陳翰林，陳 陽(yáng)

(中國(guó)地震局地震預(yù)測(cè)研究所，北京 100036）

0 引言

水庫(kù)地震問題是上世紀(jì)30年代希臘的馬拉松水庫(kù)地震發(fā)生后提出來(lái)的，60年代發(fā)生的幾個(gè)具有較大影響的水庫(kù)地震使得科學(xué)家們將水庫(kù)地震問題作為一個(gè)科學(xué)問題進(jìn)行較系統(tǒng)的研究，60年代發(fā)生的比較有影響的水庫(kù)地震有1962年中國(guó)新豐江水庫(kù)地震、1963年意大利瓦依昂水庫(kù)地震、1967年印度柯依那水庫(kù)地震。在70年代中期以前主要側(cè)重于水庫(kù)地震資料的收集整理，研究水庫(kù)荷載過(guò)程與誘發(fā)地震活動(dòng)的關(guān)系。70年代中期后，隨著數(shù)字地震觀測(cè)技術(shù)的誕生和應(yīng)用，水庫(kù)地震的研究迅速朝縱深方向推進(jìn)。特別是通過(guò)在庫(kù)區(qū)布設(shè)密集的地震觀測(cè)臺(tái)網(wǎng)，在水庫(kù)地震發(fā)生環(huán)境及機(jī)理和水庫(kù)地震與構(gòu)造地震特征的差異等方面的研究取得了許多重要的認(rèn)識(shí)。Roeleffs研究指出，引起地震活動(dòng)的孔壓增加與湖水位變化的頻度和幅度有關(guān)；Simpson將大型水庫(kù)注水后的地震響應(yīng)類型分為延遲響應(yīng)和快速響應(yīng)兩種；Talwani研究了這兩種響應(yīng)類型的地震活動(dòng)特征的差異[1～3]。

為了拾取高質(zhì)量的水庫(kù)地震波形記錄，精確測(cè)定水庫(kù)地震震源位置，更好地研究水庫(kù)地震活動(dòng)性，我們采用水庫(kù)固定臺(tái)網(wǎng)與流動(dòng)加密臺(tái)站相結(jié)合的觀測(cè)布網(wǎng)技術(shù)在龍灘庫(kù)區(qū)和新豐江庫(kù)區(qū)架設(shè)了水庫(kù)地震精密監(jiān)測(cè)組網(wǎng)，獲得了很好的觀測(cè)數(shù)據(jù)波形。將采集后的數(shù)據(jù)初次定位后利用波形互相關(guān)法和雙差定位法再次對(duì)震源位置進(jìn)行了精定位研究，得到了較好的定位結(jié)果。

1 新豐江水庫(kù)地震活動(dòng)性研究

我國(guó)水庫(kù)地震研究始于上世紀(jì)60年代廣東新豐江水庫(kù)地震的研究，在新豐江水庫(kù)開展了地震觀測(cè)和危險(xiǎn)性評(píng)估的研究。根據(jù)研究的結(jié)果按烈度Ⅷ度對(duì)大壩進(jìn)行加固 （原設(shè)計(jì)烈度為Ⅵ度）。1962年3月19日在離大壩1 km處發(fā)生6.1級(jí)地震，大壩雖有損傷，但未垮塌。這也是迄今為止水庫(kù)誘發(fā)地震對(duì)大壩局部地段造成損害的兩例水庫(kù)地震之一，另一例是1967年12月10日印度柯依納水庫(kù)誘發(fā)6.5級(jí)地震，大壩震裂，大水從裂口傾瀉，導(dǎo)致許多村莊被沖毀。這兩次也是全球發(fā)生的兩次最大的水庫(kù)誘發(fā)地震。新豐江水庫(kù)地震之后我國(guó)陸續(xù)在許多水庫(kù)庫(kù)區(qū)架設(shè)臺(tái)站，進(jìn)行地震的監(jiān)測(cè)活動(dòng)，科學(xué)家們也開展了很多關(guān)于水庫(kù)地震的監(jiān)測(cè)預(yù)測(cè)研究。如丁原章對(duì)新豐江水庫(kù)誘發(fā)地震的構(gòu)造條件、庫(kù)區(qū)地震活動(dòng)、震源機(jī)制及地殼變形等作了詳細(xì)研究[4、5]；于海英、公茂盛等利用新豐江、黃壁莊、喀什、龍羊峽、官?gòu)d、劉家峽和陡河等水庫(kù)地震的近場(chǎng)地面運(yùn)動(dòng)資料研究了水庫(kù)地震的地震動(dòng)特性，指出相對(duì)于構(gòu)造地震而言，水庫(kù)地震的地面運(yùn)動(dòng)峰值加速度較高，衰減較快，地震動(dòng)反應(yīng)譜特征頻率較高，持續(xù)時(shí)間較短[6]；歐作畿指出多數(shù)水庫(kù)地震具有以下特點(diǎn)：震中多集中在庫(kù)壩附近，一般集中分布在水庫(kù)岸邊幾公里至十幾公里范圍，震源深度較淺，一般在地表下10 km以內(nèi)，個(gè)別達(dá)20 km，以4～7 km居多[7]。

新豐江水庫(kù)又稱萬(wàn)綠湖，因四季皆綠、處處皆綠而得名。它是1958年籌建新豐江水電站時(shí)，在距廣東省河源市僅6公里的新豐江下游的亞婆山峽谷修筑攔河大壩蓄水而形成的。新豐江水庫(kù)蓄水量約139億立方米，總面積1600 km2，其中水域面積370 km2，其大壩是世界上第一座經(jīng)受六級(jí)以上地震考驗(yàn)的超百米高混凝土大壩。新豐江水庫(kù)工程于1958年7月開始動(dòng)工，1959年10月20日水庫(kù)開始蓄水，1960年第一臺(tái)發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)發(fā)電。新豐江水庫(kù)蓄水不久，周圍便開始出現(xiàn)一些地震活動(dòng) (圖1)，1960年5月當(dāng)水庫(kù)的水位蓄到81 m時(shí)發(fā)生了三至四次強(qiáng)度為3.1級(jí)左右的有感地震，1960年7月18日當(dāng)水庫(kù)水位升到90 m時(shí)，發(fā)生強(qiáng)度為4.3級(jí)的中度地震。1962年新豐江水電工程竣工，同年3月19日當(dāng)水庫(kù)水位升110多米時(shí)，發(fā)生了震級(jí)6.1級(jí)的強(qiáng)震，震源深度約為5 km，此次地震對(duì)大壩的局部地段造成損害。蓄水初期，新豐江水庫(kù)周圍地震活動(dòng)性非?；钴S，年頻次一度達(dá)到2000次，此后，地震的頻次迅速減弱，庫(kù)水位長(zhǎng)期保持在80～120 m之間。但最近新豐江的地震活動(dòng)性有所增強(qiáng)，值得高度關(guān)注，尤其是2012年在新豐江發(fā)生了幾次比較有影響的地震：一次是2012年2月16日在水庫(kù)庫(kù)區(qū)西北邊緣發(fā)生了一次4.7級(jí)地震，震源深度為10 km， 此次地震震中距河源市約34 km，距廣州市約160 km，河源市、廣州市、深圳等市均有震感；次日又在4.7級(jí)發(fā)震地點(diǎn)不遠(yuǎn)處發(fā)生了一次4.2級(jí)地震；8月31日在新豐江水庫(kù)偏西區(qū)域筆架山附近發(fā)生了一次4.2級(jí)地震，震源深度為6 km，造成了較大的社會(huì)影響。

針對(duì)水庫(kù)地震震源淺、震級(jí)較小，空間上叢集分布的特征，我們?cè)?009年3月至2010年5月在新豐江水庫(kù)區(qū)域架設(shè)了20個(gè)流動(dòng)觀測(cè)臺(tái)站與原有的4個(gè)水庫(kù)監(jiān)測(cè)臺(tái)站一起組成觀測(cè)臺(tái)網(wǎng)，對(duì)新豐江庫(kù)區(qū)的地震活動(dòng)進(jìn)行了連續(xù)監(jiān)測(cè)，并利用hypo2000方法對(duì)記錄到的數(shù)據(jù)進(jìn)行初次定位，在初次定位結(jié)果的基礎(chǔ)上利用波形互相關(guān)法和雙差定位法再次對(duì)震源位置進(jìn)行了精定位研究。影響定位準(zhǔn)確度的主要因素之一就是震相讀數(shù)的精度，為了提高地震定位的準(zhǔn)確度我們采用了波形互相關(guān)法，該方法通過(guò)相關(guān)函數(shù)計(jì)算相似波形的相關(guān)系數(shù)，來(lái)進(jìn)一步消除人為提取震相到時(shí)的偶然誤差，再將波形互相關(guān)法與雙差定位法相結(jié)合來(lái)研究計(jì)算新豐江水庫(kù)地震的震源位置。通過(guò)對(duì)新豐江庫(kù)區(qū)地震波形的互相關(guān)計(jì)算分析，我們得到了數(shù)百萬(wàn)條的互相關(guān)對(duì)比結(jié)果，應(yīng)用 “結(jié)合波形互相關(guān)的雙差定位法”得到的精定位結(jié)果與初始定位結(jié)果及單純采用雙差定位法的二次定位結(jié)果相比，震源位置在空間分布上更為集中，主要分布在庫(kù)區(qū)主要斷裂的交匯處，絕大多數(shù)震源深度分布在5～10 km的范圍 (圖2)。

圖1 新豐江庫(kù)水位變化與地震活動(dòng)性關(guān)系圖[8]Fig.1 Relation between water level variation and seismic activity of Xinfengjiang reservoir[8]

圖2 應(yīng)用“結(jié)合波形互相關(guān)的雙差定位法”新豐江水庫(kù)地震精定位結(jié)果Fig.2 Earthquake relocation results by using double-difference combined with waveform cross-correlation method in Xinfengjiang reservoir

2 龍灘水庫(kù)地震活動(dòng)性研究

龍灘水電站是紅水河梯級(jí)開發(fā)中的骨干工程，位于廣西壯族自治區(qū)河池市天峨縣境內(nèi)的紅水河上，壩址距天峨縣城15 km。龍灘水電站水庫(kù)壩高216.5 m，總裝機(jī)容量為630萬(wàn)千瓦，是我國(guó)十大水電工程之一。龍灘水庫(kù)外圍較大范圍內(nèi)北西向張剪性斷裂非常發(fā)育，但在庫(kù)區(qū)內(nèi)部只有小規(guī)模的NE向斷層，庫(kù)壩區(qū)附近的主要構(gòu)造包括天峨背斜兩側(cè)的NNE向八臘斷裂及天峨-金谷斷裂。

龍灘水庫(kù)修建前 (1970～2003)該區(qū)域的地震活動(dòng)性并不強(qiáng)烈 (圖3)，且多數(shù)地震發(fā)生在庫(kù)水外圍，庫(kù)水附近很少有地震發(fā)生，其中1983年樂業(yè)縣馬莊鄉(xiāng)發(fā)生了一次震群活動(dòng)，最大地震震級(jí)為ML4.8。2003年龍灘水庫(kù)工程開始動(dòng)工，至2004年底竣工，這期間發(fā)生的地震主要集中在龍灘庫(kù)壩周圍，我們推測(cè)這些地震可能是大壩建設(shè)工程施工放炮的爆破地震。2005年至2006年9月，龍灘水庫(kù)在此期間調(diào)試運(yùn)行，龍灘庫(kù)壩附近發(fā)生了數(shù)次地震。從2006年9月起，龍灘水庫(kù)開始正式蓄水，地震活動(dòng)性隨之顯著增強(qiáng)，蓄水后發(fā)生的地震主要集中在組成龍灘庫(kù)區(qū)的若干條河流流域，且位于龍灘庫(kù)壩不遠(yuǎn)的區(qū)域[9、10]。

圖3 龍灘庫(kù)區(qū)蓄水前后地震分布圖Fig.3 Earthquake distribution in Longtan reservoir before and after impounding

龍灘庫(kù)水水位在2006年9月開始抬升，水位一躍從220多米升至320 m，后期水位出現(xiàn)了幾次較小幅度的抬升，庫(kù)水第一次大幅抬升期間只發(fā)生了少量三級(jí)以下的地震，地震頻度較高的時(shí)間主要集中在07年6月至09年6月，b值變化與水位變化沒有表現(xiàn)出較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系 (圖4)。06年至11年底龍灘水庫(kù)周圍共發(fā)生3次ML≥4.0級(jí)地震：2007年3月17日在羅甸縣境內(nèi)發(fā)生了一次ML4.0級(jí)地震； 2007年7月17日天峨縣境內(nèi)離大壩較近的位置發(fā)生了一次ML4.2級(jí)地震；2010年9月18日在羅甸縣附近又發(fā)生了一次ML4.5級(jí)地震。

2009年至2010年國(guó)家科技支撐項(xiàng)目 “水庫(kù)地震監(jiān)測(cè)與預(yù)測(cè)技術(shù)研究”在龍灘水庫(kù)庫(kù)區(qū)架設(shè)了一套由15個(gè)臺(tái)站組成的流動(dòng)觀測(cè)臺(tái)網(wǎng)，所有臺(tái)站均配備有三分向地震計(jì)，其中三個(gè)臺(tái)的地震計(jì)型號(hào)為FSS-3M，頻帶寬度為2 s-50 Hz，剩余12個(gè)臺(tái)站均配備GMG-T40-0050型寬頻帶地震計(jì)，頻帶寬度為40 s-50 Hz。利用我們加密觀測(cè)的15個(gè)地震臺(tái)站與龍灘水庫(kù)原有的10個(gè)監(jiān)測(cè)臺(tái)站組成了一個(gè)觀測(cè)臺(tái)陣。在利用hypo2000方法對(duì)觀測(cè)到的連續(xù)波形地震事件定位后，我們采用波形互相關(guān)法對(duì)記錄到的波形進(jìn)行處理，得到了411226條波形互相關(guān)數(shù)據(jù)。應(yīng)用結(jié)合波形互相關(guān)技術(shù)的雙差定位法得到的定位結(jié)果顯示，精定位后地震分布更為集中，地震成叢狀分布，精定位后得到的震源深度分布更加集中，主要分布在5～10 km 的范圍 (圖 5)。

圖4 龍灘水庫(kù)最大震級(jí)、日頻次、b值及水庫(kù)水位變化圖Fig.4 Relations between maximum magnitude,day frequency,b value and Longtan reservoir water level variation

3 結(jié)語(yǔ)

本研究將目前應(yīng)用較少的結(jié)合波形互相關(guān)的雙差定位法引入了水庫(kù)地震精定位的研究當(dāng)中，以往水庫(kù)地震的精定位研究大多數(shù)都是采用傳統(tǒng)的雙差定位法，我們的研究結(jié)果表明，水庫(kù)地震空間上叢集分布的特征能夠凸顯出該方法的優(yōu)勢(shì)，能夠大幅度提高水庫(kù)地震定位精度的方法。

圖5 應(yīng)用“結(jié)合波形互相關(guān)的雙差定位法”龍灘水庫(kù)地震精定位結(jié)果Fig.5 Earthquake relocation results by using double-difference combined with waveform cross correlation method in Longtan reservoir

致謝：本文得到了國(guó)家科技支撐項(xiàng)目 “水庫(kù)地震監(jiān)測(cè)與預(yù)測(cè)技術(shù)研究”及廣東省地震局、廣西省地震局、龍灘水庫(kù)監(jiān)測(cè)臺(tái)網(wǎng)與新豐江水庫(kù)監(jiān)測(cè)臺(tái)網(wǎng)等單位相關(guān)工作人員的幫助，在此表示感謝。

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