福建省主動(dòng)源激發(fā)臺(tái)站選址合理性分析

陳為偉，蔡輝騰，張紅才

（福建省地震局，福州 350003）

關(guān)于地球內(nèi)部的結(jié)構(gòu)、組成、過程和狀態(tài)等知識(shí)多來自天然地震的地震波信息[1]。隨著氣槍等新技術(shù)的出現(xiàn)，地學(xué)科研人員提出中國地下明燈科學(xué)研究計(jì)劃，通過氣槍震源激發(fā)產(chǎn)生地震波，利用固定地震臺(tái)、流動(dòng)地震臺(tái)接收的信號(hào)，進(jìn)行地殼深部構(gòu)造研究[2]。

水庫氣槍試驗(yàn)是利用大容量氣槍激發(fā)作為人工震源，進(jìn)行深部地震構(gòu)造探測(cè)的科學(xué)試驗(yàn)。試驗(yàn)中，空氣壓縮機(jī)及管匯系統(tǒng)向放置于水中的氣槍注入高壓空氣，由槍控系統(tǒng)發(fā)出激發(fā)信號(hào)后，高壓空氣從氣槍中噴出，形成向外傳播的壓力波，它是環(huán)保綠色的人工震源。我國云南省、新疆維吾爾自治區(qū)、甘肅省先后建立了固定式主動(dòng)源激發(fā)臺(tái)站。

1 福建省主動(dòng)源激發(fā)臺(tái)站建設(shè)的必要性

福建省位于歐亞板塊與菲律賓海板塊碰撞帶的前緣地帶，斷裂構(gòu)造發(fā)育，陸域發(fā)育三條北東向斷裂和五條北西向斷裂，形成“三縱五橫”的棋盤狀斷裂格局。福建省地處華南沿海地震帶，歷史上發(fā)生過多次中強(qiáng)地震，陸域已知最大震級(jí)達(dá)6.5 級(jí)，地震活動(dòng)頻繁。福建沿海的北東向?yàn)I海斷裂帶是一條至今仍在活動(dòng)的全新世活動(dòng)構(gòu)造，歷史上發(fā)生過多次7 級(jí)以上大震。

氣槍震源為地下介質(zhì)結(jié)構(gòu)探測(cè)提供了有效的主動(dòng)震源，可以為科學(xué)認(rèn)識(shí)福建及臺(tái)灣海峽的斷裂帶構(gòu)造奠定基礎(chǔ)。它可以提供海量觀測(cè)數(shù)據(jù)，產(chǎn)出地殼速度結(jié)構(gòu)模型，能顯著提高地震監(jiān)測(cè)能力和地震定位精度。同時(shí)，可根據(jù)需要，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)相關(guān)區(qū)域地殼介質(zhì)物理特性隨時(shí)間的變化，以便相關(guān)區(qū)域進(jìn)行高精度的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，為震情跟蹤、研判提供可靠的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

福建省地震局于2014年自主研發(fā)了一套陸上移動(dòng)式水體氣槍震源系統(tǒng)，在福建省多個(gè)大、中型水庫進(jìn)行了激發(fā)，在理論和試驗(yàn)方面取得了一定的成果。但是，目前的移動(dòng)式水體氣槍震源系統(tǒng)只適用于短期的水庫激發(fā)工作，不適用于長(zhǎng)期固定的主動(dòng)源科學(xué)研究工作。因此，福建省地震局計(jì)劃在“十三五”期間，根據(jù)福建省“十三五”綜合防災(zāi)減災(zāi)規(guī)劃的總體目標(biāo)，計(jì)劃建立一個(gè)主動(dòng)源激發(fā)臺(tái)站。

2 選址的基本要求

根據(jù)近幾年移動(dòng)式水體氣槍震源系統(tǒng)的激發(fā)點(diǎn)選址經(jīng)驗(yàn)和工作流程，人們總結(jié)了主動(dòng)源激發(fā)臺(tái)站的選址，應(yīng)滿足以下基本要求：震源傳播效果好，經(jīng)過疊加，省內(nèi)固定臺(tái)站大部分能收到震源信號(hào)；臺(tái)站要選在安全僻靜、交通方便，具備水、電、網(wǎng)絡(luò)的地點(diǎn)；臺(tái)站及水上平臺(tái)與大壩距離大于2 km；水上平臺(tái)處水深大于20 m，水下地形較平坦；水上平臺(tái)距離震源系統(tǒng)操作區(qū)距離小于200 m；水上平臺(tái)距離網(wǎng)箱養(yǎng)殖應(yīng)大于500 m，應(yīng)遠(yuǎn)離民宅[3]。

3 移動(dòng)式水庫氣槍激發(fā)的試驗(yàn)效果與選址地點(diǎn)初定

2014年以來，福建省地震局利用移動(dòng)式氣槍震源系統(tǒng)在多個(gè)水庫進(jìn)行了激發(fā)，不同水庫氣槍激發(fā)的地震波傳播能力均不同。人們可以通過計(jì)算不同水庫等效震級(jí)來定量評(píng)價(jià)激發(fā)效能，其中，激發(fā)效果較好的試驗(yàn)等效震級(jí)如表1所示，可見，安砂水庫激發(fā)試驗(yàn)效能最優(yōu)[4]。

表1 大容量氣槍固定點(diǎn)激發(fā)試驗(yàn)概況

以福建及附近地區(qū)的地震斷裂構(gòu)造為底圖，將這四個(gè)水庫激發(fā)的信號(hào)接收范圍作圖，如圖1所示。由此可以看出，在福建省中西部建設(shè)主動(dòng)源激發(fā)臺(tái)站，其激發(fā)試驗(yàn)的信號(hào)經(jīng)疊加，可被福建、浙江、江西、廣東、臺(tái)灣的地震臺(tái)站記錄，對(duì)于華南、臺(tái)灣海峽、臺(tái)灣的深部構(gòu)造調(diào)查、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)地殼介質(zhì)變化有積極意義；在安砂水庫進(jìn)行激發(fā)，臺(tái)站接收范圍最廣。

因此，從臺(tái)站的建設(shè)目的及預(yù)期成效上看，主動(dòng)源激發(fā)臺(tái)站選址地點(diǎn)優(yōu)選安砂水庫。

4 安砂水庫場(chǎng)地選址的合理性分析

4.1 選址地概況

主動(dòng)源激發(fā)臺(tái)站擬定于安砂水庫，它位于福建省三明市清流縣沙蕪鄉(xiāng)洞口村附近，在九龍湖省級(jí)風(fēng)景名勝區(qū)內(nèi)，距離沙蕪鄉(xiāng)鎮(zhèn)區(qū)約7.2 km，距離洞口村約2.3 km，距離大壩約7.7 km，周邊無居民點(diǎn)，選址地南側(cè)為356 國道，連接至沙蕪鄉(xiāng)、永安，交通較為便利，如圖2所示。

圖1 水庫氣槍激發(fā)試驗(yàn)傳播范圍

圖2 選址地及周邊示意圖

筆者對(duì)于選址地附近的水域進(jìn)行了水深測(cè)量，最大深度超過20 m（見圖3），滿足前述的水深條件。附近500 m 范圍無網(wǎng)箱養(yǎng)殖。

圖3 選址地附近水深分布圖

選址地現(xiàn)為荒地，僅有原修路的廢棄工棚。選址地處于洞口村土地權(quán)屬地范圍內(nèi)，屬于農(nóng)村集體土地，需要進(jìn)行用地征用。

4.2 主動(dòng)源激發(fā)對(duì)周邊環(huán)境的影響

4.2.1 對(duì)大氣、水的影響

氣槍激發(fā)，噴出的氣體為壓縮空氣，攪動(dòng)也較小，對(duì)水質(zhì)、大氣無影響。

4.2.2 振動(dòng)對(duì)周邊居民及大壩的影響

選址地最近的周邊居民點(diǎn)為清流縣沙蕪鄉(xiāng)洞口村，距離氣槍激發(fā)地點(diǎn)約2.3 km；安砂水庫大壩距離激發(fā)地點(diǎn)約7.7 km。

2017年，福建省地震局在選址地進(jìn)行了移動(dòng)式氣槍震源的激發(fā)工作。工作期間，在距激發(fā)點(diǎn)最近的岸邊、最近的村莊洞口村、安砂水庫大壩均布設(shè)了測(cè)震儀器。根據(jù)《城市區(qū)域環(huán)境振動(dòng)測(cè)量方法》（GB 10071-88）規(guī)定，對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行計(jì)算，如表2所示[5]。

根據(jù)《城市區(qū)域環(huán)境振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 10070-88）規(guī)定，城市各類區(qū)域鉛垂向Z 振級(jí)標(biāo)準(zhǔn)值如表3所示[6]。

表3 城市各類區(qū)域鉛垂向Z 振級(jí)標(biāo)準(zhǔn)值

由于水庫氣槍激發(fā)點(diǎn)位于野外人煙稀少的地區(qū)，附近為356 國道，因此選用的標(biāo)準(zhǔn)值參照交通干線道路兩側(cè)，即晝間75 dB、夜間72 dB；洞口村的標(biāo)準(zhǔn)值采用“居民、文教區(qū)”標(biāo)準(zhǔn)，即晝間70 dB、夜間67 dB。

水庫氣槍激發(fā)試驗(yàn)中，根據(jù)實(shí)際觀測(cè)值計(jì)算可得，離激發(fā)點(diǎn)109 m 處實(shí)際測(cè)得振級(jí)VLZ值為71.32 dB ＜72 dB，清流洞口村實(shí)際測(cè)得振級(jí)VLZ值為26.90 dB ＜67 dB，均不超過國標(biāo)規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)值。

試驗(yàn)期間，未收到周邊居民反映振動(dòng)影響，未收到激發(fā)點(diǎn)附近過往行人反映因氣槍激發(fā)所產(chǎn)生的振動(dòng)而造成感覺不適的情況。故試驗(yàn)對(duì)周邊居民點(diǎn)無影響，對(duì)激發(fā)點(diǎn)附近過往行人影響甚微。

根據(jù)這3 個(gè)觀測(cè)臺(tái)站記錄計(jì)算，得到的峰值加速度和參考烈度如表4所示。

《中國地震烈度表》（GB/T 17742-2008）僅列出Ⅴ度以上水平向地震動(dòng)參考值，根據(jù)試驗(yàn)中觀測(cè)記錄，在近岸處水平向地震動(dòng)值遠(yuǎn)低于Ⅴ度，評(píng)估僅相當(dāng)于宏觀烈度Ⅰ～Ⅱ度，基本為無感[7]。

表2 安砂水庫試驗(yàn)中觀測(cè)臺(tái)站記錄峰值及鉛垂向振級(jí)VLZ

表4 安砂水庫試驗(yàn)中觀測(cè)臺(tái)站記錄峰值及儀器地震烈度

在大壩布設(shè)測(cè)震儀器，測(cè)得的最大地震加速度峰值為0.18 gal，大壩處于彈性響應(yīng)階段，對(duì)大壩無影響。

4.2.3 對(duì)水生生物的影響

該水域九龍湖的水生生物主要是河魚，品種有花鰱（又叫鳙魚）、白鰱、草魚、鯉魚、鯽魚、武昌魚、翹嘴、桂花魚、河鯰、羅非鯽魚、黃尾巴和青背子等。

在移動(dòng)式氣槍震源的激發(fā)工作期間，在激發(fā)點(diǎn)附近500 m 范圍內(nèi)未發(fā)現(xiàn)死魚；在500 m 范圍外，未收到居民關(guān)于水生生物有異常表現(xiàn)的反映。

推測(cè)原因：每輪氣槍激發(fā)前，均要先以低于工作壓力的條件進(jìn)行試運(yùn)行，即先以6.895 MPa、10.342 MPa 進(jìn)行激發(fā)，設(shè)備正常運(yùn)行后，再以13.790 MPa 的工作壓力進(jìn)行工作。推測(cè)氣槍激發(fā)對(duì)魚類傷害有限，且對(duì)氣槍激發(fā)敏感的魚類在小氣壓激發(fā)時(shí)已先行游走逃逸。故試驗(yàn)對(duì)水生生物無影響。

綜上所述，主動(dòng)源激發(fā)對(duì)周邊環(huán)境無影響。

5 結(jié)論

本文分析了福建省主動(dòng)源激發(fā)臺(tái)站建設(shè)的必要性，結(jié)合多年來的移動(dòng)式水庫氣槍震源工作經(jīng)驗(yàn)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)主動(dòng)源激發(fā)臺(tái)站選址的合理性進(jìn)行分析。結(jié)果表明，在安砂水庫激發(fā)，試驗(yàn)等效震級(jí)最大，臺(tái)站接收范圍最廣，對(duì)于華南、臺(tái)灣海峽、臺(tái)灣的深部構(gòu)造調(diào)查、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)地殼介質(zhì)變化有積極意義。選址地點(diǎn)優(yōu)選于安砂水庫。選址地位于福建省三明市清流縣沙蕪鄉(xiāng)洞口村附近，距離最近的村莊洞口村約 2.3 km，距離大壩約7.7 km；南側(cè)為國道，交通便利；附近水域滿足氣槍激發(fā)工作要求；選址地為荒地，易進(jìn)行用地征用。選址地可進(jìn)行臺(tái)站的征地建設(shè)。

主動(dòng)源激發(fā)對(duì)周邊環(huán)境無影響：氣槍激發(fā)使用壓縮空氣，對(duì)水質(zhì)、大氣無影響；激發(fā)點(diǎn)附近實(shí)測(cè)振級(jí)VLZ值為71.32 dB，清流洞口村實(shí)際測(cè)得振級(jí)VLZ值為26.90 dB，均低于國標(biāo)規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)值，激發(fā)期間，未收到行人和居民反映振動(dòng)影響；在大壩測(cè)得的最大地震加速度峰值為0.18 gal，大壩處于彈性響應(yīng)階段，對(duì)大壩無影響；氣槍震源試驗(yàn)期間，未發(fā)現(xiàn)對(duì)水生生物的影響。因此，該選址地點(diǎn)適宜主動(dòng)源激發(fā)臺(tái)站建設(shè)。