水库诱发地震研究进展

常廷改，胡 晓

（中国水利水电科学研究院 工程抗震研究中心，北京 100048）

1 引言

水库诱发地震是由于水库蓄水或水位变化而引发的地震。水库诱发地震有两个基本要素，一是由水库蓄水而引起的地震，二是地震发生于人工水库的邻近地区。水库诱发地震问题始于1940年代，但直到1962年中国新丰江水库发生6.1级、1963年赞比亚－津巴布韦卡里巴（Kariba）水库发生6.25级、1966年希腊克里玛斯塔（Kremasta）水库发生6.3级和1967年印度柯依纳（Koyna）水库发生6.5级4个6级以上的水库诱发地震震例后，才引起了人们足够的重视。

中国水利水电科学研究院从事水库诱发地震研究始于1970年代初，1974年，沈崇刚等［1］发表了“新丰江水库地震及其对大坝的影响”一文，初步探索了新丰江水库地震的成因，并指出改善大头坝坝体抗震性能的建议。此后，中国水科院在水库诱发地震研究领域一直走在前列。1984年，夏其发等［2］发表了“试论水库诱发地震的地质分类”一文，依据工程地质条件，对水库诱发地震类型进行分类，评价了不同地质类型水库诱发地震的可能强度。1990年代，汪雍熙等［3］对水库诱发地震危险性预测研究评价体系进行了总结，苏锦星［4］将灰色类聚、GIS等数值模型引入到水库诱发地震危险性预测评价中。2012年，夏其发等［5］的《水库诱发地震评价与预测》一书出版。2006年，中国水科院参与编写《水库诱发地震危险性评价》（GB 21075-2007），2012年主持起草《水库诱发地震监测技术规范》（SL 516-2013）。2017年9月，承担的“十三五”国家重点研发专项“300 m级特高坝抗震安全评价与控制关键技术”，将水库诱发地震机理与判别准则作为重点研究方向之一。

2 水库诱发地震强度特征、分类和影响因素

2.1 库水诱发地震强度特征 据不完全统计，目前国外已有109座水库发生了水库诱发地震［6］，我国发生水库诱发地震的水库共有37个（见表1）。

表1 我国水库诱发地震震例基本参数汇总

水库诱发地震的震级以弱震、微震为主。全球范围内水库诱发地震震级超过Ms6级的只有4例，各档震级统计占比见图1。从图1可以看出，无论是全球范围还是中国国内的水库诱发地震，小于Ms4.5级的地震占70%～80%，是大多数。

图1 水库诱发地震强度统计

水库诱发地震有别于一般构造地震，是一种独特的地震类型。在时间、空间、强度和序列特征及震源机制等方面具有自己的特点。总结国内外水库诱发地震的一般规律，其主要特征如下［5］：（1）在空间上，震中分布在水库周围，一般距库边线不超过10 km，位于河谷第一分水岭范围内。地震震中在空间上基本在几个特定的区段重复发生。震源深度极浅，一般3～5 km或仅几百米甚至于近地表。（2）在时间上，发震与水库蓄水过程密切相关。一般水库蓄水后或数月后开始出现微震，一年或几年后发生主震。由于每个水库的蓄水过程长短不一，同时发震部位不一样，加之地质条件上的差异，因此从开始蓄水到发震以及到发生主震的时间间隔不尽相同。（3）在强度上，多数属微震，少数发生中、强地震。但由于震源极浅，水库诱发地震的震中烈度一般均较同震级天然构造地震高，不少Ms为2～3级的诱发地震的震中烈度就达Ⅴ度，3级以上诱发地震震中烈度达Ⅵ度的例子亦不少，对水利工程的安全造成很大威胁。从统计看，最高震级约为6.5级，震中烈度达Ⅷ度。诱发地震的频度和强度随时间的延长呈明显下降的趋势。（4）在震源机制上，水库诱发地震主要有两种震源错动型式。一种是倾向滑动，滑动面倾角较陡，主压应力轴接近于垂直，即相当于高角度的正断层错动型式。另一种是走向滑动，滑动面亦很陡，主压应力轴接近水平，即相当于陡倾角的平推断层型式。逆断层错动型式的机制极少。Gupta［7］在总结水库诱发地震的一般特征时指出，有利于水库诱发强震的地质环境是：正断层环境，库体位于断层下降盘，区域上曾经有火山活动，存在灰岩等易溶岩类。（5）在波谱特征上，水库诱发地震的高频能量丰富，多数伴有可闻声波。国外有观测到优势频谱为70～80 Hz甚至更高的报道。（6）按古登堡-里克特震级频度关系式lgN=a-bM，表征水库诱发地震的震级-频度关系的b值较同样震级的天然构造地震的b值偏高。水库诱发地震一般具有b值大于1（或接近1），Mm（主震）减M（最大余震）小于1，M/Mm近于1，衰减系数P小于或等于1的特点。

2.2 水库诱发地震的分类 目前，对水库诱发地震大致可从以下3个方面进行分类。

（1）根据成因的不同，可将水库诱发地震分为3种类型：①构造型。由库水穿过或邻近库区已处于临界状态的发震断层而诱发的水库诱发地震；②裂隙型。库水引起地表岩体应力调整而产生的浅层微震；③岩溶型。由于水库蓄水引起的岩溶洞穴、岩溶管道、地下暗河的围岩等出现的重力失稳。

（2）根据反应时间不同，将水库诱发地震可分为3种类型：①快速响应型。水库开始蓄水或水库水位的迅速变化，地震活动频率立即增加。快速响应型地震是地壳在水压力作用下产生弹性形变而诱发的；②滞后响应型。水库蓄水运行一段时间后才出现主要的地震活动。滞后响应型地震是在水的渗透过程中，孔隙水压力增加，有效应力降低而诱发的；③延续型。水库运行多年后，库区仍然保持原有的地震活动频率和强度。滞后响应型地震活动主要源于孔隙水压力向地幔层传播，而快速响应型则与地质弹性应力及应力变化有关。

（3）根据序列特征不同，可将水库诱发地震分为2种类型：①前震-主震-余震型。有明显的前震期，时间长达一年或数年，构造型水库诱发地震多为前震-主震-余震型；②震群型。序列多，没有明显的主震，但可有几个活动高潮期，非构造型水库诱发地震多为微震群型。

2.3 水库诱发地震的影响因素分析

2.3.1 水库诱发地震与坝高的关系 在109个国外水库诱发地震震例中（见表2），坝高超过100 m的水库有66例，占发震总数的60.55%，其中发生Ms≥6.0级地震的有3例，占发震总数的2.75%。地震强度为Ms5.9～4.5、Ms4.4～3.0和Ms＜3.0级地震的占比分别为30.28%、31.19%和35.78%，说明水库诱发中等强度以下的地震，与坝高的关系不明显。

在我国37个水库诱发地震震例中（见表3），坝高超过100 m的有22个，占发震总数的59.46%，其中发生Ms≥6.0级地震的有1例，占发震总数的2.7%，这与国外的统计特征基本一致。坝高超过200 m有4例水库诱发地震的震例，震级大小为中强震或微震。在37例水库诱发地震震例中，地震强度为Ms5.9～4.5、Ms4.4～3.0和Ms＜3.0级地震的占比分别为27.03%、37.84%和32.43%，这样的比例关系亦与国外基本相当，没有显著的变化。诱发弱震和微震的震例共26个，占总数的70.27%，说明了在我国水库诱发地震仍以弱震和微震为主。

表2 国外水库诱发地震与坝高的关系

表3 中国水库诱发地震与坝高的关系

2.3.2 水库诱发地震与库容的关系 国外有库容参数的水库诱发地震震例共计107个，依据库容大小按5档进行水库诱发地震统计，结果见表4。从表4可以看出，库容大于1亿m3的水库诱发地震震例有91个，约占总数的85%，其中库容9.9亿～1.0亿m3有33个，占比30.84%，库容99.9亿～10.0亿m3有38个，占比35.51%，两者合计占到总数的2/3。小于1亿m3和999.9亿～100.0亿m3的水库诱发地震震例各占总数的15%。库容大于1000亿m3的水库诱发地震震例有4个，占比不到总数的4%，但均诱发了弱震以上级别的水库诱发地震，其中1个Ms≥6.0级，2个在Ms5.9～4.5之间。

表4 国外水库诱发地震与库容的关系

依据库容大小按5档对我国水库诱发地震进行统计，结果见表5。从表5可以看出，我国37个水库诱发地震震例，库容大于1亿m3的水库诱发地震震例有32个，约占总数的86.5%，其中库容99.9亿～10.0亿m3有15个，占比40.54%，库容大于100.0亿m3有9个，占比24.32%。在9个库容大于100.0亿m3的水库诱发地震震例中，有1个水库诱发地震的强度Ms≥6.0级，3个在Ms5.9～4.5之间。

表5 中国水库诱发地震与库容的关系

从水库诱发地震强度与库容的关系来看，在库容大于100亿m3的29个水库诱发地震震例中，诱发Ms≥4.5级地震的有12个，诱发Ms 4.4～3.0级地震的有10个，Ms＜3.0级地震的有7个。这说明水库诱发地震的强度与水库库容的大小存在一定的关系，即：水库库容越大，诱发中等强度以上地震的概率就越高。

2.3.3 水库诱发地震与地震活动背景的关系 在国外109个水库诱发地震震例中，在蓄水前有地震活动情况资料的有79个（见表6），蓄水后发生在强震区和地震活动区的共30例，Ms≥6.0级的有1例，大部分水库诱发地震都发生在无震区或弱震区。在水库蓄水前为无震区的共计35例，占总数的44.3%，其中Ms≥6.0级的有2例。总体来看，在地震活动区所诱发地震的强度一般不超过甚至略低于天然背景值，而在弱震区或无震区诱发地震的强度则明显高于背景值。

表6 国外水库诱发地震与地震活动背景的关系

表7 中国水库诱发地震与地震活动背景的关系

在我国37个水库诱发地震震例中（见表7），发生在地震活动区的只有7例，占比为总数的18.92%。发生在弱震区和无震区的有30例，占总数的81.08%。与国外不同的是，我国在蓄水之前为弱震区的，诱发地震震例的占比最大，达到51.35%，且在诱发中等强度及以上的10个震例中，处在弱震区的就有7个，占比高达70%，诱发地震震级Ms≥6.0级的新丰江水库蓄水之前亦为弱震区。

从国内外水库诱发地震震例可以看出，水库诱发地震的发生，与当地历史地震活动水平的对应关系不明显。现今地震活动区，应力水平应当较高，水库蓄水所产生的附加荷载对原始应力的改变可能微乎其微。而在弱震区或无震区，应力水平相对较低，水库蓄水所产生的附加应力有可能打破原有的应力平衡，从而导致地震的发生。

2.3.4 水库诱发地震与岩性的关系 在国外109个水库诱发地震震例中，其中97个水库诱发地震震例有震中区的地质资料。根据岩体的性状分为三类，即：块状岩体、层状岩体和碳酸盐岩。块状岩体包括火成岩和变质岩；层状岩体包括页岩、砂岩、泥岩和碎屑岩等；碳酸盐岩包括灰岩、白云岩和盐岩等。国外97个水库诱发地震震例与岩性的关系统计结果见表8，我国37个水库诱发地震与岩性的关系统计结果见表9。

表8 国外水库诱发地震与岩性的关系

表9 中国水库诱发地震与岩性的关系

从表8可以看出，水库诱发地震的发震机率与库区的岩体性质有关，震级的大小与岩体的强度有关。块状岩体的发震机率最高，共57例，占58.76%；从震级强度来看，亦是最高，Ms≥6.0级以上有2例。说明岩体强度越高，积累的应变能越大，一旦岩体破裂，释放的能量也越大。层状岩体和碳酸盐岩的震例分别为19个和21个，占比基本相当，但碳酸盐岩中等强度以上地震的占比明显大于层状岩体。从表9可以看出，我国碳酸盐岩发震的机率最高，共有19个，占比51.35%。发生在块状岩体的有13个，占比35.14%。在震级强度上，与国外的统计结果基本一致。

3 水库诱发地震机理与判别标志

地震中的能量释放是地球内部复杂的地球物理过程作用的结果。国内外许多震例的实际资料表明，水库蓄水确实能引起水库诱发地震。尽管对于水库诱发地震形成机理的探讨十分热烈，各种新设想、新论点层出不穷，而且大多数研究者一致承认库水在引发水库诱发地震方面起着重要的作用，但是由于水库诱发地震的复杂性（涉及地震、地质、水文、环境等多门学科），震例的有限性和不确定性，以及水库诱发地震的背景呈现多样性，加上水库诱发地震的机理难以用实验方法模拟或验证，目前对这一物理过程的理解还十分有限，其成因机理仍未完全明了。

水库蓄水对库区地震活动的影响，主要可以归纳为水体荷载作用、孔隙水压力扩散作用和库水对岩石的软化弱化作用等3个方面。水库诱发地震的物理机制可以概括为4种：（1）应力增强机制，认为水库蓄水所增加的荷载会导致岩体中应力增强，一旦超过岩体自身强度即引发地震；（2）强度弱化机制，认为水库蓄水后水头升高引起地下孔隙水压力升高，导致滑动面有效应力减小而引发地震；（3）岩体弱化机制，认为水库蓄水向深部岩体扩散过程中，水体会软化和弱化岩体，导致滑动面摩擦系数降低而引发地震；（4）局部应力集中机制，认为库区岩体结构和介质建造的不均匀性和各向异性，控制着蓄水过程地应力和孔隙水压力的分布，导致局部应力和孔隙水压力的高度集中，从而引发地震。

3.1 水体荷载作用 水体荷载作用是指水库蓄水产生的附加应力（压应力和剪应力）变化破坏地壳应力平衡，引发断层错动从而发生水库诱发地震的过程。

Carder［8］首先阐述了水库诱发地震可能是由水体荷载作用引起的观点，指出米德湖（Lake Mead）的水体荷载导致了该区域原有断层重新活动。Nikolaev［9］指出大型水库的水体荷载可以释放地质能量，即在水的重力作用下，以地壳沉陷作用释放重力位能转变为弹性应变能和地震能。Gough等［10-11］、Snow［12］、Beck［13］、Withers等［14］等研究了水库蓄水的荷载作用对水库诱发地震之影响，认为除在最大主应力垂直区域外，荷载作用基本上起稳定作用，并指出了不同构造条件的不稳定部位。梁青槐等［15］根据摩尔-库伦破裂准则，利用库区应力摩尔圆的移动和半径的变化以及岩石破裂线的变动，分析了库区不同区域的诱震机制，指出水库诱发地震易发生在断裂带及其附近，断层穿过库心正下方时会大大增加诱震的危险性，并建议分级蓄水以减小诱发快速响应型地震的可能性。陈顒［16］讨论了正断逆断层、走滑断层与水库荷载的关系，指出水库蓄水作为施加在地面的荷载，在地下深处将出现有助于走向滑动断层和正断层运动的附加水平拉力，所以水库诱发地震多是走向滑动或是正断层型的地震。

Talwani［17］、雷兴林等［18］以及Ge等［19］均认为，只有最大主应力垂直且蓄水前库区地应力已处于临界状态的情况下，水库蓄水才可能诱发地震。李碧雄等［20］指出：由于库区基岩体介质的不均匀性，水体荷载所产生的附加应力场、形变场的形状相对库轴并不对称，在断层处产生的垂直位移迅速增加，除了库岸区域存在附加张应力区之外，在断层中同样形成了附加张应力区，增加了断层的不稳定性。如果初始应力与附加张应力平行，附加张应力可以部分抵消断层面上的正应力，使正应力摩尔圆向左移动，更易与破裂线相交，从而使构造应力更易于造成断层滑动。因此这些附加张应力区是诱发地震的重要场所。

3.2 孔隙水压力作用 水库蓄水后，随着库水位的上升，库岸边坡的地下水位也相应上升，将会对原本在地下水位之上的岩体施加一个附加的孔隙水压力增量，这个增量的出现，会使得岩体中不连续面上的正压力减小，从而有可能产生破裂滑动引发地震。

Hubbert等［21］对流体压力在断层中所起的作用进行了研究，提出了孔隙水压力增加使岩石强度降低的岩石破坏理论。Bell等［22］应用Boit饱水多孔介质线性准静态弹性理论，研究了二维半空间均匀介质和含断层介质在荷载作用下的强度变化，发现渗透性均匀介质中出现一弱化带，而在有高渗透断层带分布介质中，弱化带的宽度加大，强度显著下降，认为水库蓄水引发地质体弹性压力增加导致岩石孔隙度降低，从而使饱和岩石中孔隙流体压力增加，孔隙水压力变化引起流体运动，他们指出这一过程是水库蓄水引发地震的可能原因。梁青槐等［23］基于Biot耦联固结理论，推导出二维饱水弹性岩石介质的应力耦联微分方程，并应用有限元法和有限差分法分别对其进行了空间和时间的离散化，应用提出的模型分别计算了水库蓄水引起的附加应力场、孔压场和形变场，并对它们的分布特征作了综合分析，还讨论了断层带和蓄水速率对水库诱发地震的影响。沈立英等［24］应用改进的Boit固结理论计算了新丰江水库诱发地震，认为该水库诱发地震的发生是应力-孔隙水压力耦合作用的结果。

Talwani等［25］根据水库与震中距和滞后时间估算了Monticello水库蓄水后的水力扩散系数，认为孔隙水压力扩散造成断层面摩擦系数降低以及介质强度降低在诱发地震中起到主要作用。Gupta［26］通过在美国Bad Creek水库和印度柯依纳水库的观测数据推算了水力扩散系数，认为孔隙水压力变化对“触发”水库诱发地震有重要作用，水库蓄水有可能造成同一个断层上某些部位失稳，而另一些部位趋于更加稳定，还指出相较于各向同性岩体，各向异性岩体中孔隙水压力的变化会造成更大的剪应力变化。易立新等［27］认为，水库蓄水后，两种作用引起库盆基岩孔隙水压力升高，一是岩体的压缩变形作用；二是库水在岩体中渗流，引起流体压力的扩散。目前孔隙水压力对水库诱发地震的影响研究，均是基于Boit固结理论，没有考虑岩体的各向异性对孔隙水压力系数的影响。

3.3 库水对岩石的物理化学作用 许多研究者认为，库水的入渗可促使构造破碎带中软弱结构面产生泥化、软化、润滑和腐蚀等作用，从而降低软弱结构面的强度和摩擦系数。由于库水的渗入，使裂隙发生扩展，于是基岩中原本不连续的微裂隙被贯通，并逐步向深部发展，再加上应力腐蚀和基岩弹性变形使库区局部出现应力集中，从而导致蓄水后库区地震活动性增强。Talwani［25］对Monticello水库诱发地震进行计算和分析，认为正是由于库水入渗导致了断层摩擦系数由地质学上公认的0.6～0.8降低为0.2～0.4。

3.4 构造型水库诱发地震的判别标志 构造断裂型（增强亚型）水库诱发地震是对水电工程影响最大的一类，也是国内外研究最多的类型。主要发震条件归纳为如下5条［5］：（1）区域性断裂或地区性断裂通过库坝区；（2）断层有现今活动（Q3以来）的直接地质证据；（3）沿断层线有可靠的历史地震记载或仪器记录的地震活动；（4）断裂带和破碎带有一定的规模和导水能力，有可能成为通往地质体深处的水文地质结构面；（5）断裂带与库水直接接触，或通过次级旁侧断层、横断层等与库水保持一定的水力联系。前3条是诱发构造型水库诱发地震的基础，第4条指必要的水文地质环境，第5条则反映了库水作用的途径和方式，它们构成一个整体，运用时必须统一考虑，综合分析。

3.5 岩溶塌陷型水库诱发地震的判别标志 夏其发等［2］总结归纳了岩溶塌陷型水库诱发地震发生的主要条件：（1）库区有大面积碳酸盐岩分布，其中包括某些地层厚度较大，且质纯的厚层块状灰岩；（2）现代溶岩作用发育，可见明显的岩溶管道系统，蓄水前已有天然岩溶塌陷或岩溶区地震的记载；（3）一定的气候和水文条件；（4）合适的岩溶水文地质结构条件。前3条标志描绘了可能发生岩溶塌陷型水库诱发地震的大环境，而第4条则是判断发震库段和具体部位的关键标志。

3.6 地表卸荷型水库诱发地震的判别 夏其发等［28］对美国蒙蒂塞洛水库和我国浙江乌溪江水库诱发地震进行了详细分析，认为这两个震例是由于库水深入库盆以下岩体的卸荷松动区或卸荷应力场与构造应力场之间的过渡区，降低了不连续结构面上的正压力，或促进了裂隙端部的应力腐蚀，导致卸荷应力场的局部调整及地表卸荷作用的进程加快而伴生的微震效应，称之为地壳表层卸荷型的水库诱发地震。

4 水库诱发地震预测

水库诱发地震的预测是根据库区的地质环境、地应力状态、孕震构造、岩体的导水性、可溶岩分布及喀斯特发育情况、发震机理等初步判定可能发震地段。根据发震断层的长度、喀斯特发育程度、已有震例的工程类比或参照区域地震活动水平进行初步估计水库诱发地震的强度。目前水库诱发地震危险性评价与预测主要分为定性方法（工程地质类比法）、半定量方法（概率统计法，模糊数学，神经网络算法等）以及综合性方法三类。

4.1 工程地质类比法 在水库诱发地震研究的早期，主要是依据专家的个人经验，定性推断水库蓄水后发生地震的可能性，给出最大可能震级的上限，并提出有关设防的建议，主要用于水电建设前期工作。于品清等［29］运用地质类比法对发生过地震的50座水库进行分析，指出水库诱发地震一般分布于构造、岩性、水文地质条件同时具备的部位，在多数情况下张性断裂和张扭性断裂对水库诱发地震的发生具有重要意义。夏其发等［30］根据现场地质调查和测震资料，运用地质类比法对乌溪江水库诱发地震地质背景、库区地质环境、震中区地质条件和水库诱发地震特征等进行了分析论证，认为在水库诱发地震的勘测研究中，通过深入查明区域地震地质背景和各库段的具体地质条件，结合国内外已有震例资料，运用地震地质类比法，按照不同成因类型分别评价水库诱发地震的可能发展趋势。于品清［31］通过对三峡水库结晶岩、沉积岩分布区水文地质结构面渗水性、导水性和聚水性的分析，证实它们基本上不具备发生水库诱发地震的条件；发育于各类火成岩中的北东-北东东向断裂诱震条件较好，发生水库诱发地震的可能性较大。由于工程地质类比法缺乏普遍公认的研究方法和判别准则，往往采取比较保守的态度，不必要地加大抗震设防的安全裕度，很多情况下难于得出具有说服力的结论。特别是一些地震地质条件比较复杂的工程，意见纷繁，莫衷一是，长期争论不休，个别情况下甚至成为影响工程最终决策的因素之一。

4.2 半定量方法

4.2.1 概率统计法 水库诱发地震预测的概率统计方法主要是根据已发水库诱发地震的观测资料，对不同水库的库容、水深、坝高、地形、地质构造、地层岩性、水文地质条件、区域地震活动背景和地震时空分布特征等参数进行统计分析，从而对水库诱发地震做出评价和预测的方法。这种对观测现象的经验识别又可称为水库诱发地震的诱震条件判断与类比预测法。统计模型只适用于指标明确，信息完全的情况。这类预测模型采用的统计方法是建立在古典等可能概率的基础之上的，统计样本的代表性对计算结果影响很大。当统计样本大，且具有良好的代表性时，可以粗略地估算水库诱发地震的可能性，但当统计样本量较小的时候，代表性较差。此外，在影响因子及其指标的选取上，难免有人为主观的影响，这也对计算结果的准确性有一定的影响。

4.2.2 模糊数学法 目前对水库诱发地震的成因机制及各影响因素之间的关系仍不是很清楚，大部分指标很难用确定的数量关系给以确切的描述。或者可以认为，对于目前人类的认知水平来说，水库诱发地震成因机制及其评价和预测是一个模糊的问题，而模糊数学正是研究界线不分明甚至是很模糊的问题的数学工具。苏锦星［4］利用模糊关系中的等价关系，对水库诱发地震样本进行聚类，量化库深、构造应力环境等8种诱震因素及每种因素的3种状态，由此建立模糊等价矩阵。近年来仍有不少学者提出改进的模糊数学模型来研究水库诱发地震活动，邹乐乐等［32］根据水库诱发地震与所在地区社会经济系统交互作用的机理，提出了由危险性、易损性、减灾能力和灾情4个子系统组成水库诱发地震综合风险系统，结合专家咨询信息，采用遗传模糊层次分析法进行筛选，从而建立了水库诱发地震综合风险评价指标体系，为构建水库诱发地震综合风险预警系统提供了技术基础。

4.2.3 神经网络法 许强等［33］运用神经网络理论中改进的BP算法，根据不同的资料和不同的诱震因素，建立了两个水库诱发地震震级预测的神经网络模型。通过具体实例分析表明，运用神经网络预测水库诱发地震能够反映各因素间复杂的非线性关系，并且预测准确度较一般的统计学方法更高。夏金梧等［34］将三峡库区划分为31个预测单元，根据不同的诱震组合条件组成35种方案，选用8个影响因子，运用改进的BP算法对三峡水库诱发地震强度进行了预测。刘素彦［35］考虑到BP神经网络具有容易陷入局部最小点的缺点，提出将具有较强全局搜索能力的遗传算法用来优化神经网络的权值和阈值从而建立改进的水库诱发地震危险性评价模型，并利用基于GIS的三峡库区及其周缘地区的水库诱发地震网络监测数据进行模型验证。

4.3 综合性方法 该方法以区域工程地质、构造地质、水文地质和水库诱发地震监测综合分析为基础，并依据世界水库诱发地震资料的对比分析，总结出构造断裂型、地表卸荷型与岩溶塌陷型三种主要水库诱发地震类型的判据。在此基础上，总结了水库诱发地震前期论证工作中的经验和最新进展，参照我国确定地震基本烈度及进行地震小区规划的现行方法和国内外的地震危险性分析方法，并充分考虑水库诱发地震自身的特殊规律，提出了一套逻辑上比较严密，工作步骤上充分程式化的水库诱发地震危险性评价方法，使获得的成果能与天然地震危险性评价具有可比性和相近的可信度。这个方法立足于对工程所处地质环境的深入分析，以及兴建水库对该地质环境可能造成的扰动的科学评估之上，在大多数情况下避免了夸大水库诱发地震给工程带来的危害；另一方面，它采用工程地震学中常用的方法进行估算，能有效地从上限框住水库诱发地震对工程可能造成的极限影响，具有足够的安全裕度。

4.4 水库诱发地震预测与验证 通过对水库蓄水后5～8年库区地震监测成果的系统分析，即可对水库诱发地震预测结论进行检验，探讨水库诱发地震危险性预测成果的可信度。隔河岩、二滩、三峡、向家坝和溪洛渡等大型水利水电工程，经过前期水库诱发地震危险性评价，重点库段诱震条件的详细论证和水库诱发地震的类型和强度预测，完善的监测系统建设和水库蓄水前后详细的监测资料，有条件对水库诱发地震的预测成果经过水库蓄水后数年的地震监测数据，对其进行检验。预测成果和水库蓄水后实际情况对比见表10。

表10 我国几个水库诱发地震预测意见及与实际发震情况的对比

通过表8可以看出，水库诱发地震危险性关于岩溶型水库诱发地震预测，从发震的区段和强度，经过水库蓄水后数年的水库诱发地震监测数据检验，基本上是可靠的。对于预测可能发生中等强度以上构造型水库诱发地震，大部分区段水库蓄水后并未发生地震，个别区段发生了构造型水库诱发地震，但地震的强度未超出预测的水平，尤其如二滩水电站，经过近20年的地震监测，库区震情一直保持平稳。说明对于构造型水库诱发地震的预测过于保守，有待通过对已发生构造型水库诱发地震的区段，从构造、地层岩性、新构造运行特征、现今地震活动性、岩体的导水性能以及与水库蓄水影响等多方面详细研究，提高构造型水库诱发地震危险性预测水平。对于地表卸荷型水库诱发地震，从实测的地震数据来看，强度一般不超过2.0级，对当地的居民影响较小。

5 水库诱发地震监测

我国水库诱发地震的监测起步于1960年代初，至目前为止大体上经历了人工值守观测、非专用无线遥测组网、水库诱发地震专用遥测、综合观测和数字地震遥测［36］4个阶段。

（1）人工值守观测模式，采用观测地方性天然构造地震的短周期地震仪来监测水库诱发地震，主要有新丰江、南水、大化、鲁布革、铜街子、岩滩、宝珠寺、潘家口以及三峡早期等水库。鲁布革水库使用573型地震监测设备。

（2）非专用无线遥测组网模式，采用观测天然地震的无线遥测设备，主要有新丰江（改造后）、龙羊峡、丹江口、漫湾、水口和天生桥一级等水库。

（3）水库诱发地震专用遥测模式，采用模拟无线遥测组网，使用适合于水库诱发地震观测的宽带遥测设备，配置高采样率的地震数据采集和实时处理设备，采用计算机实时处理地震基本参数和人机交互处理等，台网的规模一般达5～9个子台，中心部位的微震监测能力高达ML0.5～1.0，主要有二滩、大桥、隔河岩，小浪底、三峡前期、龙羊峡（改造后）和李家峡等水库。

（4）综合观测和数字地震监测模式，采用测震、形变、地下水等多项手段监测水库诱发地震，并使用最先进的数字化地震监测技术。已建成的主要有三峡、漫湾（改建）、乌江流域、龙滩、锦屏一级、百色、小湾、糯扎渡、瀑布沟和金沙江中下游12座水电站等几十座大型工程均采用第四代数字化地震监测技术。

汶川地震后，为了规范水库诱发地震监测技术工作，以及通过诱发地震监测记录的及时处理与分析工作做出诱发地震震害评估、预测，判别是水库诱发地震或天然地震提供科学依据，采取相应的应急措施，减轻和防止震害的进一步扩展和次生灾害的发生，水利部颁布了水利行业标准《水库诱发地震监测技术规范》（SL 516-2013），要求对坝高大于200 m或总库容大于100亿m3的大（1）型水库，台站布局需满足以下要求：（1）重点监测区：控震能力有效地震监测下限定为ML0.5级，震中定位精度1 km；（2）一般监测区：控震能力有效地震监测下限为ML1.0级，震中定位精度2 km。（3）必要时，可视具体情况增加地形变、地应力等监测手段。

随着规范的实施，水库诱发地震监测台网的布局更趋合理，积累了大量数字化的地震波形资料，为水库诱发地震机理研究打下坚实基础。

6 水库诱发地震机理研究新进展

6.1 水库诱发地震机理研究 近20年来，我国一批高坝大库相继蓄水发电，在蓄水过程中，库区范围发生了不同以往特殊震情的有珊溪、小湾、龙滩、三峡、锦屏一级、向家坝和溪洛渡，但引起社会广泛关注的是紫坪铺水库与四川汶川8级特大地震关系。在分析研究其地震成因时，由于在发生断裂附近有紫坪铺水库的存在，有部分学者因此认为本次特大地震的发生是由于紫坪铺水库蓄水所诱发的。雷兴林等［18］定量分析水库蓄水过程对附近断层的作用并结合详细的地震活动统计分析，初步探讨了紫坪铺水库与库区附近龙门山断裂带的地震活动之间的关系以及与汶川地震发生机制，认为“紫坪铺水库在其蓄水过程中对其地下的龙门山中央断层和山前断层作用明显”。周斌等［37］研究了紫坪铺水库水库诱发地震时空演化与库水加卸载及渗透过程的关系，重点计算了在库体荷载作用下产生的弹性附加应力场，以及在库体荷载和附加水头压力扩散耦合作用下产生的有效附加应力场，并在不同断层上分别设置了观察点，观察水库动态加卸载过程中的孔隙水压力响应及断层稳定性变化，认为水库诱发地震的发生与库水加卸载及渗透过程中库底岩体有效应力的变化密切相关。

也有学者认为四川汶川8级特大地震与紫坪铺水库无关。程惠红［38］就水库对构造活动的影响及作用机理进行了研究，在考虑地形、断层几何形状、构造区物性、水体荷载、断层弹性荷载和水库地质背景等综合因素，应用孔隙弹性耦合三维有限元模型计算了水库蓄水对库区断层、不同震源深度处及地震震源处动态变化孔隙水压力、库仑应力、应变场及应变能变化的影响，讨论了扩散系数等地质构造物性参数对计算结果影响，并分析了典型水库诱发地震的机理，认为紫坪铺水库蓄水对库区断层、岩层应力调整较小，对汶川地震发生影响不大。汪雍熙等［39］通过对紫坪铺水库蓄水前后库区地震活动规律的对比、水文地质条件以及地震序列特征等研究，认为汶川地震不是水库诱发地震的结论。

从上述的分析可以看出，不同学者都从不同的思路出发，所得出的结果完全不同，这也说明水库对天然地震的影响，尤其是中等强度以上的地震，在机理认识上仍莫衷一是。对于汶川地震震源深度达14 km，震源区高温、高压的环境下，水库荷载的弹性附加应力场以及水体的扩散作用所依据的数学方程是否适用，这也许是导致水库影响多解性的重要原因。迄今为止，对水库诱发地震机理有4种基本认识：（1）库水荷载引起库区形变，产生了增量应力场；（2）库水渗透增大了岩体孔隙水压力，导致断层面有效应力的减小和抗剪强度的降低；（3）库水对库区岩体的物理和化学作用，如应力腐蚀等导致断层与裂隙弱化；（4）对处于临界状态的闭锁段由于库水的作用而触发地震。

6.2 水库诱发地震波谱特征研究 21世纪以来，全数字化地震监测技术广泛应用于水库诱发地震专用台网，并且对已有的模拟台网进行了数字化升级改造。具不完全统计，目前我国处于正式运行状态的水库诱发地震专用台网多达50余个。对于水库诱发地震波谱特征的研究，目前处于初步探索的阶段，主要分析水库诱发地震与天然地震、矿震和爆破等在周期、P波初动、面波、体波和拐角频率等方面统计分析，或者用采用时频分析理论处理非平稳信号的时间—频率域分析的方法，研究水库诱发地震与天然地震在波谱特征上的不同。但由于样本的局限性，其结论是否具有普适性，也有待进一步的验证。

7 结语与展望

水库诱发地震问题涉及到多个学科领域，包括地震学、地质学、岩石力学、地下水动力学、弹性力学、流体力学、地球化学以及地震社会学等等。虽然随着水库诱发地震监测技术、超算能力、地壳深部构造及岩体性状特征、水库荷载变化的发展等有清晰的认识，但对于震源区的各项参数均处在推测、反演、假定等阶段，到目前为止还缺乏实测的可靠数据。因此，水库诱发地震机理问题仍是当今需要技术攻关的重要问题之一。

7.1 水库诱发地震波谱特征及判别准则研究 （1）以往对水库诱发地震的研究主要基于模拟地震记录，从地震活动性、地质构造、诱震条件和水文地质等方面研究的较多，而从地震波方面研究的较少，尤其是利用数字地震波研究水库诱发地震的甚少。今后可利用丰富数字地震波记录，着重研究水库诱发地震和天然构造地震的波谱时频特征，并以此尝试作为识别水库诱发地震的一种依据。（2）前人研究水库诱发地震波谱时一般使用傅里叶变换，它是一种全局变换，不能刻画信号频率的变化过程。而时频分析方法恰好弥补了其不足，可以对信号进行更细化的局部变换，以便在时间-频率域上同时表示信号特征。运用当今较前沿的处理非平稳信号的时频分析理论对水库诱发地震和天然构造地震波谱进行分析。尽管已有学者将时频分析方法用到地震信号处理中，但大部分是基于小波变换的应用，尚未有人将其用于研究水库诱发地震的波谱特征。从研究方法看，小波变换是一种线性时频变换，今后将使用双线性时频分析方法中的WVD、SPWVD分布，吸收现阶段波谱分析的最新研究成果，能更准确地描述和揭示地震信号的时频特征。（3）通过揭示水库诱发地震与天然构造地震波谱时-频特征的差异，获得地震波位移谱特征及能量时频分布特征等特征量，在此基础上有望发展成为一种识别水库诱发地震的新依据。

7.2 水库诱发地震机理研究 通过大量的研究发现，要想做到真正准确、科学识别水库诱发地震，找到其不同与天然构造地震的准确物理量还是较困难的，因为水库诱发地震类型中本身就包括构造的因素，只不过是水起到了诱发的作用。甚至在不同的水库、同一水库诱发地震的不同时段和不同库段、库区周围的地震活动等各类因素都会使诱发和构造的成因相互交替。随着水库诱发地震监测技术、数据处理与分析手段的不断进步，再加上关于库区构造、地层岩性、水文地质、区域构造应力场、渗流场和地形地貌等基础信息详细勘测，对发生在库区范围内地震震源区的构造、岩性及在库水位变化的情况下对期产生的影响，通过震源的空间分布特征、震源随时间、随库水位变化的迁移规律以及通过震源机制解所提示的震源区应力状态等，综合分析地震发生的背景及其影响的因素。

在上述深入分析的基础上，构建库区三维有限元模型，在进一步了解岩层深部高温高压条件下，岩体性态和水体运动规律的基础上，研究库水位、库容变化和变化速度共同作用下对震源区应力场的改变，以及触发破裂应具备的条件。尽可能多的研究不同区域的水库诱发地震，不断积累震例特征，从不同地区的水库诱发地震波谱特征中提取共性点，对其进行定量化描述和可靠性检验，只有这样才能得到比较全面、可靠、合理的结果，才能更科学地解决水库诱发地震的识别问题。通过多学科交叉，归纳、演绎与类比模拟，更深入地研究水库诱发地震的机理以及水库诱发地震与构造地震波谱时频特征差异的机理，为水库诱发地震的预测和趁势判断进一步增加科学依据。