水库诱发地震预测方法及在街面水库中的应用

收稿日期3水库诱发地震预测方法及在街面水库中的应用王章森(福建省水利水电勘测设计研究院,福建福州　350001)摘要:该文归纳了水库诱发地震的成因类型和判别标志以及水库诱发地震强度预测方法中的综合影响参数法、类比法、地震学法、统计分析法,并结合在街面水库中的应用加深对预测方法的理解。关键词:水库诱发地震;预测方法;最大地震震级中图分类号:P315175 文献标识码:B 文章编号:1002-3011(2008)01-0039-03前言水库诱发地震是指因水库蓄水而诱使坝区、水库库盆或近岸范围内发生地震。这是一种特殊的地震活动,其震中通常紧邻重要水工设施,特别是中强水库诱发地震多发生在库坝附近的深水库区及其周边,震源浅,震中烈度高,破坏性大,对大坝、发电设施和下游安全威胁大。水库诱发地震预测是在查明库坝区地质条件的基础上,预测诱发地震的可能性和强度(最大震级),是前期地质勘察工作的一项重要内容。可能性预测一般采用判别标志法即可,强度预测方法则多种多样。笔者归纳、总结了水库诱发地震的成因类型和判别标志,以及在街面水库诱发地震预测研究中所采用的几种较适用的预测方法,供参考。1　水库诱发地震的成因类型和判别标志111　水库诱发地震的成因类型水库地震诱发机制相当复杂,有多方面的因素。一般认为库坝区的地质条件是决定一个水库是否发生诱发地震及强度大小的基本条件,库水的重力荷载作用和孔隙压力作用是诱震因素。水库诱发地震具有不同的成因类型,按工程地质条件分类,主要有构造破裂型、岩溶塌陷型和地壳表层卸荷型三种类型。构造型水库地震有可能达到中等以上强度,破坏性水库地震绝大部分属于构造型水库地震;岩溶塌陷型水库地震只出现在碳酸盐岩分布的库段,与岩溶洞穴和地下管道系统的发育有关,多为弱震或中强震;在断裂发育、坚硬脆性的岩体中,具备一定的卸荷应力和水动力条件时即可发生地壳表层卸荷型水库地震,但其震级小,不会对大坝和周围环境造成危害,因此一般不作过多的研究。112　水库诱发地震的判别标志(1)构造破裂型水库诱发地震的判别标志①区域性断裂或地区性断裂通过库坝区。②新构造断裂通过库坝区,其力学性质为张性或扭性;虽未发现新构造断裂,但深部存在重力梯级异常或磁异常带;断层有晚更新世以来活动的直接地质证据。③库区或断层沿线有可靠的历史地震记载或仪器记录的地震活动。④断裂带和破碎带有一定规模的导水能力,有可能成为通往地质体深处的水文地质结构面;地湿梯度较高或地温异常(如温泉出露),可促使库水的渗流活动加速进行。⑤断裂带或通过旁侧断层、横断层与库水保持一定的水力联系。⑥断层发育、有利于应力集中(如断裂交接、尖灭部位)和具较强透水性的坚硬性脆岩体(如花岗岩、致密火山岩)。(2)岩溶塌陷型水库诱发地震的判别标志①库区有大面积碳酸盐岩分布。②现代喀斯特作用强烈,可见明显喀斯特管道系统,水库蓄水前已存在天然喀斯特塌陷或喀斯特地震记载。③合适的喀斯特水文地质结构条件。当库坝区地质条件符合以上条件越齐备,越典型,水库存在诱发地震的可能性就越大。据资料统计,坝高大于100m、库容大于5亿m3的水库存在诱发地震的可能性大。2　水库诱发地震强度预测方法211　综合影响参数法该方法把最大库深D、库容V和水库面积S作为影响水库诱发地震的3个因素,它们之间的比例常数E称为综合影响参数,E=DS/V。通过统计21个M≥415级的水库诱发地震震例,得出统计回归线性方程: Ms=-41725+11196E+112421nD(1)水库诱发地震最大震级: MMax=Ms±σM(2)式中σM为回归标准偏差值,σM=15。该方法是根据水库规模和大量震例得出的,易操作、简3水利科技 2008年第1期:2007-12-0

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9便,但也将水库诱发地震抽象化了。对于构造破裂型水库地震,该方法预测的可信度较高。212　类比法包括地震地质条件类比与震例区工程地质类型类比,前者是指水库所处的构造单元和地震构造特征与临近其它地区的构造单元或地震构造特征相类似时,且有较丰富的地震资料,可取历史上最大地震或预测今后可能的最大地震作为类比区未来可能发生的最大地震;后者是已有的水库地震震例工程地质特征与类比区进行比较,当特征相近时,以震例中的最大震级作为类比区未来可能发生的最大震级。类比法的前提是两个水库要具有可比性,这种可比性主要表现在以下几个方面:水库规模相近;水库所处的构造单元和地震构造特征相当,或者被类比水库地震地质条件相对较差;被类比水库需蓄水运行多年,已发生过水库诱发地震,并且有完整的地震监测资料。213　地震学法以水库地区历史上已知最大地震作为未来水库诱发地震的震级上限,并将这个最大地震分配到最具条件的诱震区,估计最大震级。构造破裂型水库诱发地震的发震危险期在水库蓄水后10a～20a之内。按照构造应变能提前释放的概念,构造破裂型水库诱发地震的最大震级应小于或等于目前至蓄水后10a～20a的时段中天然地震的最大震级。214　统计预测法统计预测法有多种,国际上多采用5因子方案,我国有些工程采用了6因子方案和7因子方案,甚至还采用8因子方案等。下面仅对5因子方案做详细说明。美国人佩克(D1R1Packer)和比切尔(G1B1Baecher)等人通过震例分析,认为水库地震的产生主要与库深、库容、构造应力环境、断层活动性及诱震区介质条件等5个因子有关。该方法的具体内容如下:(1)根据库深(D)、库容(V)、应力状态(S)、断层活动性(F)以及介质条件(G)等5个因子进行表1的三种因子状态分类;根据世界上39座发震的和173座未发震的大型水库的资料进行统计,得出相应各因子在三种因子状态下的似然率比值如表2。(2)在各因子相互独立的情况下,根据贝叶斯定理,发表1　诱震因子及状态诱震因子因子状态123库深(D)(m)d1:很深d1>150d2:深150>d2>92d3:浅d3<92库容(V)(×109m3)V1:很大V1>10V2:大10>V2>112V3:小V3<112应力状态(S)S1:逆断层S2:正断层S3:走滑断层断层活动性(F)F活动的F不活动的介质条件(G)沉积岩变质岩3火成岩表2　世界发震的与未发震的大型水库似然率比值诱震因素似然率比值状态1状态2状态3

D213160177501921V111111191601621S019860155811707F1150011000G111450186011008

震和不发震的因素组合的条件概率与发震的和不发震的似然比值的关系式表示如下:

P(RIS|d.v.s,f,g)P(RIS|d.v.s,f,g)=P(RIS)P(RIS)LR(d,v,s,f,g)(3)

P(RIS|d,v,s,f,g)=1-P(RIS|d,v,s,f,g)(4)式中:P(RIS|d,v,s,f,g)为发生水库地震的条件概率;

P(RIS|d,v,s,f,g)为不发生水库地震的条件概率;LR(d,v,s,f,g)为发震与未发震的似然率比;P(RIS)为发生水库地震检验前概率,P(RIS)=01184;P(RIS)为不发生水库地震检验前概率,P(RIS)=01816。(3)根据被预测水库的五个因子,按表1进行因子状态

分类,查表2得似然率比值,利用(3)式和(4)式计算出P(RIS|d,v,s,f,g)值。当P(RIS|d,v,s,f,g)≥Pc(临界概率值取012)时,可以认为该水库可能会发生诱发地震。综合模糊评判,依据诱震因素状态的诱震概率有偏差和诱震边界是模糊的,把诱震地震强度评估分为3个等级,即M大(M

s

≥5)、M小(Ms<5〉和M0(不发震),模糊估计可能性最大

的那一等级。除以上几种方法外,水库诱发地震强度预测方法还有应变能法、有限元法、经验公式法、灰色预测法等。不同的预测方法各有其优缺点,采用多种方法预测水库诱发地震强度很有必要。当多种方法预测出水库诱发地震强度后,考虑地震基本烈度和水库规模,并对预测成果进行综合分析研究,

赋予各方法以权重或重视专家意见,评估出最大诱发地震强度。3　街面水库诱发地震预测311　水库概况街面水库面积S=36175km2,库容V=18124亿m3,坝高126m,最大库深D=120m。在坝址近场25km范围内(含库区)发生过210级～219

级地震11次,未记载到3级以上地震。库区地层主要为梨山组、漳平组、长林组的沉积岩。地质构造以断裂为主,这些断裂晚更新世以来没有活动。政和～海丰断裂带的主干断裂未穿过库区。库区规模较大的次级断裂有两条,均以走滑断层为主。但断裂带和破碎带有一定规模的导水能力,有可能成为通往地质体深处的水文地质结构面。

2008年第1期 水利科技1:2:g1:g2:g:

04312　水库诱发地震预测水库规模、库区发生过地震、存在通往地质体深处的水文地质结构面、两条次断层为走向滑动断层等符合水库诱发地震判别标志,判定街面水库有可能发生水库诱发地震,并且为构造破裂型。以下用不同方法预测街面水库诱发地震最大震级。(1)综合影响参数法。按(1)式和(2)式求得:Ms=4111,MMax=316级～416级。即预测街面水库诱发地震最大震级为416级。(2)类比法。街面水库前期诱发地震最大震级的预测主要采用与水口水库相类比求得。水口水库与街面水库规模相近,相距仅六十多公里。水口水库库盆由具较强透水性的坚硬性脆的花岗岩等组成;库区有多组大断裂交错,其交汇处易集中应力;库区存在地热异常,有温泉出露,具备通往地质体深处的水文地质结构面;水库蓄水前属少震弱震区。由此可见,水口水库的诱震地质条件比街面水库相对复杂,街面水库发生水库诱发地震的震级应不大于水口水库。水口水库蓄水后,发生了很多次诱发地震,最大一次震级411级,由此推断街面水库诱发地震的最大震级不超过411级。(3)地震学方法。根据地震学方法,以水库地区历史上已知最大地震作为未来水库诱发地震的震级上限。街面水库库区发生过210级～219级地震11次,因此,街面水库未来水库诱发地震的最大震级取219级。(4)统计预测法。根据街面水库规模和地震地质条件,对照表1,选择各因素如下:库深d2(150m10亿m3),应力状态S3(走滑断层),断层活动性F2(不活动的),介质条件g1(沉积岩)。查表2并计算出似然率比LR(d2,v1,s3,f2,g1)=11683。根据(3)式,求得发生诱发地震条件概率P=(RIS|d2,

v1,s3,f2,g1)=01275。该值大于临界概率值012,可以认为街面水库有可能发生水库诱发地震。综合模糊评判,诱震地震强度评估为M小(Ms<5)。以上4种方法预测出来的最大震级有差异,经综合分析研究,根据有关审查专家意见,预测街面水库诱发地震的最大震级为411级。水库诱发地震的可能位置位于两条次级断裂带上。4　结语由于水库诱发地震的机理无论是理论上还是实践上都还没有完全解决,水库诱发地震的预测严格说是探索性的,预测方法也在不断探索和完善之中。现有的每一种预测方法都有一定的局限性和不足,其预测成果的准确性要在水库蓄水运行多年后才能得到证实。为了弥补不同预测方法可能存在的不足和提高预测成果的准确性,应采用多种预测方法对水库诱发地震进行预测,并对预测成果进行综合分析研究,赋予各方法以权重或重视专家意见,最终评估出最大诱发地震强度。当预测可能发生水库诱发地震时,应设台站或台网监测地震活动,为地震发展趋势的预测提供资料。参考文献[1]中华人民共和国国家发展和改革委员会1水利水电工程区域构造稳定性勘察技术规程(DL/T5335-2006)