武 岩与凝灰岩及气孔状玄武岩互层，凝灰岩中夹有 红色粘土，渗透性不良(图6-7)