中國水庫地震監(jiān)測的發(fā)展歷程

楊曉源

(四川省地震局，四川 成都 610041）

0 前言

水庫誘發(fā)地震是人類工程活動引發(fā)的地震類型之一。它與采礦、采油、采鹽和注水誘發(fā)地震相比較具有震例多、破壞性較大和影響較廣等特征。據不完全統(tǒng)計自1939年5月美國米德水庫在下閘蓄水4年后發(fā)生5.0級主震以來全球已有130余例水庫誘發(fā)了地震。中國最早發(fā)現(xiàn)水庫誘發(fā)地震的水庫是位于廣東省河源縣的新豐江水庫。該水庫在下閘蓄水2年5月后發(fā)生了6.1級主震，對剛剛按Ⅷ度設防標準加固的大壩造成了破壞。此后，中國又有40余個水庫誘發(fā)了地震，占全球已觀測到誘發(fā)地震水庫總數的三分之一。米德水庫和新豐江水庫誘發(fā)的主震前均有小震群活動，這些小震均先于主震2年就已開始出現(xiàn)。研究者指出，米德水庫和新豐江水庫這一類誘發(fā)的中強以上主震均屬于構造性水庫誘發(fā)地震。這類水庫誘發(fā)地震釋放的是構造儲能，其活動特征屬前震-主震-余震型。有研究者認為構造型水庫誘發(fā)地震的主震前發(fā)生的小震群對主震的預測研究具有前兆指標意義。但水庫誘發(fā)地震中還有另外一種活動類型的地震，即震群型水庫誘發(fā)地震。震群型水庫誘發(fā)地震具有快速響應的特征，其最高震級一般不會超過4級，震群出現(xiàn)后不會再有主震發(fā)生，但其震源較淺、震中烈度偏高。

1 水庫地震的監(jiān)測預測

水庫地震監(jiān)測的任務是監(jiān)測水庫誘發(fā)的地震，為工程的防震減災和水庫誘發(fā)地震預測研究提供完整可靠的數據。因為預測研究往往要求水庫地震監(jiān)測能提供下閘蓄水前庫區(qū)及其周邊本底天然地震活動水平的資料。因此，水庫地震監(jiān)測一般均應在下閘蓄水前數年開始，以便為預測研究者較準確地提供蓄水前后地震活動特征的對比數據。研究認為水庫誘發(fā)地震一般多發(fā)生在水庫淹沒線外延10 km的范圍內。因此，水庫地震監(jiān)測臺站一般均布局在上述范圍內，應包圍水工建筑和發(fā)電設施集中的庫壩區(qū)和前期預測研究認為可能誘發(fā)地震的重點監(jiān)視區(qū)域。按水利水電部門最新頒發(fā)的行業(yè)規(guī)范，水庫地震臺網對重點監(jiān)視區(qū)的監(jiān)測能力應該達到0.5級。因此，單個水庫建立的地震監(jiān)測臺網一般都是孔徑很小、子臺布設密度較高、可測震級下限較低的小孔徑密集式微震臺網。

水庫地震作為人類工程活動誘發(fā)的地震，一出現(xiàn)就受到工程界、科技界和所在地區(qū)政府、社會的高度關注。因此，世界發(fā)達國家對水庫地震的監(jiān)測和研究均起步很早。在國外從1983年建立米德水庫地震監(jiān)測網開始就陸續(xù)為一些誘震水庫建立專門的固定臺站或臨時臺站監(jiān)測水庫地震。我國專門為水利水電工程設立地震臺站起步于新中國成立不久后的20世紀50年代。中科院地球物理研究所和長江流域規(guī)劃辦公室合作從1958年開始為三峽水利工程的需要在三峽地區(qū)陸續(xù)建立地震臺，迄今已有五十余年。在水利水電工程下閘蓄水前建立的地震臺網當然是監(jiān)測未來庫區(qū)的天然本地地震活動，當年建設的三峽臺網也是為此目的而設置的。從1958年7月三峽第一個臺宜昌臺投入觀測到2009年9月三峽水庫下閘蓄水，計有51年的時間觀測天然本底地震活動。如此長時間的布設專門臺網觀測天然本底地震在世界水庫地震觀測史上是絕無僅有的。這一事實說明中國政府、中國的科技界對三峽工程的立項是非常慎重的。1959年11月位于廣東省河源縣新豐江水庫下閘蓄水后，160 km外的廣州地震臺很快便記錄到水庫地區(qū)發(fā)生的地震。為此中科院地球物理研究所在水庫附近增設了數個人工地震臺。這批人工臺是我國在水庫蓄水后發(fā)現(xiàn)誘發(fā)地震而專門設立的第一個水庫地震臺網和地震前兆觀測網，開創(chuàng)了我國水庫地震多學科、多項目觀測與研究的先河。新豐江水庫地震臺網于1980年率先完成無線遙測化的技術改造。新豐江水庫遙測地震臺網是我國第一個專門為水庫誘發(fā)地震監(jiān)測而建立的無人值守臺網，再次為水庫地震監(jiān)測創(chuàng)立了新標。三峽、新豐江等較早期的水庫誘發(fā)地震監(jiān)測均由政府主導，中科院、中國地震局、水利水電科學院等科研機構立項并實施。二灘水庫地震監(jiān)測臺網的建設是我國第一個由水電站業(yè)主投資并主導，通過招標投標確定建設承包人的臺網。這是我國改革開放在水庫地震監(jiān)測投資人方面出現(xiàn)的重大變革。

2 水庫地震模擬監(jiān)測技術

水庫地震監(jiān)測技術的進展與天然地震監(jiān)測技術的發(fā)展息息相關。每一次天然地震監(jiān)測儀器的升級換代均促使水庫地震觀測儀器隨之升級。中科院地球物理研究所于上世紀50年代在長江三峽地區(qū)建立地震臺站觀測未來庫區(qū)的地震活動時，使用的是仿蘇的哈林式地震儀，采用人工值守方式。后來中科院在新豐江水庫開展的水庫地震觀測，在四川錦屏水庫未來庫區(qū)開展的天然地震活動觀測，水利水電科學院在四川二灘、遼寧觀音閣、貴州天生橋未來庫區(qū)設置的臺站雖然使用的儀器型號不同，但都是使用天然地震觀測儀器建立的人工值守臺站。最早使用無線遙測技術對水庫誘發(fā)地震進行組網觀測的是新豐江水庫。該任務于1975年由國家地震局立項、廣州地震大隊和581廠合作執(zhí)行，1980年建成投測后取代了觀測約20年的人工地震臺站。

1992年建成投測的二灘水庫地震臺網仍使用無線遙測方式組網，但在以下幾個方面有別于先期建成投測的新豐江水庫遙測地震臺網。二灘水庫地震監(jiān)測最顯著的特征之一是根據水庫誘發(fā)地震大多震源較淺、高頻能量豐富的特征，將觀測儀器的上限頻率從天然地震觀測流行的20 Hz提高至40 Hz。第二個特征是采用了筆繪可見記錄與數字波形磁記錄并行記錄方式，首次在水庫地震監(jiān)測中實現(xiàn)了計算機自動定位和人機結合定位。第三個特征是首次在水庫地震觀測中增設了對微震和極微震觀測有利的速度平坦型特性。位移平坦特性是我國模擬地震觀測時期流行的標準特性，而速度平坦型特性后來成為數字地震觀測的標準特性。第四個特征是二灘水庫地震招標書明確提出重點監(jiān)視區(qū)的監(jiān)測能力必須達到ML0.5級的明確要求。ML0.5級監(jiān)測能力在后來十余年間成為水庫誘發(fā)地震界默認的標準。進入21世紀水利和水電部門將此監(jiān)測能力要求正式列入規(guī)程，中國地震局也將其列入有關規(guī)定，成為我國水庫地震監(jiān)測能力的正式行業(yè)標準。第四個特征是地震波形采集記錄所用的去假濾波器使用了瞬態(tài)響應特性良好的濾波函數。該濾波函數既滿足最小相位條件，在通帶內又滿足線性相位條件，記錄持續(xù)時間短、高頻能量豐富的水庫誘發(fā)地震失真度較低。但該濾波函數過渡帶較平緩，故使用了200SPS的采樣率才能確保-3dB頻帶為40 Hz。

二灘水庫地震監(jiān)測的投資模式、技術模式影響了上世紀90年代隨后開工建設的十余個水利水電工程的誘發(fā)地震監(jiān)測臺網設計與建設。自黃河小浪底建管局于1994年首先提出參照二灘模式開展小浪底水庫地震監(jiān)測預測以后，四川大橋、湖北隔河巖、高壩卅、丹江口、青海龍羊峽李家峽，新疆克孜爾和三峽前期天然本底地震監(jiān)測臺網的遙測化改造均參照二灘模式建立了為自身防震減災服務的水庫誘發(fā)地震監(jiān)測預測系統(tǒng)。

3 水庫地震數字監(jiān)測系統(tǒng)

1997年12月八屆人大常委會通過的 《中華人民共和國防震減災法》出臺，標志著國家對地震監(jiān)測預的管理報步入法制化的軌道。該法明確規(guī)定： “為本單位服務的地震監(jiān)測臺網，由有關單位投資建設和管理，……”。2004年國務院頒發(fā)的 《地震監(jiān)測管理條例》進一步明確要求： “壩高100 m以上，庫容5億立方米以上，且可能誘發(fā)5級以上地震的水庫應建設專用地震監(jiān)測臺網”。一些省、市、自治區(qū)還出臺了專門的大型水庫地震監(jiān)測管理規(guī)定。如果說上述 《防震減災法》和 《地震監(jiān)測管理條例》公布前水利水電工程業(yè)主投資建設水庫地震監(jiān)測臺網是出于企業(yè)家的覺悟和社會責任感，那么此后對業(yè)主在水庫地震監(jiān)測方面的責任則是強制性的要求了。三峽水庫地震監(jiān)測系統(tǒng)就是 《防震減災法》出臺后不久即上馬的工程。

三峽水庫地震監(jiān)測臺網是我國第一個采用數字地震觀測技術建立的臺網。而在此之前建立的三峽天然本底地震監(jiān)測系統(tǒng)，無論是較早期的人工臺還是后期的無線遙測臺網均使用模擬觀測技術。

三峽水庫地震監(jiān)測是我國水庫地震監(jiān)測史的又一個重要里程碑。不僅僅是其測震臺網規(guī)模是我國單個水庫地震監(jiān)測中子臺數目最多的臺網，技術上還是我國第一個數字化的全三分向觀測臺網。更為特別的是它將地形變和地下水兩種在天然地震預測中卓有成效的前兆觀測項目繼新豐江水庫地震監(jiān)測預測后再次引入水庫地震監(jiān)測預測系統(tǒng)中。正因為如此，三峽臺網是我國水利部門主導的第一個多學科綜合性的水庫地震監(jiān)測臺網。三峽水庫地震監(jiān)測預測系統(tǒng)于2001年建成投測后，我國又有二十余個水庫采用數字地震觀測設備建設了為自身安全服務的測震臺網?？赡苁鞘芡顿Y能力的限制，絕大多數大型水利水電工程均未仿三峽工程設立前兆觀測項目，僅建設了數字化的測震臺網。

5 水庫地震監(jiān)測的流域組網

我國西部水電開發(fā)大多采取了一個業(yè)主包攬一個流域的模式，這就為一個流域上的多個梯級水庫共同規(guī)劃設計和建設一個統(tǒng)一的數字臺網創(chuàng)造了條件。流域水庫地震監(jiān)測臺網的統(tǒng)一規(guī)劃、統(tǒng)一設計、分期建設可以為業(yè)主節(jié)省可觀的費用，深得流域梯級電站群業(yè)主的青睞。烏江流域臺網是我國第一個采用流域模式建設的水庫地震臺網。此后，黃河上游水庫群建設的臺網、雅礱江水庫群建設的臺網、瀾滄江水庫群建設的臺網和金沙江下游水庫群建設的臺網均采用了流域模式。

4 結語

2008年5月12日四川汶川發(fā)生的8.0級特大地震為水庫地震的監(jiān)測預研究提供了動力。其原因當然是該地震的微觀震中距紫坪鋪水庫最高水位線僅4 km和紫坪鋪水利樞紐的重要水工建筑和發(fā)送電設施均位于Ⅹ度區(qū)中。此特大地震說明，不僅僅是中強以上水庫誘發(fā)地震會對水庫及其周邊地區(qū)帶來不利的影響，緊臨水庫發(fā)生的破壞性天然地震同樣會影響水利水電設施。5.12汶川地震后各級政府、水利水電部門和地震部門均加強了對水庫地震的監(jiān)測與研究。表現(xiàn)在企業(yè)主對水庫地震監(jiān)測預測投入更主動了；水庫地震監(jiān)測不僅僅是少數公司和技術人員關注的事情，一批科研人員在科研經費的支撐下也轉入了水庫地震研究領域；僅靠業(yè)主投資不太可能在水庫地震監(jiān)測中使用的新技術、規(guī)?；牧鲃颖O(jiān)測都引入了水庫地震研究之中。我國水庫地震監(jiān)測預測研究步入了一個全新的時期。與世界發(fā)達國家的同類工作比較，我國當前的水庫地震監(jiān)測不僅技術上處于同一水平，而且在立法管理、投資規(guī)模、臺網建設的數量和科研力量的投入方面均居領先水平。我國的水庫地震監(jiān)測臺網已成為專業(yè)地震監(jiān)測網的重要分支與補充，有理由相信在水庫誘發(fā)地震研究方面我國的科技工作者亦能做出卓越的貢獻。

[1]丁原章.水庫誘發(fā)地震[M].北京：地震出版社，1989.

[2]楊曉源.我國近年水庫地震監(jiān)測綜述[J].地震地磁觀測與研究，1999，20（2）：3～15.