也谈紫坪铺大坝与汶川地震的关系

前言 很长时间以来，由于国内外反水坝组织的欺骗宣传，不少公众对我国西南地区水电工程的抗震安全性产生了一系列的疑问。近几年来在各种媒体上，国内的反坝组织和人士们，总是不厌其烦的重复（四川省地矿局区域地质调查队总工程师）范晓的这样一个非常有诱惑力的说法“四川岷江上的紫坪铺水库坝高156米，库容9.63亿方，其上游还有一系列的梯级大坝，面对岷江上游曾多次发生7级以上地震的强震区和大规模山崩堵江溃坝的历史背景，一旦类似叠溪、松潘大地震的事件重演，后果将不堪设想。”。 对于这种危言耸听的欺骗说法，我们专业人员虽然已经多次专门写文章予以解释。但是，这些毕竟还都是写在纸上的“笔墨官司”，大家各说各的理由，似乎谁也难以说服谁。实践是检验真理的最好标准。2008年5月12日，就在距离紫坪铺水库17公里的汶川，确实发生了比范晓先生多次威胁说“后果不堪设想的” 松潘大地震还要大得多的8级特大地震。然而，被范晓先生作为论据反复警告的“四川岷江上的紫坪铺水库和上游还有一系列的梯级大坝”，全都安然无恙，无一溃坝。紫坪铺水库不仅没有发生任何“不堪设想的后果”。而且，还在地震中立了大功。例如，紫坪铺水库形成的宽阔水面，为地震后道路的严重塌方和空中气候受阻的救灾提供了可靠的水路保障；震后几天（5月17日）紫坪铺水电站紫坪铺就率先恢复发电，为灾区的抢险救灾提供了巨大的帮助；不仅如此，水库的11亿库容，成为目前危机四伏的众多堰塞湖的最后屏障，保障着整个成都平原免受堰塞湖溃决洪水的威胁。 在“西南地震高发地区不能建设水电站”的危言耸听被铁的事实所揭穿之后，一贯反对我国水电建设的极端环保人士们，为了掩盖自己长期宣扬的谣言被揭穿的尴尬，马上又开始转移方向。因而又开始制造舆论说，汶川特大地震，很可能就是由于紫坪铺水库引发的。为了回答这些疑问，本文将结合以往的一些资料，对水坝建设与地震灾害的关系以及紫坪铺水库的具体情况进行科普性的介绍和一些辩证的分析。 （关键词：紫坪铺 大坝 水库诱发地震） 关于水电站与地震的关系问题，可以分为两个方面考虑：一是地震对大坝安全性的影响，另一个是大坝建成蓄水以后诱发地震的问题。 1.地震对大坝的影响 地震对人类的威胁确实很大。地震对大型水坝的安全性问题一直是水利水电工作者关注的主要问题之一。工程的抗震能力也是我国水利水电工程中的一个重要分支，我国研究水利水电技术的专门机构——中国水利水电科学研究院内设有专门的抗震研究中心，在水利水电工程规划设计方面，国家已经制订了一系列的工程抗震设计规范，每个工程都必须严格遵守，每个工程的修建都必须达到这方面的技术标准。然而，我们关于地震对大坝安全性的影响，也不必过分的担心。 就人类现有对地震的研究水平来看，人们总能够通过已有的地震资料分析和地质勘探，让准备修建的坝址避开强烈的地震的断裂带。同时，通过对坝址的地基处理和坝型选择，也可以大大降低地震对大坝工程的危害。 针对社会各界对我国西南地震高发地区的水电开发表示的担心，我国水坝抗震问题专家，中国水利水电科学研究院抗震研究中心的陈厚群院士在联合国水电与可持续发展研讨会上宣讲了他的研究成果。他指出：为在我国西部开发丰富的水能资源并进行脱贫致富，在高地震区进行高坝大库的建设是难以避免的。并通过研究试验得出结论说：在中国水电的发展中，对高拱坝的抗震安全，并不存在难以逾越的技术障碍。实际上，这一结论公众也应该非常容易理解。现代人类在城市中建筑的很多高楼大厦，从结构复杂性上来说要比水坝的抗震难度大的多。 现代技术既然可以在东京、洛杉矶这些地震高发区放心的建设高楼大厦，就根本用不着担心我们建设水坝的抗震技术和能力。为了水坝建设的安全，我国早就从国外引进的大型振动试验台，目前任何一座重要的大型水电工程，几乎都经过了严格的地震模拟试验。所以，我国这次汶川发生的特大地震，没有一个水坝垮塌。 就我们现有的工程技术水准而言，只要正确的认识到了地震的强度和活动规律，人们完全可以采用相应技术手段解决水坝的抗震问题。 2建坝蓄水对地震的影响 此外，关于大坝引发地震的问题，也是人们关注的话题之一。我们应该承认水库蓄水以后确实会引起一些地震的发生。水库诱发地震也分为两种情况，一种是在原本没有地震断裂带的地区，由于水坝的建设以后形成水库，水库蓄水改变了原来的地应力分布，从而产生了局部地震。这种情况比较普遍，但是，由于水库增加的水体重量通常是均匀的分布在一块较大的面积之上。这种情况就好像是在地表面盖上一床被子，不会产生很大的应力集中的情况，很难因为水体的重力出现使库区的地下岩层发生大规模断裂的地震现象。所以，仅仅由水库蓄水引发的地应力改变所产生的地震，一般都非常微弱，大多数都是3级以下人们难以察觉的微震（国际上也有一种观点认为，这类的地震一般不作为水库诱发地震考虑）。 因水库蓄水而诱使坝区、水库库盆或近岸范围内发生的地震，叫做水库诱发地震。根据精确定位的水库诱发地震的震中资料证明，震中位置均分布在坝区、水库库盆及近岸地段范围内，距库边线一般不超过3～5千米。坝区和库盆及其周边岩体中，有活动性断裂构造或者现代岩溶作用发育，断裂带或岩溶管道系统与库水有直接的水力联系，蓄水前有可靠的历史和现代地震记载，水库蓄水后就会诱发新的地震。按工程地质条件来分类，水库诱发地震具有不同的成因类型，主要有岩溶塌陷型和断层破裂型。其他类型的诱发地震震级很小，不会对大坝和周围环境造成危害，因此一般不作过多的研究。 熔岩塌陷型的地震一般也都不会产生强震，所以，水库诱发大地震的主要是断层破裂型地震。有些水库蓄水地区原来就是强地震区，有明显的地震断裂带存在，地球板块的缓慢运动使得原有的地应力积累就已经孕育着地震。在这种情况下由于水库蓄水打破了原有的平衡，导致了地震的延迟或者提前发生。这种情况下发生的地震，其危害程度主要取决于原有的已经积蓄的地震能量。水坝蓄水可能只是引发或者说触发地震，而不是造成地震。而且，水库的水体重量本身，也不可能制造出如此之大的能量。 3、水库诱发地震有助于降低地震强度的机理分析[next] 断层地震的产生主要在于地应力的积累、变化使断层产生了突然的破裂或者错动。而断层地震的发生条件就在于不同方向的地应力的合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。相反，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，同时地震产生后的能量也比较低低。所以说决定地震爆发时能量强弱的关键在于断层之间的摩擦力。从这一点上看，由于水库蓄水后将会加大地下渗流，水的侵润只能使原有的断层之间摩擦力降低。所以，水库引发的地震一般都会起到加快原有地震地区地震发生的现象，同时，还有减小原有地震地区的震级的作用。 显然，这种蓄水导致提前发生的地震，只是把原来该地区正在积蓄的地震能量提前释放，所以，水库诱发后的地震一般都会比原来自然发生的地震震级低、破坏性减小。根据各国的实际观测的情况也是如此，很多水库建成以后都会引发地震，但是这些地震往往都是震级很小，次数频繁。根据世界各国的记载并得到国内外地震、地质专家普遍承认的水库诱发地震约70~80起。绝大多数水库诱发地震的震级小于里氏5级，属于弱震或微震；较强的水库诱发地震不到总数的20％，其中5.0～5.9级的中等强度地震仅为十几例， 6.0～6.5级强度地震仅6例。目前世界上已记录到的最大的水库诱发地震为6.5级，1967年12月发生在印度柯依纳水库。 迄今为止，只有两例水库诱发地震对大坝局部地段造成较大的损害，一个是我国的新丰江水库（6.1级），一个是印度的柯依纳水库，坝址处地震强度均为8度；经抗震加固后，至今都在安全运行。也就是说，迄今为止，世界上尚未发生因水库诱发地震而使大坝失事的实例。这次我国紫坪铺水库经受了烈度10级的强烈地震考验，充分显示出了我国大坝抗震水平又跨上了一个新高度。 4、紫坪铺大坝与汶川地震 根据水库诱发地震的分类和定义，我们可以发现，此次汶川大地震从震级和震中位置上都不符合水库诱发地震的基本条件。首先汶川地震的震级高，水库的水体自身的重力是极为有限的，它不可能释放出如此之大的能量。其次是距离振中的位置离水库较远。国际上发生水库诱发地震的现象，主要是在水库库盘附近。 再说紫坪铺水库相对来说还只是一个较小的水库，其有限的水体影响，一般不应该引起17公里之外的地层发生如此之大的变化。 此外，既然水库诱发地震的机理，是由于水库的蓄水引起来的，因此，水库诱发的地震，一般都应该发生在水库建成后初期蓄水不长的时间内（世界上的普遍情况也确实都是如此）。而且，既然是由于水库蓄水后增加的压力变化引发的地震，所以，水库诱发的地震显然都应该发生在水库蓄水位较高、压力较大的情况下。然而，这次汶川所发生的特大地震，既不是发生在紫坪铺水库蓄水的初期（2005年蓄水），也不是发生在水库较高水位的情况下（目前正值汛前，正是水库水位较低的时段）。上述这些情况，都与水库诱发地震的机理相矛盾。 最近，社会上也有一种比较有欺骗性的说法认为“紫坪铺大坝是水泥面板堆石坝，坝高156米，水库总库容11.12亿立方米。虽然紫坪铺水库的总库容只是三峡大坝工程的不到三十分之一，但是紫坪铺水库增加的蓄水位高和三峡水库是同一数量级的，都超过100米，增加的水压力超过每平方米100吨。水库蓄水越高，诱发地震的可能越大，地震震级越高。紫坪铺水库诱发地震的可能性绝对不会亚于三峡水库。”。 其实，我们只要仔细一分析这种说法，就会发现它根本就是不成立的。根据流体的性质没有一个水库的水体可以独立的存在于地面上，所有的水库都必须要有库岸。而形成库岸的岩体、山峰的比重，肯定会比水体的比重要高。这些人只注意到了“水头都超过100米，增加的水压力超过每平方米100吨。”，但是没有想到原来水库周围山体肯定要高于水库蓄水的水体，其对地壳的压力很可能是每平方米超过1000吨。因此，所有的水库蓄水的结果，都必然是消除原有的地球地壳受力不均，减小应力集中的好现象。这恐怕也是为什么一些真正由水库蓄水引发的微小地震，有时也非常容易发生在水库水位突然降低之后的根本原因。总之，地球表面的受力不均是自然界普遍存在的客观现象，实际上，这些重量的差异对于地壳来说，几乎是微不足道的。人们所担心的百米水头，绝对没有超过我们普通建筑工地的机械打桩对地壳的作用强度，根本就不足为奇。所以，单纯水库蓄水造成的地震，肯定都是非常微弱的。 还有人用房屋上积雪过多，会突然压塌房屋比喻水库诱发地震。这种说法似乎有一定的道理，不过这种地震的类型应该属于熔岩塌陷型。实践证明熔岩塌陷型的地震能量极为有限，最多只能产生中强地震，不可能产生强大地震。况且在一般情况下，熔岩空洞很难做到绝对的真空、隔水，水库蓄水后一般都会渗入溶洞，蓄水的同时也要增加溶洞内的水压力。在这种情况下不管我们在上面增加多少水量，都不会影响溶洞原有的稳定。因此在大多数地区，即使有大量的地下溶洞存在，通常也不会因为水库的修建而产生塌陷。 以上水库蓄水对地震的影响极为有限的看法，也得到了国内外地质地震学者的普遍支持。例如，我国这次汶川大地震发生之后，世界著名华裔地质学家，加拿大蒙特利尔大学工学院嵇少丞教授，针对有人怀疑说“这次地震是三峡大坝蓄水造成的”回答说： “这些说法都是没有什么科学根据的。这次地震与人为因素和环境因素完全无关，正像我昨天说的那样，它是印度大陆板块向北漂移并和欧亚大陆板块碰撞挤压，所引起的一系列造山运动的必然结果。我这样来形容一下吧，印度大陆就像一架巨型的推土机，往北使劲地推，推起了青藏高原，当青藏高原增高到一定的高度后再也推不动了，其下地壳的物质就被挤向东移，碰到了坚硬的四川盆地地壳，形成了北东走向的龙门山。青藏高原和四川盆地的交接部位——龙门山破裂带注定是地震的高发区。任何人为破坏因素和环境变化因素全加起来，也达不到这种造山运动所能产生的能量。这次汶川7.9级大地震释放出来的能量相当于四、五百颗原子弹同时爆炸，在一分钟之内在地壳岩石中形成一条深10到12公里，长300公里的大破裂。水库蓄水和地下核爆炸最多也就能诱发3级以下的地震，而8级地震所产生的能量是3级地震的一千多万倍。” 总之，目前世界上有记录的水库诱发地震，最高的也只有6.5级。这也许就是世界上有几十万座水坝，至今尚未有一起因为地震造成的垮坝事故的原因。现在，多年的事实使很多学者逐渐认识到，即便是在地震高发区修建的水库也并非就一定是坏事，在很多情况下水库诱发地震，有助于地震能量的提前释放，对于减小地震灾害的破坏性还有积极的作用。 遗憾的是我国这次汶川发生的特大地震，不是由于水库触发的地震。假如，我们早在几年前真的在震中附近建造了大型水库，又具备了各种巧合的因素，触发了汶川大地震的能量提前释放。或许这次地震发生的时间就会提前，但震级肯定会有所减轻，损失恐怕也不会像今天这样惨痛。因为水库诱发出来的地震，非但不是水库制造出来地震，而且还有可能通过提前释放地震能量，减小原有地震的震级。这个道理从能量守恒原理上来看，也非常明显，正是因为水库修建后，通常总能够导致小地震的频繁出现，因此，势必会减少地震集中释放时的能量。