大崗山水庫(kù)地震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建設(shè)及監(jiān)測(cè)能力概估算和驗(yàn)證

趙 昱,鐘李彬,何思源 ,劉華姣

(1.四川省地震局，四川 成都 610000；2.成都地震基準(zhǔn)臺(tái)，四川 成都 610000)

大崗山電站工程為大渡河干流規(guī)劃22級(jí)方案的第14個(gè)梯級(jí)電站，上游與硬梁包(引水式)電站尾水相連，下游與龍頭石電站水庫(kù)相接。壩址距石棉縣城約40 km，距上游瀘定縣城約72 km。壩址區(qū)有省道S211(瀘定—石棉)公路通過(guò)，向北行連接川藏公路，向東行至石棉縣城附近與國(guó)道G108相通，壩址距成昆鐵路烏斯河車站約130 km。該工程處在地震基本烈度為Ⅷ度的地區(qū)，是我國(guó)西部高烈度地震區(qū)的一項(xiàng)特大型水電工程。工程區(qū)位于康滇地軸的北端，處在揚(yáng)子準(zhǔn)地臺(tái)和松潘—甘孜褶皺系兩個(gè)一級(jí)大地構(gòu)造單元的邊界附近，又在川滇菱形斷塊的東部活動(dòng)邊界上。川滇菱形斷塊是喜山晚期十分活躍的一個(gè)新生的大地構(gòu)造單元，在其東北至東側(cè)形成了一條巨大的、走向北西和南北交互出現(xiàn)的現(xiàn)今活動(dòng)構(gòu)造邊界，雖然不同段落活動(dòng)的強(qiáng)烈程度有所差別，但晚更新世至全新世的活動(dòng)性是無(wú)可置疑的。大崗山水電站水庫(kù)誘發(fā)地震數(shù)字遙測(cè)臺(tái)網(wǎng)系統(tǒng)工程，為水利水電工程專用小孔徑密集遙測(cè)固定微震監(jiān)測(cè)臺(tái)網(wǎng)，重點(diǎn)監(jiān)測(cè)與大壩、水庫(kù)中段和工程場(chǎng)地安全有關(guān)的ML0.5級(jí)以上，MS5.0級(jí)以下的地震活動(dòng)，即監(jiān)測(cè)工程區(qū)(庫(kù)壩區(qū))內(nèi)水庫(kù)蓄水前的天然本底地震活動(dòng)背景以及水庫(kù)蓄水后庫(kù)區(qū)及臨近區(qū)域的天然地震和水庫(kù)誘發(fā)地震活動(dòng)，為水庫(kù)誘發(fā)地震綜合預(yù)測(cè)研究提供連續(xù)、可靠的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 臺(tái)網(wǎng)建設(shè)

1.1 臺(tái)網(wǎng)建設(shè)總體情況

大崗山水電站水庫(kù)誘發(fā)地震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建有8個(gè)固定監(jiān)測(cè)臺(tái)站和1個(gè)監(jiān)測(cè)中心，8個(gè)監(jiān)測(cè)臺(tái)站分布在四川省甘孜藏族自治州瀘定縣和雅安市石棉縣境內(nèi)，1個(gè)中心為四川省地震監(jiān)測(cè)中心。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)位于揚(yáng)子準(zhǔn)地臺(tái)西部康滇地軸，在南北向、北西向和北東向多組斷裂構(gòu)造交匯部位，處在揚(yáng)子準(zhǔn)地臺(tái)和松潘—甘孜褶皺系兩個(gè)一級(jí)大地構(gòu)造單元的邊界附近，又在川滇菱形斷塊的東部活動(dòng)邊界上，監(jiān)測(cè)區(qū)域范圍為29.3°N～29.9°N，101.9°E～102.5°E。臺(tái)站觀測(cè)系統(tǒng)全部采用數(shù)字化技術(shù)方案。綜合考慮大崗山水庫(kù)臺(tái)網(wǎng)的需求和實(shí)際條件，水庫(kù)誘發(fā)地震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由地震臺(tái)站和監(jiān)測(cè)中心構(gòu)成。地震臺(tái)站實(shí)現(xiàn)地動(dòng)信號(hào)的拾取轉(zhuǎn)換、數(shù)字化采集和發(fā)送；監(jiān)測(cè)中心實(shí)現(xiàn)地震數(shù)據(jù)的接收、分析處理、存貯和成果產(chǎn)出，以實(shí)現(xiàn)對(duì)大崗山水庫(kù)誘發(fā)地震的監(jiān)測(cè)。

1.2 系統(tǒng)工作原理及技術(shù)配置

圖1 大崗山水庫(kù)臺(tái)站觀測(cè)系統(tǒng)組成

臺(tái)站觀測(cè)系統(tǒng)主要由4個(gè)技術(shù)單元組成，包括：專用地震監(jiān)測(cè)設(shè)備、數(shù)據(jù)傳輸及通訊模式、臺(tái)站供電、臺(tái)站避雷(見圖1)。(1)臺(tái)站專用設(shè)備配置。按照區(qū)域數(shù)字地震臺(tái)網(wǎng)技術(shù)系統(tǒng)要求，考慮到臺(tái)網(wǎng)整體監(jiān)測(cè)能力的需要，選用(高靈敏亞型雙端 2 000 V·S/m)三分向地震計(jì)和多通道24位數(shù)據(jù)采集器。為滿足數(shù)據(jù)傳輸標(biāo)準(zhǔn)的要求，采集器要有IP接口和RS-232接口，數(shù)據(jù)格式滿足標(biāo)準(zhǔn)傳輸協(xié)議(佟曉輝等，1997)。在觀測(cè)方式上，綜合考慮各種因素，采取多種觀測(cè)方式，如地表、擺坑式、山洞觀測(cè)。在系統(tǒng)頻率響應(yīng)的選擇上，地震觀測(cè)系統(tǒng)的頻率響應(yīng)應(yīng)與所觀測(cè)地震的頻譜結(jié)構(gòu)相適應(yīng)，滿足極微震和水庫(kù)地震觀測(cè)的要求。具體儀器設(shè)備配置見表1。(2)臺(tái)站供電。臺(tái)站供電需充分考慮多方面因素，因臺(tái)站位于偏遠(yuǎn)地區(qū)，平時(shí)維護(hù)不方便，若發(fā)生斷電等情況可能無(wú)法正常工作，因此采用太陽(yáng)能供電。(3)數(shù)據(jù)傳輸方式。由于臺(tái)網(wǎng)布設(shè)區(qū)山高谷深，地形復(fù)雜，受自然及多方條件限制，只有采用中國(guó)電信的CDMA VPDN數(shù)據(jù)專網(wǎng)進(jìn)行組網(wǎng)。CDMA VPDN專網(wǎng)傳輸?shù)奖O(jiān)測(cè)中心，監(jiān)測(cè)中心業(yè)務(wù)軟件完成數(shù)據(jù)匯集記錄和處理，提供分析應(yīng)用，在局域網(wǎng)內(nèi)實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)中心與分析預(yù)測(cè)研究中心數(shù)據(jù)共享。這種組網(wǎng)方式，有利于增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可維護(hù)性，有利于確保系統(tǒng)的運(yùn)行率。(4)臺(tái)站避雷。地震觀測(cè)臺(tái)屬第2類防雷建筑物，主要預(yù)防感應(yīng)雷造成的危害(劉洋君等，2014)。建筑物建設(shè)成等電位，利用建筑混凝土柱內(nèi)的結(jié)構(gòu)鋼筋，作為引下線。防雷電感應(yīng)和強(qiáng)、弱電系統(tǒng)的工作，保護(hù)接地共用接地裝置，其接地電阻不大于4 Ω，電源裝置和信號(hào)均安裝相應(yīng)的避雷裝置。

表1 大崗山水庫(kù)地震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)儀器配置

2 臺(tái)站(網(wǎng))監(jiān)測(cè)能力估算

(1)估算原理。測(cè)震臺(tái)網(wǎng)監(jiān)測(cè)能力主要取決于臺(tái)基、觀測(cè)系統(tǒng)的響應(yīng)靈敏度、儀器的動(dòng)態(tài)范圍、臺(tái)網(wǎng)密度及臺(tái)網(wǎng)布局等因素(張有林等，2005)，其原理是依據(jù)測(cè)震臺(tái)站臺(tái)基背景振動(dòng)噪聲觀測(cè)值來(lái)確定可觀測(cè)地震事件的振幅值，依據(jù)該振幅值和近震震級(jí)計(jì)算公式，建立震級(jí)大小和震中距的對(duì)應(yīng)關(guān)系。該對(duì)應(yīng)關(guān)系描述了測(cè)震臺(tái)站對(duì)給定震級(jí)地震的有效監(jiān)測(cè)范圍。以4個(gè)以上臺(tái)站公共監(jiān)測(cè)區(qū)域的集合作為測(cè)震臺(tái)網(wǎng)對(duì)指定震級(jí)的監(jiān)控區(qū)域，該指定震級(jí)即為測(cè)震臺(tái)網(wǎng)對(duì)該監(jiān)控區(qū)域的監(jiān)控能力。然后再用臺(tái)站實(shí)際地動(dòng)噪聲分析值和公式:

計(jì)算各臺(tái)測(cè)震系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍。式中，P——數(shù)據(jù)采集器量程為20 V；Ss0——地震計(jì)的電壓靈敏度，為 2 000 V/(m·s-1)；rms——計(jì)算得到的rms值，單位為m/s。

表2 大崗山水庫(kù)地震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)臺(tái)站觀測(cè)動(dòng)態(tài)范圍

(2)資料選取。抽取運(yùn)行階段2013年4月15日00時(shí)至4月17日00時(shí)的連續(xù)48小時(shí)記錄的地噪聲觀測(cè)數(shù)據(jù)，按照GB/T 10084-1988的規(guī)定分別計(jì)算各臺(tái)站每小時(shí)的噪聲功率譜密度(PSD)，根據(jù)GB/T 3241-1998規(guī)定用1/3倍頻程濾波器在1～20 Hz范圍內(nèi)，計(jì)算出RMS值，再取RMS平均值來(lái)表示臺(tái)站的平均地噪聲水平。并以臺(tái)站所配置設(shè)備的相關(guān)參數(shù)，計(jì)算出每個(gè)臺(tái)站的實(shí)際觀測(cè)動(dòng)態(tài)范圍。大崗山水庫(kù)誘發(fā)地震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)各臺(tái)站的環(huán)境地噪聲水平，如表2所示。

圖2 大崗山水庫(kù)地震臺(tái)網(wǎng)監(jiān)測(cè)能力圖

(3)計(jì)算結(jié)果。根據(jù)數(shù)字地震測(cè)震臺(tái)站觀測(cè)技術(shù)規(guī)范要求，規(guī)定臺(tái)基背景噪聲1～20 Hz頻帶范圍，地動(dòng)速度的噪聲RMS值作為臺(tái)址勘選的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，各子臺(tái)噪聲RMS值均小于1.0×10-7m/s，達(dá)到Ⅱ類臺(tái)基噪聲水平。各子臺(tái)觀測(cè)數(shù)據(jù)均能正確反映當(dāng)?shù)貙?shí)際背景噪聲水平，能正確評(píng)估該區(qū)域臺(tái)網(wǎng)測(cè)震監(jiān)測(cè)能力，在庫(kù)區(qū)重點(diǎn)監(jiān)視區(qū)內(nèi)可以監(jiān)控ML≥0.5級(jí)地震(見圖2)。

3 監(jiān)測(cè)能力驗(yàn)證

隨機(jī)抽取2014年2月2日至 2017年9月2日期間，大崗山水電站地震監(jiān)測(cè)臺(tái)網(wǎng)記錄到大崗山水電站庫(kù)區(qū)內(nèi)(29.2°～29.5°N，101.9°～102.5°E)地震3 296次，其中ML0～0.9級(jí)地震 2 710次，ML1.0～1.9級(jí)地震542次，ML2.0～2.9級(jí)地震40次，ML3.0～3.9級(jí)地震4次。 從大崗山水庫(kù)庫(kù)區(qū)震中分布圖(見圖3)可以看出，地震主要分布在大崗山水庫(kù)周邊，向北至鮮水河斷裂末端，向南延伸至安寧河斷裂帶石棉縣附近。對(duì)大崗山水庫(kù)地震監(jiān)測(cè)區(qū)進(jìn)行地震活動(dòng)性分析(見圖4)可以看出，地震震級(jí)和月頻次呈起伏波動(dòng)變化，震級(jí)較高地震主要集中在2014年7～12月和2016年3～5月之間。其中2016年3～5月地震月頻度較高，小震活動(dòng)密集，蠕變圖顯示地震能量釋放也主要集中在該時(shí)段；震級(jí)頻度關(guān)系擬合結(jié)果顯示最大截距震級(jí)為3.6級(jí)，與實(shí)際發(fā)生最大地震相同，地震活動(dòng)的b值為1.0，略高于與川滇地區(qū)b值平均水平。

圖3 大崗山庫(kù)區(qū)震中分布

圖4 大崗山水庫(kù)地震監(jiān)測(cè)區(qū) 2014 年 2 月至 2017 年 9月地震的 M-T、N-T、蠕變、LgN-M圖

4 結(jié)論

大崗山水電站水庫(kù)誘發(fā)地震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)正式運(yùn)行以來(lái)，觀測(cè)系統(tǒng)穩(wěn)定，為水庫(kù)誘發(fā)地震分析積累了重要的庫(kù)區(qū)天然地震活動(dòng)背景數(shù)據(jù)和資料。小震資料作為地震活動(dòng)性分析的基礎(chǔ)和關(guān)鍵資料，其完整性分析尤顯重要，不容忽視(謝卓娟等，2012)。根據(jù)對(duì)國(guó)內(nèi)外水庫(kù)誘發(fā)地震的研究，誘發(fā)地震一般發(fā)生于庫(kù)滿到其后幾年內(nèi)。如浙江省的珊溪水庫(kù)，2000年庫(kù)滿，2006年庫(kù)區(qū)連續(xù)發(fā)生多次4級(jí)以上地震(劉洋君等，2014)。近年來(lái)，大崗山水電站水庫(kù)誘發(fā)地震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)記錄到的地震震級(jí)較小，但畢竟是有所活動(dòng)，因而需加強(qiáng)監(jiān)控，密切關(guān)注大崗山水電站水庫(kù)地震活動(dòng)的新動(dòng)向。