賓川地震信號發(fā)射臺的選址、建設(shè)及初步觀測結(jié)果*

王 彬，吳國華，蘇有錦，王寶善，葛洪魁，金明培，楊 軍，張啟明，李 濤，劉繼武

0 前言

隨著數(shù)字化地震觀測水平的提高和數(shù)字處理技術(shù)的發(fā)展，人們有可能實(shí)現(xiàn)對地球介質(zhì)性質(zhì)的細(xì)微變化進(jìn)行觀測，這種觀測對研究區(qū)域介質(zhì)性質(zhì)的變化，研究地震的孕育發(fā)生過程具有重要意義。地震波的很多特征 (如衰減、頻散等)都可以用來研究地下介質(zhì)的結(jié)構(gòu)及其性質(zhì)變化，但地震波速度及變化仍然是精度最高的方法。

地震儀記錄到的地震波信號，是震源、傳播介質(zhì)和記錄儀器三者相互耦合的結(jié)果，為研究地球介質(zhì)的變化，在保持觀測記錄條件一致的情況下，地震波激發(fā)震源的高度一致并可重復(fù)是最為關(guān)鍵的問題。經(jīng)過多次的實(shí)驗(yàn)表明，氣槍震源具有綠色環(huán)保、重復(fù)性好、激發(fā)能量大、地震波轉(zhuǎn)換效率高及激發(fā)地震波的能量主要集中在低頻5 Hz左右的特點(diǎn) (陳颙，朱日祥，2005)。為了利用氣槍源建立地震波發(fā)射臺，促進(jìn)“4D”地震學(xué)發(fā)展，陳颙院士領(lǐng)導(dǎo)的研究小組在華北上關(guān)湖水庫等地進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，取得了非常好的觀測效果 (陳颙等，2007b)。

云南現(xiàn)代構(gòu)造運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈，破壞性地震多發(fā)，是進(jìn)行地震科學(xué)研究的理想場所，在中國地震局地球物理研究所、云南省地震局、大理州地震局和賓川縣地震局的共同努力下，經(jīng)過多次堪選，在云南滇西地震預(yù)報(bào)實(shí)驗(yàn)場區(qū)的賓川縣大銀甸水庫建成了全球第一個(gè)氣槍地震信號發(fā)射臺。

滇西地震預(yù)報(bào)實(shí)驗(yàn)場區(qū)具有較好的地震觀測條件，從20世紀(jì)80年代開始在實(shí)驗(yàn)場區(qū)內(nèi)開展了地震地質(zhì)、地殼探測、地震前兆、地球物理與地球化學(xué)參數(shù)、地震預(yù)報(bào)方法等多方面的研究，取得了很多成果，對這一區(qū)域的地殼結(jié)構(gòu)、地球物理場等有了較為深入的了解 (劉祖蔭，秦嘉政，1996)，這為開展主動(dòng)源的觀測研究奠定了良好的基礎(chǔ)。

1 發(fā)射臺所處區(qū)域地震地質(zhì)環(huán)境及地震活動(dòng)概況

賓川地震信號發(fā)射臺所在的滇西地區(qū)位于歐亞板塊與印度洋板塊碰撞帶之東緣地帶，地質(zhì)構(gòu)造十分復(fù)雜，強(qiáng)震活動(dòng)特別頻繁。發(fā)射臺處于由紅河斷裂、劍川—麗江斷裂和程海斷裂圍成的三角形塊體內(nèi) (圖1)。在金沙江—紅河斷裂以東地區(qū)，應(yīng)力場主壓應(yīng)力優(yōu)勢方位約為N20°W，該區(qū)應(yīng)力場主要受青藏高原物質(zhì)側(cè)移造成川滇菱形塊體向南南東推擠的力源控制;瀾滄江以西地區(qū)，應(yīng)力場主壓應(yīng)力優(yōu)勢方位約為N30°E，主要受印度洋板塊向北推擠對緬甸弧東翼側(cè)向擠壓作用的影響。瀾滄江與紅河斷裂之間的印支板塊地帶，主要應(yīng)力方位北北西和北北東向兼有之，但更多表現(xiàn)為近于金沙江—紅河斷裂以東地區(qū)。同時(shí)，震源機(jī)制解顯示，在中甸、麗江、鶴慶、永勝帶，斷層具有較大的傾滑分量，可能與劍川—鶴慶一帶地幔物質(zhì)上隆有關(guān) (晏鳳桐等，1996)。

滇西實(shí)驗(yàn)場區(qū)的地殼大致可分為4層，且以紅河斷裂為界分為南、北兩區(qū)，沉積層平均波速為4.55 km/s。南區(qū)沉積層相對較厚，約為5 km，北區(qū)相對較薄，不足3 km。第一層波速一般為6.10～6.25 km，南區(qū)層厚較穩(wěn)定，約7～10 km，北區(qū)層厚變化較大，約10～17 km，且在劍川斷裂以北 (南高寨)波速突升至6.30～6.45 km/s。第二層波速一般為6.30～6.45 km/s，南區(qū)厚度較穩(wěn)定，約10 km，北區(qū)厚度變化較大，約5～17 km，在劍川斷裂以北波速突升至6.50～6.60 km/s。第三層波速一般為6.35～6.45 km/s，南區(qū)和北區(qū)的厚度比較穩(wěn)定，約10 km，南區(qū)第三層與第二層相比波速變化不大，亦可歸為一層;但北區(qū)第三層波速不僅低于南區(qū)第三層波速，而且低于上覆第二層波速，構(gòu)成北區(qū)的地殼低速層。第四層的厚度與波速變化均較大，南區(qū)層厚穩(wěn)定，約18 km，平均波速相對較低，為6.75～6.90 km/s，北區(qū)層厚逐漸增加至25 km，且平均波速較高，在6.75～7.10 km/s之間 (圖2)(晏鳳桐等，1996)。

發(fā)射臺附近兩條主要活動(dòng)斷裂為程海—賓川斷裂和紅河斷裂。程海—賓川斷裂北起永勝金官北雜拉坡附近，向南經(jīng)金官盆地與永勝盆地之間芮官山西坡、程海東、清水、期納，到濤源，東南經(jīng)過金沙江、熱水塘、片角街，順賓川盆地東緣延伸到哨廠以南逐漸向南西彎轉(zhuǎn)，后經(jīng)響水、毛栗坡，達(dá)彌渡盆地北西邊緣，在紅崖坡西的橋頭哨附近交于紅河斷裂。全長約200 km，總體走向近南北，地表顯微波狀彎曲傾向南西，傾角70°～85°。

紅河斷裂北起洱源灣坡塘，南于河口附近進(jìn)入越南，在云南境內(nèi)長約600 km。斷裂帶由北西向南東穿過洱源盆地、洱海，過彌渡盆地后沿禮社江、元江、紅河河谷延伸。總體走向北西，傾向北東，傾角在65°～80°之間。發(fā)射臺所處的紅河斷裂北段 (洱源至彌渡)自第四紀(jì)以來，斷裂活動(dòng)強(qiáng)烈 (虢順民等，2001)。

發(fā)射臺所處的滇西地震預(yù)報(bào)實(shí)驗(yàn)場核心區(qū)域，最早的破壞性地震記載始于公元886年大理5?4級地震，自1481年以來，共發(fā)生25次M≥6.0地震，其中，M≥7地震4次，最大為1515年永勝7■4級地震，距發(fā)射臺約40 km發(fā)生過1925年大理鳳儀7級地震。近年來區(qū)內(nèi)中強(qiáng)地震活動(dòng)頻繁，大部分地震震源深度約20 km，處于中上地殼內(nèi)。

2 基地建設(shè)情況

大銀甸水庫 (25°48'N，100°30'E)位于賓川縣城西南，距縣城直線距離約7 km。該水庫為中型水庫，主壩高 58 m，壩長 144 m，庫容為4 085×104m3，最大水深大于40 m，每年5～7月水位最低，最大水深約20 m(圖3)。該水庫以農(nóng)田灌溉為主，兼防洪、縣城供水等。

項(xiàng)目組在測量水庫水深的基礎(chǔ)上，確定了臺站位置，臺站占地約5畝。建設(shè)前期，先后完成了項(xiàng)目立項(xiàng)、建設(shè)方案論證、環(huán)境評價(jià)、壓覆礦產(chǎn)資源評價(jià)等工作。為便于氣槍的操作和檢修，使用昆明力神重工有限公司生產(chǎn)的6013型塔式起重機(jī)作為氣槍源發(fā)射塔架。氣槍入水工作期間，主要懸掛于置于水面的浮臺上。目前已建設(shè)完成了操作室、空壓機(jī)室和檢測維修室等附屬設(shè)施以及發(fā)射塔防雷設(shè)施安裝。現(xiàn)主要配備有氣槍4支(單槍容量2 000 in3，共8 000 in3)、氣槍控制器1套。輔助設(shè)備包括一臺空氣壓縮機(jī)，儲氣瓶組和氣源控制系統(tǒng)等。

在公益性行業(yè)專項(xiàng)重大項(xiàng)目“中國地震科學(xué)臺陣探測——南北地震帶南段”的資助下，在發(fā)射臺周圍建設(shè)了40個(gè)地震信號接收臺，結(jié)合滇西實(shí)驗(yàn)場區(qū)已有的固定臺，金沙江流域的水庫地震臺，構(gòu)成地震波信息接收系統(tǒng) (圖5)。

3 初步觀測結(jié)果

3.1 強(qiáng)震觀測結(jié)果

為了觀測氣槍激發(fā)產(chǎn)生的地震動(dòng)，在氣槍周圍布設(shè)了強(qiáng)震臺進(jìn)行觀測，一個(gè)強(qiáng)震臺置于距氣槍源最近距離56.4 m(強(qiáng)震儀置于塔吊基座)，并沿直線在不同的距離上架設(shè)了4個(gè)臺 (No.1～4)，在水庫大壩中間和壩肩距氣槍源分別為1 409 m和1 351 m處也架設(shè)了強(qiáng)震儀進(jìn)行觀測 (No.5～6)。觀測時(shí)，4支氣槍同時(shí)激發(fā) (圖6)，各測點(diǎn)的地震動(dòng)加速度峰值、速度和卓越頻率如表1所示。從強(qiáng)震觀測結(jié)果可知，在塔吊基座附近，4槍同時(shí)激發(fā)時(shí)，可以產(chǎn)生較強(qiáng)的地震動(dòng)，但隨著距離的增加，地震動(dòng)迅速衰減，在距震源約1 000 m的水庫大壩上已無影響，這也保證了發(fā)射臺長期工作時(shí)不會(huì)對周圍環(huán)境造成影響。同時(shí)，經(jīng)過長期觀察，水庫內(nèi)的魚類也未受到實(shí)驗(yàn)的影響，這表明氣槍震源是綠色環(huán)保震源。

表1 各觀測點(diǎn)強(qiáng)震動(dòng)峰值及卓越頻率Tab.1 Peak and predominant frequency of strong ground motion of each observation point

3.2 氣槍震源的一致性及頻率特征

氣槍震源的一致性是其最本質(zhì)的特征和突出優(yōu)點(diǎn) (陳颙，李宜晉，2007a)，是進(jìn)行主動(dòng)源“4D”地震學(xué)研究，構(gòu)建“地下云圖”的基本要求，也是對多次記錄進(jìn)行疊加提高觀測數(shù)據(jù)信噪比的物理基礎(chǔ)。經(jīng)計(jì)算震源處地震波的相關(guān)系數(shù)達(dá)0.99，圖7a給出了震源處111次記錄的疊加結(jié)果，充分顯示了氣槍震源的可重復(fù)性。圖7b給出了單槍置放同一深度 (11.5 km)，不同工作壓力(10 MPa、15 MPa)時(shí)的記錄信號及頻譜，氣槍源信號的頻率主要集中在6 Hz附近，這一頻段，正好處于地震觀測系統(tǒng)的觀測頻帶范圍內(nèi)。

3.3 觀測結(jié)果及與爆炸源觀測的比較

圖8 給出了不同觀測距離處所獲得的記錄信號，從圖中可看出，各震相發(fā)育良好，最遠(yuǎn)至230 km處都可得到清晰的觀測記錄。以發(fā)射源為中心，利用氣槍源發(fā)射，可“照亮”15×104km2以上的研究區(qū)域，這為研究該區(qū)域的地殼及上地幔精細(xì)結(jié)構(gòu)提供了可靠的觀測資料。通過氣槍源的長期連續(xù)激發(fā)和觀測，可實(shí)現(xiàn)對深部介質(zhì)物性與應(yīng)力狀態(tài)變化進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測，這對于研究地震的孕育和發(fā)生具有重要的意義，也是震情跟蹤工作的一種新的有力的手段。

傳統(tǒng)的地震測深是利用大當(dāng)量的炸藥進(jìn)行爆破觀測，為了對比研究爆炸源與氣槍源的觀測記錄、標(biāo)定觀測系統(tǒng)，我們在賓川主動(dòng)源發(fā)射基地旁300 m處進(jìn)行了一次當(dāng)量為900 kg的爆炸實(shí)驗(yàn)，圖9為同一觀測系統(tǒng)對氣槍源激發(fā) (111次疊加的結(jié)果)和爆破源激發(fā)信號的記錄。兩種激發(fā)源所記錄的波形、震相是一致的，但與爆炸源相比，氣槍源的有效觀測范圍更大、信噪比更高。爆炸實(shí)驗(yàn)后，爆炸現(xiàn)場已遭到破壞，不可能再進(jìn)行原地的重復(fù)實(shí)驗(yàn)。

4 總結(jié)及展望

賓川地震信號發(fā)射臺初步建成后，進(jìn)行了一個(gè)月的實(shí)驗(yàn)觀測，初步觀測結(jié)果已被美國地球物理聯(lián)合會(huì)會(huì)刊《EOS》和美國科學(xué)促進(jìn)會(huì)(AAAS)作了報(bào)道，《中國科學(xué)報(bào)》也對相關(guān)報(bào)道進(jìn)行了轉(zhuǎn)載。2012年11月16日《春城晚報(bào)》頭版對賓川主動(dòng)源工作進(jìn)行了全面報(bào)道，向公眾進(jìn)行了地震科普知識的宣傳。從2012年9月起，已開始一周一次的激發(fā)觀測，觀測結(jié)果的分析研究工作正在深入進(jìn)行中。2013年底，依托于賓川地震信號發(fā)射臺的科學(xué)實(shí)驗(yàn)及研究工作被云南省人民政府批準(zhǔn)成為“陳颙院士工作站”。近期，在行業(yè)專項(xiàng)“滇西地區(qū)深部介質(zhì)變化主動(dòng)監(jiān)測技術(shù)研究”的支持下，在發(fā)射臺又開挖了一個(gè)直徑5 m，深20 m的實(shí)驗(yàn)井，并成功進(jìn)行了氣槍井中激發(fā)的觀測實(shí)驗(yàn)。以地震信號發(fā)射臺為依托開展的科學(xué)研究工作已獲得自然科學(xué)基金的資助。可預(yù)期的是，作為全世界第一個(gè)固定的地震信號發(fā)射臺，隨著觀測研究的深入，必將在地震科學(xué)的探索研究中發(fā)揮出重要的作用，開辟出新的研究領(lǐng)域，取得原創(chuàng)性的地震科學(xué)成果。

就賓川地震信號發(fā)射臺今后的工作，應(yīng)注意以下幾個(gè)方面的問題:

(1)截至目前，賓川地震信號發(fā)射臺的建設(shè)是在中國地震局專項(xiàng)、行業(yè)專項(xiàng)、中國地震局地球物理研究所所長基金等的支持下完成的。為了使這個(gè)極具探索性的工作長期堅(jiān)持下去，應(yīng)尋求穩(wěn)定的資金投入渠道。

(2)總結(jié)過去一段時(shí)間的工作經(jīng)驗(yàn)和成果，完善觀測系統(tǒng)，進(jìn)一步研究明確賓川地震信號發(fā)射臺的科學(xué)發(fā)展規(guī)劃、科學(xué)思路、分階段的工作目標(biāo)等。

(3)組建科學(xué)家小組，培養(yǎng)研究團(tuán)隊(duì)，對觀測資料進(jìn)行深入、全面的分析研究，盡快產(chǎn)出高質(zhì)量的科學(xué)成果。

(4)自2012年11月以來，研究區(qū)內(nèi)發(fā)生了多次M≥4地震，最大為2013年3月3日洱源MW5.5地震，充分利用這些資料，研究地下介質(zhì)波速的時(shí)空變化是近期工作的一個(gè)重點(diǎn)。

賓川地震信號發(fā)射臺的建設(shè)，是在中國地震局地球物理研究所、云南省地震局、大理州地震局、賓川縣地震局和北京市地震局等有關(guān)科技人員的共同努力下完成的，建設(shè)過程中得到中國地震局領(lǐng)導(dǎo)的大力支持和關(guān)懷。大理州政府和賓川縣政府及有關(guān)部門對項(xiàng)目的實(shí)施做了大量協(xié)調(diào)工作，在此一并表示衷心的感謝!

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