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水庫誘發地震的巨大風險與西部水電開發的隱憂

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發表於 2017-9-12 06:46:29 | 顯示全部樓層 |閱讀模式
水庫誘發地震的巨大風險與西部水電開發的隱憂

張鬍子3號/文

   

    本文刊載於《中國周刊》2016年8月號(總第193期)

    1. 水庫為什麼會誘發地震

    水庫能誘發地震,這並不是一個神話,而是隨着人類建造大型水庫,逐漸被認識的科學事實。最早在1931年,人們發現了希臘馬拉松(Marathon)水庫的誘發地震。而在20世紀60年代,先後發生了四次被業界公認的由水庫誘發的6級以上的強烈地震,它們是:1962年3月19日,中國廣東新豐江,6.1級;1963年9月23日,贊比亞卡里巴(Kariba),6.1級;1966年2月5日,希臘科列馬斯塔(Kremasta),6.3級;1967年12月10日,印度科因納(Koyna),6.5級。與此同時,在美國丹佛地區,又發現了深井注水誘發地震的現象,證明了水的滲透與壓力對地震的影響,這使水庫誘發地震引起了科學界的高度關注。

    目前,人們認為水庫誘發地震的主要原因有兩個方面:水庫蓄水後對庫底斷層附加的重荷壓力,打破了斷層受力狀況原有的平衡;滲入充填到庫底岩體裂隙中的水,會產生附加的孔隙水壓力,同時水的滲透、浸泡和孔隙水壓力軟化了岩石,對斷層面起到潤滑作用,使岩體更容易破裂,破裂也更容易擴展。而地震,就是地下的岩石沿斷層破裂而發生的震動。

    因此,水庫誘發地震需要具備的條件是:水庫位於活動性的地震斷層上,而且水壩足夠高即水深足夠大,水庫的蓄水量也足夠大,這樣,水庫就可以通過水的靜壓力以及水沿斷裂下滲的孔隙壓力,對地震斷層產生足夠的影響。而水庫誘發地震,就是地震發生的時間、空間、頻度以及震級,都受到水庫蓄水活動的影響。

    一般來說,水壩越高(即庫水越深)、水庫蓄水量越大,越容易誘發地震。有資料稱,世界上壩高超過200米的水庫,誘發地震的比率為34%;中國壩高在100米以上,庫容在100億立方米以上的水庫,發震比例為30%左右。但這些統計是在許多庫區監測數據不完備的情況下作出的。

    2004年,中國國務院頒布了《地震監測管理條例》,要求壩高100米以上、庫容5億立方米以上、且可能誘發5級以上地震的水庫,都必須建立專用地震監測台網。近年來的大量觀測數據表明,中國這些大型水庫誘發地震的比率為100%。所以對高壩大庫來說,實際上不是誘不誘發地震的問題,而是誘不誘發破壞性強震或巨震的問題。

    值得注意的是,從中國新豐江、贊比亞卡里巴、希臘科列馬斯塔、印度科因納這四個案例來看,在水庫誘發地震以前,根據歷史記錄,它們都被認為是弱震區或少震區,而結果是,水庫誘發了遠遠超過當地歷史記錄最大震級的強烈地震。

    專家們把這種在歷史記錄中首次出現的強震或巨震,稱為首發強震或首發巨震,上述的水庫誘發6級以上強震的案例,包括下文將要談到的汶川大地震,都具有典型的“首發”特徵。因此,水庫誘發地震往往可能存在人們難以預料的、巨大的潛在風險。

    2. 中國西部近年來的水庫誘發地震案例

    最近十餘年來,中國西部的水電大開發主要集中在青藏高原東緣的高山峽谷區,以及青藏高原向雲貴高原、四川盆地過渡的地形階梯上,主要分布於長江上游及其主要支流以及瀾滄江、怒江等河流。從地質構造來說,這些區域處在青藏高原東緣一系列大的斷裂帶上,地殼的抬升十分強烈,因此也構成了中國西部地震活動十分頻繁的地震帶。由於這里地形陡峭、河流落差大,水力資源也極為豐富,因此按全江全流梯級開發的模式,建立了許多以高壩大庫為特徵的大型甚至巨型水電站,無論是在區域的地震活動背景上,還是在水庫以及水庫群的規模上,它們都遠遠超出了之前的水庫誘發地震案例所具備的條件。而事實上,在中國西部已經建成大型電站水庫的地區,的確也出現了許多不尋常的水庫誘發地震的事件。

    岷江的紫坪鋪水庫與汶川地震

    由於紫坪鋪水庫正好位於龍門山主中央斷裂帶上,同時又是壩高156米,總庫容11.26億立方米的大庫,而且汶川8級地震震中就在庫區范圍內,地震發生於紫坪鋪水庫蓄水三年多之後,因此,紫坪鋪水庫是否誘發了汶川地震,成為了媒體關注的熱點以及地震科學界研究的前沿課題。汶川地震以後,根據中國地震界諸多學者的研究及目前已公開發表的數十篇文獻(筆者有一篇綜述這些研究成果的報告),至少從以下幾方面證明汶川地震與紫坪鋪水庫的蓄水活動有十分密切的關系:

    汶川地震的震源深度只有6至9千米,並且就在水庫西南側的垂直於八角地震觀測台的地下發生,此外,紫坪鋪水庫蓄水之後到汶川地震之前,庫區因蓄水誘發的1500多次小震也集中於上述深度范圍內,顯示了岩石破裂與擴展的繼承關系;

    根據地震觀測以及對同震地表破裂帶的調查,表明汶川地震的震源也恰好在通過紫坪鋪水庫的水磨-廟子坪斷裂帶上;

    紫坪鋪水庫在初始蓄水過程中,通過快速大幅度地提高水位,達到正常高水位,爾後又以大約7.4億立方米(即7.4億噸)的加載量或卸載量,反復進行蓄水和排水的例行運營,從而給斷層施加了重大的力學影響,這一影響,通過對斷層所受水庫附加力的數學計算也得到證實;

    紫坪鋪水庫蓄水以後,庫區的地震活動顯著增強,圍繞水庫形成了三個密集小震區,地震能量釋放成倍增加,每次能量釋放的加速都與水庫的水位變化密切相關,並且在8級地震之前形成一個逐漸加速釋放的過程;

    汶川地震前,觀測到為數不多的地殼形變、地下流體、地電地磁的異常,大部分都與紫坪鋪水庫的水位變化出現時間上的“巧合”。

    紫坪鋪水庫的重要意義還在於,它提供了一個以前不曾有過的、將高壩大庫建造在具有強烈地震活動背景的斷裂帶上的案例;同時它還對傳統的水庫誘發地震的認識提出了巨大挑戰,即:水庫蓄水僅僅是對天然狀態下應力積累已接近臨界點的斷層破裂起到觸發作用,還是對斷層的破裂與發展具有主動推進作用?

   

    2008年6月,汶川地震中遭受破壞、形成巨大裂縫的岷江紫坪鋪水庫大壩正在進行修復。

   

    通過紫坪鋪水庫的水磨-廟子坪斷裂在汶川地震中形成的地表破裂帶,公路被錯斷,垂直和水平位移均達到5米左右。

    金沙江的溪洛渡-向家壩水庫與地震

    向家壩與溪洛渡水庫是建立金沙江下游宜賓至雷波間的兩座高壩大庫,二者首尾相連,其壩高、庫容分別為:162米,49.8億立方米;285.5米,115.7億立方米。向家壩與溪洛渡水庫分別於2012年10月與2013年5月下閘蓄水,並分別於2013年9月與2014年9月達到正常高水位。

    向家壩與溪洛渡水庫所在的金沙江河谷,基本上沿着北東與北西兩個走向的斷裂帶發育,所在區域歷史上地震活躍,並曾發生7級以上的強烈地震。但與歷史比較,水庫蓄水以後地震活動有顯著變化。從2012年10月開始,隨着向家壩與溪洛渡水庫水位的快速大幅度上升,水庫庫區及其兩側的地震活動似乎被全面激活。≥2級的地震不僅在這個區域廣泛出現,地震月頻次達到一個較高水平,而且出現了4個地震非常密集的震群,它們是:位於向家壩水庫庫尾的綏江-馬邊震群、位於溪洛渡大壩附近的雷波-永善震群、位於溪洛渡水庫庫尾東南側的魯甸-巧家震群、位於溪洛渡水庫南側的彝良震群。

    上述的綏江-馬邊震群、雷波-永善震群,從時間與空間看,都是因水庫蓄水而誘發的快速響應地震,尤其值得注意的是,2014年的4月5日與8月17日,在溪洛渡水庫大壩附近,分別發生了5.3級與5.0級兩次中強震,也被認為與水庫直接有關。由於水庫蓄水以後誘發了大量小震,導致庫區民房出現較多的震損。

    魯甸-巧家震群、彝良震群,是水庫蓄水以前便已存在的天然地震,但水庫蓄水以後,彝良震群的地震有明顯的向外擴展遷移的趨勢;魯甸-巧家震群的地震則向牛欄江和溪洛渡水庫方向擴散遷移。2014年8月3日發生的魯甸6.5級地震,雖然震中距溪洛渡水庫約28千米,但由於魯甸6.5級地震發生在魯甸-巧家震群因溪洛渡水庫蓄水而向庫區擴散遷移的過程中,而且魯甸的地震斷層與庫區的金沙江斷層相貫通,因此也不能完全排除魯甸地震與溪洛渡水庫的關聯。

   

    金沙江上的溪洛渡水庫大壩,該水庫在2015年誘發了5.3級和5.0級兩次中強震。

    雅礱江的錦屏一級水庫與地震

    錦屏一級電站水庫位於四川木里、鹽源境內的雅礱江大拐彎處,同時又是罕見的高壩大庫,被稱為世界第一的雙曲拱壩高305米,庫容77.7億立方米,2012年10月開始蓄水,2014年8月蓄水至正常高水位。2013年7月,蓄水過程中當水位漲幅達到148米以後,庫區的地震出現爆發式增長。

    根據對庫區及周圍地區2012年1月1日至2013年11月30日地震統計,共發生≥2級的地震322次,全部發生在水庫蓄水以後,但在2013年7月之前僅有1次,但從2013年7月開始,地震的月頻次逐月增加:7月18次,8月29次,9月60次,10月105次,11月111次,地震日頻次最高的11月14日,一天達到16次,並在11月22日出現了4.3級、4.6級、3.9級三次中強地震。而從2013年7月至2004年7月,共發生≥2級的地震742次。引人注目的是,這些地震的震中在錦屏一級水庫大壩附近即東經101.40°,北緯27.95°的位置上高度集中,而且正好位於錦屏山-小金河弧形斷裂帶上。這個震群目前還在持續活躍中。

    瀾滄江的糥扎渡水庫與地震

    2014年10月7日,位於雲南瀾滄江左岸的景谷縣境內發生6.6級地震,震中離糯扎渡電站水庫的直線距離僅37.5公里。糯扎渡水庫是瀾滄江梯級電站中規模最大的控制性水庫,壩高261.5米,總庫容237.03億立方米,蓄水量約相當於16個滇池。糯扎渡水庫2011年11月開始蓄水,2013年10月蓄水至正常高水位,歷時僅一年零十一個月,水位累計升幅高達201.67米。糯扎渡水庫庫區以及兩岸的景谷、思茅、瀾滄、雙江、臨滄等縣,有多條活動性斷裂帶通過,屬於滇西南著名的耿馬-瀾滄、普洱-勐臘強震帶,歷史上多次發生6級或7級以上的強震。

    根據糯扎渡庫區地震台網對0.0級至3.9級地震的觀測數據統計,水庫蓄水前的2010年1月至2011年11月,地震月頻次為370次,而水庫蓄水後2011年12月至2012年4月,地震月頻次增加到589次,顯示水庫蓄水後地震活動有明顯增加。但景谷地震與糯扎渡水庫的關系還需進一步研究。

    需要強調的是,盡管上面列舉的向家壩、溪洛渡、錦屏一級等水庫在蓄水後都出現了十分顯著的誘發地震,但由於水庫誘發地震的主震,往往發生在有足夠時間讓庫水沿斷裂破碎帶向深部滲透之後,即它通常發生在水庫蓄水到正常高水位之後的若干年。因此這些高壩大庫在今後的若干年,是否會誘發破壞性強震或巨震,才是最值得高度重視的問題。

    3. 怒江水電開發面臨的水庫誘發地震風險

    怒江在地質構造上屬印度板塊東北的突出角與歐亞板塊的碰撞接合部位,由於兩大板塊的強烈擠壓,在這里形成密集的斷裂帶,怒江、瀾滄江、金沙江等大江都在這里沿着斷裂帶沖刷侵蝕形成深切的峽谷,並形成了峽谷緊密排列的“三江並流”的自然奇觀。

    怒江在中國境內流經西藏自治區和雲南省,由上游往下游可分為三段不同地貌單元:①怒江源頭至嘉玉橋的高原寬谷盆地,海拔多在4000米以上,此段怒江被稱為那曲;②嘉玉橋至瀘水橋的橫斷山高山峽谷;③瀘水橋以下為中低山寬谷。後面兩個單元都包含在怒江水電開發的規劃之中,而且所規劃的電站多是易於誘發地震的高壩大庫。

    怒江所在區域的地殼運動十分活躍,在怒江兩岸可以觀察到高出現代河床達300米左右的古河床堆積階地,根據對階地沉積物的年齡測量,可以計算出雲南省境內怒江河段地殼的平均抬升速率最大可以到每年2毫米以上。在怒江的橫斷山高山峽谷段,兩岸的山嶺海拔在4000至5000米以上,河谷的深度可達2000至3000米以上,地形十分陡峭,岩崩、滑坡、泥石流等地質災害十分嚴重。在這里,怒江河谷近乎於一條直線,被夾峙在伯舒拉嶺-高黎貢山和他念他翁山-怒山-碧羅雪山之間,怒江河谷幾乎就是沿着著名的怒江大斷裂形成的,這是一條現今仍在強烈活動的斷裂帶,它也構成了中國最重要的地震區之一的滇西南地震區。

   

    沿斷裂帶形成的怒江大峽谷

    在橫斷山區近於南北走向的怒江大斷裂,進入保山、龍陵附近的寬谷區後,轉變成一系列東北走向的斷裂,地震活動也更為強烈。僅以怒江以西的滇西地區為例,據1512年至1976年的464年間的記載統計,共發生6級以上地震15次,平均30.9年發生一次6級以上地震。最近的強震有,1976年龍陵-梁河的7.4級地震。2011年盈江的5.8級地震。

    一方面,地震活動及其引發的地質災害,會給高山峽谷中的大型水庫群帶來很大的安全隱患和次生災害鏈的威脅;另一方面,在怒江的活動斷層上建築大型水庫,更容易誘發地震,從而使相關災害加劇和擴大。

    值得注意的是,怒江斷裂帶無論是橫斷山區的近南北走向段,還是在保山、龍陵附近的東北走向段,都具有沿順時針方向平行河谷滑動的特點,這對垂直於河谷走向也即斷裂走向的水庫大壩的穩定,將產生嚴重影響。

   

    怒江州六庫附近怒江斷裂帶中的斷層露頭

    迄今為止公眾能看到的有關怒江水電開發的規劃報告中,並未提到怒江斷裂帶活動的觀測數據以及它對梯級大壩的影響,對水庫蓄水後誘發地震的潛在危險也未作出充分評估,即使僅就這一潛在危險來看,對怒江水電開發也需要持非常慎重的態度,一旦水庫誘發破壞性的強震甚至巨震,其損失和代價將難以估計,也是水電開發所獲得的利益無法去彌補的。

    水庫誘發地震的巨大風險與西部水電開發的隱憂  https://mp.weixin.qq.com/s/I0b39Hx0Oevow7mpitvNDQ

    (註:經整理)

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