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紫坪铺水库可能诱发汶川地震的证据

已有 18837 次阅读 2009-5-12 08:17 |个人分类:地球科学|系统分类:科研笔记|关键词:地球科学,紫坪铺水库,水库诱发地震,汶川地震,水库地震,证据| 地球科学, 汶川地震, 水库地震, 紫坪铺水库, 水库诱发地震

廖永岩 

广东海洋大学,电子信箱:rock6783@126.com

紫坪铺水库,为库容11.12×108m3(即11.12亿立方米),坝高156 m的大型水库,2005930水库下闸蓄水(邵元林等,2008。紫坪铺水库校核洪水位883.1 m,设计洪水位871.2 m,正常蓄水位877.0 m,汛限水位850. 0 m,死水位817.0 m(邵元林等,2008;正常蓄水位库容9.98亿m3(李卫起和严益,2008,调节库容7.74 亿m3(雷兴林等,2008

因为紫坪铺水库跨越2008512MS 8.0汶川大地震发震的主要断层:映秀- 北川断层的破碎带(徐锡伟等,2008,且汶川地震的宏观震中离库区最近距离不足5km(微观震中离库区最近距离也只有约6km(雷兴林等,2008,所以,是否紫坪铺水库诱发了汶川MS 8.0大地震,自然成为学术界剧烈争论的话题Kerr and Stone, 2009陈颙, 2009

紫坪铺水库到底有没有诱发汶川大地震?紫坪铺水库能诱发如下之大的MS 8.0大地震吗?为此,我们利用目前的地质和地球物理学资料约束,就紫坪铺水库是否与汶川大地震有关联、紫坪铺水库是否诱发了汶川MS 8.0大地震进行研究,拟弄清紫坪铺水库是否真正诱发了汶川大地震,并对大型水利工程建设和管理,及减少相关自然灾害提供技术资料。

1 水库蓄水对库区及附近发震频度的影响

我们对紫坪铺水库桂花树台、八角台记录的20048162007228,西南部( 30.6°-31.4°N103.1°-103.9°E) 和东北部(31.1°-31.4°N103.6°-103.9°E)蓄水前后的发震(0.5以上级地震)频度胡先明等,2008进行比较结果见表1

1 紫坪铺水库库区及附近蓄水前后地震发生频度比较胡先明等,2008

比较

项目

东北部地震

西南部

地震数()

月平均地震数(/)

地震数()

月平均地震数(/)

总数

247

8.23

131

4.37

蓄水前

86

6.62

39

3.00

蓄水后

161

9.47

92

5.41

 

从表1可见,不管库区东北部或西南部,蓄水后月发震频度均高于蓄水前,东北部月发震频度(月发震次数)增加43.1%[9.47-6.62÷6.62×100%=43.1%],西南部发震频度增加80.3%[5.41-3.00÷3.00×100%=80.3%]。因为蓄水后库区及附近发震频度均增加43.1%以上,这说明,紫坪铺水库蓄水的确使库区及附近地震活动性(月发震次数)明显增加。而且,还说明,蓄水对紫坪铺水库西南部(汶川大地震震中所在地)雷兴林等,2008影响更为明显,蓄水后月发震频增加达80.3%

2 加载和卸载对库区及附近发震频度的影响

用紫坪铺水库地震台网20048162008511的最大搜索半径30km、震级0.5以上的地震的日发震频率和紫坪铺水库的蓄、放水情况作图,结果见图1雷兴林等,2008

从图1可见,主要蓄水过程( , , )表现为地震频度随荷载的增加而增加。第1次主要放水过程( )表现为地震频度随荷载的减少而减少。这说明,紫坪铺水库及其附近(30km范围内),地震的发震频度,与水库荷载变化密切相关。

但是,第2次主要放水过程( ),即200712月中旬以后到汶川大震发生前(2008511),地震频度反倒随着荷载的减少而迅速增加(后又急剧下降)。这是为什么呢?

1 紫坪铺水库蓄、放水对库区及周围发震频度的影响(n: 日地震频度,次/天)雷兴林等,2008

我们将紫坪铺水库地震台网2005 - 09 – 012006 - 10 - 31的最大搜索半径30km、震级0.5以上的水库加载期(750m875m,加载约916亿m3)地震震源分布绘制于图2 雷兴林等,2008。将 2006 - 11 – 012007 - 05 - 15 期间发生的最大搜索半径30km、震级0.5以上的水库放水期(水位从约875m下降到约817m,总卸载量:约714亿m3)地震震源分布绘制于图3 雷兴林等,2008

图2 水库水位上升期库区附近震源分布(图中红、蓝色部分示紫坪铺水库区)雷兴林等,2008)。

图3 水库水位下降期库区附近震源分布(图中红、蓝色部分示紫坪铺水库区)雷兴林等,2008)。

从图1可见,2005 - 09 – 012006 - 10 – 31期间(Ⅲ、Ⅳ、Ⅵ期),随着水库加载,地震的频度总体上是逐渐增加。从图2可见,虽然这期间发震频度增加,但水库西北部和东南部地震相当少,地震主要集中于东北部(特别是东北部离库区较远区域,即虹口乡至龙门山镇区域,是后来汶川地震破裂最严重的极震区)和西南部(震中所在地),且东北部发震密度明显大于西南部。从图1可见,2006 - 11 – 012007 - 05 - 15 期间(Ⅶ期),随着水库放水,地震频逐渐下降。但从图3可见,水库西北部和东南部地震频仍相当低(但有减少)。东北部发震频度急剧降低,而西南部发震频不仅没减少,反而稍有增加(特别是近库区部位)。这似乎说明,随着水库蓄水加载,地震频的增加,主要是由紫坪铺水库东北部(特别是东北离库区较远部的虹口乡至龙门山镇区域)的地震频增加所致;水库放水卸载期,水库西北部、东北部和东南部的地震频度均在减少,以东北部(特别是离库较远处)减少尤为明显,但西南部反倒在增加,即随着水库放水卸载,虽然水库西北、东南、东北部地震频度均减少,但发震总频度的减少,主要是由于东北部地震频度急剧减少所致,但随着卸载,西南部发震频度反倒增加。

将发生于中央断层(映秀-北川断层)上2007 - 12 – 012008 - 05 – 11急剧放水卸载期(水位从约870m下降至817m,水位下降53 m,总卸载量:约6.5亿m3)的震源作图,结果见图4雷兴林等,2008

 

4 2007 - 12 – 012008 - 05 – 11卸载期发生于中央断层上的震源分布图雷兴林等,2008

从图1可知,2007 - 12 – 012008 - 05 – 11卸载期,发震频度急剧增加。而从图4可见,水库东北部的中央断层地震数量并不多(特别是离库区较近区域),地震数量的增加,主要是由于南西方向(汶川MS 8.0大地震震中所在地)雷兴林等,2008地震急剧增加所致。这进一步说明,水库放水的卸载,导致西南部地震频度急剧增加。

那么,为什么紫坪铺水库蓄水加载时,东北部发震频度增加,而水库放水卸载时,西南部发震频度增加呢?

3 库区及附近发震频度随蓄水和放水变化的机制

统计发现:10m <坝高90m11000座大坝,发生水库地震的概率为0.63%90m <坝高140m的大坝,发生水库地震的概率为10%;坝高140m的大坝,发生水库地震的概率为21%(易立新等, 2003);而我国是世界上山最多、最高的国家,也是因重力异常而造成均衡调整运动最为频繁的国家,坝高100 m以上的高坝大库, 发震概率远大于世界平均水平,约为32%[王儒述,2007]这说明,水库地震的发生,明显与坝高正相关;坝越高,发生水库地震的可能性越大。矿山诱发地震(矿山地震),也与矿井深度正相关(肖和平, 1998; 陈德贻等, 1996)矿井越深,发生矿山地震的可能性越大。

库容小于0. 1×108m3的小型水库,其发震概率小于0.01%0.1-1.0×108m3的中型水库,发震概率小于0.1%1.0-10×108m3的大中型水库,发震概率大于1%,大于10×108m3的大型水库,发震概率大于12%王儒述,2007这说明,水库地震的发生,明显与库容正相关,库容越大,发生水库地震的可能性越大。矿山诱发地震(矿山地震),也与矿产开采量正相关(肖和平, 1998; 陈德贻等, 1996),矿产开采量越大,发生矿山地震的可能性越大。

坝高与水库加载正相关(这里也可能与渗水压力增加正相关),矿井深度与开矿卸载正相关(与渗水压力增加关联不大);库容与水库加载正相关(与渗水压力增加关联不大),矿产开采量与卸载正相关(与渗水压力增加关联不大)。这说明,水库坝高和库容增加导致水库地震发震频度增加,及矿井深度和矿产开采量增加导致矿山地震发震频度增加,与荷载关系密切,而与渗水弱化断层关联性并不强。

由此可见,虽然人类目前仍没有准确弄清水库地震到底是怎么诱发的,而且目前仍有很多人认为,渗水对断层的弱化等其它作用很可能是造成水库诱发地震的重要原因,但仅从水库地震的发震频度与坝高和库容正相关、矿山地震的发震频度与矿井深度和矿产开采量正相关来看,水库蓄水时的加载与水库放水时的卸载,才应是造成地质不稳定区域水库地震的主要原因Gupta H., et. al., 2007; 麻泽龙等, 2005

野外考察表明,汶川MS8. 0地震形成了3条同震地表破裂带:映秀-北川地表破裂带、白鹿-汉旺地表破裂带和介于上述两地表破裂带之间的小鱼洞破裂带(图5(徐锡伟等,2008

 

 5 汶川地震地表破裂带及垂直位移情况(徐锡伟等,2008

从图5可见,映秀-北川破裂带是汶川地震的主体地表破裂带,在其西端部映秀镇附近存在着2条走向N60°- 70°E的次级地表破裂带(见图5)。所以,长约240km的映秀-北川破裂带,又可分为纯逆冲倾滑型破裂的映秀分支段,和以逆冲推覆为主兼有右旋走滑分量的虹口—清平段,及以右旋走滑为主兼有逆冲垂直运动分量的北川—南坝段。映秀分支段为纯逆断层(垂直位移1-2.3m)。虹口—清平段最大垂直位移(6.2 ±0.5) m,平均垂直位移3-4m,右旋走滑位移为(2 ±0.5) m;北川—南坝段最大右旋走滑位移为(4.9 ±0.2)m,平均右旋走滑位移2-3m,垂直位移1-2m(徐锡伟等,2008

白鹿-汉旺地表破裂带长约90km,运动性质为纯逆断层,最大垂直位移(3.5±0.2)mNW向小鱼洞地表破裂带长约6km,最大左旋走滑位移和垂直位移均约3.5m,为连结两条叠瓦状主要地表破裂带西段的逆走滑型断层(徐锡伟等,2008

以上地震地表破裂数据说明,汶川地震地表破裂带整体表现为从南西至北东,从纯逆冲倾滑型逐渐向右旋走滑型过渡。由于汶川地震的发震时间顺序为从南西逐渐向北东延伸(张勇等,2008;王卫民等,2008,这就说明,汶川地震的地表破裂,先是映秀-北川断层的映秀分支段的纯逆冲破裂,然后是虹口—清平段、白鹿-汉旺段地表破裂带的以逆冲推覆为主兼有右旋走滑的破裂,最后才是北川—南坝段以右旋走滑为主兼有逆冲的破裂。

因为映秀-北川破裂带是汶川地震的主要破裂带,也是最先破裂的地表破裂带,且映秀分支段位于紫坪铺水库附近,所以,我们将图5映秀分支段所在的部分,即图5蓝色方框部分放大,结果见图6(雷兴林等,2008

6 紫坪铺水库区域地质特征雷兴林等,2008

紫坪铺水库的正常蓄水位877.0 m时,水库尾水刚好至映秀镇,这时的水库水体分布如图6的“坝基”经“D”点至“映秀”的绿色区域。水库汛限水位850. 0 m时,根据库区海拔可知,水库水体分布于图6“坝基”至“D”点之间的绿色区域。水库处于死水位817.0 m时,水库水体主要处于“坝基”至“D”的东半部蓝色区域(也即主要分布于“坝基”至紫色的“汶川地震地表破裂带”线之间)。

国家测绘局、中国地震局对2005年至本次地震后GPS点和国家卫星站监测数据统计分析发现,汶川地震的上盘(西侧块体)上升不明显,而下盘(东侧块体)下沉30-70cm国家测绘局、中国地震局, 2008中国地壳运动观测网络”项目组, 2008。因为GPS点离破裂带最近的点也有30 km国家测绘局、中国地震局, 2008,而影响是逐渐衰减的,这就是说,汶川地震地表破裂带东盘的实际下沉量,肯定远远超过GPS测量的70cm。这说明,三条地表破裂带的垂直位移量,不是像很多人认为Hubbard and Shaw, 2009的那样西侧上盘抬升(特别是在南西端),而应是东侧的下盘下降所致,即映秀-北川地表破裂带东侧盘地块(中央断裂带至前山断裂带间地块)向龙门山下俯冲、白鹿-汉旺地表破裂带东侧盘四川盆地地块向西侧盘(中央断裂带至前山断裂带间地块)下的俯冲(刘树根等, 2008(见图7)。

7 龙门山断裂带剖面图。

从图6可见,紫坪铺水库蓄水至877.0 m正常水位时,整个水库范围内的水体,均位于“A”至“C”之间的映秀地表破裂带北支之下盘(但有近半面积水体位于“A”至“B”之间的映秀地表破裂带南支之上盘)。而当水库放水后,处于汛限水位850. 0 m以下,特别是处于死水位817.0 m时,水库绝大部分水体(约3.38亿m3)位于“A”至“B”之间的映秀地表破裂带南支之下盘。为了追求最大经济利益(四川省实行差额电价,5月后的丰水期,上网电价低,而5月前的枯水期,上网电价高),紫坪铺水库每年在大量岷江水到来的4月底、5月初之前,不仅只是将水位控制850. 0 m以下的850. 0 m水位附近,而是尽可能将其降低至817.0 m的死水位(见图1(雷兴林等, 2008

这样,就造成水库蓄水时,水库急速加载(特别是850. 0 m以上加载),大量荷载位于“A”至“C”之间的映秀地表破裂带北支之下盘,加速“A”至“C”之间的映秀地表破裂带北支及虹口乡-龙门山镇断裂带上、下盘之间的破裂,使水库东北部(特别是虹口乡-龙门山镇断裂带区域)地震频度急剧增加(见图2)。而水库放水时,水库急速卸载至850. 0 m以下(特别是至817.0 m死水位)时,大量荷载从 A”至“B”之间的映秀地表破裂带南支之上盘卸掉(可能导致南支的上盘因均衡调整而适当抬升),而仅承载于“A”至“B”之间的映秀地表破裂带南支的下盘(约3.38亿m3),这就加速了“A”至“B”之间的映秀地表破裂带南支的上、下盘之间的破裂,使水库西南部(汶川地震震中所在地)地震频度急剧增加(见图3)。这,可能就是为什么蓄水加载时库区东北部地震频度增加,而放水卸载时西南部地震发震频度增加的主要原因。

4 为什么会诱发如此高级别的地震?

众所周知,1967年发生于印度柯依纳(Koyna)的6.4水库地震,是世界上目前已知震级最大的水库诱发地震,其次才是1962年发生于中国新丰江的6.1级水库地震。柯依纳水库和新丰江水库,坝高都没有二滩水库高(柯依纳库深100 m,新丰江库深97 m,而二滩水库坝高240 m),库容也没有三峡水库大(柯依纳库容27.8×108m3,新丰江库容115×108m3,三峡库容393×108m3),可他们诱发的地震,为什么远大于二滩和三峡水库呢?比较那些发生水库诱发地震的水库(易立新和车用太, 2000发现,虽然柯依纳和新丰江水库并不是世界上坝最高或库容最大的水库,但它们却是世界蓄、放水最频繁、且水位波动很大(柯依纳32.84 m,新丰江32.6 m)的水库Gupta et. al.2005; 万永芳等,2008(而二滩水位波动一般在23.14 m范围内(谢蓉华, 2000,三峡也一般不超过30 m(梁小熙等,2008,且没有频繁的大幅度蓄、放水水位波动)。所以,除柯依纳和新丰江水库所处的地质条件外,频繁、大幅度的水位波动,很可能是造成这两个世界上最大水库诱发地震的重要原因。

紫坪铺水库所在的岷江流域,在5-10月雨水相当丰沛,很容易将紫坪铺水库蓄满至正常水位(877.0 m)(见图1),而在每年的4月底至5月初,随着当地的雨季来临,水库管理部门为了从差额电价制度里获得最大经济收益,都会将库水通过超额发电而排放至817 m死水位。这就造成紫坪铺水库每年都会有近60m877.0 m-817 m= 60m)的水位差(尚不考虑该水库校核洪水位883.1 m)波动。这60 m的水位差,远远超过柯依纳水库的32.84 m和新丰江水库的32.6m,紫坪铺水库的蓄、放水(最高水位至最低水位)频率为至少每年一次,也超过新丰江水库的2-3年一次(万永芳等,2008,基本和印度柯依纳水库持平Gupta et. al.2005。因为,紫坪铺水库所在的龙门山地震带,地质并不比柯依纳和新丰江稳定,所以,仅从蓄、放水频率和水位波动幅度来看,紫坪铺水库如此频繁的蓄、放水和如此大幅度的水位波动,诱发像柯依纳和新丰江一样的6.1-6.4级的诱发地震应是很正常的。但是,目前世界上最大水库诱发地震的最大震级,也仅为柯依纳水库的6.4级,那么,紫坪铺水库,又是如何诱发MS 8.0的汶川大地震的?MS 8.0的大地震能被水库诱发吗?

通过对汶川地震的震源机制和破裂过程进行反演,结果见图8中国地震信息网,2009;王卫民等,2008

从图8可见,汶川地震的震源(汶川县漩口镇蔡家杠村下),只是最先破裂点,并不是破裂滑动最大处。滑动最大处,是16 s之后才开始破裂。

不同的研究者,因资料来源和研究模型不同,结果稍有差别张勇等,2008;王卫民等,2008,但都一致认为,从破裂开始(发震时间)到发震后12 s,地壳破裂主要在震源(震中正下方)及附近活动。其中1-5 s 时地壳破裂活动逐渐加强,但5 s后(6-12 s)地壳破裂活动逐渐减弱。12 s后地壳破裂完全停止(完全停止了4 s张勇等,2008;王卫民等,2008

在发震后16-29 s 期间, 在震中东北方向约80 km虹口乡附近,图6A”点及其北东方向开始新的破裂,并快速向西南及北东方向传播。这个阶段破裂涉及的范围大,是汶川大地震的一个主要地壳破裂期。在发震后30-41 s,在震中东北方向和西南方向都有一些零星的破裂,但规模较小、幅度较弱。在接下来的6 s42-47 s)内,没有明显的破裂发生(破裂第二次暂停)张勇等,2008;王卫民等,2008

在发震后的48-57 s 内,在震中东北140 km的北川附近和震中西南150 km的康定附近下方相继发生破裂。 在发震后60-66 s 内,震中东北200 km 处下方的断层面上有一次较小的破裂事件。此后,在震中西南方向的破裂基本结束,而在震中东北280 km 处则零星地发生了一些破裂。在发震后58 -90s内,除北川至青川方向尚有一定的零星破裂外,汶川地震破裂基本结束张勇等,2008;王卫民等,2008

8 汶川地震破裂过程中国地震信息网,2009

将图8的破裂过程中释放的能量作图,结果见图9张勇等,2008

从图8、图9,及以上的分析可见,汶川地震的地壳破裂过程,大致可能分为三大阶段:第一阶段,发震后1-15 s,为所谓的震中(微观震中)所在区域及附近地壳破裂阶段,释放全部地震矩(能量)约9%(图9张勇等,2008;第二阶段,发震后16-44s,为映秀-北川破裂带的虹口-清平段、白鹿-汉旺破裂带破裂阶段,释放了全部地震矩(能量)约68%(图9),形成汶川地震破坏力最强的极震区(图9张勇等,2008;第三阶段,发震后45-90s,为映秀-北川破裂带的北川—南坝段及其它区域的地壳破裂阶段,释放了全部地震矩(能量)约23%(图9张勇等,2008

第一阶段与第二阶段之间地壳破裂停止了4 s,第二阶段与第三阶段之间地壳破裂停止了至少2-3 s,这说明,汶川MS 8.0大地震,是由相互间断(或独立)的三个阶段(图91”、“2”、“3”)共同组成的。若汶川地震的第一阶段破裂完成后,假设其它区域的应力积累尚未接近(或达到)发震临界点,从图9的地震矩看,汶川地震也就仅一个MS 6级左右的地震,绝不会超过MS 7.0

因为紫坪铺水库具有11.12×108m3库容, 156 m的坝高,且有和柯依纳水库一样的蓄、放水频率(超过新丰江水库),及超过柯依纳和新丰江的蓄、放水水位差(60 m),所以,紫坪铺水库诱发一个MS 6级左右(或MS 7.0以下)的水库地震,应是很正常的。

 

9 汶川地震破裂过程中的地震能量释放过程张勇等,2008

所以,真实情况很可能是这样:紫坪铺水库(特别是其频繁的大幅度蓄、放水),诱发了汶川地震初始点的MS 6级左右的水库地震;由于整个映秀-北川及彭-灌断裂带(即白鹿-汉旺破裂带所在的断裂带)的能量积累已接近(或达到)发界临界点,在初始破裂点这个MS 7.0以下的水库地震的触发(或诱发)下,4 s后,汶川地震主破裂带,即映秀-北川破裂带的虹口-清平段、白鹿-汉旺破裂带最终破裂,汶川地震的主震爆发;在这个主震的进一步带动下,南至康定、北至北川及青川,整个汶川地震全面爆发, MS 8.0汶川大地震发生了。

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作者按:在这汶川地震一周年之际,我写这篇文章,是为了记念那永远离我们远去的87164[69225(遇难)+17939(失踪)=87164(截至200942510)]兄弟姐妹。在那短短的90-120秒的时间里,他们甚至还没有来得及问一句为什么,就不得不匆匆离我们永远远去。一年后的今天,我想尽量找寻那使他们离我们远去的原因,既是对他们亡灵的慰藉,使他们死个明白,也想使我们今后尽可能远离这条不明不白的“远去”之路┅┅



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