瀑布溝水庫區(qū)域小震重新定位與地震性質(zhì)研究

張永久 謝蓉華 張致偉 胡先明

(四川省地震局，成都 610041)

0 引言

隨著近年中國經(jīng)濟的飛速發(fā)展，中國西部水力水電建設(shè)也在如火如荼地進行中。其中，四川水利資源極其豐富，占全國可利用水利資源的27%。同時，由于南北地震帶縱貫四川，使得四川的地震活動十分活躍，強度大、頻度高。目前，四川水電建設(shè)呈現(xiàn)出建設(shè)的高速度，電站水庫大壩多是超過100m的高壩，水庫庫區(qū)多具有高烈度區(qū)的“三高”特點，水庫誘發(fā)地震的潛在危險性不容忽視。因此，加強水庫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。該電站水庫工程屬大(Ⅰ)型一等工程，是典型的高山峽谷型高壩大水庫，具有發(fā)電、防洪、攔沙和改善下游航運條件的功能，是大渡河中游河段的控制性水庫，由干流大渡河和支流流沙河組成。干流回水至石棉縣城，庫長72km，于2009年11月1日蓄水。工程場址的地震基本烈度為Ⅶ度，存在誘發(fā)中等水庫地震的條件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地地震安全性評價報告。(胡先明，2012)。

瀑布溝水庫工程建設(shè)了由13個臺站組成的專用瀑布溝水庫數(shù)字遙測地震臺網(wǎng)，充分利用這些監(jiān)測資料進行震源及水庫誘發(fā)地震預(yù)測研究，進而認(rèn)識和闡明地震孕育和發(fā)生與活動構(gòu)造的關(guān)系是一個重要課題，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，隨著數(shù)字化地震觀測技術(shù)的迅速發(fā)展，人們對地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)及地震震源的研究越來越深入，從而對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)展改進的一種多地震事件聯(lián)合相對定位方法，目前已被國內(nèi)、外地震學(xué)家廣泛地應(yīng)用到實際的地震定位研究中。Waldhauser等(2001)運用該方法重新對美國加州北海沃德斷層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。該方法在國內(nèi)也已得到廣泛應(yīng)用，在對中國中西部地區(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)等地震進行重新定位的研究中，均取得了較大的進展。2008年汶川地震后，許多研究人員還利用該方法對汶川地震序列進行了深入研究(黃媛等，2008;呂堅等，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瀑布溝水庫臺網(wǎng)監(jiān)測到的水庫及鄰區(qū)地震重新定位，并分析瀑布溝水庫水域附近小震密集區(qū)的地震性質(zhì)。

1 地震定位

1.1 臺站情況

重新定位地震的研究范圍為29.0°～29.6°N，102.3°～103.1°E。重新定位使用的臺站以瀑布溝水庫地震數(shù)字地震臺網(wǎng)的各個臺站為主。同時，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臺網(wǎng)以及四川區(qū)域數(shù)字臺網(wǎng)的監(jiān)測資料。監(jiān)測臺站對研究區(qū)形成較好的包圍(圖1)。

瀑布溝水庫數(shù)字遙測臺網(wǎng)由13個子臺組成，其中一期工程主要分布在水庫大壩周圍，包括宰牛坪、片馬、黑馬、魯布溝、順河和阿茲覺6個臺站，2006年10月開始試運行，二期工程主要分布在庫中到庫尾區(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個臺站，2008年1月開始試運行(胡先明，2012)。瓦屋山水庫臺網(wǎng)位于瀑布溝水庫NE方向，由反坡、付田壩、新寺上和小店子4個臺站構(gòu)成，于2007年9月開始運行。瀑布溝水庫臺網(wǎng)和瓦屋山水庫臺網(wǎng)的各個臺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。觀測系統(tǒng)的動態(tài)范圍＞100db，觀測頻帶為0.05～40Hz，采樣率100點/s。采用了GPS統(tǒng)一授時和定位系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集的時間服務(wù)精度＞1ms。四川區(qū)域數(shù)字地震臺網(wǎng)自2000年運行以來，相繼經(jīng)歷“十五”、“十一五”和汶川地震“災(zāi)后重建”，改、擴建，臺站密度增加，儀器性能改善，監(jiān)測能力大幅度提高。本研究利用了四川區(qū)域數(shù)字臺網(wǎng)中的九龍、康定、姑咱等22個地震臺站的部分震相資料。

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)合瀑布溝水庫區(qū)域的勘探結(jié)果和實際計算過程需求對淺層速度結(jié)構(gòu)進行調(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).

本文震相到時數(shù)據(jù)平均精度估計達(dá)到0.1s量級。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，在計算過程中對P波和S波讀數(shù)分別賦予1.0和0.7的權(quán)。對原觀測報告中給出初始深度的地震，直接采用瀑布溝臺網(wǎng)Hypo81定位(呂智勇等，2001)結(jié)果作為初始值;對于沒有給出深度的地震，先采用遺傳算法(周民都等，1999)進行定位，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次地震進行重新定位，獲得了1 708次地震的定位結(jié)果，為原來地震的93.1%。重新定位后走時均方根殘差平均值由原來的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)勢分布更為明顯，在研究區(qū)西南、庫區(qū)中部和大壩附近等幾個地方出現(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區(qū)，1970年以來的臺網(wǎng)記錄資料顯示該區(qū)域小震活動一直比較活躍。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)一般性活動斷裂，沿這些斷裂的現(xiàn)今地震活動微弱①②能源部、水利部，成都勘測設(shè)計研究院，1993，四川大渡河瀑布溝水電站初步設(shè)計報告(第3篇，工程地質(zhì))。。根據(jù)四川臺網(wǎng)資料統(tǒng)計，水庫水域10km范圍內(nèi)1970年1月1日至2006年9月30日僅記錄到1.0級以上地震194次，最大3.4級，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。

從各區(qū)的地震活動隨時間的發(fā)展變化過程分析(圖4)，A區(qū)的地震強度變化較小，地震頻次在2008年之前較低，2008年2月份明顯增強，其后的地震活動頻次相對穩(wěn)定。如前所述，距離A區(qū)較近的瀑布溝水庫臺網(wǎng)二期工程的7個臺站于2008年1月開始試運行，增強了A區(qū)的監(jiān)測能力，即2008年前A區(qū)地震頻次整體偏低與臺站監(jiān)測能力較弱有關(guān)。此外，2008年2月地震活動增強還與汶川地震前發(fā)生的2月16日瀘定地震、2月27日康定地震導(dǎo)致的整個三岔口地區(qū)地震活動增強有關(guān)。B區(qū)的地震強度和頻次在整個研究時段都變化不大。C，D區(qū)的地震活動相對變化較大，2個區(qū)的地震活動頻次從2008年6月開始都明顯增強，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個區(qū)的地震活動進一步減弱。

從4個區(qū)重新定位后震源深度統(tǒng)計結(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Table 2 Statistics of hypocenter depth of each region

圖6 各區(qū)地震按時統(tǒng)計頻次Fig.6 The hourly frequency of earthquakes in each region.

對于C，D區(qū)的小震活動在時空及震源深度上表現(xiàn)出的特殊性，是受水庫蓄水、汶川地震還是其他因素的影響?瀑布溝水庫是2009年11月開始蓄水，不應(yīng)該對之前的地震活動產(chǎn)生影響(圖5)。從2個區(qū)小震活動增強的時間與汶川地震發(fā)生時間比較，其存在受汶川地震影響的可能性，而且根據(jù)國家地震現(xiàn)場應(yīng)急工作隊的調(diào)查結(jié)果確定的汶川地震烈度分布(國家汶川地震專家委員會，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)。但從這些地震按時統(tǒng)計頻次結(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)生的隨機性較強，而C，D區(qū)的地震發(fā)生時間存在明顯的規(guī)律性，絕大多數(shù)都發(fā)生在白天，而且主要集中在12點前后和18點前后(圖6)?，F(xiàn)場調(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大壩的建設(shè)都加速進行，這期間各種施工頻度和強度增加，爆破數(shù)量也明顯增加?，F(xiàn)場調(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)場地一致，D區(qū)小震密集分布區(qū)與水庫大壩附近的卡爾溝、加里俄呷2個塊石料場及下游的深溪溝調(diào)節(jié)水庫大壩位置一致。隨機選取C，D區(qū)的8次小震波形記錄分析顯示(圖7)，周圍不同方向臺站記錄的P波初動方向都是向上的，多數(shù)記錄顯示出較強的P波群，每個地震都有臺站記錄到了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2009年11月開始蓄水之前，與水庫蓄水無關(guān)，其按時統(tǒng)計發(fā)震時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，對瀑布溝水庫區(qū)域(29.0°～29.6°N，102.3°～103.1°E)的1 834次地震進行重新定位，獲得了1 708次地震的重新定位結(jié)果。重新定位后走時均方根殘差平均值由原來的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)過對C，D區(qū)小震的時空特征與水庫蓄水、汶川地震相比較，并進一步對其按時頻次統(tǒng)計、現(xiàn)場調(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2009年11月開始蓄水之前，與水庫蓄水無關(guān)。盡管C，D區(qū)小震活動大幅增強的時間都發(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、按時統(tǒng)計發(fā)震時間不符合天然地震特征、現(xiàn)場調(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。