三峡地区水库诱发地震精定位方法对比研究

2015-04-17董建辉何秋典

防灾科技学院学报 2015年3期

汪建，董建辉，何秋典

(1.重庆市地震局，重庆 401120;2.长江三峡勘测研究院有限公司，湖北武汉 430010;3.湖南省地震局，湖南长沙 410001)

0 引言

精确的地震空间位置是地球科学研究、地震预报、地震安全性评估等工作的基础，因此，地震定位一直是地震学一个最基础的课题。随着数字化地震观测技术的发展，人们对地震定位的精度提出了更高的要求［1］。

前人对三峡地区有过很多研究，一般认为，三峡地区地震主要集中分布在香溪河附近的仙女山断裂带北端及九湾溪断裂、泄滩乡以西的长江两岸和巴东北岸神龙溪及附近地区。发生水库地震的具体原因归结为仙女山断裂带、高桥断裂带和牛口断裂诱发所致，还分布着因塌陷、煤矿所引起的地震类型［2］。自2001年10月三峡数字遥测地震台网正式运行以来记录了大量的地震活动。本文将选取三峡水库库首区的泄滩区和仙女山—九湾溪断裂地区的ML≥1.5 级的共计324 次地震，运用Hypo2000 定位程序分别进行重新定位。测定出震中位置、震源深度，与三峡数字遥测地震台网原有waveview 定位软件的定位结果进行对比，对地震成因进行初步分析，为将来水库诱发地震预测提供依据。

1 研究方法

1.1 GENETIC(遗传法)定位方法及原理

遗传算法是一类模拟生物进化的智能优化算法，它是由 J.H.Holland 于二十世纪六十年代提出的。目前，遗传算法已成为进化计算研究的一个重要分支。与传统优化方法相比，遗传算法的优点是:群体搜索、不需要目标函数的导数。遗传算法采用多台的S、P 震相数据，适用于网内外地方震和近震的定位。

遗传算法是一种通过模拟自然进化过程搜索最优解的方法，地震学家将其用于地震定位中。遗传算法以决策变量的编码作为运算对象，用概率搜索技术，直接以适应度作为搜索信息，无需导数等其它辅助信息，进行多点信息搜索，具有隐含并行性。

利用观测数据拟合模型参数以发展新的模型是遗传算法的本质。在每一个迭代过程中，用目标函数值控制遗传概率。从一次迭代到下一次迭代，较好的模型将存活并繁殖，而较差的模型将被淘汰，每次迭代是以一种类似于适者生存的方式进行的，直到得到一个最佳的模型。

最小化的遗传算法单个迭代过程分为以下3个步骤:

(1)繁殖。从总的模型N中随机地产生一组模型Q，把这一组模型Q称之为父模型，对这一组模型分别计算每一个模型所对应的目标函数φ(mk)(k=1，2，…，Q)，根据目标函数 φ(mk)值可以确立第k个模型繁殖的可能性p(mk)。

(2)交配。从父模型中得到新模型，即子模型，每个子模型都从两个父模型中产生。最初，所有父模型被随机地配对，这将产生Q/2 对模型，并且每一对模型都是可交配的。用0 到1 之间的随机数来决定当前的这一对模型是否需要交配，如果随机数小于常数Pc或随机数满足某一不等式即可交配，否则不交配，Pc表示模型交配的概率。用随机的办法产生一随机数来确定所要交换的位置，在该位置处把一对父模型的两个二进制串分别切成两段，只要交换其中对应的一段即可，这样就生成了两个子模型，在Q/2 对父模型中产生Q个子模型。

(3)变异。把子模型二进制代码中的某些位的值(0 或1)进行修改，即相当于对模型中某些参数的修改，至于要修改二进制代码中的哪一位，是由一个随机数来确定的。变异产生于每一个子模型内部，而一个子模型可以产生多次变异。当变异这一步骤完成后，一组新的模型Q就产生，并进行下一次迭代，在迭代过程中可删除那些繁殖可能性p(mk)较小的模型，用繁殖可能性较大的模型替代［3］。

1.2 Hypo2000地震定位方法及原理

Hypo2000 适用于网内地方震和近震的地震定位和定震级的Fortran 程序。在港震EDSP 和Jopens/msdp 中，Hypo2000 是外挂程序之一，我国各区域地震台网都把Hyp2000 作为选用的定位程序。

如果考虑第i个地震台站的坐标为(xi，yi，zi)，第i个地震台站观测到的震相到时为Ti，理论到时为ti，震源位置(x，y，z)。

设第i个地震台站观测震相到时Ti与理论到时ti的到时差为Ri，则

当Ri很小，由泰勒展开式忽略高次项可得:

设

(2)式中的ei是第i个台站到时的近似误差量，将(2)式移项后可得:

一般在进行地震定位时都不会只一个地震台站，而若有n个台站，台站数大于未知数(可变量数目)，则用最小平方法(least square method)可得到未知数最佳解。即

ε=(x，y，z，t)四个变量

利用矩阵的方式可得到四个未知数dx、dy、dz、dt的解，再利用所得的四个未知数，配合初始的震源位置得到新的修正后坐标(x+dx，y+dy，z+dz)，再以新的坐标代入计算，经过多次迭代后，一直修正到此震源解与前一个震源解的≤按要求给定的误差值(例如:1.0 千米)及dt≤给定的误差值(例如:0.2 秒)范围内，我们就认为震源解是收敛的解，即得到定位出的震源位置及发震时间［4］。

2 资料选取

本文选定两个研究区域，分别是泄滩区(30°54'～31°06'N，110°30'～110°36'E)和仙女山－九湾溪断裂区(30°50'～ 31°05'N，110°40'～110°55'E)，所选区域均为三峡地区水库诱发地震潜在危险区(图1)。选取泄滩区从2001年3月1日—2009年12月20日内ML≥1.5 级的共计 134 次地震，选取仙女山—九湾溪断裂区从2001年3月1日—2009年12月20日内ML≥1.5 级的共计190 次地震。

图1 三峡地区水库诱发地震潜在危险区分布略图［5］Fig.1 Distribution of potential risk zones of reservoir-induced earthquakes in Three Gorges area［5］

3 定位结果对比分析

3.1 泄滩区地震定位结果对比分析

由图2可知，泄滩地区沿江库段地层大体倾向北，倾角30°～40°。老泄滩镇至老石门村沿江地带已被三峡水库135 m 蓄水后的江水淹没，新泄滩镇位于距库岸1.6 km 的江北岸，地处秭归向斜南部边缘。由侏罗系紫红色泥、砂页岩组成的中、低山与三叠系巴东组紫红色泥岩砂岩夹微晶灰岩形成的单面山之间，长江居于其中。泄滩段长江南岸地层倾向与岸坡同向，产生顺层滑坡;长江北岸为逆向坡段，当平行岸坡裂隙发育时，常产生崩塌和局部切层滑坡。沿江北岸香溪群煤层(J1t)灰岩发育地区分布有老石门村等煤矿，现已被库水淹没［6］。

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

从泄滩区地震在重新定位前后的震中分布对比图(图3)可以看出:使用遗传法定位泄滩区地震的震中分布趋于发散，Hypo2000 重新定位后震中明显向库边靠近，大部分距离库水边5 km 范围内，震中更加集中和收敛，沿江南北岸震群分别呈团块状丛集分布。震源深度(剖面)对比图(图4)可以看出:震源深度分布由之前较为分散的0～26 km 集中在 0～ 10 km 内，92% 的震源深度分布在0～5 km 这个优势范围内，平均震源深度由7.0 km 减为2.5 km(表1)，且平均震源深度与廖武林等［7］所得出的2.9 km 相接近，总体呈现变浅的趋势，说明泄滩地区的地震震源深度较浅。

图2 泄滩地区地质构造图Fig.2 Geological structure of Xietan area

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

根据泄滩区地质资料，泄滩地区发育顺层滑坡和切层滑坡，还有一些采空区煤矿。该区地震频度与库水位有一定的相关性，随着水位的抬升而显著增强［9］，原因有:(1)矿坑洞口的高程分布及库水长时间的浸泡，容易引起矿坑塌陷;(2)地表局部荷载变形，导致边坡失稳，滑坡活动增多。因此，该区地震应以矿塌型和浅表卸荷型地震为主。

3.2 仙女山—九湾溪断裂区地震定位结果对比分析

仙女山断裂带为黄陵背斜与秭归向斜的分界断裂，地貌上主要表现为深切河谷、垭口与断层崖等，总体走向 NNW(15°～25°)，断层面主要倾向SW，倾角60°～80°，由一系列呈雁行排列的断裂组成。该断裂切割了震旦系至自垩系的地层，切割了深源的石英脉，属于基底断裂。

九湾溪断裂带由九湾溪断裂与路口子断裂组成。九湾溪断裂走向 NNW，倾角70°～80°，也是多期活动的断裂，全长15 km，到南部归并到仙女山断裂带中。路口子断裂走向近南北向，倾向NNW 或 W，倾角 67°～ 69°，也有多次活动，该断裂穿过长江［8］。

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

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

从仙女山—九湾溪断裂区地震在重新定位前后的震中分布对比图(图5)可以看出:使用遗传法定位仙女山—九湾溪断裂区地震的震中分布趋于发散，Hypo2000 地震重新定位后，震群呈线性分布或团块状丛集分布，长江北岸的地震大部分更加集中，靠近库边，还有小部分位于九湾溪断裂北段;南岸的地震大部分靠近仙女山断裂北段，呈线性分布，小部分位于九湾溪断裂中段，呈团块状分布。震源深度(剖面)对比图(图6)可以看出:震源深度分布由之前较为分散的0～21 km 集中在0～13 km 内，96%的震源深度分布在0～10 km 这个优势范围内，69%的震源深度分布在5～10 km 以内，平均震源深度由8.5 km 减为6.4 km(表2)，且平均震源深度与廖武林等［7］所得出的5.6 km 相接近。根据湖北省地震局2008年9月27日秭归县郭家坝M3.2 级地震宏观调查报告:地震时当地村民听见有闷雷般声响，室内器物摇动，门窗、屋顶作响，少数土木房屋有檐瓦掉落、落灰现象，震感比较强烈，说明仙女山—九湾溪断裂发生地震震源较浅。

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

图7 仙女山－九湾溪断裂区地震频度与库水位变化关系［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统计表(共190次ML≥1.5)Tab.2 The statistical table of focal depth with two methods(190 seismic events with ML≥1.5)

从图7可知，三峡水库蓄水前，仙女山—九湾溪断裂区的地震活动频度很低。水库135 m 蓄水开始，地震活动频次略有增加，但不明显。156 m蓄水期间，地震活动频次虽较蓄水前高，但基本上与一期蓄水频次相当。175 m 试验性蓄水期间，地震活动频次明显增强［9－10］。水库蓄水后一段时间，水逐渐渗透到深部，水分在岩层之间渗流，使破裂面上之摩擦力降低，起到了润滑作用，破坏了断层处原有的平衡力系，形成破裂而引发地震。三期较二期和一期地震活动频度有增强的趋势，这可能与随着库水位的抬高，库水的渗透加强有关，在高水位运行期该地区发生构造型地震的可能性较大。该区地震主要集中分布在仙女山断裂北段与九湾溪断裂交汇部位的北西部，明显受仙女山—九湾溪断裂活动的影响，应属于水库诱发的构造型地震。