范晓：紫坪铺水库也许真的诱发了汶川大地震 ——紫坪铺水库与汶川大地震关系的研究文献综述报告 (2018年5月修订版)

这是一篇关于紫坪铺水库与汶川地震关系的科学文献综述报告，初次完成于2011年12月。2012年，该报告曾被翻译成英文，发表于加拿大的Probe International 网站。2013年9月，根据最新文献作了第一次补充修订。2018年5月，在汶川大地震十周年之际，笔者以2013年修订版为基础，根据截止到2018年4月最新的相关文献，以及补充收集的2014年以前的相关文献，再次修订成此文。与2013年修订版比较，除了内容的补充完善外，也删繁就简，尽量使一般读者易于阅读。

（作者为四川省地矿局教授级高级工程师、四川省地震学会理事）

世界关注：被聚焦的紫坪铺水库

2008年5月12日汶川8级大地震发生以后，根据许多特殊现象，不少学者都怀疑紫坪铺水库的蓄水活动诱发了汶川大地震，世界媒体也曾作了广泛报道。这一问题激起了业内许多研究者的兴趣与热情，并已成为地震科学界关注的一个焦点和前沿研究课题。

目前已有许多相关论文公开发表于专业学术期刊上，由于能够获得丰富的观测数据以及所拥有的专业背景，绝大部分研究成果都是由中国的地震学者发表在《地球物理学报》、《地震地质》、《地震》、《中国地球物理》、《四川地震》、《西北地震学报》、《华南地震》、《国际地震动态》等诸多学术期刊上，另外也有不少以此问题作为研究课题的硕士、博士论文公布。

尽管也有学者认为汶川地震与紫坪铺水库无关，但迄今为止的许多研究成果，已清楚地显示出紫坪铺水库与汶川大地震之间令人吃惊的密切联系。

汶川8级地震的震源深度可能只有6~9公里

地震的震源深度，是紫坪铺水库是否诱发了汶川地震的争论焦点之一。

陈厚群等（2008）认为，水库诱发地震的震源深度最多不超过10公里，因此紫坪铺水库不可能诱发汶川地震。但这一立论依据不足，因为世界上一些公认的水库诱发地震，不乏震源深度大于10公里的案例（张倬元，1981；刘传正，1995；杨晓源，2009；马文涛等，2013；刘远征，2014）。

图1  水库诱发地震的震源深度分布（全球46例）（据刘远征，2014）

地震震源深度的确定，是一个比较复杂的问题，因为它的计算会受到以下一些因素的影响：地震台与震中的距离远近造成接收到的地震波信息的差异；计算所依据的地壳介质模型的差异。因此，对同一地震，不同的研究者得出的震源深度也会有差异。

对于汶川地震的震源深度，中国地震台网中心（CENC）发布的数据是14公里。世界上其它一些机构也给出了相应的数据。

表1  汶川地震主要震源参数（引自乔建平，2013）

注：CENC 中国地震台网中心；NEIC 美国国家地震信息中心；HRV 美国哈佛大学；GCMT 欧洲-地中海地震中心；DMN 尼泊尔矿业部；BGS 英国地质调查局；CSEM 全球大震矩心矩张量解

可以看到，这些震源深度数据都没有超过20公里，也就是说都在已知水库地震案例的震源深度范围之内。另外，也不乏10公里至12公里这样深度较浅的数据。

汶川地震后，为了弥补距离震中较远的区域地震监测台网对地震精确定位的局限性，不少研究者（吕坚等，2008；马文涛等，2011；苏金蓉等，2012；杨智娴等，2012），都利用震中附近的紫坪铺水库库区专用监测台网的数据，以及采用双差定位法、S波偏振法等被认为精确度更高的方法，对汶川地震的震源深度重新进行了定位。上述研究者修订后的震源深度数据分别为13公里、6～9公里、10公里以内、15.5公里。

需要提醒读者注意的是，震源——即引发地震的岩石破裂点，并不是几何上的一个点，而是占有一定体积的空间，因此严格地讲，震源深度有一个起止范围。只给出一个震源深度数据，实际上是一个简化或概括。

有的学者断定水库诱发地震不可能超过10公里，是因为他们认为水库对地震断层附加的影响，在10公里以下已微乎其微。笔者在前面已指出现有案例并不支持这种判断。此外，由于地壳结构在不同的区域有较大的差异和复杂的变化，因此既不能套用单一的地壳结构模型，也需要对具体案例中的水库作用与地震活动进行实证分析。这在下文还将进一步讨论。

当然，如果有证据表明汶川地震的震源深度在10公里以内，那么这也会给紫坪铺水库诱发汶川地震提供重要佐证。因为专家们都承认，在10公里以内的深度，水库的蓄水活动可以给地震断层施加明显影响。

因此，马文涛等（2011）、蔺永（2014）、苏金蓉等（2012）得出汶川地震震源深度只有6～9公里或在10公里之内的结论，就需要引起特别关注。

马文涛等（2011）指出，汶川地震最早到达紫坪铺库区各台站的P波（地震波的一种，地震波的振动方向与传播方向一致，又称压缩波或纵波）的初动震相和到达时间都被记录得非常清楚。其中，P波到达八角地震台的时间最早（八角台的位置参见图1）。这表明八角台离震源最近。初始P波来自汶川地震的初始破裂点。用不同的地壳分层模型计算出汶川地震的震源深度为8.548公里、6.154公里，即汶川地震的初始破裂深度应在6～9公里范围内。

 图2  紫坪铺水库库区专用地震监测台站分布图（据卢显等，2010）

由于紫坪铺水库属于诱发地震机率很高的高坝大库，按照国务院的《地震监测管理条例（2004）》，在正式蓄水前的2004年8月建成了专用的库区地震监测台网，它包括如上图所示的七个台站。这个专用台网可以监测到最低为0.5级M_L的地震，它的主要优势在于能够较精确地观测到库区的微震和弱震，从而弥补了区域上的地震台网在这方面的不足，给水库诱发地震的研究提供了丰富的材料。

地震S波（地震波的一种，地震波的振动方向与传播方向垂直，又称剪切波或横波）在不均一的岩石中传播时，会分裂成速度和偏振方向不同的两列波。苏金蓉等（2012）指出，通过对S波偏振方向的分析，可以更准确地确定S波到达台站的时间，从而估算震源深度。他们通过计算认为，汶川地震的主震就在八角台台基下的垂直方向发生，震源深度在10公里以内。

蔺永（2014）利用小波变换技术对地震波进行震相识别，这种方法被认为可以解决地震波多种频率成分叠加造成的分析困难，能对地震波的变化特点有更好的了解。在此基础上利用双差定位法，对汶川地震进行了重新定位，得出汶川地震的震源深度为7.5公里。

关于汶川地震的震源深度，还可以通过汶川地震前一系列小震的分布来得到旁证。

卢显等（2010），对紫坪铺库区台网2004年8月16日至2008年5月10日记录到的1569次地震，利用双差定位法进行了重新精确定位，证明约70%的地震震源深度分布在5～15公里，其中频次最多的是在5～10公里深度，平均深度为7.8公里。

图3  汶川地震前紫坪铺库区1569次小震的频度-深度  据卢显（2010）

（a）精定位前地震频度-深度  （b）精定位后地震频度-深度

地震频次最集中的5～10公里深度以及7.8公里的小震平均深度，反映了汶川地震前的岩石破裂也主要集中在这个优势深度范围。8级地震的主震不会是凭空发生的，它往往和前期的小震即小的破裂有继承关系。根据岩石破裂实验和断裂力学原理，脆性材料的断裂破坏，是由于前期发生的裂纹扩展的结果，也就是说，后期大的破裂往往出现在前期小破裂最集中的部位。因此，这也说明汶川地震6～9公里的初始震源深度不无道理。汶川地震与前期小震的关系，下文还会进一步说明。

汶川地震的震源恰好位于通过紫坪铺水库的水磨—庙子坪断裂上

陈厚群等（2008）认为，紫坪铺水库位于龙门山的北川-映秀断裂带（即龙门山中央断裂带）和江油-灌县断裂带（即龙门山前山断裂带）之间，也就是说，紫坪铺水库不在发震的北川-映秀断裂带之上，水库蓄水没有淹没到北川-映秀断裂带，不可能对北川-映秀断裂带产生影响，因此紫坪铺水库的蓄水不可能触发汶川大地震。

陈厚群等的看法有两个误区：他们以为北川-映秀断裂带只是通过映秀附近的那条断裂，而实际上那只是北川-映秀断裂带的一个分支（狭义的映秀断裂），而另一分支恰好就是通过紫坪铺水库主要蓄水区的水磨-庙子坪断裂（即图2中的北川-映秀断裂、图4中的中滩铺断层）。因此，紫坪铺水库的蓄水必然会对北川-映秀断裂带产生影响；他们以为通过映秀附近的那条断裂是发震断裂，也许是因为震中更靠近那条断裂。但震中是震源在地表的垂直投影，而震源处的断裂才是初始的发震断裂。由于北川—映秀断裂带的断层面都是向西北方向倾斜的，如果由震中引一条直线向下到达震源，就会明白震源恰恰是在通过水库主要蓄水区的水磨—庙子坪断裂带上（图5）。

从地貌特征看，由山区向南流往成都平原的岷江，在原漩口镇处发生约90°的突然转折，原本由北向南的流向突变为西南～东北流向，使这段河谷顺着水磨-庙子坪断裂带而行，这是因为此段河谷顺应了断层破碎带的软弱部位，形成了地貌学上的“断裂谷“，这种在地貌上表现十分清楚的断裂，在近现代具有强烈活动性，通常会成为地震的发震断裂。这种突出的地貌特征也表明，水磨-庙子坪断裂至少从第四纪以来，是比狭义的映秀断裂更重要的活动性断裂，也是龙门山中央断裂在这一段的主干断裂，因此具备了作为汶川地震发震断裂的地质条件。而且，由于紫坪铺大坝至水磨这一段水库的最大蓄水区与水磨-庙子坪断裂正好平行并重合，因此给断裂提供了最大的水体载荷面积，以及库水向断裂深部渗透的最大注水面积，从而易于诱发地震。

图4  北川-映秀断裂带在紫坪铺水库附近的两条分支（据马文涛等，2011）：水磨-庙子坪断裂（图中标注为中滩铺断层）；映秀断裂（图中标注为映秀断层）。

图5  汶川8级地震震源与震中的空间关系示意图（范晓绘图） 

这是四川省地矿局物探队根据地球物理勘探数据绘制的横穿龙门山的地壳-岩石圈结构的断面图，可以看到龙门山地块（图中的LMSTS-龙门山前陆逆冲楔）上部有断层面向西北（即图左侧）倾斜的一系列断裂，它把龙门山切割成叠瓦状的一组断块。这些断裂向下在10公里左右的深度都交汇到一条十分平缓的断裂面上，汶川地震以及之前一系列小震的震源也集中于这个深度附近。

事实上，在汶川地震震后的野外调查中，付小方等（2008）、周荣军等（2008）、张军龙等（2009）、徐锡伟等（2008、2010）、马文涛等（2011）许多研究者，都沿水磨—庙子坪断裂带发现了汶川地震时形成的最强烈的地表破裂现象：横跨紫坪铺水库的都汶高速公路庙子坪大桥在地震时中孔桥梁整体被错断；都江堰市虹口乡的深溪沟、罗家坝、高原村、周家河坝、八角庙等一线，出现了大量错断公路与河床，地面隆起与掀斜等现象，地表的水平方向和垂直方向的最大位移可达到5米左右，这也提供了水磨—庙子坪断裂作为汶川地震起始发震断裂的必要证据。

照片1  汶川地震时沿水磨-庙子坪断裂的同震地表破裂，横跨紫坪铺水库的庙子坪大桥中部的桥梁被错断  范晓摄影

照片2  汶川地震时沿水磨-庙子坪断裂的同震地表破裂，深溪沟被掀斜的公路。 范晓摄影

照片3  汶川地震时沿水磨-庙子坪断裂的同震地表破裂，深溪沟被错断的公路，水平位移和垂直位移都在5米左右。  范晓摄影

如此快速地大幅度地蓄水和放水十分罕见和危险

紫坪铺水库蓄水前，岷江在大坝附近的天然水位高度约在海拔752米～755米。紫坪铺水库的正式蓄水始于2005年9月。但实际上从2004年9月开始，水库即已开始蓄水，只不过在2004年9月至2005年8月，水位的变幅不大（下文正文及图注中所说“蓄水前”，指的是2004年9月至2005年8月的水位低幅变化期，即水库低幅加卸载期；“蓄水后”指的是2005年9月至2008年5月的水位高幅变化期，即水库高幅加卸载期）。根据雷兴林（2008）、陈厚群（2010）、周斌（2010）、张永久（2010）、马文涛（2011）等发表的数据，笔者把紫坪铺水库的水位变化分为以下几个阶段：

第1阶段（低幅加载Ⅰ与低幅卸载Ⅰ）：2004年09月至2005年08月，752米上升至775米，升幅23米；775米下降至760米，降幅15米；

第2阶段（高幅加载Ⅰ）：2005年09月至2005年12月，760米上升至840米，升幅80米；

第3阶段（低幅卸载Ⅱ）：2006年01月至2006年04月，840米下降至820米，降幅20米

第4阶段（高幅加载Ⅱ）：2006年05月至2006年12月，820米上升至875米，升幅55米；

第5阶段（高幅卸载Ⅰ）：2007年01月至2007年08月，875米下降至817米，降幅58米；

第6阶段（高幅加载Ⅲ）：2007年09月至2007年12月，817米上升至873米，升幅56米；

第7阶段（高幅卸载Ⅱ）：2008年01月至2008年05月，873米下降至821米，降幅52米。

水位的高低变化，主要是每年5月底或6月初，需把水位降至汛期限制水位，以便腾出库容防洪；而每年汛期后的9月至11月，又要把水位升到正常高水位，以利发电和下游用水。这是水库的例行运作。

图7  紫坪铺水库水位变化曲线和库水加卸载阶段划分（据雷兴林，2008），笔者划分的加卸载阶段和图中所示略有不同

从2004年9月开始蓄水至2006年10月达到875米的最高水位，水位的升幅高达123米，而这仅仅用了两年零一个月的时间，这在国内外的高坝大库中都是罕见的。如此快速地大幅度地提高水位，以及高幅加载与高幅卸载的反复交替，就像不断给地震断层进行强力按摩，会促使断裂加速复活。据雷兴林等（2008）的计算，当水位在875米至817米之间变化时，其卸载量或加载量高达约7.4亿立方米（即约7.4亿吨），而汶川地震正好发生在紫坪铺水库经历了三次高幅加载和两次高幅卸载之后，而且正好处在第二次高幅卸载期之末。

“库仑应力”计算得出的结论

专家们把作用于断层上面，对断层产生影响的力，统称为库仑应力。水库会在原来天然库仑应力的背景下，附加给断层一个库仑应力，它可能会使断层更趋于破裂。人们用bar（巴）或MPa（兆帕）、kPa（千帕）来描述库仑应力的大小，1bar也相当于一个标准大气压，约等于0.1MPa。有研究表明，在一定条件下库仑应力的增量变化只要达到0.1bar（即0.01MPa或10kPa）的量级，便足以对地震活动产生明显影响（King  et al.，1994）。

计算水库附加给断层的库仑应力，有一些需要考虑的问题：①水库的水体荷载静压力对断层附加的力，而且这种附加的力不是单向的加载，而是加载和卸载的交替；②水库的水体沿着断层的破碎带向下渗透扩散给断层附加的孔隙压力。有研究表明，这种孔隙压力对断层的影响更为重要（陈涛等，2012）；③水库附加的库仑应力在不同深度的变化；④库底断层的倾斜角度、宽度、渗透率等等。

根据雷兴林等（2008）的计算，紫坪铺水库蓄水到高水位一年之后的2006年，在断层3～4公里的深度，库仑应力的变化已达到1bar以上（即十倍于足以明显影响地震活动的变化量级）；而在2007年12月至2008年5月12日的水位下降期间，地下10公里附近库仑应力的变化已达到0.5bar以上（即数倍于足以明显影响地震活动的库仑应力变化量级），此时在4～5公里的深度，库仑应力的增量变化已经到几个bar（即数十倍于足以明显影响地震活动的库仑应力变化量级），雷兴林等因此认为紫坪铺水库的蓄水活动对库区地震断层的库仑应力产生了明显影响。

孙玉军等（2012）利用三维孔隙弹性理论建立的计算模型，强调了将水库的弹性荷载（即水体的重力对库区断层产生的压力）与水的渗透扩散这两种效应联合起来进行计算，并且充分考虑库区断层破碎带的存在。他们采用了四川省地震局重新定位的汶川地震震源深度13公里。根据计算结果，孙玉军等认为，紫坪铺水库2005年9月蓄水之前，水库渗流作用引起的孔隙压力非常小，几乎可以忽略。而随着蓄水时间的增加，水库蓄水和放水引起的荷载效应使得库仑应力有升降变化，但水的渗流产生的孔隙压力却使总的库仑应力持续增加。从2004年8月到汶川地震发震前的2.2级以上的小震分布来看，库区周边的小震震源分布几乎都在库仑应力增加的区域，说明这些小震的发生与紫坪铺水库有直接关系。同样，汶川8级地震的震源位置（孙玉军等指的是13公里的震源深度）

也处于库仑应力增加的区域。而断层地区的库仑应力也较高，这是由于断层区扩散系数较高，从而使得断层区的孔隙压力也相对较高。如果断层破碎带联通了震源和库区，那么震源所处的位置会更危险。

图8  根据模型计算得到的震源处（13公里深度）孔隙压力和库仑应力随紫坪铺水库水位变化图  据孙玉军等（2012）

图a（上图）为孔隙压力随时间和水位的变化，水库进入高幅加卸载期后，孔隙压力处于不断上升的状态;图b（下图）是库仑应力随时间和水位的变化，不同的色线是采用不同的摩擦系数时得到的结果，库仑应力的变化起伏很大，对于局部时段来说，库仑压力的降低对应于水位升高（加载），库仑应力的升高对应于水位降低（卸载），但在水库进入高幅加卸期后，库仑应力总的趋势是升高，而且在汶川地震前的2008年1月至5月的高幅卸载期，出现了库仑应力的跃升。

Shemin Ge等（2009）的计算结果是，紫坪铺水库的蓄水，在相当于汶川地震震源的深度（19公里（美国地质调查局）至14公里（中国地震局）），使断层的库仑应力产生了-0.01～0.05MPa的变化（水库水体的静压力加上孔隙压力）。他们认为，这种程度的应力变化已足以在接近应力临界状态的断层上触发地震，因为在龙门山断裂带，每年的应力变化速率小于0.005MPa，因此紫坪铺水库可能使汶川地震提前了几十年或者几百年。

陶玮等（2014）通过计算认为，在14公里深度的震源位置（据CEA-中国地震局），库仑应力增量超过25kPa（数倍于足以明显影响地震活动的库仑应力变化量级），初始破裂直接触发了断层上更大范围的活动，引发汶川地震；如果是在19公里的震源深度（据USGS-美国地质调查局），库仑应力增量仅为2kPa左右，则初始破裂很可能是个区域构造小震，但由于断层面在长期构造应力加载累积下已经积累了一定应变能，再加上紫坪铺水库蓄水对断层整体的显著加载作用（在深度13公里以上库仑应力增量超过30kPa，深度5公里以上超过100kPa），此构造小震通过改变局部应力场，也可能触发附近断层面上的失稳，导致大震发生。无论哪种情况，从整体来看，紫坪铺水库蓄水对龙门山断裂带的发震危险性起促进作用。

杨彧等（2015）以渗透率实验结果为基础，通过模拟计算探讨断层带及其围岩的渗透率、断层带空间分布、断层带宽度等参数变化对紫坪铺库区及周边流体孔隙压的时空分布产生的影响。他们认为，由于断层带具有高渗透的特点，若断层带宽度为100～300米，汶川地震发生时，其震源区（深度15公里）的流体孔隙压上限为0.1～0.15MPa（约十倍至十五倍于足以明显影响地震活动的变化量级），与水库荷载在断层面上产生的附加正应力大体相当。

也有研究者通过库仑应力增量的计算，认为紫坪铺水库不可能诱发汶川地震（曾思佳，2015；罗钧等，2018），他们使用的震源深度在15.5公里至19公里。加哈劳特等（Gahalaut K，et al. 2010）认为，紫坪铺水库的运行没有在汶川地震的震源处（他采用的震源深度为19公里）以及周围地区引起库仑应力的增加，而是使应力减小了大约1KPa（0.001MPa），这会使较浅部位的弱震略有增加，但对汶川地震不会发生影响。

张贝等（2010）的计算结果显示，在仅考虑水库载荷、不考虑水的孔隙压的情况下，水库加载（蓄水）使得震源附近的逆断层更稳定，但卸载（放水）的时候更危险。张贝等还计算了汶川地震前5个月水库放水在断层上产生的影响，水位从高程875米下降到817米时，断层上震源一侧库仑应力有明显增加。深度5公里以上的区域库仑应力增加量在0.01MPa以上，近地表1公里附近达到0.08MPa。但随着深度的增加，库仑应力增量迅速减小，在19公里和14公里的深度，库仑应力增量分别为0.003MPa和0.005MPa。张贝等认为，小于0.01MPa量级的库仑应力变化，能否触发地震还缺乏足够的统计数据来说明。

程惠红等（2015）认为，陶玮等（2014）采用的二维计算模型与三维模型相比，夸大了汶川地震震源处库仑应力的增加值。加哈劳特等（Gahalaut K，et al. 2010）、张贝等（2010）、孙玉军等（2012），对Shemin Ge等（2009）的计算结果，也提出了同样的质疑。

不过程惠红等也认为，鉴于目前的研究成果，水库附近库仑应力变化已达kPa量级，尚不能排除触发地震的可能性，但如果震源处的库仑应力变化太低，在背景构造应力场不明确的情况下，也不能确定紫坪铺水库和汶川地震一定有联系。

为此，陶玮等（2015）的回应是，二维模型与三维模型的比较，计算确实存在偏差，但这种偏差造成的影响并不很大。陶玮等指出，他们在后续的用三维模型获得的主要结论，与二维模型一致。陶玮等还特别强调，“震源处”库仑应力大小并不是据以判断是否促进地震发生的充分必要论据，如果仅仅纠结于地壳十几公里深处的某点的库仑应力变化，来判断是否触发汶川地震，则会忽略了更重要的因素，即水库蓄水由浅入深对龙门山断层整体的影响。10公里以上龙门山断层的加载量已达几百千帕，相当于60～450年的平均构造加载，当断层从浅到深被严重弱化处于失稳的边缘，则大震可被间接或直接触发。

水库蓄水以后，紫坪铺库区的地震活动显著增强

库仑应力计算只是理论上的推导，而且，许多学者都指出，计算模型的维度、断层几何形态、岩体渗透率、孔隙扩散系数、震源参数（例如震源深度等）等设定的不同，都会影响库仑应力的计算结果，而且很多地质参数难以直接获取。因此，还需要通过地震监测台网观测到的数据，对水库蓄水活动和地震的相关性进行实证分析。

陈厚群等（2008）以及陈颙（2009）认为，“紫坪铺水库蓄水前后地震活动性几无变化，与库水位变化也不存在相关性，蓄水后并没有大量微震的出现”、“没有标志水库地震特征的频繁微震作为其前震”。但后来公布的大量数据及研究表明，水库蓄水后在库区及周边不仅出现了大量微震，而且这些微震绝大部分都是水库诱发地震，它们和库水位变化有很好的相关性。

雷兴林等（2008）的各种地震统计参数的变化点与水库水位的变化点具有良好的对应关系，反映出紫坪铺水库的蓄水和放水（即加载和卸载）对该区地震活动产生了明显影响。其中每日地震次数在几个大的水位变化阶段都出现了跃升；b值是反映震级与地震频度关系的重要参数，地震活动强度愈大，则b值愈小。在2005年12月紫坪铺水库水位到达840米以后，最明显的特征是库区b值的总体下降趋势，表明地震活动趋强。

据马文涛等（2011）根据地震观测数据的计算，蓄水后地震蠕变能释放量从2006年1月至10月持续增长，在2007年5月至7月和2008年2月又有2次跃升，导致在2年半多的时间内地震蠕变能的释放增加了200%。每次蠕变能释放的加速与水库水位变化密切相关，并在主震前形成了一个逐渐加速释放的过程。

刘远征等（2014）也指出，在2005年下半年紫坪铺水位第一次大幅上升之后，库区及附近的地震次数出现了跃升，由2005年的273次，增加到2006年的634次、2007年的502次、2008年在5.12地震前有245次；地震的震级也在首次达到最高水位的2006年下半年出现跃升，2005年至2006年上半年，3级以上的地震仅有6次，而2006年下半年有12次，2007年有21次，2008年在5.12地震之前有9次。用表征地震能量释放的贝尼奥夫应变曲线来看，2007年，断层活动加速，2008年初地震能量释放显著增大，标志地震断层进入能量加速释放阶段。

在地震的空间分布上，雷兴林（2008）、胡先明（2009）、张致伟（2009）、卢显（2010）、程万正（2010）、周斌（2010）、李海鸥（2010）、马文涛（2011）等，都指出紫坪铺水库蓄水以后，在水库附近出现了三个小震密集区及地震群，它们分别是：水库西南的水磨震群；水库东北的深溪沟震群；水库东南区都江堰震群。其中水磨震群、深溪沟震群位于水磨—庙子坪断裂带上，且处在水库的东北和西南两端；都江堰震群位于灌县—江油断裂带附近。

图9  紫坪铺水库蓄水后至汶川8级地震之前，紫坪铺库区出现的三个小震密集区

据卢显（2010）

1 红色线框内的密集红圈是水库西南的水磨震群；2 棕色线框内的密集红圈是水库东北的深溪沟震群；3 绿色线框内的密集红圈是水库东南的都江堰震群

红五角星是汶川8级地震震中；蓝色三角及注记是库区地震监测台站及其名称

卢显（2010）、程万正（2010）、周斌（2010）、李海鸥（2010）等，都按蓄水前后以及蓄水后的不同阶段，对三个小震密集区的地震活动变化进行了分析。结果表明，水库蓄水后，这三个区域的地震都有十分显著的增加，并沿着断裂带在水库附近集聚。

为了对比蓄水前后的地震活动选取的A-B、C-D、E-F、G-H剖面位置

（a）蓄水前A-B剖面上的水磨震群；（A）蓄水后A-B剖面上的水磨震群

（b）蓄水前C-D剖面上的水磨震群（左）与深溪沟震群（右）；

（B）蓄水后C-D剖面上的水磨震群（左）与深溪沟震群（右）

（c）蓄水前E-F剖面上的水磨震群；（C）蓄水后E-F剖面上的水磨震群

（d）蓄水前G-H剖面上的都江堰震群；（D）蓄水后G-H剖面上的都江堰震群

图10  紫坪铺库区蓄水前后地震活动对比图  据卢显（2010）

A-B剖面垂直水磨—庙子坪断裂带，穿过水库西南的水磨震群；C—D剖面平行水磨—庙子坪断裂带，穿过水库西南的水磨震群和东北的深溪沟震群；E-F剖面垂直于水磨-庙子坪断裂带，穿过水库西南水磨震群的东北端； G—H剖面垂直灌县一江油断裂，穿过水库东南的都江堰震群

水库西南的水磨震群在蓄水前地震很少，蓄水后地震明显增强，而且在2004年至2008年的每一次蓄水、放水阶段都表现出持续的活跃，不同的研究者都认为，水磨震群显然属于水库诱发的地震活动；

水库东北的深溪沟震群在蓄水前有分散的小震，蓄水后小震向东北方向迁移，而且更加集中，地震频次的高峰主要出现在2004年至2006年的库水加卸载期，也是被认为明显受到水库蓄水活动影响。2007年至2008年5月汶川地震前，深溪沟小震群的活动反而有所减弱；

水库东南的都江堰震群在蓄水前几乎没有地震活动，蓄水后的2004年至2007年，地震活动也十分微弱，但在临近汶川地震的2008年2月，在库水卸载阶段，却突然出现了地震活动的爆发，创下了月频次高达150余次的库区地震活动纪录，其中仅在2008年2月14日21时35分至2月15日0时54分，就有2.9级、3.7级、2.5级、3.3级、2.5级等五次震级较高的有感地震。而两个多月之后，便发生了汶川8级地震。

上述三个震群中，水库西南的水磨震群最引人注目，不仅因为水库蓄水后这里的小震活动持续时间最长、强度最大，还因为汶川8级地震的震中也出现在这里。

另外，2008年2月突然爆发的都江堰震群也耐人寻味，这个震群位于龙门山前山断裂带（即灌县-江油断裂带）。马文涛等（2011）认为，水库诱发的水磨震群、深溪沟震群导致了龙门山中央断裂地震能量的加速释放，使水磨-庙子坪断裂发生局部的顺时针扭动，并引起了都江堰一带前山断裂的应力集中。而当都江堰震群发生后，相当于把顶在龙门山中央断裂带水磨-庙子坪断裂下的“塞子”去掉，引发了水磨-庙子坪断裂的整体逆冲错动，并带动破裂沿龙门山中央断裂扩展。

水库诱发的小震群是不是汶川地震的前震？

由于紫坪铺水库西南区的水磨震群（参见图9中红色线框的范围）是公认的水库诱发地震，而汶川8级地震的震源又恰恰位于水磨震群的空间范围之内，因此，汶川地震与水磨震群的关系，成为了紫坪铺水库是否诱发了汶川地震的关键纽带。

震源机制是根据地震波反演计算出来的地震断裂面的几何形态、运动方式，以及地震活动呈现出来的受力方位。汶川地震与水磨震群的震源机制是否相同，也是判断它们之间是否相关的重要标志。胡先明等（2009）的计算结果表明，水磨震群与汶川地震的震源机制一致，表现为同一空间形态、运动方式和应力方位的逆冲断层型的特征。

陈天长（2010）对水磨震群与汶川地震的震源机制相关性进行了分析后指出，水磨震群与汶川地震的震源机制相关系数保持在0.9左右，处于相关性很好的高值。陈天长还指出，微小地震是地下岩石发生的小破裂，小范围一群微破裂的几何参数的一致性意味着微裂隙的定向排列。汶川8级地震前几年地震活动的一个重要特征，就是在未来大震震源区内的微破裂成丛发生，这将有利于破裂的进一步扩展贯通，形成大破裂。

纵波（P波）和横波（S波）这两种地震波的传播速度不一样，纵波速度与横波速度之比即为波速比。许多研究表明，在震级大于3.5级的地震发生前，都可观测到波速比下降—持续异常—回升—发震的异常现象。

卢显（2010）研究了紫坪铺库区2004年8月16日至2008年5月10日1569个小震的波速比。发现该区域的波速比在2006年11月左右（即水库水位首次达到最高水位时）开始下降，并一直保持低值状态至2007年3月底开始回升，当年5月份恢复到平均值水平，2008年2月份（都江堰震群发生时）整个区域的波速比值急速上升，符合大震前波速比下降—持续异常—回升—发震的规律。因此，紫坪铺库区小震群的波速比变化和库水位变化相关，证明了这些小震群具有水库诱发的性质；而这些小震群波速比的变化符合大震前波速比的异常特征，也可佐证这些小震群是汶川地震的前震。

马文涛等（2011）还发现，2008年4月5 日04:01:16.54，在水磨震群中，有一个1.3级地震在各台站的初动到时差与汶川8级地震惊人地相同。换句话说，这个地震的震源位置和汶川地震的震源位置几乎完全相同，该小震震源深度在7.8公里左右，也与重新定位后的汶川地震6~9公里的震源深度一致。这意味着，在汶川地震的初始破裂位置上，当时已经开始出现规模较小的破裂。因此，水磨震群的这些小震理应属于汶川地震的前震。

刘远征等（2014）认为，断层带上一般存在两种情况：弱部位和强部位。弱部位往往首先被破坏，成为应变释放开始的部位，引起预滑和小震。随着水的渗漏与扩散，断层上产生的弱部位就愈多，累计的弱部位总长度（或总面积）就愈大，断层也就愈接近失稳状态。2006年10月紫坪铺水库首次达到最高水位后，影响范围已涉及到整个龙门山中央断裂中段（即笔者所称的水磨-庙子坪断裂），断裂上的弱部位比例增大，该断裂带的协同化（贯通）程度提高。2007年10月第二次到达最高水位后，又引起地震活动范围扩大。到2008年2月断层已进入连接阶段，而且已出现不可逆转的失稳趋势。这里不需要库水渗透到整个龙门山断裂，也不需要库水渗透到整个水磨-庙子坪断裂，只需要库水渗透到部分断层段，使之弱化，就能引起连锁反应。恰如“千里之堤，毁于蚁穴”一样，是一种正反馈作用。事实证明，三次高水位起到了这个作用，促进了断裂带的协同化，为产生涉及大范围的大地震创造了条件。

紫坪铺水库的水是如何沿着断裂渗透并诱发地震的?

研究表明，与库水载荷产生的静压力相比，库水沿断裂向下渗透产生的孔隙压力，对诱发地震有更重要的影响（陈涛等，2012）。

张贝等（2010）指出，水库蓄水后，水向地下由浅到深的逐渐渗透（特别是沿渗透率高的岩石破碎带）会造成孔隙压力的逐渐增加，水库的放水或蓄水，不会改变深部孔隙压力增加的总趋势，这可能使深部的逆掩断层（一个较平缓的断层，浅部众多断层向下汇聚于此）由稳定变为不稳定。

水库造成的孔隙压力，需要一定的时间通过库水的渗透，向深部和周围不断扩散，这也是水库诱发的主震往往滞后于水库首次达到最高水位时的原因。由于不能直接观测到孔隙压力扩散的过程，不少研究者（Shapiro，1999、2000；Audiganel，2000；Talwani，2000；陈涛等，2012）提出，可以通过地震在时间与空间上的变化，来研究流体孔隙压力扩散的时间、扩散距离、孔隙压扩散系数等，从而探讨水库附加的孔隙压力对地震的影响。

周永胜等（2009）利用地球物理勘探、地质调查以及流变实验数据，建立了汶川地震相关构造单元的地壳流变结构，认为复杂的流变结构是汶川地震发生的基础，其中龙门山断层带中的高流体孔隙压力是触发汶川地震的必要条件。

雷建设等（2009）通过地震观测数据，分析了龙门山断裂带及其周边地区的地壳精细结构，发现汶川地震震源区下方存在明显的低波速异常体，也就是说龙门山断裂带内存在流体并对地震起直接作用。

中国地震台网中心的周龙泉等（2009）指出，岩石透水实验发现，当岩石孔隙水的饱和率达到 60％时，地震波纵波即P波的速度出现明显上升，而横波即S波的速度变化不明显。根据对紫坪铺库区地震数据分析表明，北川-映秀断裂下方确实存在P波的高速体，其深度范围在 0～8公里，可能反映水体沿断层面渗透的最大深度可以达到 8 公里左右。（笔者注：周龙泉认为的8公里左右这一最大渗透深度，与马文涛、苏金蓉、蔺永等得出的汶川地震的震源深度相吻合）

地震波在地壳中传播，当遇到有大量裂隙并且饱含流体或水的岩石时，会发生能量衰减。专家们用Q值来反映地震波能量衰减的大小，Q值越低说明地震波衰减程度越大，而低Q值区域，也可以反映出水库蓄水后，库水沿裂隙渗透扩散的空间范围。

王惠琳等（2012）利用层析成像方法，对2004年8月16日至2008年5月11日库区地震台网观测到的1340个地震的S波进行了Q值（Q_s）分析和成像，震级范围为M_L0.1～3.7，震源深度为1～15公里。他们发现，水库区地震S波的衰减有显著的不均匀变化，库区周边存在一个近似环形的低Q_s值区域。

王惠琳等把2005年9月蓄水以前与2005年9月蓄水以后的Q_s值作了比较（图11），发现在水库的高幅加卸载期，沿水磨-庙子坪断裂带（王惠琳等称之为通济场断裂），水库东北和西南的Q_s值都有大幅下降。他们认为，这与水库蓄水有密切相关性，库水可能沿着水磨-庙子坪断裂中段和两端的岩石破碎带向地下渗透，在水库周边诱发了小震群。因为岩石孔隙中充满流体，内摩擦增大，地震波大大衰减，从而导致了Q值大幅下降。

 图11  紫坪铺水库低幅加卸载期（a）与高幅加卸载期（b）Q_s成像 

据王惠琳等（2012）

白色区域为水库；红色三角形为库区地震台站；空心圆为地震；红色五角星为汶川8级地震；黄色及橙色区域为低Q_s值分布区，被认为与库水沿裂隙渗透有关；蓝色区域为高Q_s值分布区

值得注意的是，从王惠琳等提供的Q_s成像来看（图11），紫坪铺水库在经历了高幅加卸载以后，低Q值区域，也即库水沿着岩石裂隙的渗透，十分清楚地在水磨—庙子坪断裂与龙门山前山断裂之间扩展（注意图11左、右两张小图中，黄色及橙色区域的变化），在水库东西两侧都出现近南北方向延伸的低Q值区域，从而使龙门山中央断裂带和前山断裂带的低Q值区域得以贯通，这种“贯通”很可能是沿着连接龙门山中央断裂与前山断裂之间的次级断裂进行的，这对汶川地震的孕育和发生可能至关重要。因为正是在这种“贯通”之后，使原本相对沉寂的前山断裂在2008年2月发生了引人注目的都江堰震群，而随后不久，就在小震一直十分活跃的水库西南侧的震源区中，爆发了8级地震。这可能证明，都江堰震群同样与水库的蓄水活动有关，而且它所产生的应力释放，可能就像上文提到的马文涛等人分析的那样，使阻碍龙门山中央断裂带产生巨大破裂的“塞子”被最后“拔掉”。

刘远征（2014）将龙门山断裂分为三个系统：龙门山断裂系统（大系统），水库间接影响区的断裂系统（中系统），水库直接影响区的断裂系统（小系统）。小系统沿水库长轴方向长约40公里，其中水库长度占17公里，这里的地震活动与蓄水相关，可以确定是水库触发的。从2004年水位波动开始，地震活动范围扩展方向是由大坝向库尾（汶川地震震中方向），这个扩展过程主要在2006年末完成，地震活动范围扩展系数为每秒0.7平方米（相当于宏观的孔隙水压力扩散系数）。从2004年水位波动开始，中系统内的地震活动以汶川地震震中为中心，缓慢向外扩展。此时，“小系统”可视为“中系统”的一部分，“小系统”的地震活动特征与“中系统”一致。2005年末至2006年末，水位快速升高，“中系统”地震活动范围由汶川地震震中向外显著扩展，波及范围达100公里以上。由于“中系统”的地震活动特征与小系统一致。如果不认为这是巧合的话，那么可以推测“中系统”地震活动的变化是由小系统引起的。可以将小系统视为龙门山断裂大系统的关键力学部位，而水库蓄水的作用恰似在汶川地震震中至北东40公里范围内压紧的断层上撬开了一个缝隙，使断层活动趋向于协同化。

刘远征（2014）还提到，1994年10月终孔的联邦德国大陆深钻项目（KTB），发现在9公里深度的断裂破碎带内仍存在自由流体。这为库水渗透可以在较大深度诱发地震活动提供了一个间接证据。

陶玮等（2014）为分析随时间变化的孔隙压力扩散效应，以紫坪铺水库蓄水为时间原点，将距离紫坪铺水库20公里内的小震以每6个月为时间段分组，将每组地震按震中与紫坪铺水库的距离排序，统计每组累积的小震数。结果发现，在水库蓄水后，每个时间段内小震距离水库的分布为：0～0.5年：9.5～12公里；0.5～1年：13～15公里；1～1.5年：13～16公里；1.5～2年：14～17公里；2.5～2.7年（汶川地震前）：15～20公里。它们显示出，在紫坪铺水库蓄水后、汶川地震发生前，小震具有明显的以紫坪铺水库为中心随时间向周围扩散的趋势，这一扩散趋势与紫坪铺水库蓄水引起的孔隙压力向周围扩散的趋势一致。

地震台在对地震的记录中，除了地震波以外，还经常包含各种频段的噪声。在没有地震波信号的时段，地震仪画出的也并非一条直线，而是记录到持续不断的震动，这就是背景噪声。以前认为这些噪声是无用的，需要从地震信号中去除。后来人们发现可以通过背景噪声来分析面波（一种沿地球表面或地下界面传播的地震波）的传播速度和地壳的结构。

安艳茹（2015）利用紫坪铺库区台网2005年1月1日至2008年1月1日的观测数据，通过噪声互相关测量波速变化的方法，获得了库区地下岩石的相对波速变化。根据面波在地下传播周期的变化及其反映出来的介质变化，可以把地下结构分为三个不同深度，并对应于不同的面波传播周期：①0～2公里，1～2秒；② 1～4公里，2～4秒；③ 1～8公里，4～8秒。通过分析发现，蓄水后地下的相对波速变化与水位呈明显的负相关，即水位升高，波速降低；水位降低，波速升高。而这种波速的变化，也随着时间的推移，由浅部逐渐影响到深部。由此反映出，随着水的逐渐渗透，孔隙压力对岩石或断层的影响，也由浅部向深部扩展。

蓄水前的2005年1月1日至2005年9月30日，水位低于817米，相对波速变化与水位变化无明显关系，且相对波速变化在2005年9月30日前回归到0左右；

2005年9月30日，开始第一次大幅蓄水，数十天内，水位由760.4米迅速升高至835.9米。库水压力急剧增加，库水开始向库底的裂隙中渗透。在此期间，三个深度的介质相对波速迅速降低，变化幅度约为0.035%。而在变化速度上，2-4秒与4-8称的相对波速变化较为一致，较1-2称均略有滞后。说明此时库水静压力作用是导致相对波速降低的主要原因，而渗透作用只影响到了2公里以内的浅层介质；

之后，水库开始泄水，至2006年8月15日水位下降到821.2米，相对波速也逐渐升高，变化幅度约为0.05%。此时，4-8秒的相对波速变化，相对于1-2秒和2-4秒均有所滞后，或许说明渗透作用已经影响到了2-4公里的介质；

第二次大幅蓄水始于2006年8月15日，至2006年10月14日水位上升到875.2米，三个深度的相对波速随之降低。变化幅度上，1-2秒周期的相对波速变化超过0.05%，而2-4秒与4-8秒周期的相对波速变化约为0.05%，这是由于渗透作用对2公里以内的影响较大，而在变化速度上，存在明显的时间延迟。其中，1-2秒与2-4秒对应的相对波速几乎同时降到最小值，而4-8秒的相对波速在近一个月后才降到最小值。这说明在承受同样的库水压力下，渗透作用已影响至4公里左右的深度；

第二次泄水过程开始于2006年10月14日，至2007年5月21日，水位下降到819.1米。在此期间，1-2秒对应的波速变化幅度约为0.15%，2-4秒对应的变化幅度约为0.05%，而4-8秒对应的变化幅度约为0.1%。变化速度上，三个深度对应的相对波速几乎同时升高至最大值。这说明渗透作用与压力共同影响着8公里以内相对波速的变化，且此时水已渗透至8公里左右。

第三次大幅蓄水开始于2007年5月21日，2007年12月12日水位上升到873.4米。三个周期的相对波速迅速降低，幅度分别与第二次泄水时保持一致，这是由于第二次泄水和第三次蓄水时的水位差较为一致。同时，三个周期的相对波速几乎同时达到最小值，与水位变化非常的一致，互相关系数分别达-0.81，-0.66，-0.76。表明此时水已渗透至8公里以下深度。

上述研究中，安艳茹（2015）对数据的提取截止到2007年底。在此之后至汶川地震前，还有一次大幅的泄水过程。在库水渗透产生的孔隙压力已影响到8公里以下深度的情况下，这一次的泄水过程，无疑会进一步加大孔隙压力的影响深度，而在这一泄水过程后期的2008年5月12日，便爆发了汶川大地震。

特殊的动力学参数是否能区分天然地震与水库诱发地震?

视应力是一个动力学参数，它用来表征地震矩（地震矩是用来表示地震所释放的能量以及地震大小的物理量）辐射能量的强弱，反映了地震能量辐射效率的高低。视应力与地震矩的关系称为视应力标度率，它能区别不同的震源物理过程。与水库蓄水关系密切的地震在震源物理上可能有别于天然的构造地震，这种差别可能反映在视应力标度率上。

杨志高等（2010）利用紫坪铺水库地震台网2004年8月至2008年2月记录到的地震波形数据，计算了170个M_L≥1.0级地震的地震矩、拐角频率和视应力，分析了拐角频率和地震矩的关系以及视应力标度率。

结果表明，蓄水前视应力与地震矩没有明显的相关性，蓄水后视应力随地震矩增加而增加。蓄水前紫坪铺库区地震的拐角频率远低于其他大陆地区，表明库区地震波传播经过了较强的衰减过程。蓄水后，库区拐角频率和地震矩的关系发生明显变化，对于相同地震矩的地震，蓄水一段时间后拐角频率变大。这意味着蓄水后，库区地震震源谱的高频成分相对丰富。一方面，蓄水后流体渗透削弱了岩石弹性；另一方面，蓄水可能改变震源物理过程。

Richardson等（2002）在研究南非矿井深处微震事件的震源参数时，发现这些事件可以分为天然地震和与人类活动有关地震两类。与人类活动相关地震有如下特点：发震时间紧密，空间有丛集性，震源有相对丰富的高频信息。Richardson等指出，与人类活动有关的地震在震源物理上主要是整块岩石的破裂，设想它们有两个主要的特点：①地震矩相对较小，因为小尺度岩石的破裂相对容易；②因为整块岩石破裂后阻力迅速减小，发震过程相对迅速，使得高频成分相对丰富。

杨志高等因此认为，在紫坪铺库区，蓄水前地震主要发生在已有断层上，或者说这时候的地震主要表现为克服断层摩擦力；蓄水之后，水体的静压力以及渗流产生的孔隙压力使整块的岩石更容易破裂，整块岩石的破裂使断层面阻力迅速减小，这和蓄水之前的震源物理过程有较大差别。而上述参数在蓄水前后的变化，可能为研究和区分天然地震和水库地震提供一个新的参考依据。

汶川地震在大区域没有明显前兆是否正好反映了水库诱发地震的特征?

人们在发现汶川地震之前库区的小震活动出现明显异常的同时，对汶川地震没有出现大区域的明显前兆也感到困惑。张国民等（2009）指出，在龙门山推覆断裂带的构造变形仅为每年1～2毫米左右的低速率情况下，孕震过程中震源区的应力呈现为缓慢增长的特性。

滕吉文等（2009）指出，资料分析表明：龙门山断裂系在汶川地震前的近期构造活动和变形测量中均未发现有明显的变化量。

赵静等（2012），根据GPS速度场的数据分析也指出，汶川地震前，龙门山断裂带中北段整体应变积累速率较低，断裂处于完全闭锁状态。

习惯上人们总是认为，水库诱发地震是因为断层的应力积累已达到临界状态，水库的蓄水活动只是起到触发作用，但这是一个并未被实证或无法实证的命题。因为，当地震发生时，人们当然可以认为，这是断层的应力积累超过临界状态而致。但在地震发生以前，人们并不能确知，断层的天然应力积累已达临界状态，水库附加的应力仅仅对其起到触发作用。在这种情况下，当然不能排除断层原本的应力积累并未达临界状态，而因为水库的蓄水活动导致岩石破裂或地震活动被“激发”或不是被“触发”的状况，即可能是在岩石中产生了新的破裂。

汶川地震后，在龙门山断裂带上实施了科学钻探，据李海兵等（2013）对于1号钻孔（1号钻孔位于水磨-庙子坪断裂的北延段上）资料的研究，在1号钻孔深约589米的附近，为汶川地震断裂主破裂带的位置，但这个破裂面斜切了原来由古构造碎裂岩构成的龙门山断裂带，因此李海兵等认为汶川地震的主破裂面可能是一条新的逆冲断层。笔者认为，这不排除因为水库的蓄水活动，促进断层上的弱化部位扩展贯通，形成了新的破裂。

张致伟等（2009）、程万正等（2010）都指出，紫坪铺水库蓄水以后，库区出现了小震密集增加的现象，它们与水库蓄水、放水有关，这既可能属于区域长期地震活动的一种起伏，也可能是因为水库区小震活动异常的“链式续增”，引起断裂带上巨大能量的提前突然释放。既然是提前突然释放，因此汶川地震前孕震过程的阶段性特征以及中短期前兆性地震活动不明显，典型前兆异常稀少，也是一种可能的存在机制。

Bell和Nur（1978）在研究水库诱发地震时曾指出，库水浸入可能使断层的破裂强度降低40％～60％。杨晓源（2009）认为，如果汶川地震是紫坪铺水库诱发，那么在自然状态下，龙门山断裂带距正常破裂强度极限尚有40％－60％的差距，自然会有很多短期与临震的前兆现象不足，这可能正好说明汶川地震是因为水库提前诱发所致。

汶川地震前的一些异常事件是否与水库蓄水有关？

虽然汶川地震前没有出现巨大地震前通常会出现的许多前兆异常，但在现有的地震前兆观测台站的观测项目中，仍然有异常出现。

据四川省地震局的报告（四川省地震局汶川8级地震总结，2008），在四川地区191个地震前兆观测台站中，汶川地震前出现中期和短期临震异常的台站有22个，出现异常台站数的比例为11.5 %；在四川地区地震前兆观测的348个观测项中，汶川地震出现中期和短期临震异常的观测项有26项，出现异常的观测项数的比例为7.5%。

虽然目前还不能断定，上述这些异常是水库的蓄水活动引起的应力变化所致，但值得注意的是，26项异常中，有22项异常是在紫坪铺水库蓄水达到高水位之后即是在2005年至2007年开始出现的。这种时间上的“巧合”，有可能显示了水库的蓄水活动带来的断裂活动变化。

其中，引人注目的有汶川县耿达和七盘沟的短水准测量异常，因为该测量场地离紫坪铺水库最近，且位于龙门山后山断裂带。耿达的短水准测量，通常的变化速率仅为0.1毫米/年，年变化也不明显。但在2006年5月出现2.3毫米的大幅度上升变化，2006年9月继续出现1.51毫米的变化，2007年1月略有回复，2007年5月又出现1.27毫米的上升变化，总体显示明显的张性活动异常，变化幅度为4.26毫米。另外，七盘沟跨龙门山后山断裂的短水准测量，2005年～2007年年变幅明显加大，且为1993年以来之最。

耿达的异常当时曾经过现场检查，被认为是“当地修建房屋所致”。但陈立德等（2010）认为，建房是一个持续加载过程，为何2007和2008年1月出现反向变化?

笔者认为，恰在耿达沟、七盘沟的短水准测量出现异常的同时，龙门山中央断裂带即北川-映秀断裂带受紫坪铺水库蓄水活动影响，应力状况正发生明显变化，并诱发了小震群。此时后山断裂带出现明显的张性活动异常，不排除与中央断裂带上水库诱发震群表现出来的逆冲与走向滑动加剧具有因果联系。

图12  跨龙门山后山断裂带的汶川县耿达短水准测量数值，在2006年5月开始出现大幅度的上升变化（据四川省地震局，2008），此一时段恰与紫坪铺水库水位的第二个高幅加载期一致

陈立德等（2010），对汶川地震震前的这些异常进行了分析，并与海城、唐山、邢台、松潘、孟连等大地震的前兆特征进行了比较。他们的结论是，汶川地震前，出现异常的台站数占总台站数的比例、出现异常的台项数占总台项数比例，都比其它大震低；若把测量值出现有记录以来的最大或少有的变化视为“巨变异常”，那么汶川地震前的巨变异常占异常总数的比例要高得多；另外，中期巨变异常出现的时间，汶川是在震前的3.5～1.5年，即短临阶段早期，而孟连则为震前的1～2年，即短临阶段晚期；汶川地震震中区的宏观异常断续出现在震前1个月至3年内，而海城、唐山、邢台、松潘等大地震的宏观异常均出现在震前几个月至发震当天。

程万正（2012）也把松潘7.2级地震与汶川8级地震的震前异常作了比较分析。在以震中为中心、半径90公里的范围内，松潘7.2级地震前地震活动密集，强度大，活跃时间长，震前3年就有6.5级地震发生。而汶川 8级地震前地震活动强度相对较低，震前6年多时间未发生 4级以上地震；松潘地震的短期临震异常显著多于汶川地震，前者宏观异常非常丰富，数量大，分布广。而后者宏观异常极少，尤其未出现松潘地震前常见的火球、地光等现象；松潘地震与汶川地震震前的观测异常没有一个台项是重复出现的；松潘地震的前震与主震在震源机制上有差异，最大主压应力轴的方向在震前有转动。而汶川地震的前震与主震的震源机制一致。

汶川地震前，中期巨变异常以及宏观异常开始出现的时间，恰与紫坪铺水库高幅加卸载期开始的时段吻合。而上述汶川地震与其它地震震前异常的差异，是否反映了水库诱发地震与天然地震在机制上和异常表现上的不同，显然值得注意。

水库能够诱发震级高达8级的巨大地震吗？

历史上被确认的水库诱发地震的最大震级为6～7级，虽然从逻辑上，这并不能推论水库不能诱发8级地震，但水库能否诱发汶川地震这样高达8级而且破裂带长约二三百公里远远超出库区范围的巨大地震，仍然让人们充满疑问。

专家们公认，汶川地震是由时间上有先后、地域不同却又紧密相连的若干次破裂事件组成。据陈运泰的报告（2008），汶川地震破裂的时间过程可分为4个阶段，整个破裂沿龙门山断裂带由西南向东北扩展，破裂持续时间长达90秒，破裂过程很不规则：0～16秒为第一阶段，能量释放占11%；16～40秒为第二阶段，能量释放占56%；40～58秒为第三阶段，能量释放占28%；58～90秒为第四阶段，能量释放占5%。

图13  汶川地震时断裂破裂及能量释放的四个阶段（据陈运泰，2008）

陈章立等（2009），将汶川地震的余震活动分为西南和东北两个区段，测定结果表明，两个区段的断裂错动、震源机制解、应力降以及最大主应力的方向等明显有别。陈章立等推测东北段地震的发生可能是由西南段主破裂的发生所触发。

根据汶川地震破裂过程与方式，杨晓源（2009）、廖永岩（2009）都认为，紫坪铺水库诱发的仅仅是汶川地震破裂第一阶段的起动地震，汶川地震的后续破裂是在起动地震的带动下发生的。

易桂喜等（2006、2011），通过研究汶川地震前龙门山—岷山断裂带的地震活动参数，发现在紫坪铺水库蓄水前，龙门山断裂带高应力区分布在绵竹—茂县一线的东北侧，即龙门山断裂带的北段属于未来最可能发生强震的地段。而包括紫坪铺库区在内的汶川段，处于中偏低的应力状态，尚不具备发生强震的背景。

紫坪铺水库蓄水后，小震群的活动与b值的降低显示了紫坪铺库区附近应力水平的显著升高，8级地震没有启动于原本应力水平较高的龙门山断裂带北段，而是发生在紫坪铺水库附近，很有可能是受到水库蓄水的影响；而汶川地震之所以表现出由初始破裂点向北东方向扩展的单侧破裂现象，并且破裂延伸达200公里以上，似乎又与原先龙门山断裂带北段比较接近破裂临界状态有关。

一幅正在完成的拼图及其面临巨大的挑战

水库诱发地震的问题，就象地震本身以及其它许多地球科学的问题一样，是一个极为困难的研究命题，因为人们很难完全模拟地壳内部复杂多变的环境条件，也很难去进行完全重现这种环境条件的科学实验。但紫坪铺水库与汶川地震，这一前所未有的案例，给水库诱发地震的研究提供了许多有价值的新鲜材料和新的研究视角，也提出了许多具有巨大挑战的科学命题。

水利工程专家王维洛曾经指出（2008），科学家面临的一个全新情况是，紫坪铺水库建造在具有强烈地震活动背景的断裂带上，在这种情况下，水库诱发的构造性地震是否还属于传统经验的水库诱发地震的范畴？

笔者根据紫坪铺水库与汶川地震关系的上述文献，提出的问题是：

紫坪铺水库处于龙门山断裂带前期自然应力水平相对比较低的地段，而且并未在区域上出现巨大地震应有的前兆，因此，水库蓄水活动是否有可能对断层破裂的发展具有主动推进作用？

水库蓄水活动是否可以使休眠的断层重新复活或是在老断裂附近产生新的破裂，而不一定是在天然应力积累达到临界状态的断裂上触发地震？

水库蓄水会使断层的临界状态加速到来或提前到什么程度？水库诱发的断层破裂是否具有不断加速的链式反应？

对于逆冲断层来说，水库反复蓄水放水的这种循环加卸载而不是单向加载或卸载的作用，是否具有更重要的断裂力学意义？

人们习惯于从大的地质构造背景来解释一个地震事件的成因，某种解释模式也许可以解释某个地震带上的所有地震事件，但实际上可能什么也没解释。人们需要在天然构造应力场的大背景下，去探索一个地震事件发生的具体原因。一次巨大地震的发生必定有相应的地质构造的基本条件。但是，当地震前区域天然构造应力场并没有明显变异时，巨大地震的初始发震动力是否有可能来源于人类活动影响的局部应力场，而不是传统认为的区域构造应力场？

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