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瀑布溝水庫(kù)區(qū)域小震重新定位與地震性質(zhì)研究

2013-12-14 01:21:30張永久謝蓉華張致偉胡先明
地震地質(zhì) 2013年1期
關(guān)鍵詞:小震臺(tái)網(wǎng)汶川

張永久 謝蓉華 張致偉 胡先明

(四川省地震局,成都 610041)

0 引言

隨著近年中國(guó)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展,中國(guó)西部水力水電建設(shè)也在如火如荼地進(jìn)行中。其中,四川水利資源極其豐富,占全國(guó)可利用水利資源的27%。同時(shí),由于南北地震帶縱貫四川,使得四川的地震活動(dòng)十分活躍,強(qiáng)度大、頻度高。目前,四川水電建設(shè)呈現(xiàn)出建設(shè)的高速度,電站水庫(kù)大壩多是超過(guò)100m的高壩,水庫(kù)庫(kù)區(qū)多具有高烈度區(qū)的“三高”特點(diǎn),水庫(kù)誘發(fā)地震的潛在危險(xiǎn)性不容忽視。因此,加強(qiáng)水庫(kù)地震的跟蹤研究工作十分必要。

瀑布溝水電站工程位于大渡河干流上,下距烏斯河鎮(zhèn)、成昆鐵路漢源車站公路里程9km,上距漢源、石棉縣城公路里程分別為28km、80km。該電站水庫(kù)工程屬大(Ⅰ)型一等工程,是典型的高山峽谷型高壩大水庫(kù),具有發(fā)電、防洪、攔沙和改善下游航運(yùn)條件的功能,是大渡河中游河段的控制性水庫(kù),由干流大渡河和支流流沙河組成。干流回水至石棉縣城,庫(kù)長(zhǎng)72km,于2009年11月1日蓄水。工程場(chǎng)址的地震基本烈度為Ⅶ度,存在誘發(fā)中等水庫(kù)地震的條件①四川省地震局工程地震研究院,2004,大渡河深溪溝水電站工程場(chǎng)地地震安全性評(píng)價(jià)報(bào)告。(胡先明,2012)。

瀑布溝水庫(kù)工程建設(shè)了由13個(gè)臺(tái)站組成的專用瀑布溝水庫(kù)數(shù)字遙測(cè)地震臺(tái)網(wǎng),充分利用這些監(jiān)測(cè)資料進(jìn)行震源及水庫(kù)誘發(fā)地震預(yù)測(cè)研究,進(jìn)而認(rèn)識(shí)和闡明地震孕育和發(fā)生與活動(dòng)構(gòu)造的關(guān)系是一個(gè)重要課題,而地震精確定位是這些研究的重要基礎(chǔ)。此前的一些研究成果已就如何提高瀑布溝水庫(kù)區(qū)域地震的定位精度提出了很好的建議(張高華等,2007)。

近年來(lái),隨著數(shù)字化地震觀測(cè)技術(shù)的迅速發(fā)展,人們對(duì)地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)及地震震源的研究越來(lái)越深入,從而對(duì)地震定位的精度不斷提出更高的要求,各種地震定位方法也在不斷地改進(jìn)和完善(田玥等,2002;楊文東等,2005)。Waldhauser等(2001)提出了雙重殘差定位算法,該方法是在蓋革定位法的基礎(chǔ)上發(fā)展改進(jìn)的一種多地震事件聯(lián)合相對(duì)定位方法,目前已被國(guó)內(nèi)、外地震學(xué)家廣泛地應(yīng)用到實(shí)際的地震定位研究中。Waldhauser等(2001)運(yùn)用該方法重新對(duì)美國(guó)加州北海沃德斷層1984—1998年發(fā)生的地震定位,取得了滿意的定位結(jié)果,其平面定位精度可達(dá)到幾十m,深度可達(dá)到幾百m。該方法在國(guó)內(nèi)也已得到廣泛應(yīng)用,在對(duì)中國(guó)中西部地區(qū)地震(楊智嫻等,2003)、1998年張北-尚義地震序列(楊智嫻等,2004)、新疆北天山地區(qū)地震(李志海等,2004)、江蘇張家港地震序列(王小平等,2005)、2003年新疆巴楚-伽師地震序列(黃媛等,2006)、2003年云南大姚地震序列(華衛(wèi)等,2006)、川西地區(qū)小震(朱艾斕等,2005)等地震進(jìn)行重新定位的研究中,均取得了較大的進(jìn)展。2008年汶川地震后,許多研究人員還利用該方法對(duì)汶川地震序列進(jìn)行了深入研究(黃媛等,2008;呂堅(jiān)等,2008;朱艾斕等,2008;陳九輝等,2009;李海鷗等,2010;呂鵬等,2011;趙博等,2011)。

本文旨在利用雙差地震定位法對(duì)瀑布溝水庫(kù)臺(tái)網(wǎng)監(jiān)測(cè)到的水庫(kù)及鄰區(qū)地震重新定位,并分析瀑布溝水庫(kù)水域附近小震密集區(qū)的地震性質(zhì)。

1 地震定位

1.1 臺(tái)站情況

重新定位地震的研究范圍為29.0°~29.6°N,102.3°~103.1°E。重新定位使用的臺(tái)站以瀑布溝水庫(kù)地震數(shù)字地震臺(tái)網(wǎng)的各個(gè)臺(tái)站為主。同時(shí),為了使重新定位結(jié)果的精度盡量提高,還使用了瓦屋山水庫(kù)臺(tái)網(wǎng)以及四川區(qū)域數(shù)字臺(tái)網(wǎng)的監(jiān)測(cè)資料。監(jiān)測(cè)臺(tái)站對(duì)研究區(qū)形成較好的包圍(圖1)。

瀑布溝水庫(kù)數(shù)字遙測(cè)臺(tái)網(wǎng)由13個(gè)子臺(tái)組成,其中一期工程主要分布在水庫(kù)大壩周圍,包括宰牛坪、片馬、黑馬、魯布溝、順河和阿茲覺6個(gè)臺(tái)站,2006年10月開始試運(yùn)行,二期工程主要分布在庫(kù)中到庫(kù)尾區(qū)域,包括羅布崗、李子坪、羅挖坪、白巖崗、徐谷坪、山?jīng)_和新民7個(gè)臺(tái)站,2008年1月開始試運(yùn)行(胡先明,2012)。瓦屋山水庫(kù)臺(tái)網(wǎng)位于瀑布溝水庫(kù)NE方向,由反坡、付田壩、新寺上和小店子4個(gè)臺(tái)站構(gòu)成,于2007年9月開始運(yùn)行。瀑布溝水庫(kù)臺(tái)網(wǎng)和瓦屋山水庫(kù)臺(tái)網(wǎng)的各個(gè)臺(tái)站均使用港震公司的FBS-3B型寬頻帶數(shù)字拾震器,配備EDAS-24L型24位數(shù)據(jù)采集器,數(shù)據(jù)采用超短波段的單工數(shù)字無(wú)線傳輸與DDN公用數(shù)據(jù)網(wǎng)接力傳輸、中心統(tǒng)一記錄的方式。觀測(cè)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍>100db,觀測(cè)頻帶為0.05~40Hz,采樣率100點(diǎn)/s。采用了GPS統(tǒng)一授時(shí)和定位系統(tǒng),數(shù)據(jù)采集的時(shí)間服務(wù)精度>1ms。四川區(qū)域數(shù)字地震臺(tái)網(wǎng)自2000年運(yùn)行以來(lái),相繼經(jīng)歷“十五”、“十一五”和汶川地震“災(zāi)后重建”,改、擴(kuò)建,臺(tái)站密度增加,儀器性能改善,監(jiān)測(cè)能力大幅度提高。本研究利用了四川區(qū)域數(shù)字臺(tái)網(wǎng)中的九龍、康定、姑咱等22個(gè)地震臺(tái)站的部分震相資料。

1.2 速度模型及資料

本研究采用的速度模型主要參考了趙珠等(1987)、王椿鏞等(2002,2003)、吳建平(2009)等人的研究成果,并結(jié)合瀑布溝水庫(kù)區(qū)域的勘探結(jié)果和實(shí)際計(jì)算過(guò)程需求對(duì)淺層速度結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整。表1給出了本文地震定位中采用的水平層狀地殼速度模型。

圖1 重新定位使用臺(tái)站分布(陰影部分為本文研究區(qū))Fig.1 Distribution of stations for relocation(shadow is for the study region).

本文震相到時(shí)數(shù)據(jù)平均精度估計(jì)達(dá)到0.1s量級(jí)。一般情況下不同震相讀數(shù)的精度各不相同,P波震相為初至波,讀數(shù)精度高于S波,但是本研究中的地震震中距一般較小,附加震相很少,震相比較單一,S波讀數(shù)精度幾乎不受影響。因此,在計(jì)算過(guò)程中對(duì)P波和S波讀數(shù)分別賦予1.0和0.7的權(quán)。對(duì)原觀測(cè)報(bào)告中給出初始深度的地震,直接采用瀑布溝臺(tái)網(wǎng)Hypo81定位(呂智勇等,2001)結(jié)果作為初始值;對(duì)于沒有給出深度的地震,先采用遺傳算法(周民都等,1999)進(jìn)行定位,將其部分結(jié)果作為雙差定位的初始值。

1.3 定位結(jié)果

對(duì)研究區(qū)域內(nèi)2006年10月14日至2011年12月31日記錄到的1 834次地震進(jìn)行重新定位,獲得了1 708次地震的定位結(jié)果,為原來(lái)地震的93.1%。重新定位后走時(shí)均方根殘差平均值由原來(lái)的0.93s降為0.21s,震源位置的估算誤差(2倍標(biāo)準(zhǔn)偏差)在EW方向平均為0.5km,在NS方向平均為0.6km,在垂直方向平均為2.9km。

圖2為重新定位前后相同數(shù)量的地震震中分布圖。重新定位后,地震震中分布更加集中,優(yōu)勢(shì)分布更為明顯,在研究區(qū)西南、庫(kù)區(qū)中部和大壩附近等幾個(gè)地方出現(xiàn)了小震集中分布現(xiàn)象。重新定位前1 834次地震有923次沒有給出定位深度,占50.3%,震源深度為5km的475次,約占26%;重新地位后的1 708次地震,平均震源深度為8.8km,震源深度在10km以內(nèi)的占66%,74%的小震震源深度在15km以內(nèi),震源最深的33.1km(圖3)。震源深度下界定義為該深度至地表發(fā)生的地震占地震總數(shù)95%以上的特定深度(馬宏生等,2008),統(tǒng)計(jì)得到研究區(qū)的震源下界深度21km,這與楊智嫻等(2003)、朱艾斕等(2005)等用雙差定位方法得到的相同區(qū)域的重新定位深度分布結(jié)果一致,比馬宏生等(2008)用震源位置和速度結(jié)構(gòu)聯(lián)合反演方法獲得的重新定位深度分布略偏深。

表1 重新定位采用的速度模型Table 1 The velocity model for relocation

圖2 重新定位前(左)、后(右)地震分布Fig.2 Distribution of earthquakes before(left)and after(right)relocation.

圖3 重新定位前(上)、后(下)地震深度Fig.3 Depth of earthquakes before(top)and after(bottom)relocation.

2 地震活動(dòng)特征、地震性質(zhì)分析

根據(jù)重新定位后的地震空間分布情況(圖2),將研究區(qū)地震分為西南區(qū)(A)、東北區(qū)(B)、庫(kù)中區(qū)(C)和大壩附近區(qū)(D)分別討論。A區(qū)位于全新世的鮮水河斷裂中南段、安寧河北段和大涼山斷裂北段的交會(huì)區(qū),1970年以來(lái)的臺(tái)網(wǎng)記錄資料顯示該區(qū)域小震活動(dòng)一直比較活躍。與B,C,D區(qū)相關(guān)的金坪斷裂、美羅斷裂、楊家溝斷裂、順和斷裂等多是第四紀(jì)一般性活動(dòng)斷裂,沿這些斷裂的現(xiàn)今地震活動(dòng)微弱①②能源部、水利部,成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,1993,四川大渡河瀑布溝水電站初步設(shè)計(jì)報(bào)告(第3篇,工程地質(zhì))。。根據(jù)四川臺(tái)網(wǎng)資料統(tǒng)計(jì),水庫(kù)水域10km范圍內(nèi)1970年1月1日至2006年9月30日僅記錄到1.0級(jí)以上地震194次,最大3.4級(jí),在C,D區(qū)的漢源縣城和大壩附近還不到10次地震,最大2.2級(jí)。

從各區(qū)的地震活動(dòng)隨時(shí)間的發(fā)展變化過(guò)程分析(圖4),A區(qū)的地震強(qiáng)度變化較小,地震頻次在2008年之前較低,2008年2月份明顯增強(qiáng),其后的地震活動(dòng)頻次相對(duì)穩(wěn)定。如前所述,距離A區(qū)較近的瀑布溝水庫(kù)臺(tái)網(wǎng)二期工程的7個(gè)臺(tái)站于2008年1月開始試運(yùn)行,增強(qiáng)了A區(qū)的監(jiān)測(cè)能力,即2008年前A區(qū)地震頻次整體偏低與臺(tái)站監(jiān)測(cè)能力較弱有關(guān)。此外,2008年2月地震活動(dòng)增強(qiáng)還與汶川地震前發(fā)生的2月16日瀘定地震、2月27日康定地震導(dǎo)致的整個(gè)三岔口地區(qū)地震活動(dòng)增強(qiáng)有關(guān)。B區(qū)的地震強(qiáng)度和頻次在整個(gè)研究時(shí)段都變化不大。C,D區(qū)的地震活動(dòng)相對(duì)變化較大,2個(gè)區(qū)的地震活動(dòng)頻次從2008年6月開始都明顯增強(qiáng),C區(qū)到2008年底開始減弱,D區(qū)到2009年4月開始減弱,從2010年6月開始2個(gè)區(qū)的地震活動(dòng)進(jìn)一步減弱。

從4個(gè)區(qū)重新定位后震源深度統(tǒng)計(jì)結(jié)果分析,A,B區(qū)震源深度與C,D區(qū)的震源深度存在明顯的差異。無(wú)論地震的平均深度還是震源下界深度,A,B區(qū)地震深度幾乎都在C,D區(qū)地震深度的3倍以上(圖4、表2)。

圖5 瀑布溝水庫(kù)水位曲線Fig.5 The curve of water level of Pubugou reservior.

表2 各區(qū)震源深度統(tǒng)計(jì)Table 2 Statistics of hypocenter depth of each region

圖6 各區(qū)地震按時(shí)統(tǒng)計(jì)頻次Fig.6 The hourly frequency of earthquakes in each region.

對(duì)于C,D區(qū)的小震活動(dòng)在時(shí)空及震源深度上表現(xiàn)出的特殊性,是受水庫(kù)蓄水、汶川地震還是其他因素的影響?瀑布溝水庫(kù)是2009年11月開始蓄水,不應(yīng)該對(duì)之前的地震活動(dòng)產(chǎn)生影響(圖5)。從2個(gè)區(qū)小震活動(dòng)增強(qiáng)的時(shí)間與汶川地震發(fā)生時(shí)間比較,其存在受汶川地震影響的可能性,而且根據(jù)國(guó)家地震現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)急工作隊(duì)的調(diào)查結(jié)果確定的汶川地震烈度分布(國(guó)家汶川地震專家委員會(huì),2008),漢源縣本身屬于汶川地震烈度異常區(qū),是Ⅵ度區(qū)里的Ⅷ度異常區(qū)。但從這些地震按時(shí)統(tǒng)計(jì)頻次結(jié)果比較分析,C,D區(qū)與A,B區(qū)存在明顯的區(qū)別,A,B區(qū)的地震在每天24h發(fā)生的隨機(jī)性較強(qiáng),而C,D區(qū)的地震發(fā)生時(shí)間存在明顯的規(guī)律性,絕大多數(shù)都發(fā)生在白天,而且主要集中在12點(diǎn)前后和18點(diǎn)前后(圖6)?,F(xiàn)場(chǎng)調(diào)查工作結(jié)果發(fā)現(xiàn),2008年5月12日汶川地震后,由于災(zāi)后恢復(fù)重建,特別是對(duì)口援建工作的迅速開展,雅西高速、漢源新縣城及瀑布溝水庫(kù)大壩的建設(shè)都加速進(jìn)行,這期間各種施工頻度和強(qiáng)度增加,爆破數(shù)量也明顯增加?,F(xiàn)場(chǎng)調(diào)查資料還顯示,C區(qū)小震密集分布區(qū)與雅西高速公路和漢源新縣城建設(shè)場(chǎng)地一致,D區(qū)小震密集分布區(qū)與水庫(kù)大壩附近的卡爾溝、加里俄呷2個(gè)塊石料場(chǎng)及下游的深溪溝調(diào)節(jié)水庫(kù)大壩位置一致。隨機(jī)選取C,D區(qū)的8次小震波形記錄分析顯示(圖7),周圍不同方向臺(tái)站記錄的P波初動(dòng)方向都是向上的,多數(shù)記錄顯示出較強(qiáng)的P波群,每個(gè)地震都有臺(tái)站記錄到了Xm波,這些正是工業(yè)爆破波形顯著的標(biāo)志(鄭秀芬等,2006)。綜合分析認(rèn)為C,D區(qū)的高度集中分布的小震絕大多數(shù)都發(fā)生在瀑布溝水庫(kù)2009年11月開始蓄水之前,與水庫(kù)蓄水無(wú)關(guān),其按時(shí)統(tǒng)計(jì)發(fā)震時(shí)間不符合天然地震特征,抽樣波形記錄顯示出工業(yè)爆破地震波形特征,這些地震絕大多數(shù)應(yīng)該是各種建設(shè)施工造成的爆破地震。

圖7 隨機(jī)選取C,D區(qū)8次地震垂直向波形記錄Fig.7 The randomly selected vertical component waveform records of 8 earthquakes in region C and D.

3 結(jié)論

利用雙差定位方法,對(duì)瀑布溝水庫(kù)區(qū)域(29.0°~29.6°N,102.3°~103.1°E)的1 834次地震進(jìn)行重新定位,獲得了1 708次地震的重新定位結(jié)果。重新定位后走時(shí)均方根殘差平均值由原來(lái)的0.93s降為0.21s,震源位置的估算誤差(2倍標(biāo)準(zhǔn)偏差)在EW方向平均為0.5km,在NS方向平均為0.6km,在垂直方向平均為2.9km。

重新定位后,地震震中分布更加集中,震源深度分布更加合理。A,C,D區(qū)小震集中分布現(xiàn)象尤為明顯。A區(qū)小震密集的原因與其處于鮮水河斷裂中南段、安寧河北段和大涼山斷裂北段的交會(huì)區(qū)的特殊地理位置相關(guān)。

C,D區(qū)小震密集,且震源深度與A,B區(qū)存在差異,顯示出特殊性。經(jīng)過(guò)對(duì)C,D區(qū)小震的時(shí)空特征與水庫(kù)蓄水、汶川地震相比較,并進(jìn)一步對(duì)其按時(shí)頻次統(tǒng)計(jì)、現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和抽樣地震波形等逐步深入的分析認(rèn)為,C,D區(qū)高度集中分布的小震絕大多數(shù)都發(fā)生在瀑布溝水庫(kù)2009年11月開始蓄水之前,與水庫(kù)蓄水無(wú)關(guān)。盡管C,D區(qū)小震活動(dòng)大幅增強(qiáng)的時(shí)間都發(fā)生在汶川地震剛發(fā)生后,存在受汶川地震影響的可能性,但深入分析表明絕大多數(shù)地震震源淺、按時(shí)統(tǒng)計(jì)發(fā)震時(shí)間不符合天然地震特征、現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查結(jié)果顯示小震集中區(qū)與主要施工區(qū)重合、抽樣波形記錄全都顯示出工業(yè)爆破地震波形的典型特征。因此,C,D區(qū)的小震絕大多數(shù)主要與汶川地震后的災(zāi)后恢復(fù)重建有關(guān),屬于各種建設(shè)施工造成的爆破地震。

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