水库地震科普更需要专业工作者的参与

2015年11月7日（宜昌）张博庭在《第五届全国水工抗震防灾学术交流会》的演讲

　　前言

   　 512汶川地震之后，我国水电建设的发展阻力，除了原来的移民、环保之外，又多了一个抗震问题。很多人(包括一些政府部门)都担心，我国西南地区是地震的高发区，在那里建水坝难以保证安全。因此，我国西南地区水电开发中，必须要解决好水库地震几个科普问题。包括：

1、地震高发区建设水坝的安全性能否保证？

2、水库地震的能量是我们人为的吗？

3、水库地震的震级到底能有多大？

　    我今天的演讲，主要就是要探讨这几个科普问题。

　　一、地震高发区的水坝安全可以保证

　    美国的洛杉矶、日本的东京、中国的唐山，都是地震高发区，地震工作者为什么敢在那里建高楼大厦呢？就是因为他们掌握和运用了当代的科学抗震原则。

　    这个原则就是： ----  工程建筑物可以抗震，但不能抗（断）裂。

　    中国地震局地质研究所，国家地震活动断层研究中心的负责人徐锡伟总结认为：地震破坏有两种基本类型和对策，分别是：

　    1地面振动导致的地面破坏 --对策是工程措施

　    2断层错动导致的地面破坏 --对策是避开断层

　    徐锡伟还举例强调，台湾集集地震在丰原镇形成3米多高的地震断层陡坎,位于断层之上的楼房由于错动而发生倾斜,但附近距断裂仅2米远以外的另一楼房完好无损。

　    总之，科学的抗震必须要强调：要安全，首先是躲开活动断层，否则的话即使是不太大的地震，建在同震错动层上的建筑物也会垮塌。而躲开了断层之后，其建筑物的安全性如何，主要是取决于该建筑物自身的抗震能力。

　    我国以前的民用建筑，一般没有抗震的考虑，所以，即使不大的地震损失也非常大。而发达国家的情况却好得多。然而，在水坝建设方面，由于我国的起步较晚，在抗震方面的考虑，比发达国家一点都不差。

　    我国的唐山经历了76年的大地震灾难之后，现在已经完全建成了一座崭新的抗震型城市。唐山的地震的活动断层，现在是城市中的绿化带。在断层之外，所建筑的房屋只要达到了相应的抗震标准，就不会在未来的大地震中再出现灾难性的后果。

　    徐锡伟所长还介绍说，目前他主持的关于全国城市地震断层的普查的"973"项目已经完成。今后我国的城市的建设，将会严格遵照"躲开断层，加强工程措施抗震"的原则，极大的提高我国建筑物的抗震水平。

　    与城市建筑物的抗震标准不同，我国的水电建设一直都有类似"躲开断层、加强抗震"的严格要求。所以，不仅我国512大地震的区域内，二千多座水电站大坝没有一座出现了垮坝事故，就是在全国，至今也没有发生过一起因为地震而垮坝的事故。

　    不过，今后在我国的西南地区，不仅建设的水库大坝更高（300米级），而且那里的地震的强度也更强。所以，我们在座的水库地震科技工作者，身上的担子还是非常重的。因为，我们工程技术人员对于某些重大的工程，必须要在某种程度上保障水坝的绝对安全。

　    常言都说"失败是成功之母"，但这句话在一些极为重要的工程上却不能适用。例如，切尔诺贝利、福岛的核事故之后，很多国家纷纷宣布"弃核"。可以设想，如果我们所建设的某个高坝大库，也出现了严重的垮坝灾难，那么社会各界对我们水库大坝的排斥态度，也是不可避免的。

　    理论上说，只要我们做到"躲开断层，加强抗震"我们就能保障大坝的抗震安全。

但在具体的工程上，我们对活动断层探测是否能做到准确无误？我们对具体的大坝所设立的抗震标准，是否足够科学可靠？却是一个非常重要的关键。

　    我们在座各位的工作，以及我们今天的学术交流就是要通过交流和探讨，解决好这方面的问题。例如，我觉得今天上午张楚汗院士在演讲中提出的"地震高烈度不宜建设高土坝"的意见，是不是可以说就是一项具体的大坝抗震的经验、方案或者说是措施呢？

　    总之，我们专业的科技工作者的责任，就是需要用自己的精益求精的工作和成果，对公众进行科普。

　
　　二、水库地震的能量来自积蓄中的天然地震

　    水库地震绝不是水库蓄水压出来的地震，水库地震的能量主要来自该地区自天然的地震。一般的人，听说三峡的水库蓄水总重量高达3百多亿吨，就觉得大水库特别恐怖。

三峡水库蓄水392亿，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，汽车行驶不会压出地震来，那么水库蓄水怎么可能压出地震来呢？按照国家地震局的分类，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。构成人工地震的爆炸所产生的压强和能量密度，至少要比水库蓄水高出数百倍。

　    有人说，别管作用在多大的面积上，但水库水体的总重量大。这种说法的逻辑并不充分，例如，一场大暴雨洪水的水总量可能有上千亿，对地壳造成的总压力比水库蓄水还要大的多。但是，我们谁听说过"洪水可以诱发地震？"

　    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。

不过，由于水库的上表面一定是水平的，所以，在单位的地壳面积上，水和土体的总体积应该是相等的。

  显然，水少的地方岩土就多，水电多的地方岩土就少。由于岩土的比重大于水，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，多么深的水，也不可能压出构造地震来。（有可能压出来塌陷型的地震，不过那种地震的震级不可能太大）

    总之，水库诱发构造地震的机理是渗流作用。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，水的浸润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）。

   2.1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。（在某些特定条件下，压力可能会造成塌陷性地震，但一般震级都不大。)

　    首先，我们不要知道构造地震产生的原因，是地球的板块运动受阻。当地球上大陆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，就发生构造地震。

   水库诱发地震的机理在于，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、变化使断层产生了突然的破裂或者错动。断层（错动）地震的发生条件就在于，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。

  一位加拿大的地质学者曾把构造地震的这种特点，通俗的总结为"强岩强震、弱岩弱震、软岩无震"。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。由于水库的蓄水（相当于高压注水）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。所以才会诱发出正在继续中的构造地震。

   2.2全面、科学的认识水库地震的利弊

  根据构造地震"强岩强震、弱岩弱震、软岩无震"的特点，水库蓄水的结果，可解释为：蓄水有可能通过裂隙的浸润产生了强岩变弱、弱岩变软的效果。从而有 可能使得原来地壳中正在积蓄的地震得以爆发。

  总之，水库蓄水要么对原有的天然地震没有影响，要么提前释放了正在孕育中天然地震的能量。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，人们无法控制。因此，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，曾有这样的解释"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。"

 不过，最近美国的页岩气开采所采用的的水力劈裂法，有时候也不可避免的产生和水库地震一样的诱发积蓄中的地震，提前释放地震能量的作用。所以，现在的美国公众也必须重新面对诱发地震的问题。

　　三、水库地震的震级一般都不会太大

  由于地壳的构造，是一个随着深度的不同，从固态到液态的渐变的过程。在地下十余公里处地层通常都会有一个"脆韧转换带"。任何缝隙的渗流，都不可能通过这个脆韧转换带。因此，我们断言水库渗流的影响深度是一定有限的（一般不可能超过10公里）。

  另一方面，在地壳（小于10公里深度）的表层，板块间的摩擦力，也不可能积蓄起太大的能量。

据统计地球上8级以上的地震，从来也没有发生在地下10公里以内的情况。所以，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，同时还具有提前释放了地震能量的作用。

　　结论：关于水库地震的科普要点

　    要点1：理论上现代科学技术完全可以保障在地震高发区建设水库大坝的安全性。但实践中关键要还看我们具体的专业工作者，工作的水平如何？

　    要点2：水库地震的能量来自天然的构造地震。构造地震是不可能被水库压出来的，但却可能会因为断层处的渗流诱发。因此，水库地震的发生，有弊也有利。

　    要点3：水库地震的震级一般不会太大，且可以具有提前释放地震能量的减灾作用。

　    上述结论说明，要搞好水库地震的科普，消除公众对水库地震的一些误解，除了要充分了解当代的科技水平，加大科普宣传的力度之外，还需要我们在座的各位，努力做好自己的本质工作，不断提高我们水电工程的抗震水平。对于像水库地震这样关系国计民生的重大工程而言，我们甚至可以说，相关的专业工作者做好本职工作，保障我们的水库大坝的抗震安全，才是更重要的科普。