库能诱发地震,这并不是一个神话,而是随着人类建造大型水库,逐渐被认识的科学事实。最早在1931年,人们发现了希腊马拉松(Marathon)水库的诱发地震。而在20世纪60年代,先后发生了四次被业界公认的由水库诱发的6级以上的强烈地震,它们是:1962年3月19日,中国广东新丰江,6.1级;1963年9月23日,赞比亚卡里巴(Kariba),6.1级;1966年2月5日,希腊科列马斯塔(Kremasta),6.3级;1967年12月10日,印度科因纳(Koyna),6.5级。与此同时,在美国丹佛地区,又发现了深井注水诱发地震的现象,证明了水的渗透与压力对地震的影响,这使水库诱发地震引起了科学界的高度关注。
目前,人们认为水库诱发地震的主要原因有两个方面:水库蓄水后对库底断层附加的重荷压力,打破了断层受力状况原有的平衡;渗入充填到库底岩体裂隙中的水,会产生附加的孔隙水压力,同时水的渗透、浸泡和孔隙水压力软化了岩石,对断层面起到润滑作用,使岩体更容易破裂,破裂也更容易扩展。而地震,就是地下的岩石沿断层破裂而发生的震动。
因此,水库诱发地震需要具备的条件是:水库位于活动性的地震断层上,而且水坝足够高即水深足够大,水库的蓄水量也足够大,这样,水库就可以通过水的静压力以及水沿断裂下渗的孔隙压力,对地震断层产生足够的影响。而水库诱发地震,就是地震发生的时间、空间、频度以及震级,都受到水库蓄水活动的影响。
一般来说,水坝越高(即库水越深)、水库蓄水量越大,越容易诱发地震。有资料称,世界上坝高超过200米的水库,诱发地震的比率为34%;中国坝高在100米以上,库容在100亿立方米以上的水库,发震比例为30%左右。但这些统计是在许多库区监测数据不完备的情况下作出的。
2004年,中国国务院颁布了《地震监测管理条例》,要求坝高100米以上、库容5亿立方米以上、且可能诱发5级以上地震的水库,都必须建立专用地震监测台网。近年来的大量观测数据表明,中国这些大型水库诱发地震的比率为100%。所以对高坝大库来说,实际上不是诱不诱发地震的问题,而是诱不诱发破坏性强震或巨震的问题。
值得注意的是,从中国新丰江、赞比亚卡里巴、希腊科列马斯塔、印度科因纳这四个案例来看,在水库诱发地震以前,根据历史记录,它们都被认为是弱震区或少震区,而结果是,水库诱发了远远超过当地历史记录最大震级的强烈地震。
专家们把这种在历史记录中首次出现的强震或巨震,称为首发强震或首发巨震,上述的水库诱发6级以上强震的案例,包括下文将要谈到的汶川大地震,都具有典型的“首发”特征。因此,水库诱发地震往往可能存在人们难以预料的、巨大的潜在风险。
2.中国西部近年来的水库诱发地震案例
最近十余年来,中国西部的水电大开发主要集中在青藏高原东缘的高山峡谷区,以及青藏高原向云贵高原、四川盆地过渡的地形阶梯上,主要分布于长江上游及其主要支流以及澜沧江、怒江等河流。从地质构造来说,这些区域处在青藏高原东缘一系列大的断裂带上,地壳的抬升十分强烈,因此也构成了中国西部地震活动十分频繁的地震带。
由于这里地形陡峭、河流落差大,水力资源也极为丰富,因此按全江全流梯级开发的模式,建立了许多以高坝大库为特征的大型甚至巨型水电站,无论是在区域的地震活动背景上,还是在水库以及水库群的规模上,它们都远远超出了之前的水库诱发地震案例所具备的条件。而事实上,在中国西部已经建成大型电站水库的地区,的确也出现了许多不寻常的水库诱发地震的事件。
岷江的紫坪铺水库与汶川地震
由于紫坪铺水库正好位于龙门山主中央断裂带上,同时又是坝高156米,总库容11.26亿立方米的大库,而且汶川8级地震震中就在库区范围内,地震发生于紫坪铺水库蓄水三年多之后,因此,紫坪铺水库是否诱发了汶川地震,成为了媒体关注的热点以及地震科学界研究的前沿课题。汶川地震以后,根据中国地震界诸多学者的研究及目前已公开发表的数十篇文献(笔者有一篇综述这些研究成果的报告),至少从以下几方面证明汶川地震与紫坪铺水库的蓄水活动有十分密切的关系:
汶川地震的震源深度只有6至9千米,并且就在水库西南侧的垂直于八角地震观测台的地下发生,此外,紫坪铺水库蓄水之后到汶川地震之前,库区因蓄水诱发的1500多次小震也集中于上述深度范围内,显示了岩石破裂与扩展的继承关系;
根据地震观测以及对同震地表破裂带的调查,表明汶川地震的震源也恰好在通过紫坪铺水库的水磨-庙子坪断裂带上;
紫坪铺水库在初始蓄水过程中,通过快速大幅度地提高水位,达到正常高水位,尔后又以大约7.4亿立方米(即7.4亿吨)的加载量或卸载量,反复进行蓄水和排水的例行运营,从而给断层施加了重大的力学影响,这一影响,通过对断层所受水库附加力的数学计算也得到证实;
紫坪铺水库蓄水以后,库区的地震活动显著增强,围绕水