大崗山水庫地震監測系統建設及監測能力概估算和驗證

趙 昱,鐘李彬,何思源 ,劉華姣

(1.四川省地震局，四川 成都 610000；2.成都地震基準臺，四川 成都 610000)

大崗山電站工程為大渡河干流規劃22級方案的第14個梯級電站，上游與硬梁包(引水式)電站尾水相連，下游與龍頭石電站水庫相接。壩址距石棉縣城約40 km，距上游瀘定縣城約72 km。壩址區有省道S211(瀘定—石棉)公路通過，向北行連接川藏公路，向東行至石棉縣城附近與國道G108相通，壩址距成昆鐵路烏斯河車站約130 km。該工程處在地震基本烈度為Ⅷ度的地區，是我國西部高烈度地震區的一項特大型水電工程。工程區位于康滇地軸的北端，處在揚子準地臺和松潘—甘孜褶皺系兩個一級大地構造單元的邊界附近，又在川滇菱形斷塊的東部活動邊界上。川滇菱形斷塊是喜山晚期十分活躍的一個新生的大地構造單元，在其東北至東側形成了一條巨大的、走向北西和南北交互出現的現今活動構造邊界，雖然不同段落活動的強烈程度有所差別，但晚更新世至全新世的活動性是無可置疑的。大崗山水電站水庫誘發地震數字遙測臺網系統工程，為水利水電工程專用小孔徑密集遙測固定微震監測臺網，重點監測與大壩、水庫中段和工程場地安全有關的ML0.5級以上，MS5.0級以下的地震活動，即監測工程區(庫壩區)內水庫蓄水前的天然本底地震活動背景以及水庫蓄水后庫區及臨近區域的天然地震和水庫誘發地震活動，為水庫誘發地震綜合預測研究提供連續、可靠的基礎數據。

1 臺網建設

1.1 臺網建設總體情況

大崗山水電站水庫誘發地震監測系統建有8個固定監測臺站和1個監測中心，8個監測臺站分布在四川省甘孜藏族自治州瀘定縣和雅安市石棉縣境內，1個中心為四川省地震監測中心。監測系統位于揚子準地臺西部康滇地軸，在南北向、北西向和北東向多組斷裂構造交匯部位，處在揚子準地臺和松潘—甘孜褶皺系兩個一級大地構造單元的邊界附近，又在川滇菱形斷塊的東部活動邊界上，監測區域范圍為29.3°N～29.9°N，101.9°E～102.5°E。臺站觀測系統全部采用數字化技術方案。綜合考慮大崗山水庫臺網的需求和實際條件，水庫誘發地震監測系統主要由地震臺站和監測中心構成。地震臺站實現地動信號的拾取轉換、數字化采集和發送；監測中心實現地震數據的接收、分析處理、存貯和成果產出，以實現對大崗山水庫誘發地震的監測。

1.2 系統工作原理及技術配置

圖1 大崗山水庫臺站觀測系統組成

臺站觀測系統主要由4個技術單元組成，包括：專用地震監測設備、數據傳輸及通訊模式、臺站供電、臺站避雷(見圖1)。(1)臺站專用設備配置。按照區域數字地震臺網技術系統要求，考慮到臺網整體監測能力的需要，選用(高靈敏亞型雙端 2 000 V·S/m)三分向地震計和多通道24位數據采集器。為滿足數據傳輸標準的要求，采集器要有IP接口和RS-232接口，數據格式滿足標準傳輸協議(佟曉輝等，1997)。在觀測方式上，綜合考慮各種因素，采取多種觀測方式，如地表、擺坑式、山洞觀測。在系統頻率響應的選擇上，地震觀測系統的頻率響應應與所觀測地震的頻譜結構相適應，滿足極微震和水庫地震觀測的要求。具體儀器設備配置見表1。(2)臺站供電。臺站供電需充分考慮多方面因素，因臺站位于偏遠地區，平時維護不方便，若發生斷電等情況可能無法正常工作，因此采用太陽能供電。(3)數據傳輸方式。由于臺網布設區山高谷深，地形復雜，受自然及多方條件限制，只有采用中國電信的CDMA VPDN數據專網進行組網。CDMA VPDN專網傳輸到監測中心，監測中心業務軟件完成數據匯集記錄和處理，提供分析應用，在局域網內實現監測中心與分析預測研究中心數據共享。這種組網方式，有利于增加系統的穩定性和可維護性，有利于確保系統的運行率。(4)臺站避雷。地震觀測臺屬第2類防雷建筑物，主要預防感應雷造成的危害(劉洋君等，2014)。建筑物建設成等電位，利用建筑混凝土柱內的結構鋼筋，作為引下線。防雷電感應和強、弱電系統的工作，保護接地共用接地裝置，其接地電阻不大于4 Ω，電源裝置和信號均安裝相應的避雷裝置。

表1 大崗山水庫地震監測系統儀器配置

2 臺站(網)監測能力估算

(1)估算原理。測震臺網監測能力主要取決于臺基、觀測系統的響應靈敏度、儀器的動態范圍、臺網密度及臺網布局等因素(張有林等，2005)，其原理是依據測震臺站臺基背景振動噪聲觀測值來確定可觀測地震事件的振幅值，依據該振幅值和近震震級計算公式，建立震級大小和震中距的對應關系。該對應關系描述了測震臺站對給定震級地震的有效監測范圍。以4個以上臺站公共監測區域的集合作為測震臺網對指定震級的監控區域，該指定震級即為測震臺網對該監控區域的監控能力。然后再用臺站實際地動噪聲分析值和公式:

計算各臺測震系統的動態范圍。式中，P——數據采集器量程為20 V；Ss0——地震計的電壓靈敏度，為 2 000 V/(m·s-1)；rms——計算得到的rms值，單位為m/s。

表2 大崗山水庫地震監測系統臺站觀測動態范圍

(2)資料選取。抽取運行階段2013年4月15日00時至4月17日00時的連續48小時記錄的地噪聲觀測數據，按照GB/T 10084-1988的規定分別計算各臺站每小時的噪聲功率譜密度(PSD)，根據GB/T 3241-1998規定用1/3倍頻程濾波器在1～20 Hz范圍內，計算出RMS值，再取RMS平均值來表示臺站的平均地噪聲水平。并以臺站所配置設備的相關參數，計算出每個臺站的實際觀測動態范圍。大崗山水庫誘發地震監測系統各臺站的環境地噪聲水平，如表2所示。

圖2 大崗山水庫地震臺網監測能力圖

(3)計算結果。根據數字地震測震臺站觀測技術規范要求，規定臺基背景噪聲1～20 Hz頻帶范圍，地動速度的噪聲RMS值作為臺址勘選的評估標準，各子臺噪聲RMS值均小于1.0×10-7m/s，達到Ⅱ類臺基噪聲水平。各子臺觀測數據均能正確反映當地實際背景噪聲水平，能正確評估該區域臺網測震監測能力，在庫區重點監視區內可以監控ML≥0.5級地震(見圖2)。

3 監測能力驗證

隨機抽取2014年2月2日至 2017年9月2日期間，大崗山水電站地震監測臺網記錄到大崗山水電站庫區內(29.2°～29.5°N，101.9°～102.5°E)地震3 296次，其中ML0～0.9級地震 2 710次，ML1.0～1.9級地震542次，ML2.0～2.9級地震40次，ML3.0～3.9級地震4次。 從大崗山水庫庫區震中分布圖(見圖3)可以看出，地震主要分布在大崗山水庫周邊，向北至鮮水河斷裂末端，向南延伸至安寧河斷裂帶石棉縣附近。對大崗山水庫地震監測區進行地震活動性分析(見圖4)可以看出，地震震級和月頻次呈起伏波動變化，震級較高地震主要集中在2014年7～12月和2016年3～5月之間。其中2016年3～5月地震月頻度較高，小震活動密集，蠕變圖顯示地震能量釋放也主要集中在該時段；震級頻度關系擬合結果顯示最大截距震級為3.6級，與實際發生最大地震相同，地震活動的b值為1.0，略高于與川滇地區b值平均水平。

圖3 大崗山庫區震中分布

圖4 大崗山水庫地震監測區 2014 年 2 月至 2017 年 9月地震的 M-T、N-T、蠕變、LgN-M圖

4 結論

大崗山水電站水庫誘發地震監測系統正式運行以來，觀測系統穩定，為水庫誘發地震分析積累了重要的庫區天然地震活動背景數據和資料。小震資料作為地震活動性分析的基礎和關鍵資料，其完整性分析尤顯重要，不容忽視(謝卓娟等，2012)。根據對國內外水庫誘發地震的研究，誘發地震一般發生于庫滿到其后幾年內。如浙江省的珊溪水庫，2000年庫滿，2006年庫區連續發生多次4級以上地震(劉洋君等，2014)。近年來，大崗山水電站水庫誘發地震監測系統記錄到的地震震級較小，但畢竟是有所活動，因而需加強監控，密切關注大崗山水電站水庫地震活動的新動向。