用微地震監(jiān)測結(jié)果預(yù)報水庫、礦山有害地震

劉建中，劉國華

(1.北京科若思技術(shù)開發(fā)股份有限公司，北京 100082;2.華北油田公司井筒設(shè)計中心，河北任丘 062552)

1 前言

地震預(yù)報是一個長期困擾地球物理學(xué)專家的議題。迫切需要，又長期無法解決。究其原因，是發(fā)生地震的深度與人類可以實(shí)施監(jiān)測的深度相差太遠(yuǎn)，許多預(yù)報理論是依據(jù)室內(nèi)實(shí)驗得出的推論，缺少來自震源區(qū)地震形成、發(fā)生過程的數(shù)據(jù)檢驗。以震報震是目前比較成熟的地震預(yù)報理論，用較小地震的形成、聚集、震源參數(shù)的變化預(yù)報有震害的大地震是許多地震學(xué)家常用的方法，但何種小地震形成、聚集、震源參數(shù)變化趨勢可以繼以大地震是一個尚待解決的問題。

水庫、礦山地震震源淺，可以獲得來自震源深度的監(jiān)測數(shù)據(jù)。依據(jù)這些實(shí)測地震形成、發(fā)生過程的數(shù)據(jù)，可以揭示水庫、礦山地震的形成機(jī)理，檢驗、修正地震預(yù)報的理論，提高水庫、礦山地震預(yù)報的成功率，從而在地震預(yù)報領(lǐng)域打開一個缺口。

目前，常規(guī)地震臺網(wǎng)監(jiān)測的震級較大，通常是2級以上地震。但是，水庫、礦山的2級以上地震已經(jīng)有震害，且數(shù)目較少。若把監(jiān)測震級向下延伸，進(jìn)入微地震監(jiān)測范疇，用－2級至0級地震預(yù)報0級以上地震，就會擴(kuò)大資料來源，實(shí)現(xiàn)以較小地震預(yù)報水庫、礦山有震害的地震。又因為水庫、礦山地震震源淺，可以獲得來自震源深度的監(jiān)測數(shù)據(jù)，揭示微地震形成、發(fā)展、聚集、參數(shù)變化趨勢與后繼較大地震的關(guān)系，可以實(shí)現(xiàn)水庫、礦山地震的預(yù)報。

2 水庫、礦山地震成因理論

水庫、礦山地震屬于誘發(fā)地震范疇，是人類施工的擾動引起地下斷層(裂縫)活動形成微地震。通常有以下幾種原因[1]:

1)地下孔隙壓力變化，改變地下有效應(yīng)力場。

2)承壓變化，由于水庫蓄水、礦山開挖改變了水庫、礦山的重力分布，繼而改變應(yīng)力分布。

3)水庫壩體、礦山巷道的特殊位置及應(yīng)力作用形成地震頻發(fā)區(qū)。

4)遠(yuǎn)場構(gòu)造應(yīng)力場趨勢性變化。

水庫、礦山地震的特殊成因使微地震與有震害地震存在必然聯(lián)系，為水庫、礦山地震預(yù)報研究提供了方便。

3 用微地震預(yù)報水庫、礦山有害地震的理論與方法

圖1給出了不同震級地震的頻度分布，可以看出震級越小，頻度越大，隨震級減小頻度呈指數(shù)增加[2]。如果從微地震作為以震報震的起點(diǎn)，數(shù)據(jù)量、普適度顯著增加。隨著安全意識、生命價值的提高，以微地震監(jiān)測預(yù)報水庫、礦山有震害地震必然成為一種發(fā)展趨勢。

圖1 震級與微地震頻度Fig.1 Magnitude and frequency

圖1中，橫軸是體波震級;縱軸是地震頻度，單位是以10為底的指數(shù)。2級以上的地震是常規(guī)地震臺網(wǎng)監(jiān)測的范圍，－2～2級地震是水庫、礦山發(fā)生的微地震的震級范圍，－2～－5級是油田監(jiān)測的微地震的震級范圍。如果把監(jiān)測震級擴(kuò)展至－2級，地震頻度可以擴(kuò)大1 000倍，擴(kuò)大了數(shù)據(jù)量。

把水庫、礦山地震監(jiān)測的范圍擴(kuò)至－2級，地震頻度加大，增加了數(shù)據(jù)量，也帶來了新問題。地震識別與定位計算的工作量加大，達(dá)到無法承受的程度。自動識別、定位計算成為水庫、礦山地震監(jiān)測研究的重要方法。目前，微地震自動識別、定位、分析的理論已經(jīng)趨于成熟，使用微地震自動識別、定位、分析處理海量數(shù)據(jù)，是水庫、礦山有震害地震預(yù)報的重要技術(shù)。

由微地震預(yù)報有震害地震有3種途徑:

1)微地震在空間上向一個面集中，在平面上向一條線集中，這個面或線應(yīng)該是一個規(guī)模較大的裂縫。如果依據(jù)摩爾－庫倫準(zhǔn)則判斷這個面或線的產(chǎn)狀有利于在當(dāng)?shù)貞?yīng)力場作用下發(fā)生滑動，這種集中反映了地震活動性增強(qiáng)，可能發(fā)生較大的地震。這一特征可以用式(1)說明[3]:

式(1)中，α是斷層走向與最大主應(yīng)力方向的夾角，通常在30°～45°之間，處于該方向時斷層最易發(fā)生滑動。

2)依據(jù)微地震尾波Q值判斷介質(zhì)性質(zhì)的變化。Q值是描述介質(zhì)品質(zhì)因數(shù)的一個參量，Q值增加，介質(zhì)的完好程度增加;反之，介質(zhì)變得破碎。通常認(rèn)為，在礦山或水庫，Q值降低是地震危險性增加的標(biāo)志。計算尾波Q值有很多方法，這些方法也可以用在微地震尾波Q值的獲得上。如果一個礦山或水庫的Q值連續(xù)降低，說明地震危險性增大[4]。

3)依據(jù)地震低頻幅度及波譜確定的地震矩、地震應(yīng)力降的變化，預(yù)報地震，其地震矩寫為[5]

式(2)中，β是S波波速，Ωo是低頻位移振幅，△是震源面積。微小地震通常采用圓盤假設(shè)，半徑可以由式(3)估計

式(3)中，fo是拐角頻率，是地震頻譜幅度明顯變小一點(diǎn)的頻率。地震應(yīng)力降可以寫為

由式(2)～式(4)可以看出，地震矩是一個衡量地震大小完全確定的量。地震應(yīng)力降與地震矩成正比，與震源尺度成反比。相同的地震矩下，震源尺度越小，應(yīng)力降越大。同一地區(qū)，應(yīng)力降與地震矩的比值增高，反映應(yīng)力降的絕對增大。應(yīng)力降增大有兩個原因，作用在裂縫面上的剪切應(yīng)力增大或作用在裂縫面上的法向應(yīng)力減小，二者均有利于較大地震發(fā)生，尤其后者導(dǎo)致的地震應(yīng)力降增大是地震危險的可靠標(biāo)志。

上述3個地震危險的判別依據(jù)在深源地震的預(yù)報中也被使用，效果并不好，但在礦山、水庫地震預(yù)報中卻可能取得突破。在深源地震的預(yù)報中，沒有來自震源的觀測資料的支持，無法確定臨界值。礦山、水庫地震預(yù)報中，可以直接獲取來自震源的觀測資料，經(jīng)多次比較，獲得危險變成地震的臨界值，做出地震預(yù)報。

第2項標(biāo)志與第3項標(biāo)志可以對比使用，Q值降低所反映的趨勢證明了應(yīng)力降增大的來源是法向應(yīng)力減小，是應(yīng)力松弛的結(jié)果，可以作為可靠的地震標(biāo)志。

4 水庫、礦山微地震監(jiān)測技術(shù)

由于采用微地震自動識別、定位、分析技術(shù)，可以布置高密度地震臺，如每平方公里30個臺。使發(fā)生的每一個地震均有多個就近臺站監(jiān)測，以提高定位精度及分析的可靠性。

定位方法可以采用最新的網(wǎng)格搜索方法。把控制區(qū)分割成網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，計算出每個網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)至各個地震臺站的走時，并通過人工震源加以校正，網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)可以多達(dá)數(shù)十萬個。以走時偏移方法把各臺站記錄的地震信號在各節(jié)點(diǎn)上進(jìn)行地震波疊加，相關(guān)性最好，幅度值最大的節(jié)點(diǎn)就是實(shí)際震源位置。以微地震源分布、地震大小反演控制區(qū)內(nèi)地震能量分布及其隨時間的變化。在可能發(fā)生較大地震、或出現(xiàn)沿層面滑動的位置均會出現(xiàn)微地震能量集中的現(xiàn)象。

該監(jiān)測系統(tǒng)可以采用自動運(yùn)行，無人值守管理方式，自動提交下述資料及實(shí)時結(jié)果:

1)用震源分布及地震能量分布描述誘發(fā)能量與地層結(jié)構(gòu)的相對位置。

2)用震源分布及地震能量分布的變化描述人類施工的影響及地震發(fā)展趨勢。

3)用震源機(jī)制描述地下微構(gòu)造的分布、差異及其隨時間的變化。

4)依據(jù)預(yù)定的模式進(jìn)行危險性預(yù)報。

5 實(shí)際監(jiān)測到的微地震

圖2是實(shí)際監(jiān)測到的微地震，可以看到，初動清楚，有足夠長得尾波，可以做定位、Q值分析、計算地震應(yīng)力降，從而進(jìn)行地震預(yù)報分析。

圖3中，上部是地震波在時間域的表示，整個時間長度是1 s。下部是頻譜，每一大格是100周，拐角頻率為210周，如果對地震儀進(jìn)行標(biāo)定，可以做出地震矩、拐角頻率及應(yīng)力降，做出以震報震的分析過程。

圖2 實(shí)際監(jiān)測到的微地震Fig.2 Monitoring waveforms

圖3 地震的位移波譜Fig.3 Spectrum distribution

6 結(jié)語

以微地震預(yù)報水庫、礦山有害地震是一個比較可行的途徑，可以大幅度提高數(shù)據(jù)量，提高以震報震的可信度。國外一些公司的預(yù)報水平已經(jīng)達(dá)到50%的可靠性。

這需要使用二套臺網(wǎng)，一套常規(guī)臺網(wǎng)，一套高頻臺網(wǎng)。同時監(jiān)測較大地震及微地震;需要一個微地震自動識別系統(tǒng)，自動、實(shí)時識別，定位，分析微地震;需要在震源深度放置應(yīng)力、位移的監(jiān)測儀器，確定微地震給出的趨勢變化與地下應(yīng)力、位移變化的定量關(guān)系，經(jīng)多次比較確定其臨界值，實(shí)現(xiàn)以震報震。

[1]胡毓良，陳獻(xiàn)程.浙江湖南鎮(zhèn)水庫區(qū)地震成因的初步探討[J].地震地質(zhì)，1983，4(3):46 －49.

[2]Reginald Hardy H.Jr Acoustic Emission/Microseismic Activity:Principles，techniques and geotechnical applications[M].1st ed.A.A Balkema，2003.

[3]劉建中，張金珠，張 雪.油田應(yīng)力測量[M].北京:地震出版社，1993.

[4]秦嘉政，闞榮舉.用近震尾波估算昆明及其周圍地區(qū)的Q值和地震矩[J].地球物理學(xué)報，1986(29):145－155.

[5]郭履燦，趙鳳竹.震級及震源參數(shù)確定[M].北京:中國科學(xué)出版社，1986.