前言

2012年7月在加拿大《国际探索》上,发表了一篇署名约翰•杰克逊的“中国西部地震灾害与水电大坝”的文章(John Jackson,2012)(自称匿名,有人说是美国地质学家)。作者引用的数据主要是联合国1999年发表的“地震灾害图”和预测的“地面峰值加速度图”,以及USGS全球地震数据库和中国水电工程顾问集团公司网上公布的中国西部水电开发资料。采用中国水电顾问集团官方网站上公布的2004年前制作的全国水力资源分布图,叠加在联合国发表的上述2张图上。据此作者称,我国西部建设的水电大坝是:“在灾难性后果的危险尝试”,“一个水坝垮塌的致命多米诺骨牌效应”和“造成空前的伤亡”。并大声疾呼号召:“地震危险区的大坝下游的人们”,“阻止其扩张”等等。作者做出判断的依据是否充分,判断是否正确,大声疾呼的号召是否有效?值得进一步商榷。

1 对约翰•杰克逊做出判断依据的讨论

约翰•杰克逊的主要判断依据是联合国1999年发表的“地震灾害图”和预测的“地面峰值加速度图”,以及USGS全球地震数据库和中国水电工程顾问集团公司网上公布的中国西部水电开发资料。其中,联合国“地震灾害图”预测的“地面峰值加速度图”的比例尺极小,是一千万分之一,这对于联合国官员们了解全世界各国的地震分布概况、普及地震知识是极其有价值的,但其代替不了具体国家编制的更大比例尺的地震烈度区划图(或地震动参数分布图),更不能作为重大工程的设计依据。其理由有二:一是图的比例尺越小,精度就越差,这是基本常识。正如古语云:“失之毫厘,差以千里”;二是图的比例尺越小,图的内容越少,就不能满足工程抗震设计的需要。作者附图只有“地面峰值加速度”,而对于工程抗震设计参数而言,不仅需要“地面峰值加速度”,还需要有“地震反应谱、地震的持续时间和地震动”3个要素才能决定地震力的强弱。为此,世界各国都自编有本国的“地震烈度区划图”。我国在1957、1977、1990和2001年,先后编制出四代全国性的“地震烈度区划图”。其中,第四代四百万分之一的全国“地震动参数区划图”,已从确定性方法进入到概率分析方法,图中的加速度为50年运用期内,超越概率10%。它包括“最大加速度峰值区划图”和“地震动反应谱特征周期图”(中华人民共和国国家标准,2001),并已发布执行,作为一般工程抗震设计的依据。水库大坝属重大工程,还应专门进行地震安全性评价(中华人民共和国国家标准,2008)。区域地震地质图的比例尺应达到十万分之一,坝区工程地质图应达到千分之一。要达到大比例尺的高精度,仅仅搜集已有资料是不够的,还必须进行大量的地质勘察、地质测绘、地球物理勘探、深孔钻探、水文地质试验、地应力测试、活断层绝对年龄鉴定、地震监测等。但作者却建议用“本报告推荐的独立、全面的地震风险评估研究”,笔者实在不敢苟同。

2 全球地震灾害与中国西部地震灾害

联合国1999年发表预测的“地面峰值加速度图”,将图划分成0—0.2、0.2—0.4、0.4—0.8、0.8—1.6、1.6—2.4、2.4—3.2、3.2—4.0、4.0—4.8、>4.8(m/s2)等多个档次。经简化后,0—0.8m/s2称为“低度区”;0.8—2.4m/s2称为“中度区”;2.4—4.8m/s2称为“高度区”;>4.8称为“更高度区”。中国西部的划分见图1。

约翰•杰克逊先生对联合国专家们进行区划的原则了解不够,出现了把>4.8m/s2误改成4.8—5.6m/s2的问题。地震动加速度是不会封顶在5.6m/s2的,美国实测到的地震地面加速度已有大于重力加速度(9.8m/s2)的。而大于4.8m/s2不再细分,是因为各国的抗震设计规范的适用范围是7、8、9度(4.8m/s2相当于9度),在大于4.8m/s2的地震区进行建设必须进行专门的研究。

中国现行的《地震动参数区划图(GB 18306-2001)》(中华人民共和国国家标准,2001)和工程地震安评结果,都是用重力加速度g表达的,与联合国“地面峰值加速度图”用m/s2表达方式不同,可用下式:1g=9.8m/s2换算。

根据板块构造理论,全球的地壳被分成六大板块:太平洋板块、美洲板块、欧亚板块、非洲板块、印度—澳洲板块、南极洲板块。地壳的水平向运动使板块互相碰撞、分离,产生大地震。太平洋板块与美洲板块、欧亚板块互相碰撞,产生了环太平洋地震带;印度洋板块与欧亚板块碰撞产生了地中海—喜马拉雅地震带。在构造板块的边缘地带,构造运动最活跃,而板内次级断裂活动性就相对差些(傅征祥等,2009)。我国除西藏和台湾处于板块碰撞的边缘地带外,西南部的四川、云南等大片水电能源蕴藏地属于板内构造。美国西部地震危险区属环太平洋地震带,与中国西部地震危险区的危险程度相当。在中国西部曾发生过7级、8级大地震;而在美国西部也曾发生过7级、8级大地震,1906年4月18日在旧金山就发生过8.3级大地震。在环太平洋地震带上,发生过9级、8.9级特大地震的日本、智利是世界上地震最活跃的地方。地震震级大1级,就意味着地震能量增加32倍。因而,我国西部地区的地震危险性与日本、智利等地区相比较,后者的地震危险性显然要更高。

图 1地面峰值加速度分布图 Fig. 1Peak ground acceleration map of China (used in Jackson’s article)

图 2世界地震带分布图 Fig. 2Earthquake belt distribution of the World
3 中国西部建设大坝是“在灾难性后果的危险尝试”吗?

约翰•杰克逊根据我国西部是地震危险区这一事实,就断言我国在西部大开发水电资源,建设大坝,是“在灾难性后果的危险尝试”。

从地震地质学的角度看,在大面积的危险区内,还可进一步化分出若干地震带,在地震带内又可细分出主干断裂和伴生的若干次级断裂。所以地震危险区内既包含危险地段,也包含相对安全地段。从哲学的角度看,就是在矛盾的普遍性中,也包含了矛盾的特殊性。危险地段有活动断裂带、潜在震源的极震区和大规模的崩塌、滑坡、泥石流、堰塞湖等,若避开这些危险地段,就能找到避免产生地面破坏和地面烈度较低的安全地段。这正是工程地质学家选择优良坝址的神圣职责。我国著名的地质学家李四光先生称之为:在危险区内寻找“安全岛”。我国紫坪铺大坝的选址,就是避开了龙门山主干活动断裂——中滩铺断裂,选在它与二王庙断裂带的中间,就是在岩层比较完整的“安全岛”上的成功实例之一。尽人皆知,地震对大坝作用的结果决定矛盾双方,若地震力大于坝的抗力,则大坝出现裂纹、裂缝、沉陷、渗漏、滑坡等不同程度的震害,大到相当程度,才会出现垮坝的“灾难性后果”;反之,则大坝安全。而这位“美国地质学家”,只知其一,不知其二,只知地震力,不知大坝的抗震能力。对事物不懂得一分为二,不做全面分析,就断言只有一种“灾难性后果”,是犯了片面性、主观性的大忌。他得出“灾难性后果”的另一个原因,可能是他对发源于美国,已有80年历史的新兴学科——地震工程学缺乏了解。

自上世纪30年代,美国研制出第一台强震加速度仪,并首次取得地震地面运动全过程的加速度记录,开启了强震观测的新纪元。随之发展起一门新兴的地震工程学(胡聿贤,1988),包括工程地震和工程抗震两大部分。工程地震实质上是对未来地震的长期预报;而工程抗震设计是分析建筑物的地震反应。抗震设计方法由静力法发展到反应谱法,随着电子计算机的发展,已进入考虑地震时程的全动力分析的新时代。对于减轻地震灾害发挥了重大作用。发达国家经过抗震设计的建筑物,经历8级大地震而多数不倒,死亡人数不到千人,而发展中国家的建筑物多未进行抗震设计,发生7级地震就一片废墟,死亡人数以万计。

1978年,我国总结了大坝抗震设计的经验并参考了世界各国的成功经验,编制出我国第一部《水工建筑物抗震设计规范(SL 203-97)》(中国水利水电科学研究院,1997)。规定了大型水工建筑物必须进行抗震设计。设计标准需在基本烈度的基础上提高1度(相当于100年运用期内超越概率2%),对于重要大坝还需在大型三向6个自由度的震动台上进行模拟实验。设计的理念是:“小震不坏,中震可修,大震不倒”。大坝不倒就不会发生次生水灾的“灾难性后果”。

汶川“5.12”特大地震时,没有抗震设计的大量民房普遍倒塌,百姓伤亡数万。而距震中只有17km的紫坪铺水库,坝型为面板堆石坝,坝高156m,场地基本烈度7度,大坝设计烈度按《水工建筑物抗震设计规范(SL 203-97)》(中国水利水电科学研究院,1997)提高为8度设计。在汶川“5.12”特大地震中,实际遭受的地震烈度为9—10度,换算成峰值加速度在6.0m/s2左右,已超过设计标准。而紫坪铺水库大坝仅出现几十厘米的沉陷和局部裂缝,大坝整体上是稳定的,堆石坝体经受住了震动沉陷,更加密实稳定。震后经过及时检修仍在正常运行。美国西部的地质构造活动性和地震危险性与我国西部非常相似。著名的圣安得列斯大断裂纵贯南北,近代强震不断活动,1906年4月18日发生过8.3级旧金山大地震。美国对水电能源的梯级开发利用率远大于中国,建有如:奥罗维尔、胡佛、德沃夏克、格伦峡等高200m以上的大坝,以及众多的100m以上的高坝。日本的地质构造和地震活动性远大于中国和美国西部,是发生过9级地震的国家,强震发生的频率很高。日本也开发了水电资源,建有如:黑部第四、高濑、德山等70余座100m以上的水库大坝,都进行了抗震设计,也没有发生因地震溃坝产生灾难性的后果。上述事实说明,新兴的地震工程学在工程抗震设计和抗震减灾中发挥了重要作用。但由于水库大坝工程的环境地质条件、气象水文条件和大坝结构都十分复杂,战术上仍不能掉以轻心,需对具体工程的地质条件详细查明,对大坝结构进行优选,精心设计,精心施工。大地震发生后,需在第一时间奔赴现场,对大坝震害等级进行评价,对地震地质灾害如:崩塌、滑坡、泥石流、堰塞湖以及大洪水等,应采取有效的地震应急措施,防止次生水灾的发生。

约翰•杰克逊先生断言我国在西部地震危险区内开发梯级水电资源,建设大坝,是“在灾难性后果的危险尝试”。实际上,首先进行大量“危险尝试”的是发达的资本主义国家,其水电能源开发率多达70—90%。实践证明,并没有发生“灾难性后果”,更没有发生“一个水坝垮塌的致命多米诺骨牌效应”和“造成空前的伤亡”,而只有局部损坏,可及时进行修复。1994年1月17日美国北山脉大地震时,有1座帕克依马拱坝,坝高113m,强震加速度仪在坝基的记录是4.29m/s2,坝顶的记录是12.82m/s2,左坝肩的记录是15.33m/s2,后2个数据已大于重力加速度9.8m/s2,而只在坝肩岩石出现破裂,坝体没有震害。日本的地质构造和地震活动性远大于中国和美国西部,是发生过9级地震的国家,强震发生的频率很高。日本也开发了水电资源,建有如:黑部第四等的水库大坝,都进行了抗震设计,也没有发生因地震溃坝产生灾难性的后果。上述事实也说明,新兴的地震工程学在工程抗震设计和抗震减灾中发挥了重要的作用。

地震的形成需经过能量积累→能量集中→能量释放的全过程。一个地区8级大地震的能量积累时间不等,板块边缘区的智利需数10年,板内次级断裂构造地震需数百年以上。地震发生时只在震中是高烈度区,而随着震中距的增加烈度逐渐衰减,当距离达到一定程度时,就变得安全了。正像美国在日本长崎和广岛扔下原子弹,只在爆炸地点的长崎和广岛产生“灾难性后果”、“造成空前的伤亡”,但没有毁灭整个日本,日本其他大片国土还是安全的。

为什么发达国家在地震危险区早已进行了水电梯级开发,实践证明是没有发生过“灾难性后果”,而发展中的中国刚刚启动西部开发大战略,约翰•杰克逊先生就断言是“在灾难性后果的危险尝试”,更大声疾呼号召“地震危险区的大坝下游的人们”,“阻止其扩张”呢?这里的奥秘恐是旁人难以猜测的。

4 “5.12”汶川MS8.0级特大地震与水库诱发地震的讨论

约翰•杰克逊先生在文章中写道:“…紫坪铺大坝现在被认为引发了这场7.9级地震”。他说是引用了范晓先生文章的结论。范晓文章通过地震地质类比法做出水库诱发地震危险性预测后认为:“紫坪铺水库诱发5.12地震的可能性不能排除”(范晓,2008)。范晓文章说:“可能性不能排除”,被约翰•杰克逊引用后,就变成“被认为是”了。

到底“可能性能不能排除”?且看紫坪铺水库遥测监测台网记录的大量科学数据便知分晓。

早在2004年,就建成了由7个子台和1个中继站组成的紫坪铺水库遥测监测台网。汶川地震发生后,紫坪铺水库遥测监测台网记录的大量科学数据竟将可能性排除了(郭永刚等,2008)。排除的数据和理由如下:

(1)水库诱发地震与库水位变化密切相关。蓄水初期,频繁发生小震,达到最高蓄水位后,发生主震,然后,能量逐渐衰减,地震序列属“前震—主震—余震”型。而汶川地震与库水位变化没有相关性。且缺少前震,属“主震—余震”型,是典型的天然构造大地震的特征,与唐山大地震是一致的。

(2)水库诱发地震在空间分布上,震中多集中在库区及其外延10km范围之内。震源深度多在1—5km,最多不超过10km。而汶川地震余震的震中沿着发震断层沿伸到200km之外。震源深度已达14km。

(3)水库诱发地震在发震强度上,多为弱震,在全世界120个余震震例中,震级>5级的只有近20例,最大为6.5级。而汶川地震震级为8.0级。

(4)水库诱发地震在地震频度(N)与震级(M)的关系上,在半对数坐标上的直线(logN=a-bM)的斜率(b)值与构造地震不同,水库诱发地震的b值一般大于1,而汶川地震则不具备此特征。

在纪念汶川地震一周年的《汶川大地震工程震害调查分析与研究》文集中,发表了李敏等(2009)关于“紫坪铺水库诱发地震预测意见回顾与蓄水后的验证”一文,该文根据详实的工程地质、工程观测和地震监测等资料,进行了全面的分析论证和模拟计算,得出“汶川8.0级大地震不是紫坪铺水库蓄水产生的诱发地震”的明确结论。潘家铮院士、陈厚群院士、陈顒院士、马宗晋院士和张培震所长等专家也公开发表过有关汶川地震不是紫坪铺水库所诱发的意见和言论。

早在20世纪80年代,三峡水库工程论证阶段,就有人以会诱发大地震,震毁大坝,洪水下泄,冲毁下游城市村镇,造成不堪想象的严重后果为由,反对兴建大坝。经过水库诱发地震危险性评价,专家们根据库区地震地质资料认为,诱发可能的最大震级为5.5级,并建议在蓄水前建立专用地震监测台网。监测结果表明,只发生了4.1级水库诱发地震。

有关水库诱发地震的问题,自从上世纪30年代,在美国的胡佛大坝(又名米德湖水库)诱发了地震。随着水库的大规模的修建,不断有水库诱发地震发生,迄今已有80年的历史,据不完全统计,全世界已知有134座水库诱发了水库地震。其中,分布在亚洲的有12个国家,54例;分布在欧洲的有8个国家,31例;分布在北美洲的有2个国家,22例;分布在拉丁美洲的有4个国家,14例;分布在大洋洲的有2个国家,7例;分布在非洲的有5个国家,6例。其中,震级大于5级的,近20例。全世界已建大坝3万余座,总的发震率为0.36%。我国已建大型水库400余座,发生地震的有20余例,多为小震,都先后进行了调查研究,但震级大于5级的仅新丰江1例,与世界范围内的统计发生率基本相符。

从震级上看,全世界水库诱发地震多数属于小震。其中,大于5级的近20例;6—6.5级的强震有4例,即我国的广东新丰江水库(6.1级)、印度的柯依纳水库(6.5级)、赞比亚—津巴布韦的卡里巴水库(6.3级)、希腊的克里马斯塔水库(6.2级)。只有印度的柯依纳水库和我国的新丰江水库的2座大坝的头部产生断裂,大坝整体上是稳定的,经过加固处理至今仍在正常运行。但给附近房屋造成不同程度的损坏和人员伤亡,新丰江水库地震6人死亡,80人受伤;印度的柯依纳水库附近死亡人数最多,达到180人,受伤2300人。水库诱发地震问题不仅引起了科学界的广泛重视和多方面的研究,并取得了一定的进展,更引起了国家、社会和有关各方面的关注(夏其发,1992;夏其发等,2012)。

自20世纪60年代起,世界上关于水库地震的研究相当活跃,发表了许多有关水库地震的论文和专著。我国沈崇刚、陈厚群等(1974)发表的“新丰江水库地震及其对大坝的影响”,在第十三届国际大坝会议上宣读后,受到与会专家们的好评。1975年由国家地震局和水利电力部联合组成水库诱发地震调查组,对全国进行了普查,对确定的12个水库诱发地震实例进行了研究。同年,我国还参加了在加拿大的班夫城举行的第一届国际诱发地震会议(中国代表团,1976),讨论了水库诱发地震问题。其后,在加拿大西部环境局的赞助下,于1995年11月1—5日在北京召开了国际水库地震讨论会。从水库地震的性质和机制、水库地震调查和危险性评估、监测和仪器及工程地震、水库地震和环境及其他诱发地震等4个专题,共交流了48篇论文。我国对水库地震的研究已日益受到国际上的重视。

水库诱发地震的震源机制很复杂,目前在理论上还没有比较统一的认识。当前,有使用“水库诱发地震”和“水库触发地震”的称谓,以区别引发地震机制上的不同。前者认为,水库周围的原始地壳应力不一定处于破坏的临界状态,水库蓄水或水位变化后使原来处于稳定状态的结构面失稳而发生地震;而后者认为,水库周围的原始地壳应力已处于破坏的临界状态,水库蓄水或水位变化后使原来处于破坏临界状态的结构面失稳而发生地震。我国采用国内外比较一致的做法,将由于水库蓄水或水位变化而引发的地震定义为“水库诱发地震”。

大坝抗震设计主要依据两个重要参数:一个是经过地震安全性评价提供的设计地震动参数,即最大加速度、反应谱和类似场地的地震加速度记录时程曲线;另一个是经过水库诱发地震危险性评价提供的最大可能水库诱发地震。在强地震区,往往是前者起着控制作用;而在弱地震区,往往是后者起着控制作用,如:我国的新丰江水库、印度的柯依纳水库在建坝前均属弱地震区,建坝后诱发了6级以上的地震。

5 结语

(1)作者约翰·杰克逊先生主要根据联合国1999年发表的“地震灾害图”和预测的“地面峰值加速度图”,以及中国水电工程顾问集团公司网上公布的中国西部水电开发的网上资料,采用中国水电顾问集团官方网站上公布的2004年前制作的“全国水力资源分布图”,叠加在联合国发表的“地震灾害图”和预测的“地面峰值加速度图”之上。该图的比例尺极小,是一千万分之一,这对于联合国官员们了解全世界各国地震分布概况、普及地震知识是极其有价值的,但其代替不了具体国家编制的更大比例尺的“地震烈度区划图”(或地震动参数分布图),更不能作为重大工程的设计依据。其理由有二:一是图的比例尺越小,精度就越差,这是基本常识,正如古语云“失之毫厘,差以千里”;二是图的比例尺越小,图的内容越少,不能满足工程抗震设计的需要。

(2)我国西部的地震活动性,经过与全球环太平洋地震带与地中海—喜马拉雅两大地震带的比较,以及大地构造板块学认为:在构造板块的边缘地带,构造运动最活跃,板内次级断裂活动性就相对差些。我国西部除西藏处于板块的边缘地带外,其他的四川、云南等大片水电能源蕴藏地属于板内构造。美国西部地震危险区与我国西部非常相似,只有发生过9级、8.9级特大地震的日本、智利才是世界上地震最活跃的地方。

(3)作者判断在地震危险区建设大坝,是“在灾难性后果的危险尝试”,是由于他对近代发展起来的新兴学科——地震工程学缺乏了解。地震工程学包括“工程地震”和“工程抗震”两大部分。前者为在地震危险区内选择“安全岛”作为坝址提供依据,后者进行的地震反应分析为大坝抗震安全提供保障。迄今,全世界水电大坝还没有因地震溃坝的实例,只有局部损坏,可及时进行修复。但由于水库大坝工程的环境地质条件、气象水文条件和大坝结构都十分复杂,战术上仍不能掉以轻心,需对具体工程的地质条件详细查明,对大坝结构进行优选,精心设计,精心施工。大地震发生后,需在第一时间奔赴现场,对大坝震害等级进行评价,对地震地质灾害如:崩塌、滑坡、泥石流、堰塞湖以及大洪水等,应采取有效的地震应急措施,防止次生水灾的发生。

(4)大坝抗震设计主要依据两个重要参数:一是经过地震安全性评价提供的设计地震参数,即最大加速度、反应谱和类似场地的地震加速度记录时程曲线;另一个是经过水库诱发地震危险性评价提供的最大可能水库诱发地震。在强地震区,往往是前者起着控制作用;而在弱地震区,往往是后者起着控制作用。

(5)2008年“5.12”汶川MS8.0级特大地震,根据紫坪铺水库遥测监测台网记录的大量科学数据证明,与水库诱发地震的特征毫无共同之点,而与天然构造大地震特征完全相符,“5.12”汶川MS8.0级特大地震属于天然构造大地震,而不是紫坪铺水库诱发的。

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