瀑布沟水库区域小震重新定位与地震性质研究

张永久 谢蓉华 张致伟 胡先明

(四川省地震局，成都 610041)

0 引言

随着近年中国经济的飞速发展，中国西部水力水电建设也在如火如荼地进行中。其中，四川水利资源极其丰富，占全国可利用水利资源的27%。同时，由于南北地震带纵贯四川，使得四川的地震活动十分活跃，强度大、频度高。目前，四川水电建设呈现出建设的高速度，电站水库大坝多是超过100m的高坝，水库库区多具有高烈度区的“三高”特点，水库诱发地震的潜在危险性不容忽视。因此，加强水库地震的跟踪研究工作十分必要。

瀑布沟水电站工程位于大渡河干流上，下距乌斯河镇、成昆铁路汉源车站公路里程9km，上距汉源、石棉县城公路里程分别为28km、80km。该电站水库工程属大(Ⅰ)型一等工程，是典型的高山峡谷型高坝大水库，具有发电、防洪、拦沙和改善下游航运条件的功能，是大渡河中游河段的控制性水库，由干流大渡河和支流流沙河组成。干流回水至石棉县城，库长72km，于2009年11月1日蓄水。工程场址的地震基本烈度为Ⅶ度，存在诱发中等水库地震的条件①四川省地震局工程地震研究院，2004，大渡河深溪沟水电站工程场地地震安全性评价报告。(胡先明，2012)。

瀑布沟水库工程建设了由13个台站组成的专用瀑布沟水库数字遥测地震台网，充分利用这些监测资料进行震源及水库诱发地震预测研究，进而认识和阐明地震孕育和发生与活动构造的关系是一个重要课题，而地震精确定位是这些研究的重要基础。此前的一些研究成果已就如何提高瀑布沟水库区域地震的定位精度提出了很好的建议(张高华等，2007)。

近年来，随着数字化地震观测技术的迅速发展，人们对地球内部结构及地震震源的研究越来越深入，从而对地震定位的精度不断提出更高的要求，各种地震定位方法也在不断地改进和完善(田玥等，2002;杨文东等，2005)。Waldhauser等(2001)提出了双重残差定位算法，该方法是在盖革定位法的基础上发展改进的一种多地震事件联合相对定位方法，目前已被国内、外地震学家广泛地应用到实际的地震定位研究中。Waldhauser等(2001)运用该方法重新对美国加州北海沃德断层1984—1998年发生的地震定位，取得了满意的定位结果，其平面定位精度可达到几十m，深度可达到几百m。该方法在国内也已得到广泛应用，在对中国中西部地区地震(杨智娴等，2003)、1998年张北-尚义地震序列(杨智娴等，2004)、新疆北天山地区地震(李志海等，2004)、江苏张家港地震序列(王小平等，2005)、2003年新疆巴楚-伽师地震序列(黄媛等，2006)、2003年云南大姚地震序列(华卫等，2006)、川西地区小震(朱艾斓等，2005)等地震进行重新定位的研究中，均取得了较大的进展。2008年汶川地震后，许多研究人员还利用该方法对汶川地震序列进行了深入研究(黄媛等，2008;吕坚等，2008;朱艾斓等，2008;陈九辉等，2009;李海鸥等，2010;吕鹏等，2011;赵博等，2011)。

本文旨在利用双差地震定位法对瀑布沟水库台网监测到的水库及邻区地震重新定位，并分析瀑布沟水库水域附近小震密集区的地震性质。

1 地震定位

1.1 台站情况

重新定位地震的研究范围为29.0°～29.6°N，102.3°～103.1°E。重新定位使用的台站以瀑布沟水库地震数字地震台网的各个台站为主。同时，为了使重新定位结果的精度尽量提高，还使用了瓦屋山水库台网以及四川区域数字台网的监测资料。监测台站对研究区形成较好的包围(图1)。

瀑布沟水库数字遥测台网由13个子台组成，其中一期工程主要分布在水库大坝周围，包括宰牛坪、片马、黑马、鲁布沟、顺河和阿兹觉6个台站，2006年10月开始试运行，二期工程主要分布在库中到库尾区域，包括罗布岗、李子坪、罗挖坪、白岩岗、徐谷坪、山冲和新民7个台站，2008年1月开始试运行(胡先明，2012)。瓦屋山水库台网位于瀑布沟水库NE方向，由反坡、付田坝、新寺上和小店子4个台站构成，于2007年9月开始运行。瀑布沟水库台网和瓦屋山水库台网的各个台站均使用港震公司的FBS-3B型宽频带数字拾震器，配备EDAS-24L型24位数据采集器，数据采用超短波段的单工数字无线传输与DDN公用数据网接力传输、中心统一记录的方式。观测系统的动态范围＞100db，观测频带为0.05～40Hz，采样率100点/s。采用了GPS统一授时和定位系统，数据采集的时间服务精度＞1ms。四川区域数字地震台网自2000年运行以来，相继经历“十五”、“十一五”和汶川地震“灾后重建”，改、扩建，台站密度增加，仪器性能改善，监测能力大幅度提高。本研究利用了四川区域数字台网中的九龙、康定、姑咱等22个地震台站的部分震相资料。

1.2 速度模型及资料

本研究采用的速度模型主要参考了赵珠等(1987)、王椿镛等(2002，2003)、吴建平(2009)等人的研究成果，并结合瀑布沟水库区域的勘探结果和实际计算过程需求对浅层速度结构进行调整。表1给出了本文地震定位中采用的水平层状地壳速度模型。

图1 重新定位使用台站分布(阴影部分为本文研究区)Fig.1 Distribution of stations for relocation(shadow is for the study region).

本文震相到时数据平均精度估计达到0.1s量级。一般情况下不同震相读数的精度各不相同，P波震相为初至波，读数精度高于S波，但是本研究中的地震震中距一般较小，附加震相很少，震相比较单一，S波读数精度几乎不受影响。因此，在计算过程中对P波和S波读数分别赋予1.0和0.7的权。对原观测报告中给出初始深度的地震，直接采用瀑布沟台网Hypo81定位(吕智勇等，2001)结果作为初始值;对于没有给出深度的地震，先采用遗传算法(周民都等，1999)进行定位，将其部分结果作为双差定位的初始值。

1.3 定位结果

对研究区域内2006年10月14日至2011年12月31日记录到的1 834次地震进行重新定位，获得了1 708次地震的定位结果，为原来地震的93.1%。重新定位后走时均方根残差平均值由原来的0.93s降为0.21s，震源位置的估算误差(2倍标准偏差)在EW方向平均为0.5km，在NS方向平均为0.6km，在垂直方向平均为2.9km。

图2为重新定位前后相同数量的地震震中分布图。重新定位后，地震震中分布更加集中，优势分布更为明显，在研究区西南、库区中部和大坝附近等几个地方出现了小震集中分布现象。重新定位前1 834次地震有923次没有给出定位深度，占50.3%，震源深度为5km的475次，约占26%;重新地位后的1 708次地震，平均震源深度为8.8km，震源深度在10km以内的占66%，74%的小震震源深度在15km以内，震源最深的33.1km(图3)。震源深度下界定义为该深度至地表发生的地震占地震总数95%以上的特定深度(马宏生等，2008)，统计得到研究区的震源下界深度21km，这与杨智娴等(2003)、朱艾斓等(2005)等用双差定位方法得到的相同区域的重新定位深度分布结果一致，比马宏生等(2008)用震源位置和速度结构联合反演方法获得的重新定位深度分布略偏深。

表1 重新定位采用的速度模型Table 1 The velocity model for relocation

图2 重新定位前(左)、后(右)地震分布Fig.2 Distribution of earthquakes before(left)and after(right)relocation.

图3 重新定位前(上)、后(下)地震深度Fig.3 Depth of earthquakes before(top)and after(bottom)relocation.

2 地震活动特征、地震性质分析

根据重新定位后的地震空间分布情况(图2)，将研究区地震分为西南区(A)、东北区(B)、库中区(C)和大坝附近区(D)分别讨论。A区位于全新世的鲜水河断裂中南段、安宁河北段和大凉山断裂北段的交会区，1970年以来的台网记录资料显示该区域小震活动一直比较活跃。与B，C，D区相关的金坪断裂、美罗断裂、杨家沟断裂、顺和断裂等多是第四纪一般性活动断裂，沿这些断裂的现今地震活动微弱①②能源部、水利部，成都勘测设计研究院，1993，四川大渡河瀑布沟水电站初步设计报告(第3篇，工程地质)。。根据四川台网资料统计，水库水域10km范围内1970年1月1日至2006年9月30日仅记录到1.0级以上地震194次，最大3.4级，在C，D区的汉源县城和大坝附近还不到10次地震，最大2.2级。

从各区的地震活动随时间的发展变化过程分析(图4)，A区的地震强度变化较小，地震频次在2008年之前较低，2008年2月份明显增强，其后的地震活动频次相对稳定。如前所述，距离A区较近的瀑布沟水库台网二期工程的7个台站于2008年1月开始试运行，增强了A区的监测能力，即2008年前A区地震频次整体偏低与台站监测能力较弱有关。此外，2008年2月地震活动增强还与汶川地震前发生的2月16日泸定地震、2月27日康定地震导致的整个三岔口地区地震活动增强有关。B区的地震强度和频次在整个研究时段都变化不大。C，D区的地震活动相对变化较大，2个区的地震活动频次从2008年6月开始都明显增强，C区到2008年底开始减弱，D区到2009年4月开始减弱，从2010年6月开始2个区的地震活动进一步减弱。

从4个区重新定位后震源深度统计结果分析，A，B区震源深度与C，D区的震源深度存在明显的差异。无论地震的平均深度还是震源下界深度，A，B区地震深度几乎都在C，D区地震深度的3倍以上(图4、表2)。

图5 瀑布沟水库水位曲线Fig.5 The curve of water level of Pubugou reservior.

表2 各区震源深度统计Table 2 Statistics of hypocenter depth of each region

图6 各区地震按时统计频次Fig.6 The hourly frequency of earthquakes in each region.

对于C，D区的小震活动在时空及震源深度上表现出的特殊性，是受水库蓄水、汶川地震还是其他因素的影响?瀑布沟水库是2009年11月开始蓄水，不应该对之前的地震活动产生影响(图5)。从2个区小震活动增强的时间与汶川地震发生时间比较，其存在受汶川地震影响的可能性，而且根据国家地震现场应急工作队的调查结果确定的汶川地震烈度分布(国家汶川地震专家委员会，2008)，汉源县本身属于汶川地震烈度异常区，是Ⅵ度区里的Ⅷ度异常区。但从这些地震按时统计频次结果比较分析，C，D区与A，B区存在明显的区别，A，B区的地震在每天24h发生的随机性较强，而C，D区的地震发生时间存在明显的规律性，绝大多数都发生在白天，而且主要集中在12点前后和18点前后(图6)。现场调查工作结果发现，2008年5月12日汶川地震后，由于灾后恢复重建，特别是对口援建工作的迅速开展，雅西高速、汉源新县城及瀑布沟水库大坝的建设都加速进行，这期间各种施工频度和强度增加，爆破数量也明显增加。现场调查资料还显示，C区小震密集分布区与雅西高速公路和汉源新县城建设场地一致，D区小震密集分布区与水库大坝附近的卡尔沟、加里俄呷2个块石料场及下游的深溪沟调节水库大坝位置一致。随机选取C，D区的8次小震波形记录分析显示(图7)，周围不同方向台站记录的P波初动方向都是向上的，多数记录显示出较强的P波群，每个地震都有台站记录到了Xm波，这些正是工业爆破波形显著的标志(郑秀芬等，2006)。综合分析认为C，D区的高度集中分布的小震绝大多数都发生在瀑布沟水库2009年11月开始蓄水之前，与水库蓄水无关，其按时统计发震时间不符合天然地震特征，抽样波形记录显示出工业爆破地震波形特征，这些地震绝大多数应该是各种建设施工造成的爆破地震。

图7 随机选取C，D区8次地震垂直向波形记录Fig.7 The randomly selected vertical component waveform records of 8 earthquakes in region C and D.

3 结论

利用双差定位方法，对瀑布沟水库区域(29.0°～29.6°N，102.3°～103.1°E)的1 834次地震进行重新定位，获得了1 708次地震的重新定位结果。重新定位后走时均方根残差平均值由原来的0.93s降为0.21s，震源位置的估算误差(2倍标准偏差)在EW方向平均为0.5km，在NS方向平均为0.6km，在垂直方向平均为2.9km。

重新定位后，地震震中分布更加集中，震源深度分布更加合理。A，C，D区小震集中分布现象尤为明显。A区小震密集的原因与其处于鲜水河断裂中南段、安宁河北段和大凉山断裂北段的交会区的特殊地理位置相关。

C，D区小震密集，且震源深度与A，B区存在差异，显示出特殊性。经过对C，D区小震的时空特征与水库蓄水、汶川地震相比较，并进一步对其按时频次统计、现场调查和抽样地震波形等逐步深入的分析认为，C，D区高度集中分布的小震绝大多数都发生在瀑布沟水库2009年11月开始蓄水之前，与水库蓄水无关。尽管C，D区小震活动大幅增强的时间都发生在汶川地震刚发生后，存在受汶川地震影响的可能性，但深入分析表明绝大多数地震震源浅、按时统计发震时间不符合天然地震特征、现场调查结果显示小震集中区与主要施工区重合、抽样波形记录全都显示出工业爆破地震波形的典型特征。因此，C，D区的小震绝大多数主要与汶川地震后的灾后恢复重建有关，属于各种建设施工造成的爆破地震。