水库诱发地震的巨大风险与西部水电开发的隐忧

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水库诱发地震的巨大风险与西部水电开发的隐忧

张胡子3号/文

   

    本文刊载于《中国周刊》2016年8月号（总第193期）

    1. 水库为什么会诱发地震

    水库能诱发地震，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，围绕水库形成了三个密集小震区，地震能量释放成倍增加，每次能量释放的加速都与水库的水位变化密切相关，并且在8级地震之前形成一个逐渐加速释放的过程；

    汶川地震前，观测到为数不多的地壳形变、地下流体、地电地磁的异常，大部分都与紫坪铺水库的水位变化出现时间上的“巧合”。

    紫坪铺水库的重要意义还在于，它提供了一个以前不曾有过的、将高坝大库建造在具有强烈地震活动背景的断裂带上的案例；同时它还对传统的水库诱发地震的认识提出了巨大挑战，即：水库蓄水仅仅是对天然状态下应力积累已接近临界点的断层破裂起到触发作用，还是对断层的破裂与发展具有主动推进作用？

   

    2008年6月，汶川地震中遭受破坏、形成巨大裂缝的岷江紫坪铺水库大坝正在进行修复。

   

    通过紫坪铺水库的水磨-庙子坪断裂在汶川地震中形成的地表破裂带，公路被错断，垂直和水平位移均达到5米左右。

    金沙江的溪洛渡-向家坝水库与地震

    向家坝与溪洛渡水库是建立金沙江下游宜宾至雷波间的两座高坝大库，二者首尾相连，其坝高、库容分别为：162米，49.8亿立方米；285.5米，115.7亿立方米。向家坝与溪洛渡水库分别于2012年10月与2013年5月下闸蓄水，并分别于2013年9月与2014年9月达到正常高水位。

    向家坝与溪洛渡水库所在的金沙江河谷，基本上沿着北东与北西两个走向的断裂带发育，所在区域历史上地震活跃，并曾发生7级以上的强烈地震。但与历史比较，水库蓄水以后地震活动有显著变化。从2012年10月开始，随着向家坝与溪洛渡水库水位的快速大幅度上升，水库库区及其两侧的地震活动似乎被全面激活。≥2级的地震不仅在这个区域广泛出现，地震月频次达到一个较高水平，而且出现了4个地震非常密集的震群，它们是：位于向家坝水库库尾的绥江-马边震群、位于溪洛渡大坝附近的雷波-永善震群、位于溪洛渡水库库尾东南侧的鲁甸-巧家震群、位于溪洛渡水库南侧的彝良震群。

    上述的绥江-马边震群、雷波-永善震群，从时间与空间看，都是因水库蓄水而诱发的快速响应地震，尤其值得注意的是，2014年的4月5日与8月17日，在溪洛渡水库大坝附近，分别发生了5.3级与5.0级两次中强震，也被认为与水库直接有关。由于水库蓄水以后诱发了大量小震，导致库区民房出现较多的震损。

    鲁甸-巧家震群、彝良震群，是水库蓄水以前便已存在的天然地震，但水库蓄水以后，彝良震群的地震有明显的向外扩展迁移的趋势；鲁甸-巧家震群的地震则向牛栏江和溪洛渡水库方向扩散迁移。2014年8月3日发生的鲁甸6.5级地震，虽然震中距溪洛渡水库约28千米，但由于鲁甸6.5级地震发生在鲁甸-巧家震群因溪洛渡水库蓄水而向库区扩散迁移的过程中，而且鲁甸的地震断层与库区的金沙江断层相贯通，因此也不能完全排除鲁甸地震与溪洛渡水库的关联。

   

    金沙江上的溪洛渡水库大坝，该水库在2015年诱发了5.3级和5.0级两次中强震。

    雅砻江的锦屏一级水库与地震

    锦屏一级电站水库位于四川木里、盐源境内的雅砻江大拐弯处，同时又是罕见的高坝大库，被称为世界第一的双曲拱坝高305米，库容77.7亿立方米，2012年10月开始蓄水，2014年8月蓄水至正常高水位。2013年7月，蓄水过程中当水位涨幅达到148米以后，库区的地震出现爆发式增长。

    根据对库区及周围地区2012年1月1日至2013年11月30日地震统计，共发生≥2级的地震322次，全部发生在水库蓄水以后，但在2013年7月之前仅有1次，但从2013年7月开始，地震的月频次逐月增加：7月18次，8月29次，9月60次，10月105次，11月111次，地震日频次最高的11月14日，一天达到16次，并在11月22日出现了4.3级、4.6级、3.9级三次中强地震。而从2013年7月至2004年7月，共发生≥2级的地震742次。引人注目的是，这些地震的震中在锦屏一级水库大坝附近即东经101.40°，北纬27.95°的位置上高度集中，而且正好位于锦屏山-小金河弧形断裂带上。这个震群目前还在持续活跃中。

    澜沧江的糥扎渡水库与地震

    2014年10月7日，位于云南澜沧江左岸的景谷县境内发生6.6级地震，震中离糯扎渡电站水库的直线距离仅37.5公里。糯扎渡水库是澜沧江梯级电站中规模最大的控制性水库，坝高261.5米，总库容237.03亿立方米，蓄水量约相当于16个滇池。糯扎渡水库2011年11月开始蓄水，2013年10月蓄水至正常高水位，历时仅一年零十一个月，水位累计升幅高达201.67米。糯扎渡水库库区以及两岸的景谷、思茅、澜沧、双江、临沧等县，有多条活动性断裂带通过，属于滇西南著名的耿马-澜沧、普洱-勐腊强震带，历史上多次发生6级或7级以上的强震。

    根据糯扎渡库区地震台网对0.0级至3.9级地震的观测数据统计，水库蓄水前的2010年1月至2011年11月，地震月频次为370次，而水库蓄水后2011年12月至2012年4月，地震月频次增加到589次，显示水库蓄水后地震活动有明显增加。但景谷地震与糯扎渡水库的关系还需进一步研究。

    需要强调的是，尽管上面列举的向家坝、溪洛渡、锦屏一级等水库在蓄水后都出现了十分显著的诱发地震，但由于水库诱发地震的主震，往往发生在有足够时间让库水沿断裂破碎带向深部渗透之后，即它通常发生在水库蓄水到正常高水位之后的若干年。因此这些高坝大库在今后的若干年，是否会诱发破坏性强震或巨震，才是最值得高度重视的问题。

    3. 怒江水电开发面临的水库诱发地震风险

    怒江在地质构造上属印度板块东北的突出角与欧亚板块的碰撞接合部位，由于两大板块的强烈挤压，在这里形成密集的断裂带，怒江、澜沧江、金沙江等大江都在这里沿着断裂带冲刷侵蚀形成深切的峡谷，并形成了峡谷紧密排列的“三江并流”的自然奇观。

    怒江在中国境内流经西藏自治区和云南省，由上游往下游可分为三段不同地貌单元：①怒江源头至嘉玉桥的高原宽谷盆地，海拔多在4000米以上，此段怒江被称为那曲；②嘉玉桥至泸水桥的横断山高山峡谷；③泸水桥以下为中低山宽谷。后面两个单元都包含在怒江水电开发的规划之中，而且所规划的电站多是易于诱发地震的高坝大库。

    怒江所在区域的地壳运动十分活跃，在怒江两岸可以观察到高出现代河床达300米左右的古河床堆积阶地，根据对阶地沉积物的年龄测量，可以计算出云南省境内怒江河段地壳的平均抬升速率最大可以到每年2毫米以上。在怒江的横断山高山峡谷段，两岸的山岭海拔在4000至5000米以上，河谷的深度可达2000至3000米以上，地形十分陡峭，岩崩、滑坡、泥石流等地质灾害十分严重。在这里，怒江河谷近乎于一条直线，被夹峙在伯舒拉岭-高黎贡山和他念他翁山-怒山-碧罗雪山之间，怒江河谷几乎就是沿着著名的怒江大断裂形成的，这是一条现今仍在强烈活动的断裂带，它也构成了中国最重要的地震区之一的滇西南地震区。

   

    沿断裂带形成的怒江大峡谷

    在横断山区近于南北走向的怒江大断裂，进入保山、龙陵附近的宽谷区后，转变成一系列东北走向的断裂，地震活动也更为强烈。仅以怒江以西的滇西地区为例，据1512年至1976年的464年间的记载统计，共发生6级以上地震15次，平均30.9年发生一次6级以上地震。最近的强震有，1976年龙陵-梁河的7.4级地震。2011年盈江的5.8级地震。

    一方面，地震活动及其引发的地质灾害，会给高山峡谷中的大型水库群带来很大的安全隐患和次生灾害链的威胁；另一方面，在怒江的活动断层上建筑大型水库，更容易诱发地震，从而使相关灾害加剧和扩大。

    值得注意的是，怒江断裂带无论是横断山区的近南北走向段，还是在保山、龙陵附近的东北走向段，都具有沿顺时针方向平行河谷滑动的特点，这对垂直于河谷走向也即断裂走向的水库大坝的稳定，将产生严重影响。

   

    怒江州六库附近怒江断裂带中的断层露头

    迄今为止公众能看到的有关怒江水电开发的规划报告中，并未提到怒江断裂带活动的观测数据以及它对梯级大坝的影响，对水库蓄水后诱发地震的潜在危险也未作出充分评估，即使仅就这一潜在危险来看，对怒江水电开发也需要持非常慎重的态度，一旦水库诱发破坏性的强震甚至巨震，其损失和代价将难以估计，也是水电开发所获得的利益无法去弥补的。

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    （注：经整理）