結合波形互相關技術的龍灘水庫地震雙差定位

閻春恒　周斌　郭培蘭　孫學軍　文翔

摘要：利用結合波形互相關技術的雙差定位法對龍灘庫區2006年9月30日至2013年5月26日發生的3 682次地震進行精定位，獲得了精度更高的定位結果，平均理論誤差小于10 m。精定位結果顯示：蓄水后龍灘庫區中小地震活動呈現明顯的叢集性，主要集中在羅妥、八茂、拉浪、壩首、布柳河以及庫區下游的天峨縣城6個區域，每個地震叢的分布范圍在10 km內，優勢深度為4～9 km，優勢展布方向與穿過該地震叢的主要斷裂帶的走向或傾向一致，表明庫區地震活動基本分布在河流及斷層附近10 km范圍內，表現出水庫誘發地震活動典型的“雙十”特征。研究成果可為龍灘水庫續建工程誘發地震的預測與地震安全性評價提供依據。

關鍵詞：水庫誘發地震；地震精定位；雙差定位法；波形互相關；龍灘庫區

中圖分類號：P3157文獻標識碼：A文章編號：1000-0666（2016）03-0427-09

0引言

水庫誘發地震（Reservoirinduced seismicity，簡稱RIS）是由水庫蓄水或排水過程引發的在一定時間內庫區及其周邊小區域范圍內發生的地震活動（秦嘉政等，2009）。20世紀60年代，全球接連發生水庫誘發的6級以上強震，于是RIS開始引起社會各界的廣泛關注，一些學者分別從RIS的地震學特征、易于誘發地震的地質構造條件、誘震機理及預測評價方法等方面開展研究，取得了許多重要的認識，特別是近年來的研究更加注重通過對數字地震觀測資料的精細分析，認識水庫地震發生的環境及機理、水庫地震與天然地震震源特征的差異等（Ross et al， 1999； 華衛等， 2012）。而對庫區地震事件的精確定位是以上研究的基礎，尤其是震源深度的精確測定是揭示特定屬性的水庫體系在庫水的動態加卸載過程中，庫區下部介質和應力場發生響應的重要“云圖”（陳翰林等，2009a）。傳統地震定位方法的精度受地下速度結構、臺網幾何形狀、震相到時讀數精度等因素的影響（張愛民，李強，2006）。近年來，雙差定位法在國內外得到較廣泛的應用（Waldhauser， Ellsworth，2000，2002；楊智嫻等，2003，2011；楊中書，曾文敬，2007；李樂等，2007；盧顯，周龍泉，2011；徐甫坤等，2015），該方法可以在很大程度上減小對地殼速度模型的依賴性，通過選取相關性較強的地震對，并調節地震對震源位置的矢量差，使剩余殘差最小，但在震相到時拾取方面仍不能有效降低人為誤差的影響。波形互相關技術可以對P波、S波到時進行校正，使部分震相到時讀數精度達到百分之幾秒，某些震相甚至可達到7‰ s（William， 1999）。因此，結合波形互相關技術的雙差定位法（DD+WCC）是一種較有發展前景的地震定位方法（Schaff， Richards ，2004；黃媛，2008），在一些應用實踐中已經取得了較理想的結果。

廣西龍灘水庫位于珠江干流紅水河上游的廣西天峨縣境內，壩高220 m，正常蓄水位400 m，總庫容273×109 m3，屬于高山峽谷型高壩大庫容水庫，庫區地勢西高東低，水庫主要由紅水河、布柳河、南盤江、北盤江、蒙江及曹渡河匯聚而成。龍灘水電站于2001年7月開工建設，2006年9月30日開始蓄水，電站安裝9臺70×104 kW的水輪發電機組，總裝機容量630×104 kW，年均發電量187×109 kW·h，是國內在建的僅次于長江三峽及金沙江溪洛渡的特大型水電工程。龍灘水庫蓄水后，庫區地震開始活躍，并隨水位季節性波動而起伏變化。陳翰林等（2009a）對2006～2007年龍灘庫區發生的地震活動開展了精定位研究。在此基礎上，一些學者分別從庫區深部速度結構與電性結構（王立鳳等，2010；Zhou et al， 2011，2012；詹艷等，2012a，b）、震源機制與應力場（陳翰林等，2009b；史海霞，趙翠萍，2010）、孔隙壓力擴散（劉耀煒等，2011）等不同的角度初步討論了誘發地震活動可能的成因機制，但有待結合水庫荷載作用與滲透作用進行細致的定量研究（陳翰林等，2009a）。目前，龍灘水庫蓄水已逾9年，庫區地震活動仍在發展演化。鑒于龍灘水庫工程的重要性及進一步精細化研究的需求，本文利用結合波形互相關技術的雙差定位法，對龍灘庫區2006年9月30日至2013年5月26日發生的地震進行精確定位。

1研究區概況

11地質構造概況

龍灘庫區橫跨廣西天峨縣和貴州羅甸縣，地處云貴高原南緣向桂西北山區與丘陵過渡的斜坡地帶。在大地構造上，庫區及鄰近區域位于華南褶皺系的二級構造單元右江褶皺帶內。根據野外地質地貌和地震地質調查，研究區范圍（248°～55°N；1065°～1073°E）內發育有NW、NNW、NE和近SN向4組斷裂（圖1），它們多屬于與印支期褶皺相伴形成的斷裂構造，傾角陡立，延伸不遠，規模較小。庫壩區附近的主要構造有位于其西翼呈NNE走向的龍鳳—八臘斷裂（F9），該斷裂發育于三疊系與二疊系間，區內長約25 km，為一高角度向西傾斜的正斷層。在庫壩區的西南部，主要分布有NNW向的望謨—邏西斷裂（F7）和NW向的長里—八南斷裂（F8）、黨明—桂花斷裂（F6），其中：F7斷裂呈左階斜列式展布，由多個次級小斷層和基巖斷裂破碎帶組成，區內長約28 km；F8斷裂為二疊系灰巖中發育的劈理密集帶和柔褶變形帶，傾向SW，逆斷走滑運動性質；F6斷裂發育在中三疊統砂泥巖地層中，亦具逆斷走滑運動性質。在庫區西北部，主要分布大體呈NE走向的羅甸—望謨斷裂（F1）、高圩—八茂斷裂（F2）和鳳亭—下老斷裂（F3），其中：F1斷裂東北段為古生界與中生界的分界，西南段插入中生界地層中，區內長約26 km；F2和F3斷裂切割二疊系及三疊系，斷裂破碎帶發育，寬達30～100 m，斷面呈舒緩波狀，這2條斷裂傾向相反，以右旋走滑運動為主。在大壩正北面，主要構造有達良背斜及其東西兩翼呈近SN走向的馬耳—拉浪斷裂（F4）和達恒—達良斷裂（F5），這2條斷裂傾向相反，均為正斷走滑運動性質。根據構造地貌、地質剖面揭露的斷裂活動性以及所獲得的年代學證據，除F1、F5和F7為前第四紀活動斷裂外，其余斷裂在早—中更新世均有過不同程度的活動，斷裂破碎帶發育，裂隙和巖溶裂隙泉沿斷裂帶呈線狀分布（向宏發，周慶，2006；郭培蘭等，2006；周斌等，2014）。

12地震監測臺網

龍灘數字遙測地震臺網于2006年3月開始正式運行，由布設在龍灘水庫周圍的12個臺站（杠里和向陽臺2010年建成使用）以及2個信號中繼站和1個臺網中心組成，部分臺站位置見圖1。臺站均采用24位數據采集器，采樣率100 Hz，其中天峨臺為CMG3ESPC型寬頻帶地震計，杠里和向陽臺為FSS3M型短周期地震計，另外9個臺為FSS3B型的短周期地震計，這3種地震計分別在003～40 Hz、2 s～50 Hz、1～40 Hz速度幅頻特性平坦。網徑在東西方向約90 km，南北方向約73 km。壩址上游20 km至壩址下游5 km的監測能力達ML05，ML10監測能力涵蓋了庫區50 km范圍（姚宏等，2008）。

13地震活動

龍灘庫區從2006年9月下閘蓄水至2013年5月26日，共記錄3 682次ML≥00地震，其中ML10～19的837次；ML20～29的128次；ML30～39的8次；ML40～49的3次，分別為2007年3月17日羅甸ML40地震、2007年7月17日天峨ML45地震和2010年9月18日羅甸ML48地震。根據廣西地震臺網中心定位結果，將庫區ML≥00地震劃分為5個區（圖1），運用結合波形互相關技術的雙差定位法進行重新定位。

2研究方法與資料處理

21雙差定位法

Waldhauser和Ellsworth（2000）提出的雙差地震定位法使用地震對走時差觀測值與理論計算值的殘差（“雙差”）來反演地震叢中每個地震與地震叢集矩心的相對位置（Waldhauser， 2011），可大大減少地殼速度結構模型不精確導致的誤差。

對于同一臺站k記錄到的地震事件i、j，雙差drijk定義為

drijk=rik-rjk=（Tik-Tjk）obs-（Tik-Tjk）cal

=（tik-tjk）-（tik-tjk）cal.（1）

式中，rik和rjk分別為地震i、j在臺站k的殘差（理論到時與觀測到時之差）；Tik和Tjk分別為地震i、j在臺站k的地震波到時，對應走時分別為tik和tjk；（tik-tjk）obs為地震對走時差觀測值，（tik-tjk）cal為地震對走時差理論值。將走時差按公式rik=tikmΔmi展開得

drijk=tikmΔmi-tjkmΔmj.（2）

式中，Δm（Δx，Δy，Δz，Δτ）為震源參數擾動量。將所有臺站記錄到的所有事件的雙差方程聯立可得到如下線性方程組：

WGm=Wd.（3）

式中，G為M×4N的偏微分矩陣，M是雙差的觀測數，N是事件數的矩陣，m為震源參數擾動量，W為對每個方程加權的對角矩陣，d為雙差向量。求解（3）式，可得到震源參數。

22波形互相關

震源機制相似和震源位置相近的2個地震到達某較遠臺站時，它們的波形可能相似。通過波形互相關技術校正后的P波震相到時讀數精度比校正前高1～2個數量級（Schaff ，Richards，2004）。針對人工標定的震相到時因人為因素可能存在不夠精確或者錯誤的情況，本文運用波形互相關技術進行校正。互相關函數定義為

C（τ）=ΣN-1n=0x（n）y（n+τ）ΣN-1n=0x2（n）ΣN-1n=0y2（n）.（4）

式中，x（n）和y（n）為地震對的時間序列。

將龍灘庫區事件波形轉換成SAC格式，進行去均值、去趨勢等預處理，并在15～10 Hz范圍內進行濾波；以事件發震時刻為時間零點，分別在Pg波和Sg波到時前后取一段波形進行互相關分析。其中，Pg波到時之前截取03 s、之后截取1 s，Sg波到時之前截取05 s、之后截取15 s，允許最大偏移均為05 s。互相關計算過程中，如果相關系數閾值設定過高，可用數據會非常少，如果閾值設定過低，則很可能會有一些不真實的走時差數據參與到后續定位運算中。為提高數據的可靠性，將閾值設為07，共獲得Pg波到時差數據255 816條，Sg波到時差數據248 409條。圖2為對4個臺站記錄到的同一事件對做Pg波互相關示意圖，給出了時間補償及相關系數（表1）。對所有事件對時間補償（絕對值）的統計結果顯示（圖3），人工讀取震相誤差為0～025 s，且Pg波的讀取誤差較Sg波的小。

05。對數據進行篩選處理，具體設定事件對之間

的最大距離為10 km，

事件的最大鄰居數為20，1個鄰居所需要的最小震相對以及事件對使用的最小震相對的數目均為6，事件對使用最大震相對數目為60。選擇華南地殼速度結構模型為初始速度模型，從地表至43 km的莫霍面處分為5層，其頂部深度分別為0、20、120、320和430 km，對應的P波速度分別為370、485、590、635和81 km/s，波速比VP/VS取擬合值1687（鄭圻森等，2003；陳翰林等，2009a）。設定定位初始位置從每個分區地震群的中心開始，采用共軛梯度法，分別對5個分區的地震進行重新定位。迭代組數均為5組，每組做5次迭代計算，每次迭代過程中震源位置和偏導數同時更新，每次迭代的阻尼值均在60～100之間選取。

3結果分析

31精定位結果及誤差分析

雙差定位共獲得3 082個地震重定位結果，占原地震數的837%（圖4）。與臺網定位結果相比（圖1），精定位結果的地震震中水平向平均偏移

2195 km，深度平均偏移1167 km，水平向最大誤差766 m，深度最大誤差888 m，水平向和深度的平均誤差分別為62 m和83 m。挑選2008年記錄的布柳河地震叢的72個地震事件，分別采用奇異值分解法和共軛梯度法進行定位，以對本文定位結果精度進行評價。結果顯示，2種方法定位結果的空間分布基本一致。

定位殘差隨緯度分布結果顯示（圖5），僅利用震相報告資料的定位結果最大殘差達095 s，平均殘差0158 s，加入波形互相關資料校正后，定位結果最大殘差降至0043 s，平均殘差僅為0003 s。進一步分析發現，殘差相對較大的定位結果主要位于2510°N以北區域。庫區地震臺站主要布設在壩首周圍，庫區上游地區只有里納（LN）、小苗坡（XMP）和羅甸臺（LD），臺站少、分布不合理是導致上游地區地震定位結果誤差較大的主要因素。總體而言，本文采用結合波形互相關技術的雙差定位方法重新定位的結果精度大大改善，空間展布和深度分布也更集中。

32地震空間分布特征

從圖4可以看出，龍灘水庫蓄水后地震活動呈現出明顯的叢集性，主要分布在羅妥（叢Ⅰ）、八茂（叢Ⅱ）、拉浪（叢Ⅲ）、壩首（叢Ⅳ）、布柳河（叢Ⅴ）和天峨（叢Ⅵ）地區。其中，前5個地震叢均位于水庫蓄水后淹沒的深水區，

最大水深分別達194 m、156 m、147～178 m、194 m和154 m（常寶琦，1986）。各地震叢分布特點如下：

地震叢Ⅰ分布于羅妥至下老一帶，F3斷裂南段與紅水河交匯處附近。除F3斷裂外，周圍還分布一些小尺度的NE和NW向斷裂。地震展布長軸9 km，短軸5 km，優勢分布與F3斷裂的傾向一致。與臺網定位結果相比，長短軸均縮短了5 km。庫區蓄水以來發生的3次ML≥40地震中，有兩次位于該叢，最大為2010年9月18日ML48地震，也是水庫下閘蓄水后迄今為止發生的最大地震。

地震叢Ⅱ分布于F2斷裂中段與油拉河交匯處的八茂附近。小震眾多，長軸11 km，短軸85 km，優勢展布與F2斷裂傾向一致。與臺網定位結果相比，長短軸分別縮短了12 km和55 km，鳳亭正東的地震簇向北偏移約5 km。最大地震為2008年6月20日ML32地震和2010年10月7日ML32地震。

地震叢Ⅲ分布于紅水河和牛河交匯的拉中至納沙一帶，F4斷裂穿過該叢，并被蓄水后的牛河水域淹沒。地震呈NNE向優勢展布，長軸10 km，短軸7 km，與F4斷裂走向相近。與臺網定位結果相比，長短軸分別縮短了10 km和3 km。地震活動頻度為6個地震叢中最高，但強度較弱，最大為2010年1月25日ML30地震。

地震叢Ⅳ分布于拉當—坡結一帶，靠近F9斷裂及龍灘水庫大壩，距壩址最近。地震展布長軸11 km，短軸6 km，優勢分布與F9斷裂走向一致。與臺網定位結果相比，長短軸分別縮短了6 km和4 km。自水庫蓄水開始，該叢地震一直非常活躍，頻度僅次于地震叢Ⅲ，最大為2007年7月17日ML45地震。

地震叢Ⅴ分布于大壩以南的布柳河河面較為寬闊的納宜西岸、F8斷裂與布柳河交匯處附近。地震展布長軸7 km，短軸2 km，優勢分布與F8斷裂走向吻合。與臺網定位結果相比，長短軸分別縮短了5 km和25 km。地震活動頻度為6個地震叢中最弱，最大地震為2007年6月21日ML28地震。

地震叢Ⅵ位于水庫下游的天峨縣城區，靠近F9斷裂及龍灘水庫大壩。地震展布長軸9 km，較臺網定位結果短2 km，短軸8 km，重定位結果向壩首方向整體移動約9 km。地震活動強度為6個地震叢中最弱，未記錄到ML≥20地震。

33地震深度分布特征

6個地震叢震源深度范圍分別為03～113 km、01～102 km、02～117 km、06～127 km、08～94 km和03～120 km，優勢深度分別為6～9 km、4～9 km、7～9 km、6～8 km、6～8 km和5～9 km；地震叢Ⅳ和Ⅴ深度分布相對較淺，地震叢Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ深度分布更為集中；除叢Ⅲ外，2007年11月之后其余5個地震叢在0～3 km范圍內均存在一定數量的極淺源微震活動（圖5、6）。

4討論與結論

基于結合波形互相關技術的雙差定位方法，對龍灘水庫下閘蓄水后8年內庫區發生的地震進行重新定位，采用奇異值分解法和共軛梯度法對定位結果進行評價，驗證了本文定位結果的可靠性。由于雙差定位方法對地殼速度模型的依賴性較小，波形互相關技術的應用對人工拾取震相到時進行了很好的校正，最大限度降低了速度模型不夠精確和震相到時讀取誤差，因此重新定位結果的精度顯著提高，平均理論誤差小于10 m。較大地震因記錄臺站數多，信息量豐富，初始定位結果已較準確，重新定位后震中位置偏移較小。微小地震因臺站記錄信息較少、波形記錄信噪比較低、人工拾取震相誤差相對較大等因素，重新定位結果位置偏移較大。與臺網定位結果相比，重定位后地震的叢集性更好，每個地震叢的長短軸均明顯縮短，空間展布更加清晰。鳳亭正東的地震簇向北移動了5 km，基本由微震組成的天峨地震叢向壩首方向整體偏移約9 km，與水庫蓄水或斷裂的關系更加密切。未獲得重定位結果的地震震級基本小于ML20，這些地震主要分布在龍灘臺網監測能力較弱地區，因臺站記錄信息較少或鄰居數較少，在重定位過程中被舍棄。由于庫區上游臺站偏少，羅妥、八茂和拉浪地震叢的定位殘差相對較大。若更換更高采樣率的設備，并在庫區上游和周邊加密監測臺站，龍灘臺網對庫區的地震監控能力和定位精度將得到進一步提高。

研究結果顯示，蓄水后龍灘庫區中小地震活動顯著增強，主要叢集在水位較深的羅妥、八茂、拉浪、壩首以及布柳河地區，此外，庫區下游的天峨縣城區也發生了一定數量的微震活動。地震叢的分布范圍基本不超過10 km，優勢深度為4～9 km，優勢展布方向與穿過各地震叢的主要斷裂帶的走向或傾向一致。表明庫區地震活動基本分布在河流及斷層周圍不超過10 km的范圍內，表現出水庫誘發地震活動典型的“雙十”特征。本文研究結果及認識可為龍灘水庫地震活動特征量化分析、發震機理和預測深入研究、庫區地震安全性評價及續建工程提供基礎資料和參考。

本文所用波形及震相數據來自廣西地震臺網中心，圖件采用Matlab、Adobe Photoshop及Adobe Illustrator軟件繪制，江西省地震局呂堅高級工程師和中國科學院測量與地球物理研究所謝祖軍博士為本文提供了波形互相關計算程序及悉心指導。作者謹向以上單位和個人表示衷心感謝。

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