新丰江水库大坝

凌晨异象

12月21号凌晨1点，广东多地仍未入睡的人在床上感到了一阵晃动。

这种感觉对于广东人而言并不寻常。

很快，大家从网上找到了答案：在河源东源县附近发生了3.6级地震。

河源地震的新闻报导

近段时间，随着形势的转变，社会焦点几乎都集中于新冠疫情，河源地震并未引起太多的关注。对于那些亲历者而言，更像是大背景下的插曲而已。

然而，这起地震却有其不普通的一面——它的震中发生在河源市著名景点万绿湖，即新丰江水库的库区区域。

万绿湖景区（新丰江水库库区）

震中位于新丰江水库库区

自新丰江水库建成至今，万绿湖已遭遇了数以千计的有感地震，而且大多发生在水库大坝的附近。

地震大多发生于水库大坝的附近[1]

这些地震的发生是巧合，还是与水库之间存在着某种冥冥的联系？

本次地震与以往这些地震又有什么联系吗？

人工地震

在上世纪早期以前，从未有人会将地震与水库建设联系起来。那个时候，地震更多是被看作一种纯粹的自然力量。

直到60年代，随着水库的大坝越建越高，很多水库在蓄水期就发生了大型地震，才逐渐有人注意到了两者的关系。经过一系列研究，这种由水库建设所引起的地震后来被称为“水库诱发地震”（Reservoir Induced Seismicity）。

新丰江水库就是其中典型的例子。

新丰江水库工程始建于1958年，通过设置一座高105m，长约440m的大坝将新丰江的水在东江交汇点附近拦住，在坝后蓄水形成一个约50万公顷的人工湖水库。

大坝平面位置

大坝立视图[2]

坝体采用的是支墩大头坝形式，相比起重力式坝，是一种比较节省混凝土的做法。在当时国内百废待兴、物资短缺大环境下，也不失为一种合理的考量。

支墩大头坝的典型示意图[3]

1959年大坝建成后，于同年10月开始蓄水。在蓄水过程中，地震开始频繁发生，并随着水位的上升越来越强烈。在1960年7月发生更大的4.3级地震后，相关部门赴现场进行了调查研究。根据调查结果，大坝于1961年3月开展加固工作。

1960年7月4.3级地震

1962年3月，在大坝加固工作即将完成之际，库区发生了有史以来最大的6.1级地震。这可能是世界上首次超过6级的水库诱发地震。

1962年3月6.1级地震

最终，大坝不得不进行二次加固，并降低了设计水位。二次加固后，库区仍继续发生大大小小的地震，但未再超过6.1级。

加固后的大坝，支墩间隙基本已被混凝土填满

水库诱发地震并不太常见。据统计，在全球所有水库大坝建设过程中，确认诱发过地震的比例不足0.1%。

那么，新丰江水库为什么会成为其中之一？

“最佳”建设点

目前对水库诱发地震的研究还比较有限。不过，基于现有的成果，这类地震的发生离不开两大关键因素。

首先是水库区域必须存在地质断层。

理论上，或者教科书上，一般都会讲水库选址时应避开断层。无奈的是，实际中水库的“最佳”选址往往伴随着断层。

在决定把水库大坝建在哪里时，工程师比较倾向于选择以下地方：

（1）狭窄的山口。从下面图片的对比可看出，建立一座同样高度的大坝时，左图中的大坝将会比右图更加节省材料；

狭窄的山口更节省材料

（2）山口上游为宽阔的河谷。可想而知，山口上游的河谷越宽阔，大坝蓄水后的库容量将越高。

蓄水后，左图的库容量明显大于右图

若上两者同时成立，那将是一个“最佳”的水库建设点。回看新丰江水库的选址，它明显就是一个典型。水库大坝建在了河源亚婆山最窄山口之一；大坝上游蓄水形成的万绿湖，面积达到了50万公顷。

然而，恰恰就是这种特征的地貌，地层中大概率存在着断层。

我们都知道，断层是地质构造运动的生成物，如果一个区域的地层完全没有经历挤压、扭转等运动，它就不会有断层的存在。

如果一条河流经没有构造运动的区域，理论上河流在此区域的宽度、水深将保持一致。想要形成像新丰江水库这种上游为宽阔河谷，下游为狭窄山口的地貌，一般是河流上游地层被抬升的结果。最终，上游抬升的地层与下游未抬升地层的交界面将会形成一条垂直于河流流向的断层。

“最佳”建设点的地质成因

根据1960年4.3级地震发生后的调查，水库区域分布有多条断层，其中最主要的两条是人字石断裂与河源断裂。它们均为北东走向，垂直于河流流向。当河流流过断层后，均出现了山口收窄的现象，正正反应了上面分析的“最佳”建设点必有断层的理论。

河流越过断层后，出现山口收窄的现象[2]

水的威力

有了断层之后，还要有能渗入断层的水。

下面图片来源于经典的雪茄盒杂技，中间的盒子通过两侧盒子施加适当的压力固定在中间。当用力不当，两侧的压力过大或过小时，中间盒子很可能就会崩出或脱落。

雪茄盒杂技

水对地层的影响也类似。存在构造活动的地层可以看作是被断层分开的一个个“雪茄盒”，在发生地震之前，这些以断层为界的块体在一定压力下保持了稳定平衡。当水库开始蓄水时，它开始从两个方面对地层产生负面影响。

一是随着蓄水位的增高，地层受到了越来越大的压力，相当于中间的“雪茄盒“被压得越来越紧；二是水库水体通过岩石裂隙渗入到断层中产生水压，使断层被润滑，相当于中间的”雪茄盒“越来越松。

水压对地层的影响

无论松还是紧，最终结果就是地层块体在断层处的压力平衡被打破。当达到一定程度，地震就会发生。

可见，水库建设诱发地震并不是天方夜谭。在满足两个关键条件的情况下，地震的发生将变成大概率事件，甚至是高烈度的地震。如2008年四川发生的8.0级汶川大地震，有部分研究就认为与附近不久前完成蓄水的紫坪铺水库有关，紫坪铺水库建设提前触发了汶川潜在的大地震[4][5]。

紫坪铺水库与汶川地震震中的空间关系

紫坪铺水库大坝

本次地震

那么，12月21日发生的地震与60年前建成的新丰江水库是否有关系呢？

从以下三点来看，这次地震大概率也是新丰江水库诱发的众多地震之一。

（1）本次地震的震中位于库区西北侧，靠近西北侧多发地震的区域；

震中靠近多发地震区域[6]

（2）地震烈度3.6级，震源深度不超过10公里，符合常规水库诱发地震的特征。由于水库施加给地层的重量沿深度方向会扩散，压力传递到深层位置处造成的影响已非常微小，因此水库诱发地震震源发生于深部地层的机率十分有限。

新丰江水库近年的震源深度统计[6]

（3）本次地震的震源深度符合近年发震趋势。在水库刚建成的1960年代，震源深度大多集中在5~7公里，随着水压不断往深部地层的发展，震源的平均深度也在缓慢加大，现状基本已发展至8~9公里左右的深度范围。

震源深度的发展趋势[6]

可见，自60年前水库工程建成而来，至今库区仍在发生地震，包括这一次。

有人可能会问，地震会一直发生到何时？

也许只有时间才能给出答案。

FIN

参考文献：

[1]叶秀薇, 邓志辉, 黄元敏,等. 新丰江水库中上地壳P波三维速度结构特征及库水的渗透影响[J]. 地球物理学报, 2017, 60(9):13.

[2]沈崇刚. 新丰江水库地震及其对大坝的影响[J]. 中国科学, 1974(02):184-205.

[3]新丰江水电工程局. 新丰江大头坝预期蓄水措施[J]. 水利水电技术, 1959(04):38-40.

[4]程惠红, 张怀, 石耀霖. 关于紫坪铺水库蓄水是否与汶川地震有关的影响因素综合分析[J]. 地球物理学报, 2015, 58(4):16.

[5]刘远征, 马瑾, 马文涛. 探讨紫坪铺水库在汶川地震发生中的作用[J]. 地学前缘, 2014, 21(1):11.

[6]何立朋;孙新蕾;. Upper crustal structure and earthquake mechanism in the Xinfengjiang water reservoir, Guangdong, China[C]// 2017中国地球科学联合学术年会. 2017.

[7]丁原章, 潘建雄, 肖安予,等. 新丰江水库诱发地震的构造条件[J]. 地震地质, 1983, 5(3):63-74.