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科普:水库诱发地震不属于人工地震

已有 3643 次阅读 2013-9-16 07:04 |系统分类:科普集锦| 水库, 渗流, 诱发地震

  一、地震的概念及产生机理  
  根据地震的成因,国家地震局把地震分为以下几种:  
   1 .构造地震:由于地下深处岩层错动、破裂所造成的地震称为构造地震 。这类地震发生的次数最多,破坏力也最大,约占全世界地震的 90% 以上。  
   2 .火山地震:由于火山作用,如岩浆活动、气体爆炸等引起的地震称为火山地震。只有在火山活动区才可能发生火山地震,这类地震只占全世界地震的 7% 左右。  
3 .塌陷地震:由于地下岩洞或矿井顶部塌陷而引起的地震称为塌陷地震。这类地震的规模比较小,次数也很少,即使有,也往往发生在溶洞密布的石灰岩地区或大规模地下开采的矿区。  
   4 .诱发地震:由于水库蓄水、油田注水等活动而引发的地震称为诱发地震。这类地震仅仅在某些特定的水库库区或油田地区发生。  
   5 .人工地震:地下核爆炸、炸药爆破等人为引起的地面振动称为人工地震。  

  二、水库诱发地震的荷载作用 
  水库水体的重量会改变地壳的受力状态,引起地应力的某些调整(称为荷载作用)。不过这种作用非常有限,只会引起某些塌陷型的小地震,不可能引起板块间错动的构造地震。所以,我们国家地震局的地震分类,水库诱发地震不属于人工地震。
  注意:人工与天然地震的区别在于地震能量的来源。为什么说水库地震不是人工地震呢?因为,水库蓄水的能量不足以产生地震,水库水体的重量相对于地球来说,是微乎其微的。

  例如:三峡水库蓄水392亿(吨),但却分布在1000多平方公里的范围上,地壳平均每平方米承受的重量只有30多吨,每平方厘米的承压强只有3公斤多,还不如一辆载重汽车的轮胎对地壳的压力大。既然,汽车行驶从不会压出地震来,比它的压强还要小的多水库蓄水怎么可能压出地震来呢?要知道,人工地震“爆炸”产生的压强和能量密度,至少要比蓄水高数百倍。

  有人说,别管是作用在多大的面积上,但水库水体的总重量大。这种说法的逻辑不对,一场大洪水的总水量可能有上千亿,对地壳造成的总压力比水库还要大的多。但是,我们谁听说过“洪水可以,诱发地震呢?

  也有人说,水库中水的深度是不一样的,所以对地壳构成的压力不应按平均值计算。即便如此,由于构成水库岸坡和库底的是岩石和泥土,它们的比重都要比水大得多。此外,水库的上表面一定是水平的,因而,在单位的地壳面积上,水和土体的总体积是相等的。
 


  图1、水库水越深的部位实际对地壳的压强越小

  如上图所示,所以,整体上看水库和周围的土体对地壳构成的综合压力,实际上是水越深的地方,压强越小。因此,世界上无论是多么大的水库,蓄多么深的水,也不可能压出构造地震来。

  三、水库诱发地震的渗流作用 
  水库蓄水后,通过基岩中的裂隙,产生了向地下的断层高压注水的效果,从而改变了地壳基岩局部的应变极限,或者说改变了原来板块之间的摩擦力(可称为渗透作用)。渗流是可以诱发地震的。国家地震局之所以把“水库蓄水和油田注水引发的地震”统称为“诱发地震”,也说明国家也认为水库诱发地震的机理是渗流,而不是蓄水的压力。
  为什么水库蓄水或者油田注水会诱发构造地震呢?这里我们先要看看构造地震的机理。

  3.1、板块构造地震
  在地球的最外层,由地壳和地幔最上部分构成的厚约几十千米的岩石圈。由于地球内部的热运动,地球的岩石圈已分裂成为若干巨大的板块,像一个裂了缝的鸡蛋壳。
  至今地球的热运动都在继续,岩石圈板块也不断的沿着塑性软流圈上发生大规模水平运动(漂移)。板块与板块之间相互分离,相互挤压,或相互平移,引起了地震、火山和各种构造运动。
我国西南地区由于受到印度洋板块与欧亚板块的挤压,不仅已经抬升出了青藏高原,而且还在继续不断的上升。
  当板块的飘移受到其它板块的阻碍之后,就会在板块间的断层之处产生变形并不断地继续能量。一旦所积蓄的能量使得该处的板块破裂,或者漂移的力量超过了板块间的摩擦力发生了板块间的突然错动,就会发生构造地震。

  3.2、水库诱发地震的机理
  断层地震爆发的原因,主要在于阻碍板块运动的地应力的积累、变化使断层处产生了突然的破裂或者错动。断层发生错动的条件在于,阻碍板块运动的应变所积蓄的地应力克服了断层之间的摩擦力。当断层的摩擦力越大时,需要克服摩擦力所积蓄的作用力就越大。这种情况下地震不容易轻易发生。然而,一旦发生后地震的能量也就比较大。如果断层之间的摩擦力越小,需要克服摩擦力的地震作用力就越小,越容易产生地震,但同时地震发生后所释放的能量也比较低。
  所以说,决定构造地震爆发时能量强弱的关键,在于断层之间的摩擦力。而水库蓄水(和深井高压注水)之所以能诱发地震,主要就是通过库水压力和 渗流影响和改变了板块间的摩擦力。

  四、科学地认识水库诱发地震的利弊
  由于水库蓄水后将会加大地下渗流,水的侵润只能使原有的断层之间摩擦力有所降低。所以,水库触发的地震一般都会起到加速原有地震地区地震发生的作用。因此,如果科学的、辩证的看待水库触发地震的话,水库蓄水的结果,要么对原有的地震没有影响,要么就提前释放了正在孕育中地震的能量,从客观上避免了更大地震的发生。从这一点上来看,即使水库蓄水触发了地震,也应该具有提前释放能量,减小该地区原有地震震级的作用的有利一面

  上个世纪70年代,国外曾有过通过向深井高压注水的方式,使其提前释放地震能量最终能够减小地震灾害的尝试。但是,由于注水后诱发地震的时间和震级,人们还无法控制,容易引起公众的误解,所以,就终止了这种地震减灾的方式。

  在美国地质调查局的网站,仍有这样的解释“由于我们对地震机理的掌握还十分肤浅,尽管我们知道高压注水是有可能把大地震的能量提前释放,起到减小震级的作用,但是,我们毕竟还不能判断人为诱发出来的地震的量级到底如何。”  

  总之,由于我们现在对地质构造和触发地震的机理还并不十分深入。即使我们想要采用高压注水的办法让地震提早发生,我们恐怕也不知道怎么样注水,在什么地方注水,才能达到我们所预想的目标。然而,虽然目前我们还没有能力主动地、有意识的通过注水释放地震能量,但是,人造水库的蓄水却有可能在某种程度上,有意无意的起到了用高压注水触发地震,提前释放地震能量,并减小震级的减灾作用。

  另一方面因水库地震的震级往往能够都不大,所以,水库地震常常是利大于弊的。

 

     五、水库地震的震级都不会太大
  一方面,水库蓄水的时候,能有机会向板块间的缝隙渗水的机率本来就不太大。能正好赶上该板块处积蓄的能量已经较大的(甚至接近临界爆发的)机率就更小了。另一方面,由于地壳的构造,是一个随着底层的深度不同,从固态到液态的渐变的过程。在地下十余公里处,地层会有一个“脆韧转换带”。韧性的材料不可能还有缝隙存在,因此,任何缝隙的渗流,都不可能通过这个脆韧转换带。因此,水库渗流的影响深度是一定有限的(一般不可能超过地下10公里)。

  同时,在地壳(小于10公里深度)的表层,阻碍板块间运动的摩擦力也不可能积蓄起太大的能量。例如,地球上8级以上的地震,从来也没有发生在地下10公里以内的。如果以地下10公里为界,水库地震与特大地震没有交集。因此,从逻辑上分析,水库不可能诱发出特大型的地震。

  目前,实际记录到的水库地震也证明了这一点。全世界几十万座水库,只发生过6级以上的地震4次。5级以上的也只有十余次。4级以上的也不算多。绝大多数的水库地震都是3级以下的“无感地震”。也就是说,绝大多数水库地震不仅不会造成危害,同时还具有释放了地震能量的好处。

  六、关于水库地震的结论


  结论1:构造地震是不可能被水库压出来的,但可能会因为断层处的渗流诱发。
  例如:城市化的建筑群没有因为受力过重而诱发地震。美国丹佛市因为大量废水高压注入地下,却引发了长达数年的一系列诱发地震。
  很多百米以上的大坝,百亿库容以上的水库,反倒没有造成地震,而我国12米高的小坝,几十万库容的小水库,也能诱发出水库地震 。

 
  结论2:水库诱发地震本质如同高压注水触发的地震,地震的能量来自于地球的板块运动,与水体的重量无关。
  结论3、水库地震一方面,具有时间、量级不可控性并有可能会带来一定的灾害,(具有有害的一面);另一方面也具有提前释放地震能量,并减小震级的减灾作用(有利的一面)。


  结论4、由于水库地震的震级一般都不会太大,因而绝大多数的水库地震不仅不会造成危害,同时还释放了地震能量,减小了未来的地震危害。

  总之,水库诱发地震也是具有减灾作用的,我门科学的了解它、重视它,具有重要的社会意义。



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