常廷改，胡 曉

（中國水利水電科學研究院 工程抗震研究中心，北京 100048）

1 引言

水庫誘發(fā)地震是由于水庫蓄水或水位變化而引發(fā)的地震。水庫誘發(fā)地震有兩個基本要素，一是由水庫蓄水而引起的地震，二是地震發(fā)生于人工水庫的鄰近地區(qū)。水庫誘發(fā)地震問題始于1940年代，但直到1962年中國新豐江水庫發(fā)生6.1級、1963年贊比亞－津巴布韋卡里巴（Kariba）水庫發(fā)生6.25級、1966年希臘克里瑪斯塔（Kremasta）水庫發(fā)生6.3級和1967年印度柯依納（Koyna）水庫發(fā)生6.5級4個6級以上的水庫誘發(fā)地震震例后，才引起了人們足夠的重視。

中國水利水電科學研究院從事水庫誘發(fā)地震研究始于1970年代初，1974年，沈崇剛等［1］發(fā)表了“新豐江水庫地震及其對大壩的影響”一文，初步探索了新豐江水庫地震的成因，并指出改善大頭壩壩體抗震性能的建議。此后，中國水科院在水庫誘發(fā)地震研究領域一直走在前列。1984年，夏其發(fā)等［2］發(fā)表了“試論水庫誘發(fā)地震的地質分類”一文，依據(jù)工程地質條件，對水庫誘發(fā)地震類型進行分類，評價了不同地質類型水庫誘發(fā)地震的可能強度。1990年代，汪雍熙等［3］對水庫誘發(fā)地震危險性預測研究評價體系進行了總結，蘇錦星［4］將灰色類聚、GIS等數(shù)值模型引入到水庫誘發(fā)地震危險性預測評價中。2012年，夏其發(fā)等［5］的《水庫誘發(fā)地震評價與預測》一書出版。2006年，中國水科院參與編寫《水庫誘發(fā)地震危險性評價》（GB 21075-2007），2012年主持起草《水庫誘發(fā)地震監(jiān)測技術規(guī)范》（SL 516-2013）。2017年9月，承擔的“十三五”國家重點研發(fā)專項“300 m級特高壩抗震安全評價與控制關鍵技術”，將水庫誘發(fā)地震機理與判別準則作為重點研究方向之一。

2 水庫誘發(fā)地震強度特征、分類和影響因素

2.1 庫水誘發(fā)地震強度特征 據(jù)不完全統(tǒng)計，目前國外已有109座水庫發(fā)生了水庫誘發(fā)地震［6］，我國發(fā)生水庫誘發(fā)地震的水庫共有37個（見表1）。

表1 我國水庫誘發(fā)地震震例基本參數(shù)匯總

水庫誘發(fā)地震的震級以弱震、微震為主。全球范圍內水庫誘發(fā)地震震級超過Ms6級的只有4例，各檔震級統(tǒng)計占比見圖1。從圖1可以看出，無論是全球范圍還是中國國內的水庫誘發(fā)地震，小于Ms4.5級的地震占70%～80%，是大多數(shù)。

圖1 水庫誘發(fā)地震強度統(tǒng)計

水庫誘發(fā)地震有別于一般構造地震，是一種獨特的地震類型。在時間、空間、強度和序列特征及震源機制等方面具有自己的特點。總結國內外水庫誘發(fā)地震的一般規(guī)律，其主要特征如下［5］：（1）在空間上，震中分布在水庫周圍，一般距庫邊線不超過10 km，位于河谷第一分水嶺范圍內。地震震中在空間上基本在幾個特定的區(qū)段重復發(fā)生。震源深度極淺，一般3～5 km或僅幾百米甚至于近地表。（2）在時間上，發(fā)震與水庫蓄水過程密切相關。一般水庫蓄水后或數(shù)月后開始出現(xiàn)微震，一年或幾年后發(fā)生主震。由于每個水庫的蓄水過程長短不一，同時發(fā)震部位不一樣，加之地質條件上的差異，因此從開始蓄水到發(fā)震以及到發(fā)生主震的時間間隔不盡相同。（3）在強度上，多數(shù)屬微震，少數(shù)發(fā)生中、強地震。但由于震源極淺，水庫誘發(fā)地震的震中烈度一般均較同震級天然構造地震高，不少Ms為2～3級的誘發(fā)地震的震中烈度就達Ⅴ度，3級以上誘發(fā)地震震中烈度達Ⅵ度的例子亦不少，對水利工程的安全造成很大威脅。從統(tǒng)計看，最高震級約為6.5級，震中烈度達Ⅷ度。誘發(fā)地震的頻度和強度隨時間的延長呈明顯下降的趨勢。（4）在震源機制上，水庫誘發(fā)地震主要有兩種震源錯動型式。一種是傾向滑動，滑動面傾角較陡，主壓應力軸接近于垂直，即相當于高角度的正斷層錯動型式。另一種是走向滑動，滑動面亦很陡，主壓應力軸接近水平，即相當于陡傾角的平推斷層型式。逆斷層錯動型式的機制極少。Gupta［7］在總結水庫誘發(fā)地震的一般特征時指出，有利于水庫誘發(fā)強震的地質環(huán)境是：正斷層環(huán)境，庫體位于斷層下降盤，區(qū)域上曾經(jīng)有火山活動，存在灰?guī)r等易溶巖類。（5）在波譜特征上，水庫誘發(fā)地震的高頻能量豐富，多數(shù)伴有可聞聲波。國外有觀測到優(yōu)勢頻譜為70～80 Hz甚至更高的報道。（6）按古登堡-里克特震級頻度關系式lgN=a-bM，表征水庫誘發(fā)地震的震級-頻度關系的b值較同樣震級的天然構造地震的b值偏高。水庫誘發(fā)地震一般具有b值大于1（或接近1），Mm（主震）減M（最大余震）小于1，M/Mm近于1，衰減系數(shù)P小于或等于1的特點。

2.2 水庫誘發(fā)地震的分類 目前，對水庫誘發(fā)地震大致可從以下3個方面進行分類。

（1）根據(jù)成因的不同，可將水庫誘發(fā)地震分為3種類型：①構造型。由庫水穿過或鄰近庫區(qū)已處于臨界狀態(tài)的發(fā)震斷層而誘發(fā)的水庫誘發(fā)地震；②裂隙型。庫水引起地表巖體應力調整而產生的淺層微震；③巖溶型。由于水庫蓄水引起的巖溶洞穴、巖溶管道、地下暗河的圍巖等出現(xiàn)的重力失穩(wěn)。

（2）根據(jù)反應時間不同，將水庫誘發(fā)地震可分為3種類型：①快速響應型。水庫開始蓄水或水庫水位的迅速變化，地震活動頻率立即增加?？焖夙憫偷卣鹗堑貧ぴ谒畨毫ψ饔孟庐a生彈性形變而誘發(fā)的；②滯后響應型。水庫蓄水運行一段時間后才出現(xiàn)主要的地震活動。滯后響應型地震是在水的滲透過程中，孔隙水壓力增加，有效應力降低而誘發(fā)的；③延續(xù)型。水庫運行多年后，庫區(qū)仍然保持原有的地震活動頻率和強度。滯后響應型地震活動主要源于孔隙水壓力向地幔層傳播，而快速響應型則與地質彈性應力及應力變化有關。

（3）根據(jù)序列特征不同，可將水庫誘發(fā)地震分為2種類型：①前震-主震-余震型。有明顯的前震期，時間長達一年或數(shù)年，構造型水庫誘發(fā)地震多為前震-主震-余震型；②震群型。序列多，沒有明顯的主震，但可有幾個活動高潮期，非構造型水庫誘發(fā)地震多為微震群型。

2.3 水庫誘發(fā)地震的影響因素分析

2.3.1 水庫誘發(fā)地震與壩高的關系 在109個國外水庫誘發(fā)地震震例中（見表2），壩高超過100 m的水庫有66例，占發(fā)震總數(shù)的60.55%，其中發(fā)生Ms≥6.0級地震的有3例，占發(fā)震總數(shù)的2.75%。地震強度為Ms5.9～4.5、Ms4.4～3.0和Ms＜3.0級地震的占比分別為30.28%、31.19%和35.78%，說明水庫誘發(fā)中等強度以下的地震，與壩高的關系不明顯。

在我國37個水庫誘發(fā)地震震例中（見表3），壩高超過100 m的有22個，占發(fā)震總數(shù)的59.46%，其中發(fā)生Ms≥6.0級地震的有1例，占發(fā)震總數(shù)的2.7%，這與國外的統(tǒng)計特征基本一致。壩高超過200 m有4例水庫誘發(fā)地震的震例，震級大小為中強震或微震。在37例水庫誘發(fā)地震震例中，地震強度為Ms5.9～4.5、Ms4.4～3.0和Ms＜3.0級地震的占比分別為27.03%、37.84%和32.43%，這樣的比例關系亦與國外基本相當，沒有顯著的變化。誘發(fā)弱震和微震的震例共26個，占總數(shù)的70.27%，說明了在我國水庫誘發(fā)地震仍以弱震和微震為主。

表2 國外水庫誘發(fā)地震與壩高的關系

表3 中國水庫誘發(fā)地震與壩高的關系

2.3.2 水庫誘發(fā)地震與庫容的關系 國外有庫容參數(shù)的水庫誘發(fā)地震震例共計107個，依據(jù)庫容大小按5檔進行水庫誘發(fā)地震統(tǒng)計，結果見表4。從表4可以看出，庫容大于1億m3的水庫誘發(fā)地震震例有91個，約占總數(shù)的85%，其中庫容9.9億～1.0億m3有33個，占比30.84%，庫容99.9億～10.0億m3有38個，占比35.51%，兩者合計占到總數(shù)的2/3。小于1億m3和999.9億～100.0億m3的水庫誘發(fā)地震震例各占總數(shù)的15%。庫容大于1000億m3的水庫誘發(fā)地震震例有4個，占比不到總數(shù)的4%，但均誘發(fā)了弱震以上級別的水庫誘發(fā)地震，其中1個Ms≥6.0級，2個在Ms5.9～4.5之間。

表4 國外水庫誘發(fā)地震與庫容的關系

依據(jù)庫容大小按5檔對我國水庫誘發(fā)地震進行統(tǒng)計，結果見表5。從表5可以看出，我國37個水庫誘發(fā)地震震例，庫容大于1億m3的水庫誘發(fā)地震震例有32個，約占總數(shù)的86.5%，其中庫容99.9億～10.0億m3有15個，占比40.54%，庫容大于100.0億m3有9個，占比24.32%。在9個庫容大于100.0億m3的水庫誘發(fā)地震震例中，有1個水庫誘發(fā)地震的強度Ms≥6.0級，3個在Ms5.9～4.5之間。

表5 中國水庫誘發(fā)地震與庫容的關系

從水庫誘發(fā)地震強度與庫容的關系來看，在庫容大于100億m3的29個水庫誘發(fā)地震震例中，誘發(fā)Ms≥4.5級地震的有12個，誘發(fā)Ms 4.4～3.0級地震的有10個，Ms＜3.0級地震的有7個。這說明水庫誘發(fā)地震的強度與水庫庫容的大小存在一定的關系，即：水庫庫容越大，誘發(fā)中等強度以上地震的概率就越高。

2.3.3 水庫誘發(fā)地震與地震活動背景的關系 在國外109個水庫誘發(fā)地震震例中，在蓄水前有地震活動情況資料的有79個（見表6），蓄水后發(fā)生在強震區(qū)和地震活動區(qū)的共30例，Ms≥6.0級的有1例，大部分水庫誘發(fā)地震都發(fā)生在無震區(qū)或弱震區(qū)。在水庫蓄水前為無震區(qū)的共計35例，占總數(shù)的44.3%，其中Ms≥6.0級的有2例。總體來看，在地震活動區(qū)所誘發(fā)地震的強度一般不超過甚至略低于天然背景值，而在弱震區(qū)或無震區(qū)誘發(fā)地震的強度則明顯高于背景值。

表6 國外水庫誘發(fā)地震與地震活動背景的關系

表7 中國水庫誘發(fā)地震與地震活動背景的關系

在我國37個水庫誘發(fā)地震震例中（見表7），發(fā)生在地震活動區(qū)的只有7例，占比為總數(shù)的18.92%。發(fā)生在弱震區(qū)和無震區(qū)的有30例，占總數(shù)的81.08%。與國外不同的是，我國在蓄水之前為弱震區(qū)的，誘發(fā)地震震例的占比最大，達到51.35%，且在誘發(fā)中等強度及以上的10個震例中，處在弱震區(qū)的就有7個，占比高達70%，誘發(fā)地震震級Ms≥6.0級的新豐江水庫蓄水之前亦為弱震區(qū)。

從國內外水庫誘發(fā)地震震例可以看出，水庫誘發(fā)地震的發(fā)生，與當?shù)貧v史地震活動水平的對應關系不明顯。現(xiàn)今地震活動區(qū)，應力水平應當較高，水庫蓄水所產生的附加荷載對原始應力的改變可能微乎其微。而在弱震區(qū)或無震區(qū)，應力水平相對較低，水庫蓄水所產生的附加應力有可能打破原有的應力平衡，從而導致地震的發(fā)生。

2.3.4 水庫誘發(fā)地震與巖性的關系 在國外109個水庫誘發(fā)地震震例中，其中97個水庫誘發(fā)地震震例有震中區(qū)的地質資料。根據(jù)巖體的性狀分為三類，即：塊狀巖體、層狀巖體和碳酸鹽巖。塊狀巖體包括火成巖和變質巖；層狀巖體包括頁巖、砂巖、泥巖和碎屑巖等；碳酸鹽巖包括灰?guī)r、白云巖和鹽巖等。國外97個水庫誘發(fā)地震震例與巖性的關系統(tǒng)計結果見表8，我國37個水庫誘發(fā)地震與巖性的關系統(tǒng)計結果見表9。

表8 國外水庫誘發(fā)地震與巖性的關系

表9 中國水庫誘發(fā)地震與巖性的關系

從表8可以看出，水庫誘發(fā)地震的發(fā)震機率與庫區(qū)的巖體性質有關，震級的大小與巖體的強度有關。塊狀巖體的發(fā)震機率最高，共57例，占58.76%；從震級強度來看，亦是最高，Ms≥6.0級以上有2例。說明巖體強度越高，積累的應變能越大，一旦巖體破裂，釋放的能量也越大。層狀巖體和碳酸鹽巖的震例分別為19個和21個，占比基本相當，但碳酸鹽巖中等強度以上地震的占比明顯大于層狀巖體。從表9可以看出，我國碳酸鹽巖發(fā)震的機率最高，共有19個，占比51.35%。發(fā)生在塊狀巖體的有13個，占比35.14%。在震級強度上，與國外的統(tǒng)計結果基本一致。

3 水庫誘發(fā)地震機理與判別標志

地震中的能量釋放是地球內部復雜的地球物理過程作用的結果。國內外許多震例的實際資料表明，水庫蓄水確實能引起水庫誘發(fā)地震。盡管對于水庫誘發(fā)地震形成機理的探討十分熱烈，各種新設想、新論點層出不窮，而且大多數(shù)研究者一致承認庫水在引發(fā)水庫誘發(fā)地震方面起著重要的作用，但是由于水庫誘發(fā)地震的復雜性（涉及地震、地質、水文、環(huán)境等多門學科），震例的有限性和不確定性，以及水庫誘發(fā)地震的背景呈現(xiàn)多樣性，加上水庫誘發(fā)地震的機理難以用實驗方法模擬或驗證，目前對這一物理過程的理解還十分有限，其成因機理仍未完全明了。

水庫蓄水對庫區(qū)地震活動的影響，主要可以歸納為水體荷載作用、孔隙水壓力擴散作用和庫水對巖石的軟化弱化作用等3個方面。水庫誘發(fā)地震的物理機制可以概括為4種：（1）應力增強機制，認為水庫蓄水所增加的荷載會導致巖體中應力增強，一旦超過巖體自身強度即引發(fā)地震；（2）強度弱化機制，認為水庫蓄水后水頭升高引起地下孔隙水壓力升高，導致滑動面有效應力減小而引發(fā)地震；（3）巖體弱化機制，認為水庫蓄水向深部巖體擴散過程中，水體會軟化和弱化巖體，導致滑動面摩擦系數(shù)降低而引發(fā)地震；（4）局部應力集中機制，認為庫區(qū)巖體結構和介質建造的不均勻性和各向異性，控制著蓄水過程地應力和孔隙水壓力的分布，導致局部應力和孔隙水壓力的高度集中，從而引發(fā)地震。

3.1 水體荷載作用 水體荷載作用是指水庫蓄水產生的附加應力（壓應力和剪應力）變化破壞地殼應力平衡，引發(fā)斷層錯動從而發(fā)生水庫誘發(fā)地震的過程。

Carder［8］首先闡述了水庫誘發(fā)地震可能是由水體荷載作用引起的觀點，指出米德湖（Lake Mead）的水體荷載導致了該區(qū)域原有斷層重新活動。Nikolaev［9］指出大型水庫的水體荷載可以釋放地質能量，即在水的重力作用下，以地殼沉陷作用釋放重力位能轉變?yōu)閺椥詰兡芎偷卣鹉?。Gough等［10-11］、Snow［12］、Beck［13］、Withers等［14］等研究了水庫蓄水的荷載作用對水庫誘發(fā)地震之影響，認為除在最大主應力垂直區(qū)域外，荷載作用基本上起穩(wěn)定作用，并指出了不同構造條件的不穩(wěn)定部位。梁青槐等［15］根據(jù)摩爾-庫倫破裂準則，利用庫區(qū)應力摩爾圓的移動和半徑的變化以及巖石破裂線的變動，分析了庫區(qū)不同區(qū)域的誘震機制，指出水庫誘發(fā)地震易發(fā)生在斷裂帶及其附近，斷層穿過庫心正下方時會大大增加誘震的危險性，并建議分級蓄水以減小誘發(fā)快速響應型地震的可能性。陳顒［16］討論了正斷逆斷層、走滑斷層與水庫荷載的關系，指出水庫蓄水作為施加在地面的荷載，在地下深處將出現(xiàn)有助于走向滑動斷層和正斷層運動的附加水平拉力，所以水庫誘發(fā)地震多是走向滑動或是正斷層型的地震。

Talwani［17］、雷興林等［18］以及Ge等［19］均認為，只有最大主應力垂直且蓄水前庫區(qū)地應力已處于臨界狀態(tài)的情況下，水庫蓄水才可能誘發(fā)地震。李碧雄等［20］指出：由于庫區(qū)基巖體介質的不均勻性，水體荷載所產生的附加應力場、形變場的形狀相對庫軸并不對稱，在斷層處產生的垂直位移迅速增加，除了庫岸區(qū)域存在附加張應力區(qū)之外，在斷層中同樣形成了附加張應力區(qū)，增加了斷層的不穩(wěn)定性。如果初始應力與附加張應力平行，附加張應力可以部分抵消斷層面上的正應力，使正應力摩爾圓向左移動，更易與破裂線相交，從而使構造應力更易于造成斷層滑動。因此這些附加張應力區(qū)是誘發(fā)地震的重要場所。

3.2 孔隙水壓力作用 水庫蓄水后，隨著庫水位的上升，庫岸邊坡的地下水位也相應上升，將會對原本在地下水位之上的巖體施加一個附加的孔隙水壓力增量，這個增量的出現(xiàn)，會使得巖體中不連續(xù)面上的正壓力減小，從而有可能產生破裂滑動引發(fā)地震。

Hubbert等［21］對流體壓力在斷層中所起的作用進行了研究，提出了孔隙水壓力增加使巖石強度降低的巖石破壞理論。Bell等［22］應用Boit飽水多孔介質線性準靜態(tài)彈性理論，研究了二維半空間均勻介質和含斷層介質在荷載作用下的強度變化，發(fā)現(xiàn)滲透性均勻介質中出現(xiàn)一弱化帶，而在有高滲透斷層帶分布介質中，弱化帶的寬度加大，強度顯著下降，認為水庫蓄水引發(fā)地質體彈性壓力增加導致巖石孔隙度降低，從而使飽和巖石中孔隙流體壓力增加，孔隙水壓力變化引起流體運動，他們指出這一過程是水庫蓄水引發(fā)地震的可能原因。梁青槐等［23］基于Biot耦聯(lián)固結理論，推導出二維飽水彈性巖石介質的應力耦聯(lián)微分方程，并應用有限元法和有限差分法分別對其進行了空間和時間的離散化，應用提出的模型分別計算了水庫蓄水引起的附加應力場、孔壓場和形變場，并對它們的分布特征作了綜合分析，還討論了斷層帶和蓄水速率對水庫誘發(fā)地震的影響。沈立英等［24］應用改進的Boit固結理論計算了新豐江水庫誘發(fā)地震，認為該水庫誘發(fā)地震的發(fā)生是應力-孔隙水壓力耦合作用的結果。

Talwani等［25］根據(jù)水庫與震中距和滯后時間估算了Monticello水庫蓄水后的水力擴散系數(shù)，認為孔隙水壓力擴散造成斷層面摩擦系數(shù)降低以及介質強度降低在誘發(fā)地震中起到主要作用。Gupta［26］通過在美國Bad Creek水庫和印度柯依納水庫的觀測數(shù)據(jù)推算了水力擴散系數(shù)，認為孔隙水壓力變化對“觸發(fā)”水庫誘發(fā)地震有重要作用，水庫蓄水有可能造成同一個斷層上某些部位失穩(wěn)，而另一些部位趨于更加穩(wěn)定，還指出相較于各向同性巖體，各向異性巖體中孔隙水壓力的變化會造成更大的剪應力變化。易立新等［27］認為，水庫蓄水后，兩種作用引起庫盆基巖孔隙水壓力升高，一是巖體的壓縮變形作用；二是庫水在巖體中滲流，引起流體壓力的擴散。目前孔隙水壓力對水庫誘發(fā)地震的影響研究，均是基于Boit固結理論，沒有考慮巖體的各向異性對孔隙水壓力系數(shù)的影響。

3.3 庫水對巖石的物理化學作用 許多研究者認為，庫水的入滲可促使構造破碎帶中軟弱結構面產生泥化、軟化、潤滑和腐蝕等作用，從而降低軟弱結構面的強度和摩擦系數(shù)。由于庫水的滲入，使裂隙發(fā)生擴展，于是基巖中原本不連續(xù)的微裂隙被貫通，并逐步向深部發(fā)展，再加上應力腐蝕和基巖彈性變形使庫區(qū)局部出現(xiàn)應力集中，從而導致蓄水后庫區(qū)地震活動性增強。Talwani［25］對Monticello水庫誘發(fā)地震進行計算和分析，認為正是由于庫水入滲導致了斷層摩擦系數(shù)由地質學上公認的0.6～0.8降低為0.2～0.4。

3.4 構造型水庫誘發(fā)地震的判別標志 構造斷裂型（增強亞型）水庫誘發(fā)地震是對水電工程影響最大的一類，也是國內外研究最多的類型。主要發(fā)震條件歸納為如下5條［5］：（1）區(qū)域性斷裂或地區(qū)性斷裂通過庫壩區(qū)；（2）斷層有現(xiàn)今活動（Q3以來）的直接地質證據(jù)；（3）沿斷層線有可靠的歷史地震記載或儀器記錄的地震活動；（4）斷裂帶和破碎帶有一定的規(guī)模和導水能力，有可能成為通往地質體深處的水文地質結構面；（5）斷裂帶與庫水直接接觸，或通過次級旁側斷層、橫斷層等與庫水保持一定的水力聯(lián)系。前3條是誘發(fā)構造型水庫誘發(fā)地震的基礎，第4條指必要的水文地質環(huán)境，第5條則反映了庫水作用的途徑和方式，它們構成一個整體，運用時必須統(tǒng)一考慮，綜合分析。

3.5 巖溶塌陷型水庫誘發(fā)地震的判別標志 夏其發(fā)等［2］總結歸納了巖溶塌陷型水庫誘發(fā)地震發(fā)生的主要條件：（1）庫區(qū)有大面積碳酸鹽巖分布，其中包括某些地層厚度較大，且質純的厚層塊狀灰?guī)r；（2）現(xiàn)代溶巖作用發(fā)育，可見明顯的巖溶管道系統(tǒng)，蓄水前已有天然巖溶塌陷或巖溶區(qū)地震的記載；（3）一定的氣候和水文條件；（4）合適的巖溶水文地質結構條件。前3條標志描繪了可能發(fā)生巖溶塌陷型水庫誘發(fā)地震的大環(huán)境，而第4條則是判斷發(fā)震庫段和具體部位的關鍵標志。

3.6 地表卸荷型水庫誘發(fā)地震的判別 夏其發(fā)等［28］對美國蒙蒂塞洛水庫和我國浙江烏溪江水庫誘發(fā)地震進行了詳細分析，認為這兩個震例是由于庫水深入庫盆以下巖體的卸荷松動區(qū)或卸荷應力場與構造應力場之間的過渡區(qū)，降低了不連續(xù)結構面上的正壓力，或促進了裂隙端部的應力腐蝕，導致卸荷應力場的局部調整及地表卸荷作用的進程加快而伴生的微震效應，稱之為地殼表層卸荷型的水庫誘發(fā)地震。

4 水庫誘發(fā)地震預測

水庫誘發(fā)地震的預測是根據(jù)庫區(qū)的地質環(huán)境、地應力狀態(tài)、孕震構造、巖體的導水性、可溶巖分布及喀斯特發(fā)育情況、發(fā)震機理等初步判定可能發(fā)震地段。根據(jù)發(fā)震斷層的長度、喀斯特發(fā)育程度、已有震例的工程類比或參照區(qū)域地震活動水平進行初步估計水庫誘發(fā)地震的強度。目前水庫誘發(fā)地震危險性評價與預測主要分為定性方法（工程地質類比法）、半定量方法（概率統(tǒng)計法，模糊數(shù)學，神經(jīng)網(wǎng)絡算法等）以及綜合性方法三類。

4.1 工程地質類比法 在水庫誘發(fā)地震研究的早期，主要是依據(jù)專家的個人經(jīng)驗，定性推斷水庫蓄水后發(fā)生地震的可能性，給出最大可能震級的上限，并提出有關設防的建議，主要用于水電建設前期工作。于品清等［29］運用地質類比法對發(fā)生過地震的50座水庫進行分析，指出水庫誘發(fā)地震一般分布于構造、巖性、水文地質條件同時具備的部位，在多數(shù)情況下張性斷裂和張扭性斷裂對水庫誘發(fā)地震的發(fā)生具有重要意義。夏其發(fā)等［30］根據(jù)現(xiàn)場地質調查和測震資料，運用地質類比法對烏溪江水庫誘發(fā)地震地質背景、庫區(qū)地質環(huán)境、震中區(qū)地質條件和水庫誘發(fā)地震特征等進行了分析論證，認為在水庫誘發(fā)地震的勘測研究中，通過深入查明區(qū)域地震地質背景和各庫段的具體地質條件，結合國內外已有震例資料，運用地震地質類比法，按照不同成因類型分別評價水庫誘發(fā)地震的可能發(fā)展趨勢。于品清［31］通過對三峽水庫結晶巖、沉積巖分布區(qū)水文地質結構面滲水性、導水性和聚水性的分析，證實它們基本上不具備發(fā)生水庫誘發(fā)地震的條件；發(fā)育于各類火成巖中的北東-北東東向斷裂誘震條件較好，發(fā)生水庫誘發(fā)地震的可能性較大。由于工程地質類比法缺乏普遍公認的研究方法和判別準則，往往采取比較保守的態(tài)度，不必要地加大抗震設防的安全裕度，很多情況下難于得出具有說服力的結論。特別是一些地震地質條件比較復雜的工程，意見紛繁，莫衷一是，長期爭論不休，個別情況下甚至成為影響工程最終決策的因素之一。

4.2 半定量方法

4.2.1 概率統(tǒng)計法 水庫誘發(fā)地震預測的概率統(tǒng)計方法主要是根據(jù)已發(fā)水庫誘發(fā)地震的觀測資料，對不同水庫的庫容、水深、壩高、地形、地質構造、地層巖性、水文地質條件、區(qū)域地震活動背景和地震時空分布特征等參數(shù)進行統(tǒng)計分析，從而對水庫誘發(fā)地震做出評價和預測的方法。這種對觀測現(xiàn)象的經(jīng)驗識別又可稱為水庫誘發(fā)地震的誘震條件判斷與類比預測法。統(tǒng)計模型只適用于指標明確，信息完全的情況。這類預測模型采用的統(tǒng)計方法是建立在古典等可能概率的基礎之上的，統(tǒng)計樣本的代表性對計算結果影響很大。當統(tǒng)計樣本大，且具有良好的代表性時，可以粗略地估算水庫誘發(fā)地震的可能性，但當統(tǒng)計樣本量較小的時候，代表性較差。此外，在影響因子及其指標的選取上，難免有人為主觀的影響，這也對計算結果的準確性有一定的影響。

4.2.2 模糊數(shù)學法 目前對水庫誘發(fā)地震的成因機制及各影響因素之間的關系仍不是很清楚，大部分指標很難用確定的數(shù)量關系給以確切的描述?；蛘呖梢哉J為，對于目前人類的認知水平來說，水庫誘發(fā)地震成因機制及其評價和預測是一個模糊的問題，而模糊數(shù)學正是研究界線不分明甚至是很模糊的問題的數(shù)學工具。蘇錦星［4］利用模糊關系中的等價關系，對水庫誘發(fā)地震樣本進行聚類，量化庫深、構造應力環(huán)境等8種誘震因素及每種因素的3種狀態(tài)，由此建立模糊等價矩陣。近年來仍有不少學者提出改進的模糊數(shù)學模型來研究水庫誘發(fā)地震活動，鄒樂樂等［32］根據(jù)水庫誘發(fā)地震與所在地區(qū)社會經(jīng)濟系統(tǒng)交互作用的機理，提出了由危險性、易損性、減災能力和災情4個子系統(tǒng)組成水庫誘發(fā)地震綜合風險系統(tǒng)，結合專家咨詢信息，采用遺傳模糊層次分析法進行篩選，從而建立了水庫誘發(fā)地震綜合風險評價指標體系，為構建水庫誘發(fā)地震綜合風險預警系統(tǒng)提供了技術基礎。

4.2.3 神經(jīng)網(wǎng)絡法 許強等［33］運用神經(jīng)網(wǎng)絡理論中改進的BP算法，根據(jù)不同的資料和不同的誘震因素，建立了兩個水庫誘發(fā)地震震級預測的神經(jīng)網(wǎng)絡模型。通過具體實例分析表明，運用神經(jīng)網(wǎng)絡預測水庫誘發(fā)地震能夠反映各因素間復雜的非線性關系，并且預測準確度較一般的統(tǒng)計學方法更高。夏金梧等［34］將三峽庫區(qū)劃分為31個預測單元，根據(jù)不同的誘震組合條件組成35種方案，選用8個影響因子，運用改進的BP算法對三峽水庫誘發(fā)地震強度進行了預測。劉素彥［35］考慮到BP神經(jīng)網(wǎng)絡具有容易陷入局部最小點的缺點，提出將具有較強全局搜索能力的遺傳算法用來優(yōu)化神經(jīng)網(wǎng)絡的權值和閾值從而建立改進的水庫誘發(fā)地震危險性評價模型，并利用基于GIS的三峽庫區(qū)及其周緣地區(qū)的水庫誘發(fā)地震網(wǎng)絡監(jiān)測數(shù)據(jù)進行模型驗證。

4.3 綜合性方法 該方法以區(qū)域工程地質、構造地質、水文地質和水庫誘發(fā)地震監(jiān)測綜合分析為基礎，并依據(jù)世界水庫誘發(fā)地震資料的對比分析，總結出構造斷裂型、地表卸荷型與巖溶塌陷型三種主要水庫誘發(fā)地震類型的判據(jù)。在此基礎上，總結了水庫誘發(fā)地震前期論證工作中的經(jīng)驗和最新進展，參照我國確定地震基本烈度及進行地震小區(qū)規(guī)劃的現(xiàn)行方法和國內外的地震危險性分析方法，并充分考慮水庫誘發(fā)地震自身的特殊規(guī)律，提出了一套邏輯上比較嚴密，工作步驟上充分程式化的水庫誘發(fā)地震危險性評價方法，使獲得的成果能與天然地震危險性評價具有可比性和相近的可信度。這個方法立足于對工程所處地質環(huán)境的深入分析，以及興建水庫對該地質環(huán)境可能造成的擾動的科學評估之上，在大多數(shù)情況下避免了夸大水庫誘發(fā)地震給工程帶來的危害；另一方面，它采用工程地震學中常用的方法進行估算，能有效地從上限框住水庫誘發(fā)地震對工程可能造成的極限影響，具有足夠的安全裕度。

4.4 水庫誘發(fā)地震預測與驗證 通過對水庫蓄水后5～8年庫區(qū)地震監(jiān)測成果的系統(tǒng)分析，即可對水庫誘發(fā)地震預測結論進行檢驗，探討水庫誘發(fā)地震危險性預測成果的可信度。隔河巖、二灘、三峽、向家壩和溪洛渡等大型水利水電工程，經(jīng)過前期水庫誘發(fā)地震危險性評價，重點庫段誘震條件的詳細論證和水庫誘發(fā)地震的類型和強度預測，完善的監(jiān)測系統(tǒng)建設和水庫蓄水前后詳細的監(jiān)測資料，有條件對水庫誘發(fā)地震的預測成果經(jīng)過水庫蓄水后數(shù)年的地震監(jiān)測數(shù)據(jù)，對其進行檢驗。預測成果和水庫蓄水后實際情況對比見表10。

表10 我國幾個水庫誘發(fā)地震預測意見及與實際發(fā)震情況的對比

通過表8可以看出，水庫誘發(fā)地震危險性關于巖溶型水庫誘發(fā)地震預測，從發(fā)震的區(qū)段和強度，經(jīng)過水庫蓄水后數(shù)年的水庫誘發(fā)地震監(jiān)測數(shù)據(jù)檢驗，基本上是可靠的。對于預測可能發(fā)生中等強度以上構造型水庫誘發(fā)地震，大部分區(qū)段水庫蓄水后并未發(fā)生地震，個別區(qū)段發(fā)生了構造型水庫誘發(fā)地震，但地震的強度未超出預測的水平，尤其如二灘水電站，經(jīng)過近20年的地震監(jiān)測，庫區(qū)震情一直保持平穩(wěn)。說明對于構造型水庫誘發(fā)地震的預測過于保守，有待通過對已發(fā)生構造型水庫誘發(fā)地震的區(qū)段，從構造、地層巖性、新構造運行特征、現(xiàn)今地震活動性、巖體的導水性能以及與水庫蓄水影響等多方面詳細研究，提高構造型水庫誘發(fā)地震危險性預測水平。對于地表卸荷型水庫誘發(fā)地震，從實測的地震數(shù)據(jù)來看，強度一般不超過2.0級，對當?shù)氐木用裼绊戄^小。

5 水庫誘發(fā)地震監(jiān)測

我國水庫誘發(fā)地震的監(jiān)測起步于1960年代初，至目前為止大體上經(jīng)歷了人工值守觀測、非專用無線遙測組網(wǎng)、水庫誘發(fā)地震專用遙測、綜合觀測和數(shù)字地震遙測［36］4個階段。

（1）人工值守觀測模式，采用觀測地方性天然構造地震的短周期地震儀來監(jiān)測水庫誘發(fā)地震，主要有新豐江、南水、大化、魯布革、銅街子、巖灘、寶珠寺、潘家口以及三峽早期等水庫。魯布革水庫使用573型地震監(jiān)測設備。

（2）非專用無線遙測組網(wǎng)模式，采用觀測天然地震的無線遙測設備，主要有新豐江（改造后）、龍羊峽、丹江口、漫灣、水口和天生橋一級等水庫。

（3）水庫誘發(fā)地震專用遙測模式，采用模擬無線遙測組網(wǎng)，使用適合于水庫誘發(fā)地震觀測的寬帶遙測設備，配置高采樣率的地震數(shù)據(jù)采集和實時處理設備，采用計算機實時處理地震基本參數(shù)和人機交互處理等，臺網(wǎng)的規(guī)模一般達5～9個子臺，中心部位的微震監(jiān)測能力高達ML0.5～1.0，主要有二灘、大橋、隔河巖，小浪底、三峽前期、龍羊峽（改造后）和李家峽等水庫。

（4）綜合觀測和數(shù)字地震監(jiān)測模式，采用測震、形變、地下水等多項手段監(jiān)測水庫誘發(fā)地震，并使用最先進的數(shù)字化地震監(jiān)測技術。已建成的主要有三峽、漫灣（改建）、烏江流域、龍灘、錦屏一級、百色、小灣、糯扎渡、瀑布溝和金沙江中下游12座水電站等幾十座大型工程均采用第四代數(shù)字化地震監(jiān)測技術。

汶川地震后，為了規(guī)范水庫誘發(fā)地震監(jiān)測技術工作，以及通過誘發(fā)地震監(jiān)測記錄的及時處理與分析工作做出誘發(fā)地震震害評估、預測，判別是水庫誘發(fā)地震或天然地震提供科學依據(jù)，采取相應的應急措施，減輕和防止震害的進一步擴展和次生災害的發(fā)生，水利部頒布了水利行業(yè)標準《水庫誘發(fā)地震監(jiān)測技術規(guī)范》（SL 516-2013），要求對壩高大于200 m或總庫容大于100億m3的大（1）型水庫，臺站布局需滿足以下要求：（1）重點監(jiān)測區(qū)：控震能力有效地震監(jiān)測下限定為ML0.5級，震中定位精度1 km；（2）一般監(jiān)測區(qū)：控震能力有效地震監(jiān)測下限為ML1.0級，震中定位精度2 km。（3）必要時，可視具體情況增加地形變、地應力等監(jiān)測手段。

隨著規(guī)范的實施，水庫誘發(fā)地震監(jiān)測臺網(wǎng)的布局更趨合理，積累了大量數(shù)字化的地震波形資料，為水庫誘發(fā)地震機理研究打下堅實基礎。

6 水庫誘發(fā)地震機理研究新進展

6.1 水庫誘發(fā)地震機理研究 近20年來，我國一批高壩大庫相繼蓄水發(fā)電，在蓄水過程中，庫區(qū)范圍發(fā)生了不同以往特殊震情的有珊溪、小灣、龍灘、三峽、錦屏一級、向家壩和溪洛渡，但引起社會廣泛關注的是紫坪鋪水庫與四川汶川8級特大地震關系。在分析研究其地震成因時，由于在發(fā)生斷裂附近有紫坪鋪水庫的存在，有部分學者因此認為本次特大地震的發(fā)生是由于紫坪鋪水庫蓄水所誘發(fā)的。雷興林等［18］定量分析水庫蓄水過程對附近斷層的作用并結合詳細的地震活動統(tǒng)計分析，初步探討了紫坪鋪水庫與庫區(qū)附近龍門山斷裂帶的地震活動之間的關系以及與汶川地震發(fā)生機制，認為“紫坪鋪水庫在其蓄水過程中對其地下的龍門山中央斷層和山前斷層作用明顯”。周斌等［37］研究了紫坪鋪水庫水庫誘發(fā)地震時空演化與庫水加卸載及滲透過程的關系，重點計算了在庫體荷載作用下產生的彈性附加應力場，以及在庫體荷載和附加水頭壓力擴散耦合作用下產生的有效附加應力場，并在不同斷層上分別設置了觀察點，觀察水庫動態(tài)加卸載過程中的孔隙水壓力響應及斷層穩(wěn)定性變化，認為水庫誘發(fā)地震的發(fā)生與庫水加卸載及滲透過程中庫底巖體有效應力的變化密切相關。

也有學者認為四川汶川8級特大地震與紫坪鋪水庫無關。程惠紅［38］就水庫對構造活動的影響及作用機理進行了研究，在考慮地形、斷層幾何形狀、構造區(qū)物性、水體荷載、斷層彈性荷載和水庫地質背景等綜合因素，應用孔隙彈性耦合三維有限元模型計算了水庫蓄水對庫區(qū)斷層、不同震源深度處及地震震源處動態(tài)變化孔隙水壓力、庫侖應力、應變場及應變能變化的影響，討論了擴散系數(shù)等地質構造物性參數(shù)對計算結果影響，并分析了典型水庫誘發(fā)地震的機理，認為紫坪鋪水庫蓄水對庫區(qū)斷層、巖層應力調整較小，對汶川地震發(fā)生影響不大。汪雍熙等［39］通過對紫坪鋪水庫蓄水前后庫區(qū)地震活動規(guī)律的對比、水文地質條件以及地震序列特征等研究，認為汶川地震不是水庫誘發(fā)地震的結論。

從上述的分析可以看出，不同學者都從不同的思路出發(fā)，所得出的結果完全不同，這也說明水庫對天然地震的影響，尤其是中等強度以上的地震，在機理認識上仍莫衷一是。對于汶川地震震源深度達14 km，震源區(qū)高溫、高壓的環(huán)境下，水庫荷載的彈性附加應力場以及水體的擴散作用所依據(jù)的數(shù)學方程是否適用，這也許是導致水庫影響多解性的重要原因。迄今為止，對水庫誘發(fā)地震機理有4種基本認識：（1）庫水荷載引起庫區(qū)形變，產生了增量應力場；（2）庫水滲透增大了巖體孔隙水壓力，導致斷層面有效應力的減小和抗剪強度的降低；（3）庫水對庫區(qū)巖體的物理和化學作用，如應力腐蝕等導致斷層與裂隙弱化；（4）對處于臨界狀態(tài)的閉鎖段由于庫水的作用而觸發(fā)地震。

6.2 水庫誘發(fā)地震波譜特征研究 21世紀以來，全數(shù)字化地震監(jiān)測技術廣泛應用于水庫誘發(fā)地震專用臺網(wǎng)，并且對已有的模擬臺網(wǎng)進行了數(shù)字化升級改造。具不完全統(tǒng)計，目前我國處于正式運行狀態(tài)的水庫誘發(fā)地震專用臺網(wǎng)多達50余個。對于水庫誘發(fā)地震波譜特征的研究，目前處于初步探索的階段，主要分析水庫誘發(fā)地震與天然地震、礦震和爆破等在周期、P波初動、面波、體波和拐角頻率等方面統(tǒng)計分析，或者用采用時頻分析理論處理非平穩(wěn)信號的時間—頻率域分析的方法，研究水庫誘發(fā)地震與天然地震在波譜特征上的不同。但由于樣本的局限性，其結論是否具有普適性，也有待進一步的驗證。

7 結語與展望

水庫誘發(fā)地震問題涉及到多個學科領域，包括地震學、地質學、巖石力學、地下水動力學、彈性力學、流體力學、地球化學以及地震社會學等等。雖然隨著水庫誘發(fā)地震監(jiān)測技術、超算能力、地殼深部構造及巖體性狀特征、水庫荷載變化的發(fā)展等有清晰的認識，但對于震源區(qū)的各項參數(shù)均處在推測、反演、假定等階段，到目前為止還缺乏實測的可靠數(shù)據(jù)。因此，水庫誘發(fā)地震機理問題仍是當今需要技術攻關的重要問題之一。

7.1 水庫誘發(fā)地震波譜特征及判別準則研究 （1）以往對水庫誘發(fā)地震的研究主要基于模擬地震記錄，從地震活動性、地質構造、誘震條件和水文地質等方面研究的較多，而從地震波方面研究的較少，尤其是利用數(shù)字地震波研究水庫誘發(fā)地震的甚少。今后可利用豐富數(shù)字地震波記錄，著重研究水庫誘發(fā)地震和天然構造地震的波譜時頻特征，并以此嘗試作為識別水庫誘發(fā)地震的一種依據(jù)。（2）前人研究水庫誘發(fā)地震波譜時一般使用傅里葉變換，它是一種全局變換，不能刻畫信號頻率的變化過程。而時頻分析方法恰好彌補了其不足，可以對信號進行更細化的局部變換，以便在時間-頻率域上同時表示信號特征。運用當今較前沿的處理非平穩(wěn)信號的時頻分析理論對水庫誘發(fā)地震和天然構造地震波譜進行分析。盡管已有學者將時頻分析方法用到地震信號處理中，但大部分是基于小波變換的應用，尚未有人將其用于研究水庫誘發(fā)地震的波譜特征。從研究方法看，小波變換是一種線性時頻變換，今后將使用雙線性時頻分析方法中的WVD、SPWVD分布，吸收現(xiàn)階段波譜分析的最新研究成果，能更準確地描述和揭示地震信號的時頻特征。（3）通過揭示水庫誘發(fā)地震與天然構造地震波譜時-頻特征的差異，獲得地震波位移譜特征及能量時頻分布特征等特征量，在此基礎上有望發(fā)展成為一種識別水庫誘發(fā)地震的新依據(jù)。

7.2 水庫誘發(fā)地震機理研究 通過大量的研究發(fā)現(xiàn)，要想做到真正準確、科學識別水庫誘發(fā)地震，找到其不同與天然構造地震的準確物理量還是較困難的，因為水庫誘發(fā)地震類型中本身就包括構造的因素，只不過是水起到了誘發(fā)的作用。甚至在不同的水庫、同一水庫誘發(fā)地震的不同時段和不同庫段、庫區(qū)周圍的地震活動等各類因素都會使誘發(fā)和構造的成因相互交替。隨著水庫誘發(fā)地震監(jiān)測技術、數(shù)據(jù)處理與分析手段的不斷進步，再加上關于庫區(qū)構造、地層巖性、水文地質、區(qū)域構造應力場、滲流場和地形地貌等基礎信息詳細勘測，對發(fā)生在庫區(qū)范圍內地震震源區(qū)的構造、巖性及在庫水位變化的情況下對期產生的影響，通過震源的空間分布特征、震源隨時間、隨庫水位變化的遷移規(guī)律以及通過震源機制解所提示的震源區(qū)應力狀態(tài)等，綜合分析地震發(fā)生的背景及其影響的因素。

在上述深入分析的基礎上，構建庫區(qū)三維有限元模型，在進一步了解巖層深部高溫高壓條件下，巖體性態(tài)和水體運動規(guī)律的基礎上，研究庫水位、庫容變化和變化速度共同作用下對震源區(qū)應力場的改變，以及觸發(fā)破裂應具備的條件。盡可能多的研究不同區(qū)域的水庫誘發(fā)地震，不斷積累震例特征，從不同地區(qū)的水庫誘發(fā)地震波譜特征中提取共性點，對其進行定量化描述和可靠性檢驗，只有這樣才能得到比較全面、可靠、合理的結果，才能更科學地解決水庫誘發(fā)地震的識別問題。通過多學科交叉，歸納、演繹與類比模擬，更深入地研究水庫誘發(fā)地震的機理以及水庫誘發(fā)地震與構造地震波譜時頻特征差異的機理，為水庫誘發(fā)地震的預測和趁勢判斷進一步增加科學依據(jù)。