新豐江及龍灘水庫地震活動性研究

陳翰林，陳 陽

(中國地震局地震預測研究所，北京 100036）

0 引言

水庫地震問題是上世紀30年代希臘的馬拉松水庫地震發(fā)生后提出來的，60年代發(fā)生的幾個具有較大影響的水庫地震使得科學家們將水庫地震問題作為一個科學問題進行較系統(tǒng)的研究，60年代發(fā)生的比較有影響的水庫地震有1962年中國新豐江水庫地震、1963年意大利瓦依昂水庫地震、1967年印度柯依那水庫地震。在70年代中期以前主要側(cè)重于水庫地震資料的收集整理，研究水庫荷載過程與誘發(fā)地震活動的關(guān)系。70年代中期后，隨著數(shù)字地震觀測技術(shù)的誕生和應用，水庫地震的研究迅速朝縱深方向推進。特別是通過在庫區(qū)布設(shè)密集的地震觀測臺網(wǎng)，在水庫地震發(fā)生環(huán)境及機理和水庫地震與構(gòu)造地震特征的差異等方面的研究取得了許多重要的認識。Roeleffs研究指出，引起地震活動的孔壓增加與湖水位變化的頻度和幅度有關(guān)；Simpson將大型水庫注水后的地震響應類型分為延遲響應和快速響應兩種；Talwani研究了這兩種響應類型的地震活動特征的差異[1～3]。

為了拾取高質(zhì)量的水庫地震波形記錄，精確測定水庫地震震源位置，更好地研究水庫地震活動性，我們采用水庫固定臺網(wǎng)與流動加密臺站相結(jié)合的觀測布網(wǎng)技術(shù)在龍灘庫區(qū)和新豐江庫區(qū)架設(shè)了水庫地震精密監(jiān)測組網(wǎng)，獲得了很好的觀測數(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震源位置進行了精定位研究，得到了較好的定位結(jié)果。

1 新豐江水庫地震活動性研究

我國水庫地震研究始于上世紀60年代廣東新豐江水庫地震的研究，在新豐江水庫開展了地震觀測和危險性評估的研究。根據(jù)研究的結(jié)果按烈度Ⅷ度對大壩進行加固 （原設(shè)計烈度為Ⅵ度）。1962年3月19日在離大壩1 km處發(fā)生6.1級地震，大壩雖有損傷，但未垮塌。這也是迄今為止水庫誘發(fā)地震對大壩局部地段造成損害的兩例水庫地震之一，另一例是1967年12月10日印度柯依納水庫誘發(fā)6.5級地震，大壩震裂，大水從裂口傾瀉，導致許多村莊被沖毀。這兩次也是全球發(fā)生的兩次最大的水庫誘發(fā)地震。新豐江水庫地震之后我國陸續(xù)在許多水庫庫區(qū)架設(shè)臺站，進行地震的監(jiān)測活動，科學家們也開展了很多關(guān)于水庫地震的監(jiān)測預測研究。如丁原章對新豐江水庫誘發(fā)地震的構(gòu)造條件、庫區(qū)地震活動、震源機制及地殼變形等作了詳細研究[4、5]；于海英、公茂盛等利用新豐江、黃壁莊、喀什、龍羊峽、官廳、劉家峽和陡河等水庫地震的近場地面運動資料研究了水庫地震的地震動特性，指出相對于構(gòu)造地震而言，水庫地震的地面運動峰值加速度較高，衰減較快，地震動反應譜特征頻率較高，持續(xù)時間較短[6]；歐作畿指出多數(shù)水庫地震具有以下特點：震中多集中在庫壩附近，一般集中分布在水庫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)，個別達20 km，以4～7 km居多[7]。

新豐江水庫又稱萬綠湖，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，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)受六級以上地震考驗的超百米高混凝土大壩。新豐江水庫工程于1958年7月開始動工，1959年10月20日水庫開始蓄水，1960年第一臺發(fā)電機組并網(wǎng)發(fā)電。新豐江水庫蓄水不久，周圍便開始出現(xiàn)一些地震活動 (圖1)，1960年5月當水庫的水位蓄到81 m時發(fā)生了三至四次強度為3.1級左右的有感地震，1960年7月18日當水庫水位升到90 m時，發(fā)生強度為4.3級的中度地震。1962年新豐江水電工程竣工，同年3月19日當水庫水位升110多米時，發(fā)生了震級6.1級的強震，震源深度約為5 km，此次地震對大壩的局部地段造成損害。蓄水初期，新豐江水庫周圍地震活動性非?；钴S，年頻次一度達到2000次，此后，地震的頻次迅速減弱，庫水位長期保持在80～120 m之間。但最近新豐江的地震活動性有所增強，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日在水庫庫區(qū)西北邊緣發(fā)生了一次4.7級地震，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級發(fā)震地點不遠處發(fā)生了一次4.2級地震；8月31日在新豐江水庫偏西區(qū)域筆架山附近發(fā)生了一次4.2級地震，震源深度為6 km，造成了較大的社會影響。

針對水庫地震震源淺、震級較小，空間上叢集分布的特征，我們在2009年3月至2010年5月在新豐江水庫區(qū)域架設(shè)了20個流動觀測臺站與原有的4個水庫監(jiān)測臺站一起組成觀測臺網(wǎng)，對新豐江庫區(qū)的地震活動進行了連續(xù)監(jiān)測，并利用hypo2000方法對記錄到的數(shù)據(jù)進行初次定位，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震源位置進行了精定位研究。影響定位準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確度我們采用了波形互相關(guān)法，該方法通過相關(guān)函數(shù)計算相似波形的相關(guān)系數(shù)，來進一步消除人為提取震相到時的偶然誤差，再將波形互相關(guān)法與雙差定位法相結(jié)合來研究計算新豐江水庫地震的震源位置。通過對新豐江庫區(qū)地震波形的互相關(guān)計算分析，我們得到了數(shù)百萬條的互相關(guān)對比結(jié)果，應用 “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 新豐江庫水位變化與地震活動性關(guān)系圖[8]Fig.1 Relation between water level variation and seismic activity of Xinfengjiang reservoir[8]

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

2 龍灘水庫地震活動性研究

龍灘水電站是紅水河梯級開發(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。龍灘水電站水庫壩高216.5 m，總裝機容量為630萬千瓦，是我國十大水電工程之一。龍灘水庫外圍較大范圍內(nèi)北西向張剪性斷裂非常發(fā)育，但在庫區(qū)內(nèi)部只有小規(guī)模的NE向斷層，庫壩區(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。

龍灘水庫修建前 (1970～2003)該區(qū)域的地震活動性并不強烈 (圖3)，且多數(shù)地震發(fā)生在庫水外圍，庫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，最大地震震級為ML4.8。2003年龍灘水庫工程開始動工，至2004年底竣工，這期間發(fā)生的地震主要集中在龍灘庫壩周圍，我們推測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，龍灘水庫在此期間調(diào)試運行，龍灘庫壩附近發(fā)生了數(shù)次地震。從2006年9月起，龍灘水庫開始正式蓄水，地震活動性隨之顯著增強，蓄水后發(fā)生的地震主要集中在組成龍灘庫區(qū)的若干條河流流域，且位于龍灘庫壩不遠的區(qū)域[9、10]。

圖3 龍灘庫區(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，庫水第一次大幅抬升期間只發(fā)生了少量三級以下的地震，地震頻度較高的時間主要集中在07年6月至09年6月，b值變化與水位變化沒有表現(xiàn)出較好的對應關(guān)系 (圖4)。06年至11年底龍灘水庫周圍共發(fā)生3次ML≥4.0級地震：2007年3月17日在羅甸縣境內(nèi)發(fā)生了一次ML4.0級地震； 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級地震；2010年9月18日在羅甸縣附近又發(fā)生了一次ML4.5級地震。

2009年至2010年國家科技支撐項目 “水庫地震監(jiān)測與預測技術(shù)研究”在龍灘水庫庫區(qū)架設(shè)了一套由15個臺站組成的流動觀測臺網(wǎng)，所有臺站均配備有三分向地震計，其中三個臺的地震計型號為FSS-3M，頻帶寬度為2 s-50 Hz，剩余12個臺站均配備GMG-T40-0050型寬頻帶地震計，頻帶寬度為40 s-50 Hz。利用我們加密觀測的15個地震臺站與龍灘水庫原有的10個監(jiān)測臺站組成了一個觀測臺陣。在利用hypo2000方法對觀測到的連續(xù)波形地震事件定位后，我們采用波形互相關(guān)法對記錄到的波形進行處理，得到了411226條波形互相關(guān)數(shù)據(jù)。應用結(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 龍灘水庫最大震級、日頻次、b值及水庫水位變化圖Fig.4 Relations between maximum magnitude,day frequency,b value and Longtan reservoir water level variation

3 結(jié)語

本研究將目前應用較少的結(jié)合波形互相關(guān)的雙差定位法引入了水庫地震精定位的研究當中，以往水庫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，水庫地震空間上叢集分布的特征能夠凸顯出該方法的優(yōu)勢，能夠大幅度提高水庫地震定位精度的方法。

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

致謝：本文得到了國家科技支撐項目 “水庫地震監(jiān)測與預測技術(shù)研究”及廣東省地震局、廣西省地震局、龍灘水庫監(jiān)測臺網(wǎng)與新豐江水庫監(jiān)測臺網(wǎng)等單位相關(guān)工作人員的幫助，在此表示感謝。

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