新丰江及龙滩水库地震活动性研究

陈翰林，陈 阳

(中国地震局地震预测研究所，北京 100036）

0 引言

水库地震问题是上世纪30年代希腊的马拉松水库地震发生后提出来的，60年代发生的几个具有较大影响的水库地震使得科学家们将水库地震问题作为一个科学问题进行较系统的研究，60年代发生的比较有影响的水库地震有1962年中国新丰江水库地震、1963年意大利瓦依昂水库地震、1967年印度柯依那水库地震。在70年代中期以前主要侧重于水库地震资料的收集整理，研究水库荷载过程与诱发地震活动的关系。70年代中期后，随着数字地震观测技术的诞生和应用，水库地震的研究迅速朝纵深方向推进。特别是通过在库区布设密集的地震观测台网，在水库地震发生环境及机理和水库地震与构造地震特征的差异等方面的研究取得了许多重要的认识。Roeleffs研究指出，引起地震活动的孔压增加与湖水位变化的频度和幅度有关；Simpson将大型水库注水后的地震响应类型分为延迟响应和快速响应两种；Talwani研究了这两种响应类型的地震活动特征的差异[1～3]。

为了拾取高质量的水库地震波形记录，精确测定水库地震震源位置，更好地研究水库地震活动性，我们采用水库固定台网与流动加密台站相结合的观测布网技术在龙滩库区和新丰江库区架设了水库地震精密监测组网，获得了很好的观测数据波形。将采集后的数据初次定位后利用波形互相关法和双差定位法再次对震源位置进行了精定位研究，得到了较好的定位结果。

1 新丰江水库地震活动性研究

我国水库地震研究始于上世纪60年代广东新丰江水库地震的研究，在新丰江水库开展了地震观测和危险性评估的研究。根据研究的结果按烈度Ⅷ度对大坝进行加固 （原设计烈度为Ⅵ度）。1962年3月19日在离大坝1 km处发生6.1级地震，大坝虽有损伤，但未垮塌。这也是迄今为止水库诱发地震对大坝局部地段造成损害的两例水库地震之一，另一例是1967年12月10日印度柯依纳水库诱发6.5级地震，大坝震裂，大水从裂口倾泻，导致许多村庄被冲毁。这两次也是全球发生的两次最大的水库诱发地震。新丰江水库地震之后我国陆续在许多水库库区架设台站，进行地震的监测活动，科学家们也开展了很多关于水库地震的监测预测研究。如丁原章对新丰江水库诱发地震的构造条件、库区地震活动、震源机制及地壳变形等作了详细研究[4、5]；于海英、公茂盛等利用新丰江、黄壁庄、喀什、龙羊峡、官厅、刘家峡和陡河等水库地震的近场地面运动资料研究了水库地震的地震动特性，指出相对于构造地震而言，水库地震的地面运动峰值加速度较高，衰减较快，地震动反应谱特征频率较高，持续时间较短[6]；欧作畿指出多数水库地震具有以下特点：震中多集中在库坝附近，一般集中分布在水库岸边几公里至十几公里范围，震源深度较浅，一般在地表下10 km以内，个别达20 km，以4～7 km居多[7]。

新丰江水库又称万绿湖，因四季皆绿、处处皆绿而得名。它是1958年筹建新丰江水电站时，在距广东省河源市仅6公里的新丰江下游的亚婆山峡谷修筑拦河大坝蓄水而形成的。新丰江水库蓄水量约139亿立方米，总面积1600 km2，其中水域面积370 km2，其大坝是世界上第一座经受六级以上地震考验的超百米高混凝土大坝。新丰江水库工程于1958年7月开始动工，1959年10月20日水库开始蓄水，1960年第一台发电机组并网发电。新丰江水库蓄水不久，周围便开始出现一些地震活动 (图1)，1960年5月当水库的水位蓄到81 m时发生了三至四次强度为3.1级左右的有感地震，1960年7月18日当水库水位升到90 m时，发生强度为4.3级的中度地震。1962年新丰江水电工程竣工，同年3月19日当水库水位升110多米时，发生了震级6.1级的强震，震源深度约为5 km，此次地震对大坝的局部地段造成损害。蓄水初期，新丰江水库周围地震活动性非常活跃，年频次一度达到2000次，此后，地震的频次迅速减弱，库水位长期保持在80～120 m之间。但最近新丰江的地震活动性有所增强，值得高度关注，尤其是2012年在新丰江发生了几次比较有影响的地震：一次是2012年2月16日在水库库区西北边缘发生了一次4.7级地震，震源深度为10 km， 此次地震震中距河源市约34 km，距广州市约160 km，河源市、广州市、深圳等市均有震感；次日又在4.7级发震地点不远处发生了一次4.2级地震；8月31日在新丰江水库偏西区域笔架山附近发生了一次4.2级地震，震源深度为6 km，造成了较大的社会影响。

针对水库地震震源浅、震级较小，空间上丛集分布的特征，我们在2009年3月至2010年5月在新丰江水库区域架设了20个流动观测台站与原有的4个水库监测台站一起组成观测台网，对新丰江库区的地震活动进行了连续监测，并利用hypo2000方法对记录到的数据进行初次定位，在初次定位结果的基础上利用波形互相关法和双差定位法再次对震源位置进行了精定位研究。影响定位准确度的主要因素之一就是震相读数的精度，为了提高地震定位的准确度我们采用了波形互相关法，该方法通过相关函数计算相似波形的相关系数，来进一步消除人为提取震相到时的偶然误差，再将波形互相关法与双差定位法相结合来研究计算新丰江水库地震的震源位置。通过对新丰江库区地震波形的互相关计算分析，我们得到了数百万条的互相关对比结果，应用 “结合波形互相关的双差定位法”得到的精定位结果与初始定位结果及单纯采用双差定位法的二次定位结果相比，震源位置在空间分布上更为集中，主要分布在库区主要断裂的交汇处，绝大多数震源深度分布在5～10 km的范围 (图2)。

图1 新丰江库水位变化与地震活动性关系图[8]Fig.1 Relation between water level variation and seismic activity of Xinfengjiang reservoir[8]

图2 应用“结合波形互相关的双差定位法”新丰江水库地震精定位结果Fig.2 Earthquake relocation results by using double-difference combined with waveform cross-correlation method in Xinfengjiang reservoir

2 龙滩水库地震活动性研究

龙滩水电站是红水河梯级开发中的骨干工程，位于广西壮族自治区河池市天峨县境内的红水河上，坝址距天峨县城15 km。龙滩水电站水库坝高216.5 m，总装机容量为630万千瓦，是我国十大水电工程之一。龙滩水库外围较大范围内北西向张剪性断裂非常发育，但在库区内部只有小规模的NE向断层，库坝区附近的主要构造包括天峨背斜两侧的NNE向八腊断裂及天峨-金谷断裂。

龙滩水库修建前 (1970～2003)该区域的地震活动性并不强烈 (图3)，且多数地震发生在库水外围，库水附近很少有地震发生，其中1983年乐业县马庄乡发生了一次震群活动，最大地震震级为ML4.8。2003年龙滩水库工程开始动工，至2004年底竣工，这期间发生的地震主要集中在龙滩库坝周围，我们推测这些地震可能是大坝建设工程施工放炮的爆破地震。2005年至2006年9月，龙滩水库在此期间调试运行，龙滩库坝附近发生了数次地震。从2006年9月起，龙滩水库开始正式蓄水，地震活动性随之显著增强，蓄水后发生的地震主要集中在组成龙滩库区的若干条河流流域，且位于龙滩库坝不远的区域[9、10]。

图3 龙滩库区蓄水前后地震分布图Fig.3 Earthquake distribution in Longtan reservoir before and after impounding

龙滩库水水位在2006年9月开始抬升，水位一跃从220多米升至320 m，后期水位出现了几次较小幅度的抬升，库水第一次大幅抬升期间只发生了少量三级以下的地震，地震频度较高的时间主要集中在07年6月至09年6月，b值变化与水位变化没有表现出较好的对应关系 (图4)。06年至11年底龙滩水库周围共发生3次ML≥4.0级地震：2007年3月17日在罗甸县境内发生了一次ML4.0级地震； 2007年7月17日天峨县境内离大坝较近的位置发生了一次ML4.2级地震；2010年9月18日在罗甸县附近又发生了一次ML4.5级地震。

2009年至2010年国家科技支撑项目 “水库地震监测与预测技术研究”在龙滩水库库区架设了一套由15个台站组成的流动观测台网，所有台站均配备有三分向地震计，其中三个台的地震计型号为FSS-3M，频带宽度为2 s-50 Hz，剩余12个台站均配备GMG-T40-0050型宽频带地震计，频带宽度为40 s-50 Hz。利用我们加密观测的15个地震台站与龙滩水库原有的10个监测台站组成了一个观测台阵。在利用hypo2000方法对观测到的连续波形地震事件定位后，我们采用波形互相关法对记录到的波形进行处理，得到了411226条波形互相关数据。应用结合波形互相关技术的双差定位法得到的定位结果显示，精定位后地震分布更为集中，地震成丛状分布，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 的范围 (图 5)。

图4 龙滩水库最大震级、日频次、b值及水库水位变化图Fig.4 Relations between maximum magnitude,day frequency,b value and Longtan reservoir water level variation

3 结语

本研究将目前应用较少的结合波形互相关的双差定位法引入了水库地震精定位的研究当中，以往水库地震的精定位研究大多数都是采用传统的双差定位法，我们的研究结果表明，水库地震空间上丛集分布的特征能够凸显出该方法的优势，能够大幅度提高水库地震定位精度的方法。

图5 应用“结合波形互相关的双差定位法”龙滩水库地震精定位结果Fig.5 Earthquake relocation results by using double-difference combined with waveform cross correlation method in Longtan reservoir

致谢：本文得到了国家科技支撑项目 “水库地震监测与预测技术研究”及广东省地震局、广西省地震局、龙滩水库监测台网与新丰江水库监测台网等单位相关工作人员的帮助，在此表示感谢。

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[2]Simpson D W,leith W S,Scholz C H.Two types of reservoir-induced seismicity[J].Bul1.Seism.Soc.Am.,1988,78(6):2025-2040.

[3]Pradeep T.,Acree S.Pore pressure diffusion and the mechanism of reservoir-induced seismicity[J].Pure Application Geophysics,1985,122(6):947-965.

[4]丁原章.中国的水库诱发地震[J].华南地震，1989，9(1)：64-72.

[5]丁原章.水库诱发地震[M].北京：地震出版社,1989.

[6]于海英，公茂盛，金 波，等.水库地震的地震动特性[J].自然灾害学报，2006，15(5)：188-193.

[7]欧作畿.水库诱发地震的研究[J].云南水力发电，2005，21(3)：18-21，29.

[8]万永芳，杨马陵.新丰江水库地震序列的分段研究[J].华北地震科学，2011，29(04)：27-33.

[9]陈翰林，赵翠萍，修济刚，等.龙滩水库地震精定位及活动特征研究[J].地球物理学报，2009，52(8)：2035～2043.

[10]陈翰林，赵翠萍，修济刚，等.龙滩库区地震震源机制解特征研究[J].地震地质，2009，31(4)：1～13.