水库蓄水后，水渗入到断层或裂隙面中降低了面间强度，使库区局部出现应力不平衡，在初始应力作用下，首先在某些较小的参差面上达到破裂应力水平而发震，这相当于前震。大量微震使地壳浅层的微裂隙得以串通，从而形成规模较大的裂隙，库区基岩原不连续的微裂隙被贯通，并逐渐向深部发展，有利于库水向更深更远部位渗透，使面间总强度再度降低，应力进一步集中于最大的参差面上，当应力超过其强度时便发生大错动，这相当于主震。大震后又出现许多新的参差面待调整，这相当于余震过程（李碧雄等，2014）。

图4.58和图4.59分别表示天然地震和水库诱发地震的诱震机制。确切地说，水库诱发地震是天然地震中能量转换为机械能之前的过程（全部或部分）和库水的作用效应相结合的产物（马俊红，2011）。

水库蓄水对库底岩体产生三种效应，即水的物理化学效应、水体的荷载效应和水的力学效应——孔隙水压力效应（张倬元等，1994）。

图4.58　天然地震的诱震机制

图4.59　水库诱发地震的诱震机制

4.7.4.1　地下水的荷载效应

岩石的破坏满足库仑破裂准则：

图4.60　岩石应力状态及可能破裂面示意图

式中：c为岩石黏聚力；φ为内摩擦角。假设水库蓄水前坝基岩石中原始构造应力的大小主应力分别为σ1和σ3，蓄水后水体重压即流体静压对坝基增加了垂直向压力，产生静水压附加应力σw：

式中：h为蓄水深度。

由图4.60可列出蓄水前岩石截面AB上的正应力σ和剪应力τ分别为

蓄水后，垂直向主应力增加为（σ1+σw），截面上的正应力σ和剪应力τ变为

此时应力状态莫尔圆半径增加（图4.61），当△σw增加到某一值时，莫尔圆与破裂线相切，表明AB截面上的正应力σ和剪应力τ满足库仑准则，从而产生破裂滑动引起地震，这就是水库蓄水后静水压作用诱发水库地震的机制（太树刚等，2012）。

水库荷载可以产生以下几种效应和作用：

（1）弹性效应。水库荷载使库基岩体发生弹性位移，从而使岩体承受的弹性应力增加，这种变化是快速响应的。

图4.61　静水压力△σw影响下应力状态摩尔圆图示

（2）压实效应。在饱和的岩石中，由于弹性应力的增加而使岩体中的孔隙被压缩，孔隙体积减小，孔隙水压从而升高，这种响应亦较迅速。

（3）扩散效应。由于水库蓄水造成一定的水头压力，迫使库水沿裂隙向孔隙压较小的部位运移。这种扩散作用与压实作用造成的孔隙压力变化有联系。

（4）抬高地下水位作用。在水库蓄水以前，地下水位埋深很深，以致使地表浅层的库基岩石处于不饱和状态。当水库蓄水以后，库水向不饱和的岩体渗透，最终使地下水位被抬高。

弹性效应是水库荷载对库基的直接效应，而其他三种效应是在水库荷载的条件下，库水对岩石介质的物理特征和对水文地质条件的影响。水库荷载的意义在于触发已积蓄的构造应变能，水库蓄水使水库边缘形成附加水平引张应变环分布。因此，如果当地初始最小应力σ3与附加张应力接近平行，特别是初始构造应力已接近岩石破裂的临界值时，附加张应变就可能产生诱发地震的作用。附加引张应变可以部分地抵消断裂面上的正应力，从而使构造应力更易于造成断裂错动和地震（丁原章，1989）。

4.7.4.2　地下水的孔隙水压力效应

根据太沙基有效应力原理，孔隙水压力的增加会降低有效应力，使岩石抗剪强度降低从而导致岩石的破坏。孔隙水压力的增加有两种方式，其一是岩体的压缩导致孔隙水压力的增加，可以称之为不排水效应；其二是库水在裂隙中渗流的过程中形成扩散孔隙水压力，可以称之为扩散效应。

假设水库蓄水前坝基岩石中原始构造应力的大小主应力分别为σ1和σ3，蓄水前岩石截面AB上的正应力σ和剪应力τ仍为前述公式所示。假设蓄水前岩石是干燥的，则岩石的孔隙压力接近于0，蓄水后，孔隙压力增加为pp。根据有效应力定律，大小主应力分别变为，此时，岩石截面上的正应力和剪应力为

此时，图4.62中的应力状态莫尔圆向左移动，当pp增加到某一值时，莫尔圆与破裂线相切，表明AB截面上的正应力和剪应力满足库仑准则，从而产生破裂滑动而引起地震。此即水库蓄水后孔隙压力增加诱发水库地震的机制（太树刚等，2012）。

图4.62　孔隙水压力pp影响下应力状态莫尔圆图示

另外，孔隙水压力只在具有一定渗透率的饱和裂隙中扩散才能诱发地震，该渗透率称为孕震渗透率。当裂隙的渗透率太低时，水难以在其中渗透，而当渗透率太高时，裂隙中的流体为非达西流体，不能建立较高的孔隙水压力（刘素梅，2015）。(www.daowen.com)

4.7.4.3　地下水的物理化学作用

（1）润滑软化作用。实验证明，为水所饱和的岩石强度比干燥状态下的强度要低得多（表4.25）。一般来说，孔隙大、胶结差的沉积岩，特别是含泥质和亲水矿物较多时，水的软化作用较大。

表4.25　干燥与潮湿状态下岩石的抗压强度对比（据李忠权等，2010）

图4.63　从裂缝增长速率得出的石英中应力腐蚀效应的证据（据Martin，1972）

（2）应力腐蚀。试验研究证明，在石英中增加水分会显著缩短达到破坏所需时间（图4.63）。在库水位不太高时应力腐蚀作用可能是一种诱发地震的机制（李碧雄等，2014）。

（3）吸水膨胀作用。某些岩石具有吸水膨胀作用，这对诱发地震的作用是不可忽视的。例如阿尔及利亚的乌德夫达水库，其下部有石膏岩，水库地震可能与石膏岩浸水膨胀有关（余朝庄，1980）。

4.7.4.4　水库诱发地震的水文地质结构

研究表明，水库诱发地震与库区的地层岩性、地质构造有着密不可分的联系，库水的渗漏效果也直接取决于库区的岩石与构造。

（1）岩体渗透稳定性。岩体渗透稳定性包含了岩体力学性质和渗透特性两方面的内容，表示在渗流作用下岩体的稳定性。岩体渗透稳定性的分类，暂且根据震中岩体性质的统计结果，分为高、中、低三类：岩溶发育的碳酸盐体渗透稳定性最差；花岗岩、玄武岩、片麻岩等为中；砂岩、页岩、泥岩等最好。传统水文地质学以地下水在岩体的赋存形式把含水岩体分为孔隙含水层、裂隙含水层、岩溶含水层等，并根据渗透性大小分为含水层和隔水层。对含水岩体的这种划分，没有考虑岩体的力学性质。渗透性高的岩体，并不都易于诱发地震。岩体渗透稳定性综合反映了岩体渗透性的各向异性、非均匀性和力学性质，更适合于用其评价岩体在渗透作用下的稳定性（易立新，2004）。

（2）岩体组合。不同的岩体组合会直接影响到库水作用的效果。若水库区的岩石均为致密的不透水层，致使库水无法向基岩发生渗漏，那么也就不存在前面提到的水的各种作用；若水库区的岩石透水性均很好，很可能会导致无法建立一个较高的孔隙水压力。因此，入渗到基岩中的库水，在裂隙中能否保持一定的压力，即是否具备一个封闭环境也是一个重要条件。在南冲水库和前进水库，库尾部位渗漏的库水，由于周围岩石具备封闭条件，明显地抬高了地下水位，增高了岩石中的裂隙水压力，而诱发了地震。但同是在这两个水库，靠近坝址处渗漏的库水，由于不具备封闭条件，只出现库水向坝下游河谷的漏失，而没有诱发地震。

大量的实例均显示，水库诱发地震更易发生在岩性复杂的地区，这也是不同岩体组合对水库诱发地震产生不同影响的一个证据。

（3）断层类型与渗透结构。断层是水文地质结构的另一个重要组成部分。对于断层的分析，可从其类型与渗透结构两方面去讨论。

1）断层类型。断层通常可分为正断层型、走滑断层型和逆断层型三大类。由于区域构造应力是诱发地震的一种初始应力（胡毓良等，1979），水的作用对于不同类型的断层有不同的影响结果，因而不同类型的断层对水库诱震可能性有较大影响。

正断层型时由于σv与垂直方向的最大主应力叠加，侧压力效应使水平的最小主应力增值仅为0.43σv，摩尔圆加大并稍向右移，结果是更接近于包络线，即稳定条件有所恶化（图4.64）。

图4.64　正断层型时荷载效应对于岩石稳定性的影响

走滑断层型σv叠加于垂直的中间主应力之上，莫尔圆大小没有变化，但水平的最大、最小主应力同时都增加了0.43σv，致使莫尔圆右移，使稳定状况稍有改善（图4.65）。

逆断层型则由于σv与垂向的最小主应力叠加，而水平的最大主应力的增量仅为0.43σv，结果是莫尔圆减小并右移，稳定状况大为改善（图4.66）。

孔隙水压力效应同时使最大最小主应力减小一个孔隙水压力增值。令其值近似等于γh（γ为水的容重，h为水库水深），则其值近似等于σv。其结果是在三种应力状态下都使摩尔圆大为左移，亦即大大接近于包络线，即使震源岩体稳定性恶化。

图4.65　走滑断层型时荷载效应对于岩石稳定性的影响

图4.66　逆断层型时荷载效应对于岩石稳定性的影响

图4.67　断层渗透结构示意图

上述两种效应叠加后，震源岩体稳定性最终变化如下：

正断层型强烈恶化；走滑断层型因为荷载效应使摩尔圆离开包络线的距离小于孔隙水压力效应，使之接近包络线的距离，故最终结果是有所恶化；逆断层型的摩尔圆因荷载效应使之离开包络线的距离大致等于孔隙水压力效应使之接近包络线的距离，但是荷载效应使改变了的摩尔圆小于原始摩尔圆，所以最终稳定程度稍有改善（张倬元等，1994）。

2）断层渗透结构。“断层带的物质组成和渗透性明显分为断层核（滑动面、断层泥）和断层破碎带（破碎带、次级断裂、断层褶皱）两部分。一般情况下，断层核为隔水层，断层破碎带为含水层和导水带。所以可以根据这两部分的相对比值评价断层的水文地质性质，比较沿断层走向上和不同断层间的导水性。如图4.67所示，断层带水文地质结构按断层核和断层破碎带性质及相互关系分为4类，分别为局部导水、局部阻水、散状导水和复合型。”

4.7.4.5　水库诱发地震的初始应力

区域构造应力是水库诱发地震的一种初始应力，但在水库诱发地震中还有两点事实是不能忽视的：

（1）发震水库并不局限于构造活动区，从统计上看，发生在构造稳定的弱震或无震区的震例并不少。一些活动性较高的地区，目前却未发现水库诱发地震的震例。

（2）震源机制的资料表明，不少水库地震发震的主压应力轴是近于垂直的，是一种陡倾角的倾向滑动。即使在新丰江水库，1962年3月19日6.1级主震的主压应力方向与区域构造应力方向相一致。但在1972年所测定的207个微震，其中约80个其主压应力轴是垂直或比较接近于垂直的。这与区域构造应力场是不一致的。

上述事实说明，区域构造应力可能不是唯一的初始应力。垂直方向的主压应力也许就是重力应力。因此，可以推测岩体本身的重力也可能是一种发震的初始应力。另外，初始应力是否一定处于临界状态，正如上面所述，许多水库地震发生在构造上比较稳定的弱震或无震区，没有迹象说明它们处在高应力或临界状态。再则，如果处于“一触即发”的临界状态，那么水库蓄水后应当一触而发生主震，而不应当有很长的前震期（胡毓良等，1979）。