秭归地震:三峡工程之过?
3月27日和3月30日,湖北省宜昌市秭归县郭家坝镇连续发生两次地震,震级分别为4.3级和4.7级。由于这两次地震的震源深度分别仅有7公里和5公里,属于浅源地震,而且震中位置相距不足1000米,因而引发不少公众担忧:这些地震,是不是由三峡工程蓄水引起的?
水库诱发地震不鲜见
“这两次地震,与三峡工程水库蓄水有一定联系,但并不直接相关。”针对公众的担忧,中国地震局地震研究所水库诱发地震研究室主任王秋良告诉记者,“这是因为,在修建三峡工程之前,秭归县就发生过5.1级的地震。对这一区域的地质研究也表明,这里存在发生一些小地震的断层。而且,水库诱发地震的案例在世界上并不鲜见,科学界已经摸索出了判断水库诱发地震与构造地震差异的方法,所以我们能够根据这两次地震表现出来的特征,判断它们属于‘构造型水库地震’。”
现代意义上的水库和水电站出现在人类进入工业时代之后,就人类历史而言算得上是一种新生事物。所以,能够有确切证据证明是由水库蓄水引发的地震,也都只发生在现代社会。
在中国,最著名的水库诱发地震是20世纪50—60年代的新丰江水库诱发地震和1973年的丹江口水库诱发地震。位于广东省河源市附近的新丰江水库,早在1959年秋天开始蓄水之后不久,其周边就出现了地震活动。1962年3月,这里发生了6.1级(一说6.4级)的强烈地震。丹江口水库在1970年1月蓄水后的大约15年间,也诱发了大量地震。其中,1973年南阳市淅川县宋湾发生的4.7级地震,即是由丹江口水库蓄水诱发的。
“相比于天然地震,水库诱发地震有一些明显的特征。”王秋良说,“首先,它肯定是在水库附近发生的,也就是在水库周围5—10公里的范围内,特别是5公里之内。其次,水库诱发地震的震源深度特别浅,几乎接近地表,这就赋予了它极高的烈度;或者说,相比于同样震级的天然地震,水库诱发地震的破坏力往往更大。1973年的丹江口水库诱发地震能够为人们所铭记,很大程度上是因为这场震级并不高的地震,给淅川县带来了巨大的损失。除此之外,对于专业人士来说,如果将水库诱发地震的地震波,与同一区域修建水库之前发生地震时的地震波,或者没有水库的干旱内陆地区发生地震时的地震波进行对比,可以看出明显的差异。”
水库诱发地震的震级都不会很高。到目前为止,全球范围内超过6级的也仅有4例,分别与中国的新丰江水库、埃及阿斯旺高坝工程、希腊克里马斯塔水库和印度柯伊那水库有关。但因为烈度较高,水库诱发地震仍然是水库规划和设计时最重要的考虑因素之一。
压死骆驼的一根稻草
在研究水库诱发地震的过程中,人们不断地探索水库诱发地震的原因。有一种观点认为,库水对地质结构的作用,成为引起地震的关键。
“有一个成语叫做‘压死骆驼的最后一根稻草’,用以比喻看似不起眼的事物,有可能成为影响局面的关键因素。”中国地质大学工程技术学院教授孙进忠解释说,“水库诱发地震的原理与此类似,那就是在本来存在一定地震可能性的地方,水库中的水扮演了‘稻草’的角色。”
在天然地震中,最为常见的是构造地震,也就是由于岩层断裂,发生变位错动,在地质构造上发生巨大变化而产生的地震。“而水库蓄水之后,随着蓄水水位上升,水的质量突然增加,改变了水库和周边的地质条件。如果水库周边原本就存在一些可能导致地震的脆弱的岩层,此时折断或者错位,就会引发地震。”孙进忠说,“至于很多人对大型水库工程诱发大规模地震的担忧,则没有什么必要。只有在水库周边的区域已经酝酿着一场大地震的情况下,水库才可能诱发大规模地震。但这种情况是极为罕见的,到目前为止在世界范围内都没有发生过。”
王秋良也告诉记者:“水库诱发地震的过程,通常从库水的渗透开始。正如中国古语‘水滴石穿’所言,在水库蓄水的过程中,巨量的水会渗透进岩层中的缝隙,其质量施加给岩层的压力,会让裂缝扩大,并涌入更多的水。对于原本堆叠在一起的岩层,水会发挥‘润滑剂’的作用。这就像在冬季结了冰,而且冰层稍稍融化的道路上拖动石材,会非常省力一样。水的润滑让岩层之间的结合不再那么紧密,乃至有可能出现滑动,从而诱发了地震。”
库水润滑是决定因素
不过,对于库水润滑和库水质量诱发地震的说法,中国工程院院士许绍燮给出了不同的观点。作为新中国第一次水库诱发地震研究的亲历者,他认为水库诱发地震尽管可能与库水的压力或润滑作用有关,但这并非主要原因。
许绍燮回忆说,在新丰江水库地震频发,并引起公众恐慌之后,中国科学院奉命组织了考察队进行实地研究,他是这支考察队的两名副队长之一,负责在现场布设科研仪器,使之连成观测网络。“当时,我们就像是走进了‘地震的世界’,总会和地震‘亲密接触’。在整个研究期间,我们使用当时最先进的电子地震仪,记录了几十万次大大小小的地震。”
据许绍燮介绍,在20世纪60年代,对于新丰江水库建成后地震频发的事实,学界大体有3种观点。“第一种观点认为那只是独特的构造地震,通过连续的小规模地震释放能量;第二种观点认为库水的润滑导致了地震。第三种观点是我提出来的,因为我发现比较强的地震往往在库水从高位回落的时候发生。所以我认为,正是水位下降对岩层的‘减压’,使岩层原本承受的压力被释放出来。”
随着世界范围内的地震记录不断完善,许绍燮的观点得到了一些有利的证据:在一片广阔的区域里,比如整个欧亚大陆,级别相近的地震,其震中大体会等距分布;而且,相距较远的两次地震,也不一定全无关联。这就像从两侧挤压一块放在桌上的布,布上面会几乎同时出现若干褶皱一样。地壳运动产生的压力会传递的事实,为了解水库诱发地震提供了全新的视角。
“如果用某种机械从两端挤压一根木棒,它会从中间断裂开来。但在木棒周围放上某种坚固的保护材料,它就能暂时承受更高的压力而不会断。不过,只要将保护材料移走,木棒就会立刻干脆地折断。”许绍燮说,“水库诱发地震的机理与此类似,当构造力通过岩层传到水库附近的时候,如果水库里装满了水,就犹如保护材料的围压很大,使水库岩体可承受更高构造应力而不破裂。但若水位从高位下降,即围压减小时,那么原来额外‘储存’的部分地应力就会立即被释放出来,导致了地震。
三峡的安危无需担忧
随着人们逐渐了解水库诱发地震的本质,现代水利工程也得到了更多的科学依据作为基石。所以,尽管今年3月底的这两次地震,就发生在距离长江大约4公里的地方。但在专业人士看来,公众不仅不需要感到恐慌,也不必为三峡大坝的安危担忧。
除了人类在地球物理领域的科研积累,仅仅是在修建三峡工程之前的漫长岁月里,几代地质学专家就已经对库区的地质条件进行过深入的研究。
早在1958年,在今天三峡工程的坝址所在地三斗坪,就已经建起了比较完善的地震研究台网,监测那里的地震活动,为以后上马三峡工程进行准备。因此,到20世纪90年代三峡工程开工的时候,中国已经积累了数十年的有关当地地震活动的数据,对地质条件,比如溶洞和断裂带的分布也比较清楚。
“基于这些数据,当年的学者给出了预判,在三峡工程竣工并完成蓄水之后,库首区(秭归县附近)存在发生5—5.5级地震的风险,而库坝区可以保证安全。”王秋良说。
针对三峡工程可能引发的地震,在兴建三峡大坝和库区移民时,有关各方已经做好了预防措施。三峡大坝被建筑在精心选择的一处花岗岩上,这种风化程度极小的岩石,可以有效防止大坝受到地震影响。不仅如此,为了减少水流对大坝的冲击,三峡大坝本身和坝前区域都进行了特别加固,使它能够抵抗剧烈地震而不至于崩溃,确保下游的城市、城镇安全无忧。
而在三峡移民工作中,各个“新城”也做了大量准备工作以应对地震。在可能发生水库诱发地震的区域修建的新居民区,不仅建筑物的抗震等级较高,而且开辟有大量用于紧急避难的空地。即使遭遇烈度较高、产生较大破坏的地震,人们也能顺利地从建筑物中逃生,并前往紧急避难场等待救援。