本文发表在 rolia.net 枫下论坛　 没有人知道，龙门山断裂带在紫坪铺大坝后面巨大水体作用下会如何反应。象在一座已经超载的屋顶上又加上了一层厚厚的雪，被大坝阻挡的水的重量可以引起地壳中的已经存在的断裂开始滑动，导致地震。所以不能排除紫坪铺水库诱发四川汶川大地震。


One of the precepts of the engineering geologist is to never take anything for granted in site studies for enineering works; this especially so for dam site.

Legget, R.F., Hatheway, A.W.: Geology und Engineering, p. 362

一、地震

诗经．小雅
烨烨震电，不宁不令，百川沸腾，山冢萃崩，高岸为谷，深谷为陵

国语．卷第一
伯阳父曰：“．．．．．．阳伏而不能出，阴逼而不能蒸，于是有地震．”


１．１地震和地震成因

地震是由地球内部的变化引起的地壳的震动。按地震成因可分为火山地震，构造地震，冲击地震和诱发地震四种。

构造地震是由地壳大断裂的活动引起的。地球运动对地壳各部份的岩层产生居大的地应力，使一些岩层发生褶皱变形，当这种应力不断累积，超过岩石的强度时，必然使岩石急速发生破裂错动，同时迅速地释放出所积累的能量，并以弹性波的形式引起地壳振动，从而产生地震。这种地震是最常见的。如果引起震源较浅，对地面的影响显著，往往成为巨大的破坏性地震。从板块理论上来看，地球表面的板块划分和全球地震带的分布是一致的。在对流发散的海岭上，地震带窄，构造简单，地震都是浅源的，活动的水平较低，地震也较小。在对流汇集的岛弧构造地区，地震带宽，构造复杂，深源地震都发生在这里，活动水平高，深浅地震都有，地震有时很大。而在大陆上，地震的分布多与活动断裂有关。活动断裂带最突出的部位，往往是震中所在。因为这个部位构造脆弱，应力易于集中。活动构造带的两端，常常是震中往返跳动地点，是因为活动构造带在应力加强时，两端受力最大，是推动进一步发展的有利部位。两条断裂带交汇处，容易导致应力集中，往往是震中所在地点。

火山地震是由火山活动引起的。火山喷射时引起岩浆和气体、液体物质的能量活动，形成应力集中和释放的有利条件，因而产生地面振动。火山地震有时很剧烈，波及的地区主要是火山周围的数十公里。在中国大陆地区，这种地震少。火山地震主要分布在岛弧地区。

冲击地震是由于物体突然冲击地面，如洞穴倒塌，矿井倒塌，山体崩落，滑坡等引起的地震，震级小，破坏往往主要由山崩和滑坡等引起。

诱发地震（激发地震）是当某一已外界力量作用到构造应力相对平衡的地区，破坏了原有的相对平衡状态，发生构造活动，并引起地震，如水库地震以及深孔注水和人工爆破所引起的地震。本文将主要讨论紫坪铺水库和四川汶川大地震的关系。

二、水库诱发地震

庄子：“海水三岁一周流，波相薄则地震。”
佛经：“阿难问佛，地动有几，佛曰：一为地依水上，水依于空，大风起则水扰，水扰则地动。”

在讨论水库诱发地震之前，首先要搞清什么是水库诱发地震。水库诱发地震是指在空间上和时间上，与水库建造因素及水库蓄水过程有显著联系的地震。

人类修了数数千年的大坝水库，水库诱发地震的问题，直到在本世纪三、四十年代才引起人们的注意。１９３１年，希腊ＭＡＲＡＴＨＯＮ水库在大坝工程完工后，水库蓄满水后一年，该地区发生了地震。ＭＡＲＡＴＨＯＮ水库所在地区在１９３８又连续发生了震级为５．０级的地震。１９３３年阿尔及利亚的ＱＵＥＤ_ＦＯＤＤＡ水库地区也发生了诱发地震，但是地震震级不高。希腊ＭＡＲＡＴＨＯＮ水库和阿尔及利亚的ＱＵＥＤ-ＦＯＤＤＡ水库地区的地震并没有引起人们的注意，起码还没有把建造水库和发生地震这两者联系起来．

直到１９３６年美国的ＨＯＯＶＥＲ水库地区发生地震后，水库诱发地震的问题才逐渐引起人们的注意。ＨＯＯＶＥＲ水库坝高为１４２米，水库容量为３５０亿立方米，为当时世界上库容量最大的水库，水库大坝也为当时世界最高。ＨＯＯＶＥＲ水库从开始蓄水起，在１９３６年到１９３７年期间，人们就记录到一百多次可感的地震。在１９３９年ＨＯＯＶＥＲ水库地区发生了震级为５．０级的地震。

从三十年代中到五十年代末，不少人认为ＨＯＯＶＥＲ水库地区发生地震只是一个孤立的现象，是由当地的条件所决定的，这些现象在其他的一些大水库并没有发现．而且认为水库诱发地震只是一些小的地震。

但是到了六十年代，情况发生了变化．１９６２年中国的新丰江水库发生了６．１级地震，１９６３年世界上库容最大的赞比亚和津巴布卫的卡里巴（ＫＡＲＩＢＡ）水库发生了５．８级地震，１９６３年意大利的ＶＡＩＯＮＴ水库发生地震，同时发生了山体崩塌和滑坡，死亡约１６００人．１９６６年希腊的ＫＲＥＭＡＳＴＡ水库发生了６．３级地震，１９６７年印度科依纳水库地区发生至今最严重的水库诱发地震，地震强度为６．５级，死亡约１７７人．１９７２年世界上大坝最高的水库，苏联ＮＵＲＥＫ水库（坝高三百十七米），发生４．５级地震，当时大坝还没有完工，但是地震却一个接一个的不断发生，１９７５年美国的ＯＲＯＶＩＬＬＥ水库发生５．８级地震，公众的忧虑迫使附近正在施工的ＡＵＢＵＲＮ水库停工，重新论证，修改抗震标准．１９８１年世界上最著名的阿斯旺大坝后的纳赛尔水库发生了５．６级地震．这些地震大多数发生在弱震地区或地质构造稳定的地区，地震强度均超过历史上所记录的最大地震强度，这些地震强度足以造成人原伤亡和对建筑物，以至对大坝本身的破坏．

水库诱发地震问题重新引起人们的重视，对ＨＯＯＶＥＲ水库地区发生地震的观测和记录，被认为是第一个对水库诱发地震的观测和记录。１９７０年，联合国科教文组织成立了水库诱发地震问题研究的专家组，至今为至，人们已经将百余次水库诱发地震记录在案，其中震级在五级以上的有十次之多。根据国内外已经发生的实例，证明水库诱发地震，可以在原来被认为是无地震地区或稳定地区发生，诱发地震的震级也可能超过原构造地震的震级。

三、水库诱发地震有关的因素

3．1水和地震

如果岩石中没有水，也就没有结构地震。为此有许多原因。从理论上看，如果五公里深处的岩层，由于上层岩石的重力所产生压力，人们也许得到一个值，在这个值时，花岗岩石还能承受此压力，不至于发生破碎。随着深度的加大，温度加高，压力加大，岩石不是破碎而产生地震，而是发生状态变化-融化，因为水净压力已经超过了岩石的固态的压力。同样在实验室中作岩石剪切试验，取一块坚硬的岩石，施加相应的压力和温度，岩石不是成为碎片，而是成为流动状。这样看来，在温度加高，压力加大的情况下，岩石影发生融化，而非破碎，这样就不会产生地震。但是事实上却存在着地震，这似乎自相矛盾。地质学家认为，当在温度加高，压力加大，但还未超过了岩石的固态压力，由于水进入岩石的裂隙和裂缝中，水在滑动面上的润滑作用，而使得岩石突然滑动，发生形变和地震，将应力释放出来。这就说明，为什么在地球内部的深处会发生断裂。

丹佛地震

１９６２年在丹佛ＣＯＬＯＲＡＤＯ发生了一系列地震．尽管这个地区在历史上发生过多次地震，如在１８８２年发生了地震烈度为七度的地震，之后也有一些地区性的地震，但是总的来说，自然地震的强度都比较小。但是这种情况在１９６２年四月之后就发生了变化。从那时到１９６３年九月，地震记录仪记录了７００余次地震。地震震级在０，７到４，３之间。

地震学者注意到，绝大多数地震是在丹佛东北的ROCK山方圆九公里的范围内发生。这里是美国军队武器生产的基地，在生产过程中排出许多废水。这些废水原是来存蓄在地表的一个小池塘里，任其蒸发。为了减小废水对环境的可见污染，自１９６１年起，采用废水深井回灌技术，利用高压泵把废水灌回２３７０米的深井中。在１９６３年三月到１９６４年九月这一设施被搁置一年没用，从１９６４年九月到１９６５年九月再次利用高压泵把废水压到深井。紧接着在丹佛地区就发生了地震。居民们推测，这些地震和废水深井回灌有联系，并控告到法院。最后只好防弃这种处理废水的方法。

地震学者经对该事件的研究发现，在废水注入量和地震次数之间确实存在很强的相关关系。在１９６４年初发生了一连串的地震后，在１９６４年地震次数大为减少。接着在１９６５年又发生了一系列大地震，并达到了最大值。这与废水排入量的增加和压力的加大有关。有两个原因可以解释这种现象。第一，在深井中加大水压，迫使地下水进入地下已经存在的裂缝和裂隙中。这增加了的水压减小了岩石的抗剪能力。第二，岩石的破坏，有利于水流沿着微裂隙流动，而水又产生润滑作用。在这两种情况下，经过长期形成的地壳构造，就要发生形变。而这形变的应力只有通过一系列的滑动和地震放出来。正是增加了的水压促使结构应力的释放了。丹佛地震的研究，证实了一些地震学者对水在水库诱发地震中的作用。

ＲＡＮＧＥＬＹ的人工地震试验

丹佛地区地震的成因是偶然被人所发现，但是研究的结果给人很大的启示。在这之后，地震学者就在许多不同条件下，进行的野外实地试验。１９６９年美国地质工作者在ＣＯＬＯＲＡＤＯ西部的ＲＡＮＧＥＬＹ油田进行了试验。油田有许多废弃的钻井可供试验。人们可以把水注入深井，也可以把水从深井抽出来，可以改变水压，同时测量岩石中的水压的变化。再在周围地区安装专门的地震测试系统，监测当地的地震活动。测试的结果表明，在注入水的压力与地震活动之间存在十分密切的相关关系。只要水压达到一个门槛值，地震活动就增加。如果抽水，岩石中的水压力减低，地震活动就减少。可见，水压力的变化，影响地壳中已存在结构应力场，只要水压达大一定的数值，就会诱发地震。

总之，丹佛地震和ＲＡＮＧＥＬＹ的调查和试验表明，水在地壳中对引起突然断裂过程中的重要作用。

3.2水库诱发地震与水库坝高/蓄水的高度的关系

洛特（ＲＯＴＨＥ，１９７０，１９７３）对水库诱发地震与水库的大坝高度及总蓄水量之间关系进行了定量的相关分析，结论是１．水库的蓄水的高度(大坝高度)与诱发地震线性相关，蓄水高度越高，发生地震的强度就越大；２．诱发地震与水库的总蓄水量之间关系不显线性相关。

修建高坝水库，引发地震的可能性是很大的。正如ＳＩＭＰＳＯＮ所说的那样，“因为到目前为止，还没有可实用的判断水库诱发地震风险的指标，所以，所有的“大型水库”在某种程度上可以被认为，存在水库诱发地震的可能．”

一个明显的例子是原苏联的，人们在那里建造了一座世界上最高的水库大坝（３１７米）。１９７２年，这座水坝还没有造成，一个接一个的地震不断发生在其周围。


3.3水库诱发地震与水库蓄水的关系

古普拓（ＧＵＰＴＡ）和拉思图基（ＲＡＳＴＯＧＩ）在研究了ＫＯＹＮＡ水库的地震后指出，当水库的蓄水位越高，水库的蓄水速度越快，诱发地震的强度越高；反之，当水库的蓄水速度越慢，水库的蓄水位越低，诱发地震的强度越低。水库的蓄水位曲线与诱发地震强度曲线存在一个时间差。许多水库诱发地震的实例证实了古普拓和拉思图基的结论（如苏联的ＮＵＲＥＫ水库，赞比亚的ＫＡＲＩＢＡ水库，希腊的ＫＲＥＭＡＳＴＡ水库，加拿大的ＭＡＮＩＣ-３水库），但也有一些例外。

原来以为水库只有在蓄水时或在满水后不久，才发生水库诱发地震。现在发现水库在把水放空之后，再次蓄水时也会发生地震。法国ＶＯＧＬＡＮＳ水库坝高１１０米，蓄水量为６．０５亿立方米，水库在１９６８年开始蓄水，１９６９年１１月蓄满水。从１９７０年１１月到１９７１年３月，把水库中部份水排放掉，之后又很快地蓄水，在１９７１年６月又将水蓄满，就在水蓄满后，也就是在６月２１日，发生了震级为４．５级的地震。在６月２１日到７月２日，共发生了２０余次地震。震中在水库东南５公里的地方。在这个地区，过去也没有地震活动的记载。(Goldsmith, 112-113)

同样的情形也发生在科西嘉的ＡＬＥＮＳＡＮＩ水库，ＡＬＥＮＳＡＮＩ水库坝高６０米，蓄水量为一千一百万立方米。水库在１９７１年完工，当年的九月二十九日，发生了震级为２．９级的地震。六年半后，在１９７８年４月，又发生了水库诱发地震，地震活动到１９８０年年底还未停止。１９７８年发生的主震，比１９７１年要强烈，主震之后发生了１５０次余震。在１９７８年的地震之前，ＡＬＥＮＳＡＮＩ水库的蓄水曾被全部放完，几个月中水库没有水，然后，水库又很快被蓄满水。蓄满水之后就发生了地震。这说明，坝高低于１００米的水库也有可能发生水库诱发地震，如希腊的ＭＡＲＡＴＨＯＮ水库，原南斯拉夫的ＢＡＪＩＮＡ水库，美国的ＣＬＡＲＫ-ＨＩＬＬ水库，法国的ＧＲＡＮＤＶＡ水库。

还有现象证明，在水库水位降低时也会发生地震。特别在很快地降低水库的水位时，诱发地震的可能性就增加。

在美国ＯＲＯＶＩＬＬＥ水库和ＭＯＮＯ水库的诱发地震中观测到，水库诱发地震活动与降低水库水位有关。ＯＲＯＶＩＬＬＥ水库在１９７５年发生地震之后，在方圆二十公里的范围内，就出现了有规律性的地震活动。当冬季和春季水库蓄水时，地震活动减少，而在夏季和秋季时，地震活动增加。十分有意思的是，１９７５年的主震就发生在夏季。科学家认为，快速降低水位也会引起应力场的不稳定，从而引起地震。ＭＯＮＯ水库的诱发地震，一般地震震级在４级以下，主要发生在夏季和秋季，与ＯＲＯＶＩＬＬＥ水库的诱发地震现象十分相象。科学家还观测到，水库诱发地震活动与降低水位的速度有关，降低水位的速度慢，地震活动就弱，相反，降低水位的速度快，地震活动就强。１９８０年下半年，在ＭＯＮＯ水库东边数公里的地方，发生震级约为五级的地震，但是这次地震是否是水库诱发地震，还不能肯定。

3.4水库诱发地震与其他因素的关系

在瑞士的阿尔比斯山的ＬＩＶＩＧＮＯ水库也观察到水库诱发地震，水库大坝高１３０米，弧形坝长５４０米，建造在三迭纪的白云岩上。根据建造前的研究，尽管与构造所决定的岩石裂隙发育，但从整体上来看还是坚实的。在蓄满水后，工作人员在寒冷天气的时候，听到辟辟啪啪的响声，同时一根支柱的表层出现了新的裂缝。紧接着在１９７９年初，用一个可移动的地震观察站对地震活动进行了３６天的观测，在这期间记录了１８０次地震活动。根据观测得到的数据分析，地震活动不仅与水库的蓄水速度有关，而且同时与空气的温度有关。最强的地震活动总是在气温低于零下１０度和水位每天下降超过１０厘米时发生。根据Ｎ．ＤＥＩＣＨＭＡＮＮ和Ｄ．ＭＡＹＥＲ-ＲＯＳＡ的看法，其原因是水在岩石表面的裂缝中结冰而发生爆裂。

四、水库诱发地震面临的新课题

NED ROZELL, University of Alaska Fairbanks, Geophysical Institute

No one knows how local seisnmic faults will react to the incredible mass of water behind Three Gorges Dam. Like heavy snow on an overloaded roof, the weight of water blocked by dams can cause existing cracks in Earth's crust to slip, resulting in earthquake. Faults tend to slip more ofen when a nearby giant reservoir is filled with water.

由于西方工业国家在二十世纪后期看到了大型和巨大型水库大坝工程带来的生态环境和社会负面影响，停止建设大型和巨大型水库大坝工程，所以对于水库诱发地震的认识至今停留在二十世纪七十年代的水平，比如认为水库诱发地震的强度不会超过6.5级(ＫＯＹＮＡ水库诱发地震).

从1992年中共政府批准建设长江三峡大坝工程后，中国又上马建设了许多大坝工程，包括紫坪铺水库大坝工程，世界的水库大坝工程集中在中国，为中国的GDP的高速增长做出重要贡献。

过去，世界各国建设水库大坝工程，都是尽量避免在地质条件复杂的地区建设，不会建造在会发生强烈地震的断裂带上。无论是ＨＯＯＶＥＲ水库大坝还是新丰江水库大坝还是ＫＯＹＮＡ水库大坝，都是弱震地区，建设之前的地质调查，也没有发行活动断裂带(在地震后均发现断裂带)。而三峡水库则有几条断裂带横贯水库底，在大坝不远处有几条断裂带成K字形交汇。紫坪铺水库更是直接建造在有可能发生强烈地震的龙门山断裂带之上。在这样的情形下，从过去水库诱发地震案例中获得的经验、知识是否还适用？

美国阿拉斯加大学地球物理研究所的劳策尔在“巨大的大坝工程可能引起地层活动”一文中写道：没有人知道，当地的地震断裂带在三峡大坝后面巨大水体作用下会如何反应。象在一座已经超载的屋顶上又加上了一层厚厚的雪，被大坝阻挡的水的重量可以引起地壳中的已经存在的断裂开始滑动，导致地震。如果附近的大水库装满了水，断裂就会更频繁地倾向滑动。

水库直接建造在有可能发生强烈地震的断裂带之上，由于水库蓄水和水库水位的变化，使得断裂更频繁地倾向滑动，导致地震，此时的地震震级还不超过6.5级吗?科学家目前还没有给出回答。

四、不排除紫坪铺水库诱发四川汶川大地震

紫坪铺大坝工程是中共政府实施“开发大西北计划”后的第一个大型水电开发项目，也是周永康担任四川省领导人时坚决支持上马的项目。2001年 3月紫坪铺水库大坝工程开工建设。2005年9月紫坪铺水库开水蓄水，当年11月两台水轮发电机组开始发电。2006年5月，紫坪铺水库大坝工程的四台水轮发电机组全部投入生产，当年10月，水库按照计划蓄满水。根据官方报导，紫坪铺水库大坝工程一共耗资72亿人民币。

紫坪铺大坝是水泥面板堆石坝，坝高156米，水库总库容11．12亿立方米。虽然紫坪铺水库的总库容只是三峡大坝工程的不到三十分之一，但是紫坪铺水库增加的蓄水位高和三峡水库是同一数量级的，都超过100米，增加的水压力超过每平方米100吨。根据前面的分析，水库蓄水越高，诱发地震的可能越大，地震震级越高。紫坪铺水库诱发地震的可能性绝对不会亚于三峡水库。

紫坪铺大坝工程的防震设计和三峡大坝一样，都是按照地震烈度IIV度设计的。对于地质条件的评价也是同出一辄：工程区40公里范围内，历史上未见有强震发生等等。

紫坪铺水库紧邻此次地震中心汶川映秀镇，是损失最为严重的地区。另外一个损失最为严重的地区是北川。这两地正好是北川-汶川断裂的南北两端。紫坪铺水库正好位于北川-汶川断裂的南端。前面已经谈到，活动构造带的两端，常常是震中往返跳动地点，是因为活动构造带在应力加强时，两端受力最大，是推动进一步发展的有利部位。两条断裂带交汇处，容易导致应力集中，往往是震中所在地点。水在紫坪铺水库蓄水的高压之下，更加容易进入水库底部岩层，引起地壳中的已经存在的断裂的滑动，从而发生地震。

一般说，水库诱发地震震源浅，震源深度在十公里以内；而构造地震则比较深，构造地震震源深度在十公里以内的比较少。此次四川汶川大地震，中国地震局先是报震源深度29公里，后把震源深度修改为8-10公里。这个震源深度是水库诱发地震经常发生的深度。2007年 2月12日也就是在汶川发生一次震级为3.2级的地震，震源深度深度8公里，和此次汶川地震的震中完全吻合。2007年2月12日地震是此次地震之前，紫坪铺水库蓄水后记录到的在水库影响地区的最大地震，应该是水库诱发地震。

另外根据灾民的报导，地震发生时，紫坪铺水坝上游的水库水位急剧上升，一度成为“汪洋大海”。可见紫坪铺水库底部的断裂有大量能量释放出来。

可以将劳策尔的结论略加修改：没有人知道，龙门山断裂带在紫坪铺大坝后面巨大水体作用下会如何反应。象在一座已经超载的屋顶上又加上了一层厚厚的雪，被大坝阻挡的水的重量可以引起地壳中的已经存在的断裂开始滑动，导致地震。所以不能排除紫坪铺水库诱发四川汶川大地震。更多精彩文章及讨论，请光临枫下论坛 rolia.net