柯依纳水库位于印度半岛地盾西海岸孟买东南约200 km处,柯依纳大坝建在柯依纳河上,1954年动工修建,1962年建成开始蓄水以来,在大坝附近地区就连续不断发生地震活动。根据印度历史和现代地震记录,印度的强震活动主要分布在北部和西部地区,印度半岛极少有地震活动记录。在印度地震区划图中,几乎整个印度半岛都被划分为O地区。柯依纳水库蓄水后5年多1967年12月11日(格林威治时12月10日),在大坝附近发生了M_S6.5水库诱发地震。这次地震造成200多人死亡,1 500多人受伤,震源深度8～20 km,有感范围达600 km,对大坝造成了结构性破坏,在极震区范围内造成了严重的经济损失,这是印度半岛有历史记载的最大地震,也是迄今为止全球已知的最大水库诱发地震。1985年,距柯依纳水库南部不远的瓦尔纳河上修建了瓦尔纳水库,两个水库相距约30 km,随即就响应了一系列的水库诱发地震。此后在这一地区连续发生诱发地震,并且这些诱发地震活动相互影响。初步统计表明,从1963年至今40多年的时间内,在柯依纳—瓦尔纳地区记录到的地震活动超过10万次,其中M≥4地震约170次,M≥5地震约17次。在印度半岛,除柯依纳水库外,从1900年开始还修建了几十座与柯依纳水库坝高、库容相当或者大于或小于其坝高库容的水库,但都没有发生水库诱发地震活动。这些水库都建立在相似的火山玄武岩上,为什么仅有柯依纳—瓦尔纳水库地区的诱发地震活动不断,至今仍有许多问题我们还不不清楚。

柯依纳水库诱发地震主震发生后,发生了长时间的大量的余震序列,1973～1998年的20多年间,发生数次5级左右的破坏性地震,4级地震频繁发生。根据全球水库诱发地震观测报告表明,柯依纳—瓦尔纳水库地区诱发地震持续时间之长、频度之高、强度之大,是绝无仅有的。因此,印度柯依纳—瓦尔纳水库诱发地震活动成了全球研究水库诱发地震活动最为典型的例子。图1、图2给出了印度柯依纳水库、瓦尔纳水库及诱发地震的震中分布和水位变化与地震活动的关系。由图可见,震中分布表现出明显的NNE和SSW两个走向(Gupta,2002)。

阿斯旺水库于1964年在埃及尼罗河阿斯旺地区截流建成并开始蓄水,坝高100 m,但由于阿斯旺地区地形平坦,尼罗河流道宽阔,形成了目前世界上第二大人工湖,是埃及最主要的灌溉与发电两者兼用的水利建设工程,在1978年11月水库达到最高水位177.48 m(海拔高度)。该水库为浅水库,最大水深70 m,最大库容16×10¹⁰ m³。据

图1 根据NGRI台网测定的印度柯依纳水库和瓦尔纳水库地区水库诱发地震活动震中分布(1993-10～1994-12)(Gupta,2002)
Fig.1 Epicentral distribution of reservoir seismicity recorded by NGRI network at Koyna reservoir and Warna reservoir area(1993-10～1994-12)(Gupta, 2002)

图2 1993～1995年期间印度柯依纳水库和瓦尔纳水库诱发地震活动与水位的相互关系(Gupta,2002)
Fig.2 The relationship between reservoir inducedseismicity and water level at Koyna reservoir and Warna reservoir from 1993 to 1995(Gupta, 2002)

图3 阿斯旺水库北部和遥测台网记录的地震活动震中分布(Simpson et al,1990)
Fig.3 The North of Aswan reservoir and epicentral distribution recorded by seismic telemetry network(Simpson et al,1990)

图4 阿斯旺地区M>2.2地震震源深度随纬度的垂直分布(Mekkawi et al,2004)
Fig.4 The profile of depth distribution of M>2.2 earthquakes along the latitude at Aswan area (Mekkawi et al,2004)

由图3可以看出,水库诱发地震活动主要集中在两个较小的区域内,一个是马拉瓦山附近,这一区域是水库诱发地震最活跃、最集中的地区,最大主震M_S5.3发生在这一区域; 另一个区域是瓦迪卡拉沙附近,这一地区的诱发地震相对集中。阿斯旺水库诱发地震的震源深度定位结果表明,有深源地震(h=15～30 km)和浅源地震(h<15 km)两类,与世界上其它地区水库诱发地震的震源深度(绝大多数h<15 km)相比,具有其独特的方面。由图4可看出,在马拉瓦山附近诱发地震最集中、最活跃的区域内,绝大多数为深源地震,其它地区则绝大多数为浅源地震。

新丰江水库位于广东河源县,自1959年10月20日大坝建好开始蓄水后1个月起,就连续不断地发生地震活动。这一地区是我国地震活动的少震、弱震区,蓄水以前,库区很少有地震发生。新丰江水库大坝建设在花岗岩之上,高105 m,水库容积约11.5×10⁹ m³。40多年来,在水库区引发了近30多万次地震活动,可定位的M≥1.0地震约3.4万次,蓄水后2年多于1962年3月19日发生最大诱发地震M_S6.1,是全球4个6级以上诱

图5 新丰江水库诱发地震MS6.1主震后10个月内的地震活动分布(王妙月等,1976)
Fig.5 The distribution of seismicity occurred 10 months after the MS6.1 main-shock which was induced by the Xinfengjiang reservoir(Wang et al, 1976)

图6 新丰江水库诱发地震、水位高程随时间的变化(曾宪泽等,1984)
Fig.6 The temporal changes of earthquakes induced by the Xinfengjiang reservoir and its water level (Zeng et al, 1984).

这方面是研究水库诱发地震最重要的领域之一,通过详细调查库区地质条件、地质环境、断层分布以及活动断层参数、块体构造特征、非均匀岩体、区域地震构造特点、库区地下断层分布及活动断层年代鉴定等,构建出合理的诱发地震的地质模型,通过水库诱发地震活动观测资料,做出诱发地震产生的机理解释,由此试图建立科学的水库诱发地震危险性评价体系和方法。

表1是根据一些水库诱发地震的地震地质环境总结出的认识,对这方面的重点研究是希望总结出易产生或不易产生水库诱发地震的环境地质条件。

主要调查库区水文地质条件、地下水分布状

表1 水库诱发地震地质环境影响因素
Tab.1 The influence factors of geological environment for the reservoir induced earthquakes

Card(1970)水库位于新构造活动区域、地壳具有“封存”应变能区域、库水具有裂隙渗透能力、构造作用“临界带”等区域易产生水库诱发地震,最大水库诱发地震不会超过库区周边60 km范围内的历史最大构造地震 Nikolaev(1974)正断层和走滑断层环境、库体位于断层下降盘、区域上有火山活动、存在灰岩等易溶岩类、中等应变能积累区易产生水库诱发地震 Simpson(1976)

Gupta(1989)块体边缘地形梯度大、地应力集中、区域分布有温泉或新生代火山活动遗迹的地区,即地形梯度大及地壳残余热易产生水库诱发地震 Lomnitz(1974)库区地下走向与库体平行断层在蓄水条件下、垂直走滑断层趋于稳定、低角度(<20°)逆掩断层或高角度(>60°)逆断层除部分外大多数趋于稳定、正断层在深度大于或等于库宽范围趋于失稳,库区高角度正断层比逆断层和走滑断层更易产生水库诱发地震 Roelof's(1988)

态、岩体水力学参数、裂隙发育程度、岩体饱和度、水扩散率、地下水与库水之间的连通性及储水性、库水的季节性波动变化等,这方面的研究主要是采用在库区稳定的构造点打深井,开展地下流体和水文地质的多参数观测,探索水库诱发地震活动与水文地质参数之间的相关性。目前。国内外在这方面的研究成果虽然有一些涉及到机理方面的解释,但更多的是对某些观测资料的现象解释。

这是国内外水库诱发地震观测与研究开展得最广泛、最深入的研究领域,尤其是采用高精度、宽频带数字地震的观测台网,为水库诱发地震提供了精确的定位结果。通过数字波形分析,可以获得诱发地震的震源参数特征,用以开展不同地震类型的比较研究,从而使人们对水库诱发地震的动力学和运动学特征有了新的了解和认识。尤其是可以借鉴丰富的构造地震序列研究成果,来分析水库诱发地震活动的特征和规律,这为水库诱发地震的预测预报研究奠定了坚实基础。例如,高精度三维水库诱发地震活动图像,可以用来分析研究库区地下断层分布与诱发地震活动的关系; 诱发地震序列b值时空演化,可以用来分析不同类型的地震活动特征; 震源力学参数的时空变化及随深度的变化,可以用来研究水库诱发地震的震源破裂过程及触发机理; 在库区开展形变、地下水动态、断层位移等多学科观测手段,结合地震活动性及地震学和前兆预测分析方法,可以对水库诱发地震活动趋势进行预测预报。可以预期,对水库诱发地震开展地震学特征研究,将对水库诱发地震的危险性评估和成功预报起到十分重要的作用。

由于水库诱发地震尤其是破坏性严重的水库诱发地震会造成严重的经济损失和人员伤亡,所以这类地震引起了人们的广泛关注。但全球水库诱发地震活动又表明,产生水库诱发地震活动的水库占全球已建水库总数的极少数。在地质、构造、水文等因素相同的条件下,有的水库蓄水后会产生诱发地震,有的水库则不会; 有的大型水库产生破坏性较弱的诱发地震,有的中等甚至小型水库也会产生破坏性较大的诱发地震。因此,如何评价水库诱发地震的危险性以及哪些参数起控制作用,是预测水库诱发地震危险性的关键。

目前,由于产生水库诱发地震的复杂性和不惟一性还有许多科学问题有待探索,因此,不同学科(地震学、地质学等)对同一座水库诱发地震的危险性评估(如是否产生诱发地震,诱发地震可能的最大强度以及可能发生的地点等)的结论也会不尽相同,甚至对同一学科由于不同学者分析方法或观点不同,也会得出不同的结论。这方面的研究目前仍没有建立起统一的评价理论和方法,也没有公认的成熟的方法,处于观测资料积累和经验积累的认识阶段。目前,国内外对水库潜在的诱发地震危险性评估主要采用的是根据地质环境、水文环境、地震活动、断层构造、岩性、坝高、水位、库容、水库特征参数等对已发生水库诱发地震的水库震例进行类比分析。同时,也通过地质—力学模型的数值计算,综合给出水库诱发地震潜在危险的预测结果。

根据已确认的水库诱发地震多学科观测资料结果,结合库区的地质背景、构造环境、机理、季节性变化等诸多因素,简化给出易发生诱发地震的地质模型、物理模型、破裂力学模型等,这些模型含有理论推测的、数学方程式的以及数值模拟计算的等多种形式。从不同分析角度、不同认识观点建立的预测模型,一方面通过对水库诱发地震观测资料的合理解释,研究诱发地震的产生机理; 另一方面通过对诱发地震机理的进一步认识和研究,进而以半经验半理论的模型计算结果,应用于对水库诱发地震的危险性预测。

由于水库诱发地震机理与预测仍然是当今世界上的科学难题,目前国内外有关水库诱发地震机理与预测、危险性评估等方面的研究内容主要集中在两大方面:一是根据某些水库确定的水库诱发地震观测资料,分析不同水库的库容、库深、地理环境、形状、构造、岩性、水文地质、深部环境、应力状态、区域地震活动背景、水库诱发地震序列时空演化及特征等各种参数信息的统计分析,从中获取易于诱震或不易于诱震条件。我们把这种主要的观测现象的经验识别称之为水库诱发地震的诱震条件判断与类比预测法; 二是在经验积累的基础上构建简化的水库诱发地震机制的物理—地质—力学破裂过程描述模型,以某些诱发地震破裂准则或应力屈服准则的约束条件,通过数值模拟计算结果,对水库诱发地震危险性做出预测,我们把这种主要以诱发地震成因模型为基础的预测研究称之为水库诱发地震预测的成因模型法。这两方面的研究在国内外取得了明显进展,尤其是第一方面的研究,内容丰富多彩。