三峽水庫巴東地區(qū)的介質(zhì)變化分析

申學(xué)林，陳俊華，魏貴春，戴 苗

（中國地震局地震研究所，武漢 430071）

三峽水庫巴東地區(qū)的介質(zhì)變化分析

申學(xué)林，陳俊華，魏貴春，戴 苗

（中國地震局地震研究所，武漢 430071）

利用天然重復(fù)地震觀測水庫介質(zhì)速度隨時(shí)間的變化，采用射線追蹤方法對三峽巴東地區(qū)的重復(fù)地震進(jìn)行位置歸一化處理提高觀測精度。計(jì)算了巴東地區(qū)2004年5月至2009年10月ML≥2．0重復(fù)地震經(jīng)射線追蹤法校正后的P波走時(shí)差。結(jié)果表明，巴東地區(qū)的介質(zhì)速度變化主要受三峽庫水位的載荷變化以及庫水滲透作用影響。

重復(fù)地震；射線追蹤；地殼介質(zhì)變化；三峽水庫；巴東

長江三峽工程是舉世矚目的特大型水利樞紐工程，其最大壩頂高程185 m，正常蓄水水位高程175 m，總庫容393×108m3。三峽水庫經(jīng)歷了4次主要蓄水階段：2003年5月19日開始135 m蓄水，當(dāng)年6月10日達(dá)到135 m庫水位；2006年6月20日開始156 m蓄水，當(dāng)年10月27日蓄水至156 m；2008年9月28開始172 m試驗(yàn)性蓄水，當(dāng)年11月蓄水至172 m；2009年9月15日開始175 m試驗(yàn)性蓄水。地震波形介質(zhì)參量在地震預(yù)測工作中一直是一個(gè)重要的研究方向，特別在數(shù)字地震觀測網(wǎng)絡(luò)大規(guī)模實(shí)現(xiàn)以來［1］，對地殼介質(zhì)的研究不斷深入和強(qiáng)化［1，2］。研究三峽水庫蓄水對庫區(qū)的介質(zhì)變化影響具有重要意義。本文選擇巴東地區(qū)為研究區(qū)域。

1 方法原理

利用重復(fù)地震監(jiān)測地殼介質(zhì)變化是一種簡便可行的方法［3，4］。臺站接收到的地震波的到時(shí)受所經(jīng)路徑上介質(zhì)、場地、儀器影響，由于場地和儀器相對固定不變，因此同一臺站接收同一震源處地震的到時(shí)差可以忽略場地、儀器的影響，僅只考慮地震波所經(jīng)路徑上的介質(zhì)變化。但由于重復(fù)地震［5］不可能完全來自于嚴(yán)格意義上的同一震源，故采用射線追蹤技術(shù)方法［3，4］消除由于射線路徑不同引起的誤差。周龍泉等［4］利用重復(fù)地震研究大姚地區(qū)地殼介質(zhì)隨時(shí)間的變化時(shí)，發(fā)現(xiàn)2003年大姚6．2級及6．1級地震前有地殼介質(zhì)速度明顯升高的現(xiàn)象。葉秀薇等［5］利用重復(fù)地震觀測陽江地區(qū)地殼介質(zhì)變化時(shí)也發(fā)現(xiàn)震前有類似現(xiàn)象。研究結(jié)果顯示該方法物理意義明確，計(jì)算結(jié)果穩(wěn)定可靠，在地震預(yù)測應(yīng)用中具有廣泛的實(shí)用意義。本文擬采用此方法對巴東地區(qū)進(jìn)行地殼介質(zhì)變化的研究。

2 速度模型的選擇

消除由于重復(fù)地震位置不同引起的走時(shí)差時(shí)需要將研究區(qū)域的速度結(jié)構(gòu)模型視為介質(zhì)未擾動(dòng)時(shí)的速度模型，通過偽彎曲射線追蹤法［6］計(jì)算地震到達(dá)同一臺站的理論走時(shí)。本文地殼速度結(jié)構(gòu)模型使用了三峽庫首區(qū)最小一維速度模型［7］（表1）。

表l 三峽地區(qū)地殼速度模型Table 1 Crustal velocity model of Three Gorges Reservoir

3 巖石實(shí)驗(yàn)結(jié)果

儲層的巖石是多孔介質(zhì)，其間流體的存在將會影響巖石介質(zhì)的地震參數(shù)特性，使速度、衰減隨飽和度而發(fā)生變化［8，9］。施行覺等［8］通過實(shí)驗(yàn)測量和理論計(jì)算認(rèn)為巖石的含水飽和度對橫波波速不產(chǎn)生影響，對縱波波速的影響可以分為2個(gè)階段：當(dāng)飽和度低于某值時(shí)，對縱波波速不產(chǎn)生影響；但當(dāng)飽和度高于某值時(shí)，含水量的增加可使縱波波速增加30%左右。

史鱒［9］等實(shí)驗(yàn)表明，進(jìn)水和失水過程顯示不同的縱、橫波速度與飽和度關(guān)系，速度不僅與飽和度有關(guān)，還與不同飽和階段的孔隙流體分布有關(guān)，而且也是水和巖石骨架之間的物理及化學(xué)作用所致。開始時(shí)由于水的軟化，會使波速度稍微降低；根據(jù)Kauster和Toksoz理論，彈性波速度和裂隙狀孔隙的剛度有非常大的關(guān)系，裂隙狀孔隙剛度的增加會明顯增加巖石的彈性波速度。所以，當(dāng)裂隙狀孔隙開始被水飽和增加其剛度時(shí)，波值有明顯的上升。

圖3 金子山臺P波走時(shí)差變化圖Fig．3 P wave travel time difference curves at Jinzishan station

4 計(jì)算結(jié)果

利用重復(fù)地震計(jì)算出的P波走時(shí)差變化是臺站與地震叢之間的介質(zhì)變化引起的，這要求：地震叢半徑盡量小；研究庫區(qū)介質(zhì)的變化，最好選取水庫周邊的臺站。故本文選取31．101N，110．341E為中心、半徑10 km圓內(nèi)臺站記錄震相清晰的ML≥2．0地震事件及包圍該重復(fù)地震的臺站：炮臺山、石頭埡、金子山臺、淹水塘臺、茅山嶺臺（圖1）。部分臺站結(jié)果見圖2、圖3（圖（a）為原始走時(shí)差變化的曲線，圖（b）為消除地震位置不同影響后得到的走時(shí)差曲線）。

圖1 臺站和震中分布圖Fig．1 Distribution of seismostations and epicenter

圖2 炮臺山P波走時(shí)差變化圖Fig．2 P wave travel time difference curves at Paotaishan station

5 討論和結(jié)論

（1）通過采用射線追蹤技術(shù)將位置不一致的重復(fù)地震進(jìn)行位置歸一處理，從而使利用重復(fù)地震監(jiān)測介質(zhì)變化成為可能。實(shí)際應(yīng)用表明，對重復(fù)地震位置歸一后在一定程度上可以有效提高測量結(jié)果的精度。

（2）2006年135 m蓄水期間P波走時(shí)差變化對水位變化迅速響應(yīng)，說明這階段介質(zhì)主要受水庫的載荷作用。2008年172 m實(shí)驗(yàn)性蓄水期間P波走時(shí)差變化復(fù)雜，說明這階段介質(zhì)可能受水庫的載荷作用和滲透共同作用的結(jié)果。泄水比蓄水對介質(zhì)的變化影響大。

（3）巴東庫區(qū)地殼介質(zhì)P波速度變化與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致：在滲水初期介質(zhì)速度變小，當(dāng)孔隙水飽和度升高后，P波速度升高。

（4）本研究僅為初步研究，水位對介質(zhì)的載荷以及滲透作用還有待進(jìn)一步研究。

致謝：本項(xiàng)研究采用中國地震臺網(wǎng)中心周龍泉博士提供的程序，并得到悉心指導(dǎo)和熱情幫助，特此致謝。

［1］ 中國地震局監(jiān)測預(yù)報(bào)司．地震學(xué)與地震觀測［M］．北京：地震出版社，2007：157－158．（The monitoring and forecasting department of China Earthquake Administra tion．Seismology and Earthquake Observation［M］．Bei jing：Earthquake Press，2007：157－158．（in Chinese））

［2］ 陳運(yùn)泰，吳忠良，王培德，等．?dāng)?shù)字地震學(xué)［M］．北京：地震出版社，2000．（CHEN Yun tai，WU Zhong liang，WANG Pei dei，et al．Digital Seismology［M］．Beijing：Earthquake Press，2000．（in Chinese））

［3］ 周龍泉，劉桂萍，馬宏生，等．利用重復(fù)地震觀測地殼介質(zhì)變化［J］．地震，2007，27（3）：1－9．（ZHOU Long quan，LIU Gui ping，MA Hong sheng，et al．Monitoring crustal media variation by using repeating earthquakes［J］．Earthquake，2007，27（3）：1－9．（in Chinese））

［4］ 葉秀薇，聞則剛，劉 錦，等．利用重復(fù)地震研究廣東陽江地區(qū)地殼介質(zhì)變化［J］．地震，2008，28（4）：103－111．（YE Xiu wei，WEN Ze gang，LIU Jin，et al．Monitoring crustalmedia variation in Yangjiang area of Guang dong provinces by using repeated earthquakes［J］．Earth quake，2008，28（4）：103－111．（in Chinese））

［5］ POUPINET G，ELLSWORTH W L，F(xiàn)RECHET J．Moni toring velocity variations in the crust using earthquake doublets：an application to the Calaveras Fault，California［J］．Geophys Res．，1984，89（B7）：5719－5731．

［6］ UM J，THURBER C H．A fast for two－point seismic tracing［J］．Bull Seism Soc Amer，1987，77（3）：972－986．

［7］ 趙 旭，李 強(qiáng)，蔡晉安．三峽庫首區(qū)最小一維速度模型研究［J］．大地測量與地球動(dòng)力學(xué)，2007，27（增1）：1－7．（ZHAO Xu，LIQiang，CAIJin an．Onminimum 1D velocity model applied in Three Georges Reservoir area［J］．Journal of Geodesy and Geodaynamics，2007，27（S1）：1－7．（in Chinese））

［8］ 施行覺，徐果明，靳 平，等．巖石的含水飽和度對縱、橫波速及衰減影響的實(shí)驗(yàn)研究［J］．地球物理學(xué)報(bào)，1995，38：281－287．（SHI Xing jue，XU Guo min，JIN Ping，etal．The laboratory study of influence ofwater sat uration on rock＇s velocity and attenuation［J］．ACTA Geo physica Sinica，1995，38：281－287．（in Chinese））

［9］ 史鱒，沈聯(lián)蒂．灰?guī)r含水飽和度對縱橫波速度影響的實(shí)驗(yàn)研究［J］．石油地球物勘探，1990，25（4）：469－479．（SHIGe，SHEN Lian di．Experimental study of how water saturation in limestone influences the velocities of P wave and S wave［J］．Oil Geophysical Prospecting，1990，25（4）：469－479．（in Chinese））

（編輯：王 慰）

《三峽工程中的巖石力學(xué)理論與實(shí)踐》新書發(fā)布會召開

繼《水工巖石力學(xué)》一書后，由長江科學(xué)院水利部巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副主任、巖基研究所所長鄔愛清主編，任放、柳賦錚、周火明副主編，聯(lián)手參加三峽工程巖石力學(xué)研究的老、中、青三代人，歷時(shí)8年完成的《三峽工程中的巖石力學(xué)理論與實(shí)踐》一書于近日通過長江出版社出版。2010年3月31日上午，巖石力學(xué)研究技術(shù)交流會暨《三峽工程中的巖石力學(xué)理論與實(shí)踐》新書發(fā)布會在巖土重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室二樓西會議室召開。參加會議的有水利部巖土重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任程展林，副主任鄔愛清，《三峽工程中的巖石力學(xué)理論與實(shí)踐》一書的編著者，巖基專業(yè)各學(xué)科帶頭人，相關(guān)專業(yè)碩士、博士和高級工程師以上技術(shù)人員以及傾注一生熱情于巖基專業(yè)發(fā)展的董學(xué)晟、田野、林偉平、蔣碩忠等11位老專家代表，共50余人參加了會議。

會議以巖土重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室?guī)r基專業(yè)的過去、現(xiàn)狀與未來為主題，與會專家結(jié)合《三峽工程中的巖石力學(xué)理論與實(shí)踐》的撰寫，暢談了個(gè)人人生經(jīng)歷和經(jīng)驗(yàn)，對巖基專業(yè)今后的發(fā)展提出了真知灼見，對年輕人個(gè)人發(fā)展提出殷切希望。

《三峽工程中的巖石力學(xué)理論與實(shí)踐》一書百萬余字，歷經(jīng)8年而成，凝結(jié)了編著者艱辛的勞動(dòng)和心血，是半個(gè)世紀(jì)以來，巖基專業(yè)從無到有，到進(jìn)一步發(fā)展過程中三代科研人員的集體智慧和勞動(dòng)成果結(jié)晶。正如與會老同志所言：該書不僅是巖石力學(xué)應(yīng)用于三峽工程的理論與實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)，更是歷史的總結(jié)。該書與2004年董學(xué)晟教授主編出版的《水工巖石力學(xué)》一書一脈相承，是長江科學(xué)院巖基專業(yè)科研成果及學(xué)科發(fā)展的系統(tǒng)總結(jié)與提煉，集中展示了巖基專業(yè)的繼承與發(fā)展，是中國水電建設(shè)巖石力學(xué)領(lǐng)域科技發(fā)展進(jìn)程的重要體現(xiàn)。

會議謹(jǐn)向?yàn)殚L江科學(xué)院三峽工程巖石力學(xué)研究和巖石力學(xué)學(xué)科發(fā)展作出貢獻(xiàn)及給予支持的各級領(lǐng)導(dǎo)、學(xué)術(shù)同行及同事表示衷心的感謝，對他們當(dāng)中已故的同志表示深切懷念！

（摘自《長江水利科技網(wǎng)》）

Analysis of M edia Variation in Badong Area of Three Gorges Reservoir

SHEN Xue lin，CHEN Jun hua，WEIGui chun，DAIMiao
（Institute of Seismology，CEA，Wuhan 430071，China）

In this paper the authorsmonitor reservoirmedia variation with time by using repeated earthquakes，nor malize the position of repeated earthquakes by using ray tracing to improve the precision，and also calculate the travel time of Badong repeated earthquakes（ML≥2．0）from May 2004 to October 2009 by using ray tracing．The results indicate the velocity variation of crustalmedia may be influenced by water load and infiltration of Three Gores Reservoir．

repeated earthquakes；ray tracing；variation of crustalmedia；Three Gorges Reservoir； Badong

P315．7

A

1001－5485（2010）05－0092－03

2009 03 02

中國地震局地震研究所所長基金資助（IS200856066）

申學(xué)林（1982 ），男，湖南邵陽人，研究實(shí)習(xí)員，從事地震分析預(yù)報(bào)及地震活動(dòng)性研究，（電話）027 87868209（電子信箱）liey ing171＠163．com。