三峽地區(qū)水庫誘發(fā)地震精定位方法對比研究

汪 建，董建輝，何秋典

(1.重慶市地震局，重慶 401120;2.長江三峽勘測研究院有限公司，湖北武漢 430010;3.湖南省地震局，湖南長沙 410001)

0 引言

精確的地震空間位置是地球科學(xué)研究、地震預(yù)報、地震安全性評估等工作的基礎(chǔ)，因此，地震定位一直是地震學(xué)一個最基礎(chǔ)的課題。隨著數(shù)字化地震觀測技術(shù)的發(fā)展，人們對地震定位的精度提出了更高的要求［1］。

前人對三峽地區(qū)有過很多研究，一般認(rèn)為，三峽地區(qū)地震主要集中分布在香溪河附近的仙女山斷裂帶北端及九灣溪斷裂、泄灘鄉(xiāng)以西的長江兩岸和巴東北岸神龍溪及附近地區(qū)。發(fā)生水庫地震的具體原因歸結(jié)為仙女山斷裂帶、高橋斷裂帶和牛口斷裂誘發(fā)所致，還分布著因塌陷、煤礦所引起的地震類型［2］。自2001年10月三峽數(shù)字遙測地震臺網(wǎng)正式運行以來記錄了大量的地震活動。本文將選取三峽水庫庫首區(qū)的泄灘區(qū)和仙女山—九灣溪斷裂地區(qū)的ML≥1.5 級的共計324 次地震，運用Hypo2000 定位程序分別進(jìn)行重新定位。測定出震中位置、震源深度，與三峽數(shù)字遙測地震臺網(wǎng)原有waveview 定位軟件的定位結(jié)果進(jìn)行對比，對地震成因進(jìn)行初步分析，為將來水庫誘發(fā)地震預(yù)測提供依據(jù)。

1 研究方法

1.1 GENETIC(遺傳法)定位方法及原理

遺傳算法是一類模擬生物進(jìn)化的智能優(yōu)化算法，它是由 J.H.Holland 于二十世紀(jì)六十年代提出的。目前，遺傳算法已成為進(jìn)化計算研究的一個重要分支。與傳統(tǒng)優(yōu)化方法相比，遺傳算法的優(yōu)點是:群體搜索、不需要目標(biāo)函數(shù)的導(dǎo)數(shù)。遺傳算法采用多臺的S、P 震相數(shù)據(jù)，適用于網(wǎng)內(nèi)外地方震和近震的定位。

遺傳算法是一種通過模擬自然進(jìn)化過程搜索最優(yōu)解的方法，地震學(xué)家將其用于地震定位中。遺傳算法以決策變量的編碼作為運算對象，用概率搜索技術(shù)，直接以適應(yīng)度作為搜索信息，無需導(dǎo)數(shù)等其它輔助信息，進(jìn)行多點信息搜索，具有隱含并行性。

利用觀測數(shù)據(jù)擬合模型參數(shù)以發(fā)展新的模型是遺傳算法的本質(zhì)。在每一個迭代過程中，用目標(biāo)函數(shù)值控制遺傳概率。從一次迭代到下一次迭代，較好的模型將存活并繁殖，而較差的模型將被淘汰，每次迭代是以一種類似于適者生存的方式進(jìn)行的，直到得到一個最佳的模型。

最小化的遺傳算法單個迭代過程分為以下3個步驟:

(1)繁殖。從總的模型N中隨機地產(chǎn)生一組模型Q，把這一組模型Q稱之為父模型，對這一組模型分別計算每一個模型所對應(yīng)的目標(biāo)函數(shù)φ(mk)(k=1，2，…，Q)，根據(jù)目標(biāo)函數(shù) φ(mk)值可以確立第k個模型繁殖的可能性p(mk)。

(2)交配。從父模型中得到新模型，即子模型，每個子模型都從兩個父模型中產(chǎn)生。最初，所有父模型被隨機地配對，這將產(chǎn)生Q/2 對模型，并且每一對模型都是可交配的。用0 到1 之間的隨機數(shù)來決定當(dāng)前的這一對模型是否需要交配，如果隨機數(shù)小于常數(shù)Pc或隨機數(shù)滿足某一不等式即可交配，否則不交配，Pc表示模型交配的概率。用隨機的辦法產(chǎn)生一隨機數(shù)來確定所要交換的位置，在該位置處把一對父模型的兩個二進(jìn)制串分別切成兩段，只要交換其中對應(yīng)的一段即可，這樣就生成了兩個子模型，在Q/2 對父模型中產(chǎn)生Q個子模型。

(3)變異。把子模型二進(jìn)制代碼中的某些位的值(0 或1)進(jìn)行修改，即相當(dāng)于對模型中某些參數(shù)的修改，至于要修改二進(jìn)制代碼中的哪一位，是由一個隨機數(shù)來確定的。變異產(chǎn)生于每一個子模型內(nèi)部，而一個子模型可以產(chǎn)生多次變異。當(dāng)變異這一步驟完成后，一組新的模型Q就產(chǎn)生，并進(jìn)行下一次迭代，在迭代過程中可刪除那些繁殖可能性p(mk)較小的模型，用繁殖可能性較大的模型替代［3］。

1.2 Hypo2000地震定位方法及原理

Hypo2000 適用于網(wǎng)內(nèi)地方震和近震的地震定位和定震級的Fortran 程序。在港震EDSP 和Jopens/msdp 中，Hypo2000 是外掛程序之一，我國各區(qū)域地震臺網(wǎng)都把Hyp2000 作為選用的定位程序。

如果考慮第i個地震臺站的坐標(biāo)為(xi，yi，zi)，第i個地震臺站觀測到的震相到時為Ti，理論到時為ti，震源位置(x，y，z)。

設(shè)第i個地震臺站觀測震相到時Ti與理論到時ti的到時差為Ri，則

當(dāng)Ri很小，由泰勒展開式忽略高次項可得:

設(shè)

(2)式中的ei是第i個臺站到時的近似誤差量，將(2)式移項后可得:

一般在進(jìn)行地震定位時都不會只一個地震臺站，而若有n個臺站，臺站數(shù)大于未知數(shù)(可變量數(shù)目)，則用最小平方法(least square method)可得到未知數(shù)最佳解。即

ε=(x，y，z，t)四個變量

利用矩陣的方式可得到四個未知數(shù)dx、dy、dz、dt的解，再利用所得的四個未知數(shù)，配合初始的震源位置得到新的修正后坐標(biāo)(x+dx，y+dy，z+dz)，再以新的坐標(biāo)代入計算，經(jīng)過多次迭代后，一直修正到此震源解與前一個震源解的≤按要求給定的誤差值(例如:1.0 千米)及dt≤給定的誤差值(例如:0.2 秒)范圍內(nèi)，我們就認(rèn)為震源解是收斂的解，即得到定位出的震源位置及發(fā)震時間［4］。

2 資料選取

本文選定兩個研究區(qū)域，分別是泄灘區(qū)(30°54'～31°06'N，110°30'～110°36'E)和仙女山－九灣溪斷裂區(qū)(30°50'～ 31°05'N，110°40'～110°55'E)，所選區(qū)域均為三峽地區(qū)水庫誘發(fā)地震潛在危險區(qū)(圖1)。選取泄灘區(qū)從2001年3月1日—2009年12月20日內(nèi)ML≥1.5 級的共計 134 次地震，選取仙女山—九灣溪斷裂區(qū)從2001年3月1日—2009年12月20日內(nèi)ML≥1.5 級的共計190 次地震。

圖1 三峽地區(qū)水庫誘發(fā)地震潛在危險區(qū)分布略圖［5］Fig.1 Distribution of potential risk zones of reservoir-induced earthquakes in Three Gorges area［5］

3 定位結(jié)果對比分析

3.1 泄灘區(qū)地震定位結(jié)果對比分析

由圖2可知，泄灘地區(qū)沿江庫段地層大體傾向北，傾角30°～40°。老泄灘鎮(zhèn)至老石門村沿江地帶已被三峽水庫135 m 蓄水后的江水淹沒，新泄灘鎮(zhèn)位于距庫岸1.6 km 的江北岸，地處秭歸向斜南部邊緣。由侏羅系紫紅色泥、砂頁巖組成的中、低山與三疊系巴東組紫紅色泥巖砂巖夾微晶灰?guī)r形成的單面山之間，長江居于其中。泄灘段長江南岸地層傾向與岸坡同向，產(chǎn)生順層滑坡;長江北岸為逆向坡段，當(dāng)平行岸坡裂隙發(fā)育時，常產(chǎn)生崩塌和局部切層滑坡。沿江北岸香溪群煤層(J1t)灰?guī)r發(fā)育地區(qū)分布有老石門村等煤礦，現(xiàn)已被庫水淹沒［6］。

表1 重新定位前后震源深度統(tǒng)計表(共134次ML≥1.5)Tab.1 The statistical table of focal depth with two methods(134 seismic events with ML≥1.5)

從泄灘區(qū)地震在重新定位前后的震中分布對比圖(圖3)可以看出:使用遺傳法定位泄灘區(qū)地震的震中分布趨于發(fā)散，Hypo2000 重新定位后震中明顯向庫邊靠近，大部分距離庫水邊5 km 范圍內(nèi)，震中更加集中和收斂，沿江南北岸震群分別呈團塊狀叢集分布。震源深度(剖面)對比圖(圖4)可以看出:震源深度分布由之前較為分散的0～26 km 集中在 0～ 10 km 內(nèi)，92% 的震源深度分布在0～5 km 這個優(yōu)勢范圍內(nèi)，平均震源深度由7.0 km 減為2.5 km(表1)，且平均震源深度與廖武林等［7］所得出的2.9 km 相接近，總體呈現(xiàn)變淺的趨勢，說明泄灘地區(qū)的地震震源深度較淺。

圖2 泄灘地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造圖Fig.2 Geological structure of Xietan area

圖3 重新定位前后震中分布對比(共134次ML≥1.5)Fig.3 The comparison of epicenter distribution with two methods(134 seismic events with ML≥1.5)

根據(jù)泄灘區(qū)地質(zhì)資料，泄灘地區(qū)發(fā)育順層滑坡和切層滑坡，還有一些采空區(qū)煤礦。該區(qū)地震頻度與庫水位有一定的相關(guān)性，隨著水位的抬升而顯著增強［9］，原因有:(1)礦坑洞口的高程分布及庫水長時間的浸泡，容易引起礦坑塌陷;(2)地表局部荷載變形，導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)，滑坡活動增多。因此，該區(qū)地震應(yīng)以礦塌型和淺表卸荷型地震為主。

3.2 仙女山—九灣溪斷裂區(qū)地震定位結(jié)果對比分析

仙女山斷裂帶為黃陵背斜與秭歸向斜的分界斷裂，地貌上主要表現(xiàn)為深切河谷、埡口與斷層崖等，總體走向 NNW(15°～25°)，斷層面主要傾向SW，傾角60°～80°，由一系列呈雁行排列的斷裂組成。該斷裂切割了震旦系至自堊系的地層，切割了深源的石英脈，屬于基底斷裂。

九灣溪斷裂帶由九灣溪斷裂與路口子斷裂組成。九灣溪斷裂走向 NNW，傾角70°～80°，也是多期活動的斷裂，全長15 km，到南部歸并到仙女山斷裂帶中。路口子斷裂走向近南北向，傾向NNW 或 W，傾角 67°～ 69°，也有多次活動，該斷裂穿過長江［8］。

圖4 重新定位前后震源深度(剖面)對比(共134次ML≥1.5)Fig.4 The comparison of focal depth section with two methods(134 seismic events with ML≥1.5)

圖5 重新定位前后震中分布對比(共190次ML≥1.5)Fig.5 The comparison of epicenter distribution with two methods(190 seismic events with ML≥1.5)

從仙女山—九灣溪斷裂區(qū)地震在重新定位前后的震中分布對比圖(圖5)可以看出:使用遺傳法定位仙女山—九灣溪斷裂區(qū)地震的震中分布趨于發(fā)散，Hypo2000 地震重新定位后，震群呈線性分布或團塊狀叢集分布，長江北岸的地震大部分更加集中，靠近庫邊，還有小部分位于九灣溪斷裂北段;南岸的地震大部分靠近仙女山斷裂北段，呈線性分布，小部分位于九灣溪斷裂中段，呈團塊狀分布。震源深度(剖面)對比圖(圖6)可以看出:震源深度分布由之前較為分散的0～21 km 集中在0～13 km 內(nèi)，96%的震源深度分布在0～10 km 這個優(yōu)勢范圍內(nèi)，69%的震源深度分布在5～10 km 以內(nèi)，平均震源深度由8.5 km 減為6.4 km(表2)，且平均震源深度與廖武林等［7］所得出的5.6 km 相接近。根據(jù)湖北省地震局2008年9月27日秭歸縣郭家壩M3.2 級地震宏觀調(diào)查報告:地震時當(dāng)?shù)卮迕衤犚娪袗灷装懵曧懀覂?nèi)器物搖動，門窗、屋頂作響，少數(shù)土木房屋有檐瓦掉落、落灰現(xiàn)象，震感比較強烈，說明仙女山—九灣溪斷裂發(fā)生地震震源較淺。

圖6 重新定位前后震源深度(剖面)對比(共190次ML≥1.5)Fig.6 The comparison of focal depth section with two methods(190 seismic events with ML≥1.5)

圖7 仙女山－九灣溪斷裂區(qū)地震頻度與庫水位變化關(guān)系［9］Fig.7 Relationship between earthquake frequency and water level changes in Xiannvshan-jiuwanxi fault zone［9］

表2 重新定位前后震源深度統(tǒng)計表(共190次ML≥1.5)Tab.2 The statistical table of focal depth with two methods(190 seismic events with ML≥1.5)

從圖7可知，三峽水庫蓄水前，仙女山—九灣溪斷裂區(qū)的地震活動頻度很低。水庫135 m 蓄水開始，地震活動頻次略有增加，但不明顯。156 m蓄水期間，地震活動頻次雖較蓄水前高，但基本上與一期蓄水頻次相當(dāng)。175 m 試驗性蓄水期間，地震活動頻次明顯增強［9－10］。水庫蓄水后一段時間，水逐漸滲透到深部，水分在巖層之間滲流，使破裂面上之摩擦力降低，起到了潤滑作用，破壞了斷層處原有的平衡力系，形成破裂而引發(fā)地震。三期較二期和一期地震活動頻度有增強的趨勢，這可能與隨著庫水位的抬高，庫水的滲透加強有關(guān)，在高水位運行期該地區(qū)發(fā)生構(gòu)造型地震的可能性較大。該區(qū)地震主要集中分布在仙女山斷裂北段與九灣溪斷裂交匯部位的北西部，明顯受仙女山—九灣溪斷裂活動的影響，應(yīng)屬于水庫誘發(fā)的構(gòu)造型地震。

4 結(jié)論

本文通過Hypo2000 地震定位程序?qū)焓讌^(qū)兩個區(qū)域的324 次地震重新定位，與遺傳法定位結(jié)果得到的震源深度、震中分布、深度(剖面)進(jìn)行對比分析，并結(jié)合相應(yīng)地質(zhì)構(gòu)造背景和地震宏觀調(diào)查報告。結(jié)果表明:

(1)泄灘區(qū)的地震重新定位結(jié)果顯示震中位置更加收斂，更靠近庫邊，地震活動與礦洞塌陷、滑坡有關(guān)，震源深度優(yōu)勢分布集中于0～5 km 內(nèi)，平均震源深度為2.5 km。

(2)仙女山—九灣溪斷裂區(qū)的地震重新定位結(jié)果顯示震中位置更加收斂，更靠近斷裂帶，表明大部分地震與已知斷裂構(gòu)造密切相關(guān)，震源深度優(yōu)勢分布集中于0～10 km 內(nèi)，平均震源深度為6.4 km。

(3)Hypo2000 地震定位程序優(yōu)于遺傳法得到的定位結(jié)果。

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