20121210 紫坪鋪水庫也許真的誘發了汶川大地震

紫坪鋪水庫也許真的誘發了汶川大地震

範曉 發表於 10/12/2012

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世界關注：被聚焦的紫坪鋪水庫

 2008年5月12日震驚世界的汶川8級大地震發生以後，因為汶川地震的許多“反常”現象，以及紫坪鋪水庫與汶川地震的特殊時空關聯，不少專家學者都懷疑紫坪鋪水庫的蓄水活動誘發了汶川大地震。

 

由於汶川地震造成了極其嚴重的生命和財產損失，而且人類活動對自然環境的影響是目前很重要的全球話題，因此，汶川地震三年多來，紫坪鋪水庫是否誘發了汶川地震的問題，成為了世界媒體矚目的一個熱點，美國《科學》雜誌三次刊登有關報導，美聯社、英國廣播公司、法新社、紐約時報、華盛頓郵報、華爾街日報、基督教科學箴言報、衛報、朝日新聞、明鏡週刊等許多重要媒體，都曾發表過相關的報導與訪談。

 

另一方面，這一問題激起了許多專家的研究興趣與熱情，成為科學界關注的一個焦點和前沿研究課題。據不完全統計，目前公開發表於中外專業學術期刊上的相關論文不下五六十篇，由於能夠獲得豐富的觀測資料以及所擁有的專業背景，絕大部分研究成果都是由中國的地震專家在《地球物理學報》、《地震地質》、《地震》、《四川地震》、《西北地震學報》、《華南地震》等中文學術期刊上發表的，另外也有一些以此問題作為研究課題的碩士、博士論文公佈。

 

迄今為止的一系列研究成果，已越來越清楚地顯示出紫坪鋪水庫與汶川大地震之間令人吃驚的密切聯繫。

 

汶川8級地震的初始破裂深度只有6~9公里

 

對紫坪鋪水庫誘發汶川地震持否定意見的水電工程專家陳厚群等（2008、2009、2010）認為，水庫誘發地震的震源深度一般為1～5公里，最多不超過10公里，並把它作為紫坪鋪水庫不可能誘發汶川地震的重要理由之一。但據張倬元（1981）、劉傳正（1995）、楊曉源（2009）等提供的資料，世界上一些公認的水庫誘發地震，不乏震源深度大於10公里的案例：希臘科列馬斯塔6.3級地震，震源深度20 公里；尚比亞加里巴6.1級地震，震源深度20 公里；印度科伊納6.5級地震，震源深度12 公里；埃及阿斯旺5.6級地震，震源深度18 公里。即使按中國地震台網中心（CENG）和美國地質調查局（USGS）分別公佈的14 公里和19 公里的汶川地震震源深度，它們也在上述水庫地震震源深度的範圍之內。因此，僅以震源深度超過10 公里，來否定紫坪鋪水庫誘發了汶川地震，顯然缺乏科學依據；另一方面，據中國地震局地質研究所的馬文濤等（2011）的最新研究成果，汶川地震的初始破裂深度只有6~9公里，這也為紫坪鋪水庫誘發汶川地震提供了重要的佐證。

 

中國地震台網中心和美國地質調查局公佈的汶川地震震源深度等參數的確定，主要使用的是距震中較遠的區域台網的資料，缺乏近距離台站資料的驗證，而紫坪鋪庫區專用台網恰好為地震的精確定位提供了距震中最近、精度更高的資料。馬文濤等（2011）利用紫坪鋪庫區台網的資料，並使用近年來在地震學界普遍受到重視的雙差定位法（Felix W aldhauser et al. 2000），重新確定出汶川8級地震的初始破裂深度僅在6~9公里左右。

 

中國地震局地震預測研究所的盧顯等（2010），對紫坪鋪庫區台網2004年8月16日至2008年5月10日記錄到的1569次地震，利用雙差定位法進行了重新精確定位。在震源深度方面，定位前近60%的地震震源深度分佈在5公里以內，15公里以下幾乎沒有地震發生；重新定位後，約70%的地震震源深度分佈在5～15公里這個優勢深度範圍內，其中頻次最多的是在5～10公里深度，15~30公里也有少量地震發生，並且深度分佈有一定的連續性，平均深度為7.8公里。

 

 

地震是地下岩石破裂的一種反映，地震頻次最集中的5～10公里深度以及7.8公里的小震平均深度，反映了汶川地震前的岩石破裂也主要集中在這個優勢深度範圍，而根據岩石破裂實驗，後期大的破裂往往出現在前期小破裂最集中的部位，因此這也旁證了汶川地震6~9公里的初始震源深度是順理成章的。

 

中國地震台網中心的周龍泉（2010）通過對庫區地震台網地震資料的處理，發現北川—映秀斷裂帶下方存在一個地震波P波速度較高的區域，其深度範圍在0～8公里，他認為這可能反映流體沿斷層面滲透的最大深度為8公里左右。這一最大滲透深度，也與馬文濤等得出的汶川地震的震源深度不謀而合。

 

值得注意的是，汶川地震前的小震、汶川地震的餘震組成的地震序列中，不乏超過10公里深度的。由於水庫蓄水引起的較早較淺的孔隙壓力擴散導致的岩石破裂（產生地震），會反過來增加孔隙壓力的擴散，並使水的滲透和岩石的破裂向深部發展，構成一個不斷迴圈擴展的動力學回饋機制，因此也不能簡單地把 10公里作為水滲透以及孔隙壓擴散的下限深度。

 

汶川地震的震源恰好在通過紫坪鋪水庫的水磨—廟子坪斷裂帶上

 

汶川地震發震的北川—映秀斷裂帶在紫坪鋪水庫附近分為兩支，一支在地表通過映秀，可稱為狹義的映秀斷裂帶；一支通過水磨—廟子坪，可稱為水磨— 廟子坪斷裂帶（胡先明等稱之為周家坪—龍溪斷裂和漩口北—岩後—古仙洞斷裂；盧顯稱之為映秀斷層；馬文濤等稱之為中灘鋪斷層。由於中灘鋪是映秀的別稱，而這條斷裂位於映秀以南，在地表並沒有通過映秀，因此不宜將其稱為映秀斷層或中灘鋪斷層，與免和上述狹義的映秀斷裂帶相混）。水磨—廟子坪斷裂帶恰好在地表穿過紫坪鋪水庫的主要蓄水區，它向東北方向在深溪溝附近與映秀斷裂帶交匯。

 

汶川地震的震中位於上述狹義的映秀斷裂帶在地表的跡線附近，因此，這給人一種錯覺，似乎汶川地震是因這條斷裂破裂而始。陳厚群等也把“紫坪鋪水庫蓄水並沒有淹沒到北川—映秀斷裂（即上述狹義的映秀斷裂帶），因此它對該斷裂的水文地質條件沒有產生影響”，作為紫坪鋪水庫不可能誘發汶川地震的一條重要理由。

 

但地震學的常識告訴我們，震中是震源在地表的垂直投影，而震源才是汶川地震發生初始破裂的地方。北川—映秀斷裂帶的斷層面都是向西北方向傾斜的，如果由震中按震源深度引一條直線向下到達震源，就會明白震源並不在位於震中附近並通過映秀的映秀斷裂帶上，而恰恰是在通過水庫主要蓄水區的水磨—廟子坪斷裂帶上，四川省地震局的楊曉源在2009年已指出了這一點。另外，在震後的野外調查中，中國地震局地質研究所的徐錫偉等（2008、2010）、馬文濤等（2011）沿水磨—廟子坪斷裂帶發現了汶川地震時形成的同震地表破裂帶。這個破裂帶在地表錯斷了都汶高速公路的路面、廟子坪大橋以及龍池隧道。這也提供了水磨—廟子坪斷裂作為汶川地震起始發震斷裂的必要證據。

 

 

從另一方面來看，包括北川—映秀斷裂帶在內的整個龍門山斷裂帶，是一個向下交匯於一個平緩斷層面的斷裂系，也就是說很多在地表和淺部傾斜較陡的裂隙面，向地下深處都彙聚到一個平緩的裂隙面上，水庫的水通過地表任何一處裂隙面向下滲透，都會通過這個相互貫通的斷裂系，對這個斷裂系所包含其它裂隙面或斷層發生影響。換句話說，水庫即使在地表沒有淹沒到某一條斷裂，這條斷裂也可能受到這個斷裂系的其它斷裂因為水的滲透和壓力擴散帶來的影響。

 

如此快速地大幅度地蓄水和放水十分罕見和危險

 

官方公佈的紫坪鋪水庫正式下閘蓄水的時間是在2005年9月，但實際上的蓄水開始於2004年。紫坪鋪水庫蓄水前，大壩處的天然河流水位高度一般在海拔752米～755米。2004年9月27日，紫坪鋪水庫兩個導流洞中的一個被關閉，水庫的水位開始由752米上升到775米（陳厚群，2010），升幅達到23米，和後來2005年、2006年的蓄水相比，這還屬於初期的低幅載入，但這已超過了三峽水庫由135米至156米，以及由 156米至175米這兩個蓄水階段的升幅。

 

綜合雷興林（2008）、陳厚群（2010）、周斌（2010）、張永久（2010）、馬文濤（2011）等發表的資料，可以把紫坪鋪水庫自 2004年9月開始蓄水至2008年5月發生汶川地震時的水位變化大致分為以下幾個階段（由於不同作者發表的資料略有差異，水位可以有0.5米至2米的誤差）。

 

第1階段（低幅載入Ⅰ與低幅卸載Ⅰ）：2004年09月至2005年08月，752米上升至775米，升幅23米；775米下降至760米，降幅15米；

第2階段（高幅載入Ⅰ）：2005年09月至2005年12月，760米上升至840米，升幅80米；

第3階段（低幅卸載Ⅱ）：2006年01月至2006年04月，840米下降至820米，降幅20米

第4階段（高幅載入Ⅱ）：2006年05月至2006年12月，820米上升至875米，升幅55米；

第5階段（高幅卸載Ⅰ）：2007年01月至2007年08月，875米下降至817米，降幅58米；

第6階段（高幅載入Ⅲ）：2007年09月至2007年12月，817米上升至873米，升幅56米；

第7階段（高幅卸載Ⅱ）：2008年01月至2008年05月，873米下降至821米，降幅52米。

 

從2004年9月開始蓄水至2006年10月達到875米的最高水位，水位的升幅高達123米，而這僅僅用了兩年零一個月的時間，其中，僅 2005年9月至12月的高幅載入期，水位就上升了約80米，這在國內外的高壩大庫中都是罕見的。如此快速地大幅度地提高水位，以及高幅載入與高幅卸載的反復交替，就象不斷給地震斷層進行強力按摩，會促使斷裂加速復活。據雷興林等（2008）的計算，當水位在875米至817米之間變化時，其卸載量或載入量高達約7.4億立方米（即約7.4億噸），而汶川地震正好發生在紫坪鋪水庫經歷了三次高幅載入和兩次高幅卸載之後。

 

“庫侖應力”計算得出的結論

 

專家們把作用於斷層上面，使斷層產生活動的力，統稱為庫侖應力。水庫會在原來天然庫侖應力的背景下，附加給斷層一個庫侖應力，它可能使斷層更趨於破裂，也可能更趨於穩定。人們用bar（巴）和MPa（兆帕）來描述庫侖應力的大小，一個bar也相當於一個標準大氣壓，約等於0.1MPa。有研究表明，在一定條件下庫侖應力的增量變化只要達到0.1bar（即0.01MPa）的量級，便足以對地震活動產生明顯影響（King et al. ，1994）。

研究紫坪鋪水庫與汶川地震關係的一個重要手段，就是利用數學模型，計算紫坪鋪水庫蓄水所產生的載荷、孔隙水壓力對地震斷層的影響，以及這種影響是否明顯到足以誘發地震。

 

根據中國地震局地質研究所的雷興林等（2008）的計算，紫坪鋪水庫蓄水到高水位一年之後的2006年，在斷層3～4公里的深度，庫侖應力的變化已達到1bar以上（即十倍於足以明顯影響地震活動的變化量級），而在2007年12月至2008年5月12日的水位下降期間，地下10公里附近庫侖應力的變化已達到0.5bar以上（即數倍於足以明顯影響地震活動的庫侖應力變化量級），在4～5公里的深度，庫侖應力的增量變化已經到幾個bar（即數十倍於足以明顯影響地震活動的庫侖應力變化量級），雷興林等因此認為紫坪鋪水庫的蓄水活動對庫區地震斷層的庫侖應力產生了明顯影響。

 

美國科羅拉多大學的葛社民等（2009）的計算結果是，紫坪鋪水庫的蓄水，在相當於汶川地震震源的深度位置，使斷層的庫侖應力產生了 -0.01～0.05MPa的變化。他們認為，這種程度的應力變化已足以在接近應力臨界狀態的斷層上觸發地震，因為在龍門山斷裂帶，每年的應力變化速率小於0.005MPa，因此紫坪鋪水庫可能使汶川地震提前了幾十年或者幾百年。

 

印度國家地球物理研究會的加哈勞特等（Gahalaut K，et al. 2010）、中國科學院的張貝等（2010）都認為葛社民等使用的二維解析方法會使水庫載荷的效應被誇大，因此他們使用了三維解析方法。加哈勞特等通過計算認為，紫坪鋪水庫的運行沒有在汶川地震的震源處（深度19公里）以及周圍地區引起庫侖應力的增加，而是使應力減小了大約1KPa（0.001MPa），使較淺部位的弱震略有增加，但對汶川地震沒有發生什麼影響。

 

張貝等的計算結果顯示，在僅考慮水庫載荷、不考慮水的孔隙壓的情況下，水庫載入（蓄水）使得震源附近的逆斷層更穩定，但卸載（放水）的時候更危險。張貝等還計算了汶川地震前5個月水庫放水在斷層上產生的影響，水位從高程875米下降到817米時，斷層上震源一側庫侖應力有明顯增加。深度5公里以上的區域庫侖應力增加量在0.01MPa以上，近地表1公里附近達到0.08MPa。隨著深度的增加，庫侖應力增量迅速減小，在美國地質調查局和中國地震台網中心給出的深度為19公里和14公里的震源處，庫侖應力增量分別為0.003MPa和0.005MPa。張貝等認為，小於0.01MPa量級的庫侖應力變化，能否觸發地震，還缺乏足夠的統計資料來加以分析。

 

上述計算主要考慮的是水庫蓄水和放水帶來的載荷變化產生的庫侖應力變化，沒有考慮或沒有充分考慮水滲透產生的孔隙壓帶來的庫侖應力變化，而對地震斷層來說，孔隙壓被認為是比庫水載荷更重要的影響因素。張貝等指出，水庫蓄水後，水向地下從淺到深的逐漸滲透（特別沿滲透率高的破碎帶）會造成孔隙壓力的逐漸增加，水庫的放水或蓄水，不會改變深部孔隙壓力增加的總趨勢，這可能使深部的逆掩斷層（一個較平緩的斷層，淺部眾多斷層向下彙聚於此）由穩定變為不穩定。

 

水庫蓄水以後，紫坪鋪庫區的地震活動顯著增強

 

庫侖應力計算只是理論上的推導，水庫蓄水對地震究竟有沒有影響，還需要通過地震監測台網觀測到的資料，對水庫蓄水活動和地震是否相關進行實證分析。

 

由於紫坪鋪水庫屬於誘發地震機率很高的高壩大庫，按照國務院的《地震監測管理條例》（2004），在蓄水前的2004年8月建成了專用的庫區地震監測台網，它包括七個台站。這個專用台網最小可以監測到-0.9級的地震，它的主要優勢在於能夠較精確地觀測到庫區的微震和弱震，從而彌補了區域上的地震台網在這方面的不足，給水庫誘發地震的研究提供了豐富的材料。

 

儘管紫坪鋪水庫蓄水後到汶川地震之前，庫區的發生的地震都沒有超過4級，僅從震級來看與歷史相比並沒有大的變化。但許多專家研究後都發現，水庫蓄水後庫區的地震活動的確顯著增強，而且地震活動都與水庫的水位變化有很好的相關性。陳厚群等曾認為，“水庫蓄水後並沒有大量微震的出現”、“紫坪鋪水庫沒有發生水庫地震”，但許多研究表明，水庫蓄水後不僅出現了大量微震，而且這些微震很多都是水庫誘發地震。

 

雷興林等（2008）的各種地震統計參數的變化點與水庫水位的變化點具有良好的對應關係，反映出紫坪鋪水庫的蓄水和放水（即加壓和卸載）對該區地震活動產生了明顯影響。其中日地震頻度（每日地震發生的次數）在幾個大的水位變化階段都出現了躍升；b值是反映震級與地震頻度關係的重要參數，地震活動強度愈大，則b值愈小。在2005年12月紫坪鋪水庫水位到達840米以後，庫區地震活動最明顯的特徵是ｂ值的總體下降趨勢，表明地震活動趨強；

 

在地震能量釋放方面，據馬文濤等（2011）的計算，蓄水前地震應變能比較接近線性釋放，月頻次<25次，每年蠕變能釋放量在 1.2×108J1/2 左右。蓄水後地震蠕變能釋放量明顯變化，從2006年1月至10月持續增長，在2007年5月至7月和2008年2月又有2次階梯狀躍升，導致在2年半多的時間內由地震引起的蠕變能多釋放了2.4×108J1/2，釋放增加了200%。每次蠕變能釋放的加速與庫水位變化密切相關，並在主震前形成了一個逐漸加速釋放的過程。

 

在地震的空間分佈上，雷興林（2008）、胡先明（2009）、張致偉（2009）、盧顯（2010）、程萬正（2010）、周斌（2010）、李海鷗（2010）、馬文濤（2011）等，都指出紫坪鋪水庫蓄水以後，在水庫附近出現了三個小震密集區及其地震群，它們分別是：水庫西南區的水磨震群；水庫東北區的深溪溝震群；水庫東南區的都江堰震群。其中水磨震群、深溪溝震群位於水磨—廟子坪斷裂帶上，且處在水庫的東北和西南兩端；都江堰震群位於灌縣—江油斷裂帶附近。

 

盧顯（2010）、程萬正（2010）、周斌（2010）、李海鷗（2010）等，都按蓄水前後以及蓄水後的不同階段，對三個小震密集區的地震活動變化進行了分析。

 

水庫西南區在蓄水前地震很少，在蓄水後地震明顯增強，而且在2004年至2008年的每一次蓄水、放水階段都表現出持續的活躍，不同的研究者都認為，水庫西南區的水磨震群顯然屬於水庫誘發的地震活動；

水庫東北區在蓄水前有小震分佈，但比較分散，蓄水後小震向東北方向遷移，而且更加集中，地震頻次的高峰主要出現在2004年至2006年的庫水加卸載期，被認為明顯受到水庫蓄水活動影響。2007年至2008年5月汶川地震前，東北區的地震活動反而有所減弱。

 

水庫東南區在蓄水前幾乎沒有地震分佈，蓄水後的2004年至2007年，地震活動也十分微弱，伴隨庫水加卸載略有起伏，但在臨近汶川地震的 2008年2月，在庫水卸載階段，卻突然出現了地震活動的躍升，創下了月頻次高達150餘次的庫區地震活動紀錄，其中僅在2008年2月14日21時35 分至2月15日0時54分，就有2.9級、3.7級、2.5級、3.3級、2.5級等五次震級較高的有感地震。

 

研究者認為，三個小震密集區的不同情況，反映出受蓄水活動影響，既有快速反應也有滯後反應的誘發地震。這三個小震密集區中，水庫西南區的水磨震群最引人注目，不僅因為水庫蓄水後這裡的小震活動持續時間最長、強度最大，還因為汶川8級地震的震中也出現在這裡。另外耐人尋味的是，在水庫西南區和東北區之間的主要蓄水區，蓄水前後地震都很少，幾乎呈現地震空白區。這似乎顯示了水庫蓄水後對直接位於庫底的逆沖斷層的穩定作用，而且小震密集區沿斷裂帶出現在水庫主要蓄水區的兩端，似乎也說明瞭沿水磨—廟子坪斷裂帶走向，蓄水後出現了極不均衡的應力變化，這和前述的庫侖應力計算結果有相似之處，而且孔隙水壓力的擴散也可能主要沿斷裂帶的走向進行。

 

水庫誘發的小震群是不是汶川地震的前震

 

由於紫坪鋪水庫西南區的水磨震群是諸多研究者公認的水庫誘發地震，而汶川8級地震的震中又恰恰位於水磨震群中，因此，汶川地震與水磨震群的關係，成為了紫坪鋪水庫是否誘發了汶川地震的關鍵紐帶

 

首先，汶川8級地震與水磨震群有密不可分的空間關係，不僅震中位於水磨震群中，而且按6~9公里的震源深度，汶川地震的震源也恰好位於水磨震群的優勢震源深度範圍內。即使按中國地震台網中心和美國地質調查局的14公里和19公里的震源深度來看，汶川地震地震的震源深度也位於水磨震群震源深度範圍的下部。

 

震源機制是根據地震波反演計算出來的地震斷裂面的幾何形態、運動方式，以及地震活動呈現出來的應力方位。汶川地震與水磨震群的震源機制是否相同，也是判斷它們之間是否相關的重要標誌。胡先明等（2009）的計算結果表明，水磨震群與汶川地震的震源機制一致，表現為同一空間形態、運動方式和應力方位的逆沖斷層型的特徵。

 

馬文濤等（2011）還發現，在2008年4月5 日04:01:16.54的水磨震群中有1個ML1. 3地震，這個地震在各台站的初動到時差與汶川8級地震驚人地相同，換句話說，這個地震的震源位置和汶川地震的震源位置幾乎完全相同，該小震震源深度在 7.8公里左右，也與重新定位後的汶川地震6~9公里的震源深度一致，這意味著，在汶川地震的初始破裂位置上，當時已經開始出現破裂，因此，水磨震群的這些小震理應屬於汶川地震的前震。

 

紫坪鋪庫區地震活動其它特徵的研究提供的證據

 

小震地震矩、震級與震源譜拐角頻率的關係研究

 

人們在對地震波譜特徵的研究中，發現拐角頻率與地震大小通常呈負相關關係，即地震震級越大，地震矩越大，拐角頻率越小。四川省地震局的張永久等（2009），通過對紫坪鋪庫區2004年8月16日至2008年5月11日發生的287次1.6級以上地震的分析，卻發現拐角頻率的大小與地震大小之間沒有明確的相關關係 。根據姚立殉等（2004）、錢曉東等（2005）的相關研究結果，以及地震波拐角頻率變化與紫坪鋪水庫水位變化的相關性，張永久等認為，該現象的出現與水庫蓄放水導致的壓力變化和庫區岩體裂隙充水程度的變化有關。

 

地震波速比的研究

 

地震波分為縱波（P波）和橫波（S波）兩種基本類型。縱波速度Vp與橫波速度Vs之比即為波速比，用λ=Vp /Vs表示。許多研究結果表明，在震級大於3.5級的地震發生前都可觀測到波速和波速比下降—持續異常—回升—發震的異常現象。

 

盧顯（2010）研究了紫坪鋪庫區2004年8月16日至2008年5月10日1569個小震的波速比。發現整個區域在2006年11月左右波速比值開始下降，一直保持低值狀態至2007年3月底開始回升，當年5月份恢復到平均值水準，2008年2月份（都江堰小震群發生時）整個區域的波速比值急速上升，符合大震前波速比下降—持續異常—回升—發震的規律。

 

盧顯還對紫坪鋪庫區的波速比作了分區研究，發現受蓄水影響最為明顯的水庫西南區（水磨震群），從2005年9月30日水庫蓄水開始，Vp和Vs 變化曲線皆與水庫水位變化保持幾乎相同的變化趨勢，但從2007年起，Vp和Vs一直保持低值狀態，幾乎不受水庫水位變化的影響，直到2008年2月波速開始回升，5月初回升至平均值，直至發生汶川大地震，同樣符合大地震前波速比的變化規律。

 

由上述，紫坪鋪庫區小震群的波速比變化和庫水位變化相關，證明瞭這些小震群具有水庫誘發的性質；而這些小震群波速比的變化符合大震前波速比的異常特徵，也可佐證這些小震群是汶川地震的前震。

 

孔隙壓力擴散的研究

 

水庫蓄水產生的流體孔隙壓力擴散，是水庫誘發地震的重要原因。近年來學術界（Shapiro，1999、 2000；Audiganel，2000；Talwani，2000）提出可以通過地震的空間與時間特徵，來研究流體孔隙壓力擴散的作用，分析孔隙壓力擴散的時間、擴散距離、孔隙壓擴散係數等。

 

中國地震局地殼應力研究所的許麗卿等（2009）研究了汶川地震的餘震序列特徵，他們假設汶川地震是由於紫坪埔水庫蓄水而誘發產生的大地震，則根據流體孔隙壓擴散機制，後續餘震序列應該表現出孔隙壓擴散特徵。初步研究表明，餘震序列沒有表現出水庫誘發地震常見的單一孔隙壓力源觸發地震的特徵，但是地震產生300公里的破裂帶，餘震集中區發生在應力相對較低地區、強餘震持續時間長等特徵又比較符合流體孔隙壓力擴散觸發的一些規律，因此後續餘震可能存在多個孔隙壓力源擴散的問題。通過對相似破裂區餘震活動的分析，許麗卿等發現一些區域的餘震活動是符合孔隙壓力擴散特徵的，說明在餘震活動過程中，深部流體的孔隙壓力擴散起了不可忽視的作用，他們認為這是否與主震後紫坪埔水庫下滲原因有關，還需要進一步研究。

 

由於許麗卿等目前研究的是汶川地震的餘震序列，所以，通過對汶川地震之前的大量小震來進一步研究流體孔隙壓力的擴散，將會對討論紫坪鋪水庫與汶川地震的關係提供更重要的證據。

 

地震剪切波分裂的研究

 

地殼的組成與結構很不均一，因此地震波在介質各異的地殼中傳播時，由於傳播速度的不同，剪切波會分裂成快、慢兩個剪切波列，這兩列剪切波的偏振方向近於垂直。其中快剪切波的偏振方向與當地最大主壓應力方向一致；慢剪切波的時間延遲反映了地殼介質的各向異性程度，並且對裂隙的水壓變化具有很好的反映。

 

四川省地震局的張永久等（2010），利用紫坪鋪庫區台網記錄的2004年8月至2008年5月11日460次1.0級以上的地震資料，對地震剪切波的分裂進行了研究。結果表明，紫坪鋪庫區的快剪切波的偏振方向在2006年10月之前比較分散，在近南北、東西、北東和北西方向都有明顯分佈。自 2006年11月開始，快剪切波偏振方向出現了新的變化趨勢，近南北向的逐漸消失，近東西向的自2007年下半年開始也逐漸減少，北東和北西兩個方向逐漸突出，而這兩個方向恰好分別是龍門山斷裂的走向方向和區域主壓應力的方向。因此，快剪切波偏振方向向北東和北西方向集中這一變化，可能與汶川大地震前區域應力的增加和龍門山斷裂帶微破裂增加有關。

 

張永久等還指出，慢剪切波延遲時間較大的靈隱寺台和八角台正好位於離紫坪鋪水庫最近的庫壩區和庫尾區，而慢剪切波延遲時間最小的油榨坪台距離四川紫坪鋪水庫水域最遠。這是因為靈隱寺台和八角台正好處於水庫蓄放水引起的應力變化較大的區域兩端，而油榨坪台所在位置的應力基本不受水位變化影響。從整個庫區和八角台慢剪切波時間延遲的變化過程分析，慢剪切波時間延遲與四川紫坪鋪水庫水位的升降變化顯示出相關性。每當水位大幅度上升到最大值後，慢剪切波延遲時間隨之增加，水位下降後慢剪切波延遲時間隨之縮短。這個關係也基本符合Gao和Crampin實驗研究的剪切波分裂時間延遲變化與壓力的關係。另外，整個庫區和八角台的慢剪切波延遲時間資料比較離散，而高孔隙流體壓力的劇烈變化會導致時間延遲資料的發散。

 

地震剪切波分裂的研究，也表明紫坪鋪庫區蓄水後至汶川地震前的小震活動，與水庫水位以及流體孔隙壓力的變化密切相關。

 

視應力與視應力標度率的研究

 

視應力是一個動力學參數，它用來表徵地震矩輻射能量的強弱，反映了地震能量輻射效率的高低。視應力與地震矩的關係稱為視應力標度率，它能區別不同的震源物理過程。與水庫蓄水關係密切的地震在震源物理上可能有別于天然的構造地震，這種差別可能反映在視應力標度率上。

 

中國地震台網中心的楊志高等（2010），利用紫坪鋪水庫地震台網2004年8月至2008年2月記錄到的地震波形資料，計算了170個 ML≥1.0級地震的地震矩、拐角頻率和視應力，並且將研究範圍分為核心庫區和週邊庫區，分析了拐角頻率和地震矩的關係以及視應力標度率。

 

結果表明，紫坪鋪水庫的震源參數與其他大陸地區有明顯不同：拐角頻率遠低於其他大陸地區，由於拐角頻率是震源譜低頻和高頻衰減的分界點，當地震矩相同，拐角頻率大意味著高頻成分能量較大，拐角頻率小意味著高頻成分能量較小。而紫坪鋪庫區地震的拐角頻率比通常結果小，表明在相同地震矩下庫區地震波的高頻衰減程度大；視應力比其他地區小3個數量級，也表明庫區地震波的高頻成分衰減強烈，使集中在高頻部分的地震輻射能量被低估。楊志高等指出，地震波的高頻衰減主要是因為水庫蓄水後，增加的載荷影響了岩石的受力狀態，另外

隨著水向地下深處的滲透，增加了地下岩石的孔隙壓力和飽和度，影響了岩石的彈性等物理性質。

 

從蓄水前後拐角頻率、地震矩和視應力標度率的變化來看，核心庫區的拐角頻率和地震矩的關係發生較明顯的變化，對於相同地震矩的地震，蓄水一段時間後拐角頻率變大，地震震源譜的高頻成分相對豐富，這意味著蓄水後，地震震源物理過程的改變直接導致了核心庫區視應力標度率的改變；而在週邊庫區，蓄水對地震矩和拐角頻率的影響不明顯，視應力與地震矩沒有明顯的相關性，蓄水前後視應力標度率變化不大。這種現象可能的解釋是：紫坪鋪水庫的蓄水活動成為了視應力、視應力標度率等的主要影響因素，並且隨著時間推移這種影響越來越顯著，對於範圍遠大於核心庫區的週邊庫區來說，蓄水的影響對於視應力和地震矩的關係沒有被明顯體現。

 

Richardson等（2002）在研究南非礦井深處微震事件震源參數時，發現這些事件可以分為天然地震和與人類活動有關地震兩類。與人類活動相關地震有如下特點：發震時間緊密，空間有叢集性，震源譜上有相對豐富的高頻資訊。Richardson等指出，與人類活動有關的地震在震源物理上主要是整塊岩石的破裂。對於整塊岩石的破裂，設想它們有兩個主要的特點：①地震矩相對較小，因為小尺度岩石破裂相對容易；②高頻成分相對豐富，因為整塊岩石破裂後阻力迅速減小，發震過程相對迅速，使得高頻成分相對豐富。

 

楊志高等因此認為，在紫坪鋪庫區，水位的快速上升和水向深部滲流，在一定條件下可能非常顯著地改變了岩石的物理性質的作用，使得整塊的岩石更容易破裂，這和蓄水之前的震源物理過程有較大差別。蓄水前地震主要發生在已有斷層上，或者說這時候的地震主要表現為克服斷層摩擦力；蓄水之後，原來存在的薄弱岩層在載荷和流體的弱化作用下開始破裂，地震的主要成因是整塊岩石的破裂。整塊岩石的斷裂使斷面阻力迅速減小，產生更多地震能量輻射，表現為地震輻射效率的提高，同樣大小地震矩的地震，蓄水後視應力相對增加，視應力也隨地震矩的增加而增加。

 

楊志高等的研究進一步證明，汶川地震前紫坪鋪庫區的小震群具有水庫誘發地震的特徵，同時還指出了可能存在一種新的震源物理模式，即水庫誘發地震可能是在岩石中產生新的破裂，而不是在既有斷裂面上減小摩擦力觸發地震。

 

汶川地震在大區域沒有明顯前兆是否正好反映了水庫誘發地震的特徵

 

人們在發現汶川地震之前庫區的小震活動出現明顯異常的同時，對汶川地震沒有出現大區域的明顯前兆也感到困惑。中國地震局地震預測研究所的張國民等（2009）指出，在龍門山推覆斷裂帶的構造變形僅為每年1～2mm左右的低速率情況下，孕震過程中震源區的應力呈現為緩慢增長的特性。因此在2001 年昆侖山口西8.1級大震後，在中長期地震趨勢判定上一直把東昆侖的東段作為強震的重點危險區，而沒有估計在龍門山斷裂帶上會發生強震或巨震。

 

中國科學院地質與地球物理研究所的滕吉文等（2009）也指出，根據龍門山斷裂系及其相鄰地域的地質構造展布、GPS速度場測量、遙感影像解釋、干涉雷達變形測量（InSAR）等資料的分析表明：龍門山斷裂系在汶川地震前的近期構造活動和變形測量中均未發現有明顯的變化量。

 

四川省地震局的張致偉等（2009）、程萬正等（2010）都指出，紫坪鋪水庫蓄水以後，庫區出現了小震密集增加的現象，它們與水庫蓄水、放水有關，但從更長時間的地震序列來看，水庫蓄水以後至汶川地震前的地震活動頻次和強度仍未超過其正常變化範圍或幅度，在2003年初也曾出現高頻次的小震活動。 程萬正等認為，這既可能屬於區域長期地震活動的一種起伏，也可能是因為水庫區小震活動異常的“鏈式續增”，引起斷裂帶上巨大能量的提前突然釋放。既然是提前突然釋放，因此汶川地震前孕震過程的階段性特徵以及中短期前兆性地震活動不明顯，典型前兆異常稀少，也是一種可能的存在機制。

 

Bell和Nur（1978）在研究水庫誘發地震時曾指出，庫水浸入可能使斷層的破裂強度降低40％－60％。楊曉源（2009）認為，如果汶川地震是紫坪鋪水庫誘發，那麼在自然狀態下，龍門山斷裂帶距正常破裂強度極限尚有40％－60％的差距，自然會有很多短期與臨震的前兆現象不足，這可能正好說明汶川8.0級地震是因為水庫提前誘發所致。在這種情況下，令人意想不到的汶川地震發震時間、震源位置、稀缺的臨震前兆異常等，就會成為順理成章的事情。

 

汶川地震前其它的一些異常事件是否與水庫蓄水有關

 

雖然汶川地震前沒有出現巨大地震前通常會出現的許多前兆異常，但在現有的地震前兆觀測台站的觀測專案中，仍然有異常出現。

 

據四川省地震局的報告（2008），在四川地區191個地震前兆觀測台站中，汶川地震前出現中期和短期臨震異常的台站有22個，出現異常台站數的比例為11.5 %；在四川地區地震前兆觀測的348個觀測項中，汶川地震出現中期和短期臨震異常的觀測項有26項，出現異常的觀測項數的比例為7.5%。

 

雖然目前還不能斷定，這些異常是水庫的蓄水活動引起的應力變化所致，但值得注意的是，26項異常中，有22項異常是在紫坪鋪水庫蓄水達到高水位之後開始出現的，即是在2005年至2007年開始出現的。這既有可能是受天然應力變化的影響，但這種時間上的“巧合”，也有可能顯示了水庫的蓄水活動帶來的斷裂活動變化。

上述出現異常的觀測項包括：地殼形變—跨斷層短水準形變測量；地殼形變—定點形變測量（地傾斜、洞體應變、重力應變、鑽孔應變等）；地下流體觀測（地下水位、水氡、水溫、汞等）；地電地磁觀測（視電阻率、自然電位差、極距地電場、地磁波谷分裂等）。

 

四川省地震局報告的一些出現在龍門山斷裂帶及附近的重要異常有：

 

位於蒲江縣境內，跨蒲江－新津斷層的形變測量，自2006年下半年以來，觀測曲線波動下降，汶川8.0級地震時曲線下降0.5毫米，斷層壓性活動明顯增強；

 

康定縣姑咱定點形變測量台的石英擺傾斜儀，自2007年12月26日出現東西方向的加速變化異常，持續到2008年4月14日結束；

 

小金縣地下水位觀測站，2006年1至2月的水位明顯低於1997年以來同期水位，2007年6月出現超限異常。2007年11月9～15日，水位持續上升，累計上升達417mm，達到2006年以來的最高值，11月16日水位轉折下降，異常明顯；

 

蒲江縣川－11超深井水位，2006年12月至2007年7月，水位出現大幅度下降，達到1997年以來的最低值，相對2006年7月水位下降了663mm，中期異常顯著；

 

康定縣姑咱海子水氡觀測，2007年10月19日後趨勢下降，至10月27日，8天時間累計降幅超過10%，達到短期異常標準；

 

理縣水氡觀測：2007年11月9日後趨勢下降，至11月18日累計下降已超過18%。之後持續在低值波動，2008年1月後，氡值緩慢回升，4月中旬左右基本恢復到下降前的水準；

 

成都地電阻率觀測台，視電阻率的北東測向自2006下半年開始趨勢下降，2007年4月～10月年變形態消失並持續趨勢下降，2007年11月後至2008年4月，年變恢復正常，但視電阻率繼續維持在低值狀態； 

 

郫縣地電阻率觀測台，距龍門山前山斷裂僅20餘公里，地電阻率從2005年7月開始年變化幅度減小，自2006年8月北東道的地電阻率趨勢性下降，年變形態消失，2008年1月29日轉折，下降時間超過1年半。在整個異常時間段內一直呈持續性下降趨勢。汶川地震前的2008年4月26日～5月6 日出現短期的大幅上升，而從5月6日開始至震前又反向出現了大幅的下降變化，呈現出相對明顯的臨震異常。

 

中國地震局第一監測中心的郭良遷等（2009），根據跨龍門山斷裂帶的七盤溝、耿達、灌縣、雙河、蒲江等五個台站的短水準形變觀測資料，計算斷層垂直運動速率，提取形變異常資訊，發現汶川地震前，月變率大於3倍和4倍速率均值的異常數量在2006年出現峰值，月變率大於2倍和2.5倍速率均值的異常數量在2006年和2007年都出現峰值。

 

中國科學院測量與地球物理研究所的祝意青等（2009），分析了汶川地震前成都地區重力場的演化特徵，發現2004年至2005年重力變化反向，主要表現為由自西向東趨勢性增加發展為自西向東趨勢性減小，以及映秀附近局部重力異常區的出現；2005年至2006年主要表現為北川附近局部重力異常的出現，反映了大震前的區域構造活動劇烈和局部應力集中。

 

水庫能夠誘發震級高達8級的巨大地震嗎

 

歷史上被確認的水庫誘發地震的最大震級為6～7級，雖然從普通邏輯上，這並不能推論水庫不能誘發8級地震，但水庫能否誘發汶川地震這樣的高達8級而且破裂帶長約二三百公里遠遠超出庫區範圍的巨大地震，仍然讓人們充滿疑問。

 

專家們公認，汶川地震是由時間上有先後、地域不同卻又緊密相連的若干次破裂事件組成。據中國地震局地球物理研究所陳運泰的報告（2008），汶川地震破裂的時間過程可分為4個階段，整個破裂沿龍門山斷裂帶由西南向東北擴展，破裂持續時間長達90秒，破裂過程很不規則：0～16秒為第一階段，能量釋放占11%；16～40秒為第二階段，能量釋放占56%；40～58秒為第三階段，能量釋放占28%；58～90秒為第四階段，能量釋放占5%。 

中國地震局地震預測研究所的陳章立等（2009），將汶川地震的餘震活動分為西南和東北兩個區段，測定結果表明，兩個區段的斷裂錯動、震源機制解、應力降以及最大主應力的方向等明顯有別。根據這些特徵和地震應力觸發的研究，陳章立等推測東北段地震的發生可能是由西南段主破裂的發生所觸發。

 

根據汶川地震破裂過程與方式，四川省地震局的楊曉源（2009）、廣東海洋大學的廖永岩（2009）都認為，紫坪鋪水庫誘發的僅僅是汶川地震破裂第一階段的起動地震，汶川地震的後續破裂是在起動地震的帶動下發生的，由於龍門山斷裂帶的能量積累接近強度極限，所以後續破裂更強烈、釋放的能量也更大。廖永岩認為，紫坪鋪水庫誘發的是汶川地震初始破裂點不超過7級的地震。楊曉源還認為，龍門山斷裂帶上由紫坪鋪水庫誘發的一個中強地震引發了鄰近地段的相繼破裂，這一破裂進程印證了“一次大地震是由較小地震觸發帶動的，較小地震又是更小地震觸發帶動的”這一推論。

 

四川省地震局的易桂喜等（2006、2011），通過研究汶川地震前龍門山—岷山斷裂帶的地震活動參數，發現在紫坪鋪水庫蓄水前，龍門山斷裂帶高應力區分佈在綿竹—茂縣一線的東北側，即龍門山斷裂帶的北段屬於未來最可能發生強震的地段，而包括紫坪鋪庫區在內的汶川段，處於中偏低的應力狀態，尚不具備發生強震的背景。

紫坪鋪水庫蓄水後，小震群的活動與b值的降低顯示了紫坪鋪庫區附近應力水準的顯著升高，8.0級巨大地震沒有啟動于原本應力水準較高的龍門山斷裂帶北段，而是發生在紫坪鋪水庫附近，有可能是受到水庫蓄水的影響；而汶川地震的破裂過程，之所以表現出由初始破裂點向北東方向擴展的單側破裂現象，並且破裂延伸達200公里以上，似乎又與原先龍門山斷裂帶北段比較接近破裂臨界狀態有關。

 

一幅正在完成的拼圖及其巨大的挑戰

 

專家們對於紫坪鋪水庫與汶川地震關係的研究還在繼續，但不斷公佈的成果就好象一幅正在完成的拼圖，使紫坪

鋪水庫與汶川地震之間的關係變得越來越清晰。

 

馬文濤等（2011）描繪了這樣一幅圖像：紫坪鋪水庫蓄水之後，在一定的水壓和水滲透作用下，先後發生了水磨震群和深溪溝震群，地震震源深度大都在3～8km之間，在兩年半的時間內多釋放了200%的能量，並且在汶川地震前呈現出加速釋放的現象，引發水磨—廟子坪斷裂局部右旋的小錯動，明顯加速了局部應力場改變的步伐，進一步引起斷裂兩側的都江堰等地的應力集中。在2008年2月都江堰震群發生後，相當於將頂在龍門山中央斷裂帶南段水磨—廟子坪斷裂下的“塞子”去掉，引發了水磨—廟子坪斷裂的整體逆沖錯動，帶動破裂沿龍門山中央斷裂帶逐步擴展，在區域構造應力場的作用下，汶川8級地震的破裂由西南向東北逐漸由以逆沖斷層為主轉變成以走向滑動斷層為主。

 

紫坪鋪水庫與汶川地震，這一前所未有的案例，也給水庫誘發地震的研究領域，提出了許多具有巨大挑戰的科學命題。

 

水利工程專家王維洛曾經指出（2008），科學家面臨的一個全新情況是，紫坪鋪水庫建造在具有強烈地震活動背景的斷裂帶上，在這種情況下，水庫誘發的構造性地震是否還屬於傳統經驗的水庫誘發地震的範疇？

 

人們通常認為水庫誘發地震是地震斷裂帶的應力積累已接近臨界點，水庫蓄水活動僅僅起到觸發作用，但紫坪鋪水庫處於應力積累水準比較低的地區，而且並未出現巨大地震應有的前兆，因此水庫蓄水活動有可能對斷層破裂的發展具有主動的推進作用，水庫蓄水活動是否使休眠的斷層重新復活或是在岩石中產生了新的破裂，而不是在應力積累達到臨界狀態的斷裂上觸發地震？上文已提到Richardson等（2002）、楊志高等（2010）曾提出的一種新的震源物理模式，即水庫誘發地震有可能是在岩石中產生新的破裂，而不是在既有斷裂面上因減小摩擦力而觸發地震。這對於紫坪鋪水庫這一典型案例的研究，具有重要的啟示意義。馬文濤等也指出，在已往的大多數水庫誘發地震案例中，往往存在著不小的前震或越來越多的微震。而汶川8級地震的前震最大只有3.6級，即使對一次8 級天然地震來說前震震級都偏低，因此這有可能是一種斷層的重新活動，所以其前震數量比較少，這可以從有關的岩石力學實驗中得到驗證（馬瑾，1987）。

 

水庫蓄水會使斷層的臨界狀態加速到來或提前到什麼程度？水庫誘發的斷層破裂是否具有不斷加速的鏈式反應？

馬文濤等分析研究了1977年1月至2010年6月川滇及鄰近地區大於MS4.5的124次中強地震，發現汶川地震的發生，並沒有改變地震前原來的構造應力場，而汶川地震破裂過程中由逆沖斷層型為主轉變成走向滑動型為主時，因為斷層面傾角為60°，與構造應力場的最大應力的夾角56°，其摩擦係數等於0.75，所以非常不利於產生滑動。因此，馬文濤等斷定區域構造應力場不是汶川8級地震的初始發震力。由於水磨震群與汶川8級地震初始破裂的逆沖斷層特徵一致，而且龍門山中央斷裂帶南段的兩條分支斷裂—映秀斷裂、水磨—廟子坪斷裂形成向西北凸出的形狀，因此馬文濤等認為，這種凸凹體形成的局部應力場才是汶川8級地震的初始發震力。

 

馬文濤等的這種看法，也對汶川地震是由大區域天然構造應力場的作用而引發的傳統認識，提出了挑戰。巨大地震的初始發震力是否有可能來源於人類活動影響的局部應力場，而不是傳統認為的區域構造應力場？ 

 

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