小孔径遥测数字地震监测台网在水库诱发地震研究中的应用

许亮华，苏克忠，常廷改，3

（1.北京工业大学 建筑工程学院，北京 100124；2.中国水利水电科学研究院 工程抗震研究中心，北京 100048；3.水利部水工程抗震与应急支持工程技术研究中心，北京 100048）

小孔径遥测数字地震监测台网在水库诱发地震研究中的应用

许亮华1，2，3，苏克忠2，常廷改2，3

（1.北京工业大学 建筑工程学院，北京 100124；2.中国水利水电科学研究院 工程抗震研究中心，北京 100048；3.水利部水工程抗震与应急支持工程技术研究中心，北京 100048）

水库诱发地震是指在特殊的地震地质环境下，由于水库蓄水和水位变化引发的地震。目前水库诱发地震研究手段主要有：一是在建坝前查清库区的地震地质条件，应用地震地质类比法，对水库诱发地震的危险性进行评价和预测可能最大震级，作为大坝抗震设计的依据；二是布设小孔径遥测数字地震监测台网对水库诱发地震进行监测和分析。本文对应用小孔径遥测地震监测台网的理论依据、监测目的和监测技术进行了探讨。

水库诱发地震，地震监测台网，小孔径地震监测

1 研究背景

水库诱发地震（简称水库地震）是指在特殊的地震地质背景下，由于水库蓄水或水位变化而引发的地震。早在1935年，美国建成高221m、总库容348.5亿m3的胡佛坝（又称米德湖）并开始蓄水，蓄水前坝址区没有发生过地震，随着蓄水位的上升，频繁发生小地震，达到最高蓄水位时，最大震级达5级，随后地震频度缓慢衰减，米德湖首次被认为是典型的水库诱发地震实例。随着水库的大规模修建，不断有水库诱发地震发生，20世纪60年代，连续发生4个水库发生6级以上的水库诱发地震，即我国的广东新丰江水库（1962年，6.1级）、赞比亚-津巴布韦的卡里巴（1963年，6.3级）、希腊的克里马斯塔（1966年，6.2级）和印度的柯依纳水库（1967年，6.5级）。柯依纳水库和新丰江水库的两座大坝的头部产生断裂，并给附近房屋造成不同程度的损坏和人员伤亡。印度柯依纳水库附近死亡人数最多，达到180人，受伤2300人，47300栋房屋震坏。我国的新丰江水库诱发地震，造成了1800间房屋倒塌，6人死亡，80人受伤。希腊的克里马斯塔水库诱发地震造成1人死亡，60人受伤，倒塌房屋480栋。由于5～5.9级水库诱发地震可造成震区房屋受损和部分倒塌以及灾民恐慌，水库诱发地震问题不仅引起了科学界的广泛重视，更引起了社会的广泛关注。

全世界迄今为止诱发产生的水库地震仅有130余实例，分布在亚洲、欧洲、北美洲、拉丁美洲、大洋洲、非洲等多个国家，从震级上看，多数属于对工程构不成威胁的小震，大于5级的近20例，其中6～6.5级的强震有4例。

20世纪60年代时水库诱发地震的研究相当活跃，一些国际组织和国家相继组织了一系列的有关水库诱发地震的讨论会，以推动水库诱发地震的研究工作。如联合国教科文组织1969年设立了“与水库有关的地震现象”工作组，先后召开了3次座谈会，讨论了水库诱发地震的现状，并系统分析了世界上30例水库与地震活动有关的资料。1975年，联合国教科文组织与加拿大联合召开了第一届国际水库地震讨论会，得到了许多国家的专家和学者的支持［2］。1995年11月，在北京举行了第二届国际水库地震讨论会。国际上一些学术团体如国际大坝会议、国际工程地震学会、国际地震工程学会等也将水库诱发地震作为一项内容列入其活动计划之中［1-3］。

我国对水库诱发地震的研究开始20世纪60年代，对广东新丰江水库的研究。新丰江水库在蓄水后，发生密集的小震，随着库水位的不断上升，地震震级不断增大，立即统一组织全国有关部门科研单位广泛协作，对水库区地质构造、地震活动特点、水库诱发地震成因以及地面运动特征和对大坝的影响等问题进行了研究。根据水库诱发地震不断加强的趋势，及时进行了大坝抗震加固，减轻了大坝灾害。沈崇刚等［4］《新丰江水库地震及其对大坝的影响》的论文，全面总结了新丰江水库诱发地震研究的经验。1975年由国家地震局和水利电力部联合组成水库诱发地震调查组，对全国进行了普查，确定了12个水库诱发地震实例并进行了研究。同年，我国参加了在加拿大的班夫城举行了第一届国际诱发地震会议，讨论了水库诱发地震问题。1981年12月，我国在武汉召开了“全国诱发地震座谈会”，主要讨论了水库诱发地震问题，并于1983年出版了《中国诱发地震论文集》。1990年在武汉召开了第二届“全国诱发地震座谈会”，1992年在广州召开了《新丰江水库地震30周年学术讨论会》。1995年11月，在北京召开了国际水库地震讨论会，会议设置水库诱发地震的性质和机制、水库诱发地震调查和危险性评估、监测和仪器及工程地震、水库诱发地震和环境及其他诱发地震等4个专题。三峡工程自2003年5月26日开始蓄水至今，由24台地震仪组成的台网，记录了大量宝贵数据，取得了“三峡工程水库诱发地震问题研究”等一批新成果［5-7］。2008年，我国总结了水库诱发地震危险性评价的经验，组织编写并颁布了国家标准水库诱发地震危险性评价（GB 21075-2007）［8］，2013年，我国又总结了水库诱发地震监测方面的经验，编写并颁布了水库诱发地震监测技术规范（SL516—2013）［9］。以上这些研究活动，都为水库诱发地震研究起到了推动作用。

水库诱发地震的震源机制很复杂，目前在理论上还没有完全统一的认识。当前，有使用“水库诱发地震”和“水库触发地震”的称谓以区别引发地震机制上的不同。我国采用国内外比较一致的做法，将由于水库蓄水或水位变化而引发的地震定义为水库诱发地震。

水库诱发地震的研究集中在两大课题。一是探讨对拟建和在建的水库进行水库诱发地震危险性的评价和预测。从工程地震、水文地质、地震地质等条件，结合工程技术指标，对水库诱发地震可能性、可能发震库段和最大可能震级进行综合评价。如采用地震地质类比法、多因素综合分析评判、关键因子专项研究，以及多种统计预测模型和数值解析等多种方法。二是抓住水库诱发地震实例，应用小孔径遥测地震监测台网，对水库诱发地震的活动特点和规律，水库诱发地震的震源参数如：地震时间、震级、震中位置，震源深度以及震源机制解等进行深入研究，进一步探讨水库诱发地震的成因和机理。

本文对应用小孔径遥测地震监测台网这一重要手段的理论依据、监测目的和监测技术进行探讨。

2 布设小孔径遥测数字地震监测台网的理论依据

应用小孔径遥测数字地震监测台网的理论依据是地震波理论，地震波理论是关于地震波的激发及地震波在地球介质中传播的的理论，其理论基础是经典弹性力学。地震波理论的研究由最初的均匀、各向同性、线性弹性介质中波的激发与传播问题，后来逐渐发展到非均匀、非完全弹性及各向异性介质中波动方程与波动传播问题。当地震发生后，震源破裂造成的震动首先会以体波（包括纵波和横波）的方式穿过地球介质。体波经过地球介质时，会因为介质不同结构而产生不同震相，这些震相给我们带来了很多传播介质结构的信息。由于库水向地下岩石渗透，使地表原有的介质结构变成与水的联合作用，从而改变了传播介质的性质。通过对地震波传播介质特性的分析，可区分天然地震与水库诱发地震的不同特征［10］。水库诱发地震的震源一般深度小于5 km，个别达到10 km。地震震源特性人类无法直接观察，应用地震波理论和地震监测技术可以间接解决这一难题。通过对震相的识别和计算分析，可以获得水库诱发地震的震源参数，如地震时间、震级、震中位置，震源深度、震源机制解以及反演震源破裂过程等。

地震监测台网是指由4个以上地震监测台站组成的地震监测网络。“小孔径”是为区别“大孔径”国家台网而言，“遥测、数字”是指应用了遥测、数字先进技术的台网。在监测天然地震方面，我国已建立中国数字监测台网和区域地震监测台网。但由于控制面积大、台站少，致使孔径大，导致漏掉微震和定位精度不高。

监测精度划分为4级：1级误差5 km，2级误差5～15 km，3级误差15～30 km，4级误差大于30 km。已有的地震监测台网监测误差大，难以完成兼测水库诱发地震的任务，因此必须布置专用的小孔径水库地震监测台网。小孔径水库地震监测台网要求在水库区及外延10 km的有限的范围内，布置小孔径台网，台网应由4个以上台站组成。其精度要求能记录0.5～1级以上的地震，定位误差在0.5～1 km，以便较准确地判断地震与库区地震构造的关系。合理的台网布置必须能够将水库诱发地震包围在台网监测范围内［11］。

我国应用小孔径地震监测台网进行水库诱发地震监测工作始于1960年底的新丰江水库。新丰江水库位于广东省河源县，最大坝高105 m，坝型为混凝土大头坝，场地烈度6度，总库容138.96亿m3，1959年10月蓄水。水库蓄水后，由于库区频繁发生地震活动，便建立了小孔径地震监测台网，截至1972年12月止，就已记录到ms≥0.2的地震258 247次，对 ms≥1.0的23 513次地震测定了地震参数。新丰江水库的水库诱发地震主震发生在1962年3月19日，震级6.1级，震源深度5 km。虽然，当时在监测技术上，还相对比较落后，但通过长达13年长期观测表明，水库诱发地震具有与天然地震不同的特点。

随着电子技术、计算机技术、通讯技术的飞速发展，已经向宽频带、大动态范围、全数字化、自动化、远程传输的方向发展。目前许多水库地震监测均采用了小孔径遥测数字地震监测台网监测技术。三峡小孔径遥测数字地震监测台网，由24个子台构成。多年来的水库诱发地震监测分析统计表明绝大多数的水库诱发地震发生在预测的庙河到白帝城段、离库岸10公里范围以内。三峡大坝在2008年、2009年、2010年连续三年蓄水到正常高水位（高程170m）以上。从地震发生情况来看，第一年蓄水到170m以上，诱发了4.1级地震，以后地震活动缓慢衰减。这些规律也验证了蓄水前三峡水库诱发地震危险性评价的正确性。三峡小孔径遥测数字地震监测台网，应用了宽频带、大动态范围、遥测数字化记录、实时处理和远程传输的先进技术。该技术也在金沙江中游的向家坝、溪洛渡等新建的大水库中得到推广应用，并由单个水库的诱发地震监测发展为流域水库群的水库诱发地震监测。

3 布设小孔径遥测数字地震监测台网的目的

水库诱发地震监测的目的有三个：一是对发生的地震进行区分，判断是水库诱发地震还是天然地震。二是在确定为水库诱发地震后，根据长期监测结果判断水库诱发地震序列类型，水库诱发地震序列多数有前震-主震-余震型特点，可以根据已有地震序列预测其发展趋势，预报可能最大地震，从而采取应急措施，达到防灾减灾的目的。三是检验水库诱发地震理论和危险性评价是否正确，从中吸取经验教训，不断提高水库诱发地震理论研究和危险性评价的水平。

3.1 对发生的地震性质进行区分四川省汶川发生8.0级特大地震后不久，范晓先生在《中国地理》杂志上发表文章，声称根据水库诱发地震预测的地震地质类比法，断定“紫坪铺水库诱发5.12地震的可能性不能排除”［12］。紫坪铺水库是否诱发了汶川地震，根据紫坪铺小孔径水库监测台网在水库蓄水前后记录的大量科学数据就可以作出清晰判断。

早在2004年水库蓄水前，紫坪铺库区就建成了由7个子台和1个中继站组成的紫坪铺水库遥测监测台网。汶川地震发生后，利用紫坪铺水库遥测监测台网记录的大量地震数据进行分析，分析结果可以明确排除汶川地震是水库诱发地震的可能［13-14］。主要理由如下：（1）水库诱发地震与库水位变化是密切相关的。蓄水初期，库区及周边会频繁发生小震，水库达到最高蓄水位后，发生主震，随着能量不断释放，震级会逐渐衰减，地震序列属前震-主震-余震型。汶川地震的发生与紫坪铺的库水位变化没有任何相关性，汶川地震缺少前震，地震序列属主震-余震型，这是典型的天然构造大地震的特征；（2）水库诱发地震震中在空间分布上，是集中在库区及其外延10 km范围之内。震源深度由于库水载荷影响有限，多在1～5 km，最多不超过10 km。而汶川地震及其地震余震的震中是沿着发震断层沿伸到200 km之外，震源深度已达14 km，这与水库诱发地震震中分布规律明显不同；（3）水库诱发地震在发震强度上，多数属于弱震，全世界120余震例中，震级大于5级的只有大约20例，最大为6.5级。紫坪铺水库有限的库水无法压出蓄积巨大能量的8.0级特大地震；（4）根据水库诱发地震监测数据绘制的地震频度（N）与震级（M）图，在半对数坐标上的直线（log N=a-bM）的斜率（b）值一般大于1，而汶川地震的统计特征完全没有该分布规律。

这是利用水库诱发地震记录和天然构造地震记录的不同规律特征区分判断天然构造地震或水库诱发地震的实例之一。紫坪铺水库遥测监测台网的水库诱发地震监测记录规律分析结果，清晰阐明了汶川地震并非水库诱发地震。

3.2 预测水库诱发地震发展趋势，预报可能的最大水库诱发地震根据水库诱发地震序列多属前震-主震-余震型的特点，预测水库诱发地震发展趋势，预报可能的最大水库诱发地震，从而制定相应应急措施。1962年3月我国的新丰江水库诱发了6.1级强震，根据地震序列中前震不断增强的发展趋势，专家预测后续可能还有强震发生，及时对大坝按9度进行了抗震加固，有效减轻了震灾［5］。1979年1月，我国浙江乌溪江水库发生诱发地震，根据流动台网记录，分析出地震序列的前震由增强向逐渐衰减的发展趋势，预测不会有强震发生，不需要进行抗震加固，节省了大量抗震加固费用。

3.3 检验水库诱发地震理论和危险性评价是否正确预测结论是否正确要经过水库实际蓄水后，地震监测台网记录的结果来证明。近30多年来，我国已对二滩、三峡、瀑布沟、小湾等几十座大型水库，开展了蓄水前诱发地震条件的工程地震研究，并进行了水库诱发地震危险性评价。实际地震监测结果表明：预测不可能诱发水库地震的水库，的确都没有发生水库诱发地震。预测可能诱发5级以下水库地震的水库，也均未发生大于5级的水库诱发地震。预测可能诱发大于5级水库地震的水库，有的虽然发生了水库诱发地震，不过震级未大于5级，如三峡水库原预测最大5.5级，实际发生4.1级；有的并没有诱发水库地震，如四川二滩水库，区域地质构造活动性强，原预测最大震级为6.0级水库诱发地震实际并没有发生。这些实例说明国家标准《水库诱发地震危险性评价》（GB 21075-2007）是有效可行的。

4 小孔径遥测数字地震监测台网监测技术

4.1 地震监测台网构成台网监测技术是指为了使数量有限的地震监测仪器，尽可能多的取得一些有价值的地震记录，需要使用的一整套技术。主要包括台网设计、仪器选型、仪器的安装、监控维护、记录分析等。台网设计应根据水库诱发地震危险性评价的结果，依据水库区的地形地质条件，进行合理布局，结合水库等级，提出监测精度要求。台网应由4个以上台站组成，将水库诱发地震包围在网内。精度要求能记录0.5～1级以上的地震，定位误差在0.5～1 km范围。

水库诱发地震监测仪器应稳定可靠，技术指标先进，能满足工程监测高精度、自动化的要求。宜采用数字化传输技术组网。监测系统由台站、台网管理中心、数据传输与中继三大部分。台站一般由地震计、数据采集器、数据传输设备和不间断供电系统组成。台站监测仪器设备中的地震信号检测应以地震计为主，可配置加速度计。台网管理中心应配置用于地震数据处理的计算机网络，具备地震数据实时接收、处理和热备份功能。台网数据传输可根据现场条件，确定采用有线、无线及有线和无线相结合等方式。可采用多路数据汇集技术，同时传输多路数据及进行多台数据的中继转接［12］。

台网监测系统组地震计应采用短周期地震计，它适用于记录地方震（小于100 km）和近震（100～1000 km），水库诱发地震均为地方震。该仪器灵敏度高，在通频带内位移放大率可达百万倍，常称之为微震仪。加速度计应采用力平衡式加速度计，简称FBA。力平衡电子反馈技术的应用，使它具有动态范围大、频带宽、线性好等特点。信号输出采用双端平衡方式，有利于避免工频电源干扰。内置有标定电路，方便现场使用。

数据采集仪可采用24位的AD，要求有高分辨率、大动态范围，能输出低延迟实时数据流，可将多道模拟电压量和频率量的输入转换成数字量输出。采集仪器还需要具有数据采集、记录以及网络和串口数据传输，支持大容量数据存储的功能特点。

监测系统包括台站、台网管理中心、数据传输与中继三大部分［7］。

（1）台站的组成与技术要求。台站一般由地震计、数据采集器、数据传输设备和不间断供电系统组成。台站监测仪器设备中的地震信号检测应以地震计为主，可配置加速度计。对监测仪器设备的基本技术要求。

（2）台网管理中心组成与技术要求。应配置用于地震数据处理的计算机网络，具备地震数据实时接收、处理和热备份功能应有存储连续波形数据功能，配置大容量可读写设备和光盘刻录机。应有数据共享与服务功能，配置提供数据共享的服务器，并应和相应级别的地震信息网络相连。应有地震报警及系统故障监视报警功能。地震数据处理系统应具备人机交互分析处理功能。应配备数据处理分析的专用软件。

（3）数据传输与中继组成及技术要求。台网数据传输方式可根据现场条件，确定采用有线、无线及有线和无线相结合等方式可采用多路数据汇集技术，同时传输多路数据及进行多台数据的中继转接。

利用有线信道传输实时地震波形时，地震波形数据必须采用专线传输，传输速率应不小于19200 bps，误码率低于10-7。超短波信道场强的电平余量，一般情况下应不小于30 dBm，信噪比不小于20 dB，有条件可采用全双工或半双工双向信道。信道中继可采用有线信道与有线信道的转接，无线信道与无线信道的转接或有线信道与无线信道的转接。其转接功能可采用多信道汇集复用后再转发，或单信道直接转发。

4.2 监控、监测数据处理分析地震监测系统的运行与监控包括台站运行监控与台网管理中心运行监控两大部分。

4.2.1 台站运行监控 每天一次进行地震计正弦波脉冲标定，每年进行一次系统正弦波信号序列标定。

地震计、数据采集器维修或更换后，必须重新进行正弦波信号序列标定。台站应建立维护日志。内容包括仪器设备名称和编号、维修日期、故障原因、仪器工作参数记录以及仪器更换记录等。

4.2.2 台网管理中心运行监控 建立台网管理中心24小时全日制值班制度，负责台网管理中心设备、通信信道以及台站运行情况的管理、检查和维护。每天检查各台站脉冲标定幅度及周期的变化。当发现有变化时应及时测试检查原因并排除故障。建立地震通信专线及中继专线的档案，内容包括每条专线路由、专线类别、专线代号（或名称）、专线公里数、中继专线代号（或名称）、中继专线长度、开通日期、长话专线月租金与中继线租金等。

建立台网值班日志和各种管理规章制度和操作规程，包括地震速报、值班、台站维护、设备维护等。

5 结语

水库诱发地震的研究方法有两种：一是在勘察设计阶段查清库区的地震地质条件，应用地震地质类比法，对水库诱发地震的危险性进行评价和预测；二是布设小孔径遥测数字地震监测台网进行水库诱发地震监测和分析，获得水库诱发地震的震源参数：如地震时间、震级大小、震中位置、震源深度以及震源机制解等。

小孔径遥测数字地震监测台网监测技术，随着电子技术、计算机技术、通讯技术的发展已经向宽频带，大动态范围，全数字化，自动化，远程传输的方向发展。这些监测技术在我国的三峡大坝库区的水库诱发地震监测上首先得到应用，目前金沙江流域的梯级水库得到大力推广。小孔径遥测数字地震监测台网监测技术保证了水库诱发地震监测的高精度，能为分析和研究水库诱发地震的震源参数：如地震时间、震级、震中位置，震源深度、震源机制解以及反演震源破裂过程等提供可靠依据。

对监测数据处理分析，首先要利用多台数据。采用人机交互定位系统等软件，测定地震基本参数—发震时刻、震级、震中位置和震源深度等。在此基础上，综合分析水库蓄水前后在水库影响区地震活动总体水平是否变化，并分析地震与库水位变化的相关性，通过地震序列特征和时、空、强特征来判定是否为水库诱发地震，再根据水库诱发地震频度与震级关系曲线进行水库诱发地震最大震级的判断、预测。

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Application of the small aperture seismic monitoring netw ork in the study of reservoir induced earthquake

XU Lianghua1，2，3，SU Kezhong2，CHANG Tinggai2，3
（1.The Collegeof Architectureand Civil Engineering，Beijing University of Technology，Beijing 100124，China；2.Earthpuake Engineering Research Center，IWHR，Beijing 100048，China；3.Research Center on Anti-Earthquakeand Emergency Support Techniquesof Hydraulic Projects，Ministry ofWater Resources，Beijing 100048，China）

Reservoir-induced earthquake is earthquake which is caused by reservoir storage in some special seism ic geological environment.At present，there are two main methods to study reservoir-induced earth⁃quake.The first method is to investigate seismic geologic conditions in reservoir area，at early constrction stage of dam，evaluate the risk of reservoir induced earthquake，and predict its maximum magnitude，which provides a basis for the seism ic design of dam.The second is to monitor and analyze，which pro⁃vides a basis for the seismic design of seismic monitoring network.In this paper，theoretical basis，monitor⁃ing purpose and monitoring technologies of small aperture seismic monitoring network are discussed.

reservoir-induced earthquake；seism ic monitoring network；small aperture seism ic monitoring

P315.73

：Adoi：10.13244/j.cnki.jiwhr.2015.04.010

1672-3031（2015）04-0300-06

（责任编辑：王冰伟）

2015-02-25

中国水科院科研专项（EB0145C072014）

许亮华（1978-），男，福建周宁人，高级工程师，博士生，主要从事水工抗震研究。E-mail：shepherd2008@126.com