大岗山水库地震监测系统建设及监测能力概估算和验证

赵 昱,钟李彬,何思源 ,刘华姣

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

大岗山电站工程为大渡河干流规划22级方案的第14个梯级电站，上游与硬梁包(引水式)电站尾水相连，下游与龙头石电站水库相接。坝址距石棉县城约40 km，距上游泸定县城约72 km。坝址区有省道S211(泸定—石棉)公路通过，向北行连接川藏公路，向东行至石棉县城附近与国道G108相通，坝址距成昆铁路乌斯河车站约130 km。该工程处在地震基本烈度为Ⅷ度的地区，是我国西部高烈度地震区的一项特大型水电工程。工程区位于康滇地轴的北端，处在扬子准地台和松潘—甘孜褶皱系两个一级大地构造单元的边界附近，又在川滇菱形断块的东部活动边界上。川滇菱形断块是喜山晚期十分活跃的一个新生的大地构造单元，在其东北至东侧形成了一条巨大的、走向北西和南北交互出现的现今活动构造边界，虽然不同段落活动的强烈程度有所差别，但晚更新世至全新世的活动性是无可置疑的。大岗山水电站水库诱发地震数字遥测台网系统工程，为水利水电工程专用小孔径密集遥测固定微震监测台网，重点监测与大坝、水库中段和工程场地安全有关的ML0.5级以上，MS5.0级以下的地震活动，即监测工程区(库坝区)内水库蓄水前的天然本底地震活动背景以及水库蓄水后库区及临近区域的天然地震和水库诱发地震活动，为水库诱发地震综合预测研究提供连续、可靠的基础数据。

1 台网建设

1.1 台网建设总体情况

大岗山水电站水库诱发地震监测系统建有8个固定监测台站和1个监测中心，8个监测台站分布在四川省甘孜藏族自治州泸定县和雅安市石棉县境内，1个中心为四川省地震监测中心。监测系统位于扬子准地台西部康滇地轴，在南北向、北西向和北东向多组断裂构造交汇部位，处在扬子准地台和松潘—甘孜褶皱系两个一级大地构造单元的边界附近，又在川滇菱形断块的东部活动边界上，监测区域范围为29.3°N～29.9°N，101.9°E～102.5°E。台站观测系统全部采用数字化技术方案。综合考虑大岗山水库台网的需求和实际条件，水库诱发地震监测系统主要由地震台站和监测中心构成。地震台站实现地动信号的拾取转换、数字化采集和发送；监测中心实现地震数据的接收、分析处理、存贮和成果产出，以实现对大岗山水库诱发地震的监测。

1.2 系统工作原理及技术配置

图1 大岗山水库台站观测系统组成

台站观测系统主要由4个技术单元组成，包括：专用地震监测设备、数据传输及通讯模式、台站供电、台站避雷(见图1)。(1)台站专用设备配置。按照区域数字地震台网技术系统要求，考虑到台网整体监测能力的需要，选用(高灵敏亚型双端 2 000 V·S/m)三分向地震计和多通道24位数据采集器。为满足数据传输标准的要求，采集器要有IP接口和RS-232接口，数据格式满足标准传输协议(佟晓辉等，1997)。在观测方式上，综合考虑各种因素，采取多种观测方式，如地表、摆坑式、山洞观测。在系统频率响应的选择上，地震观测系统的频率响应应与所观测地震的频谱结构相适应，满足极微震和水库地震观测的要求。具体仪器设备配置见表1。(2)台站供电。台站供电需充分考虑多方面因素，因台站位于偏远地区，平时维护不方便，若发生断电等情况可能无法正常工作，因此采用太阳能供电。(3)数据传输方式。由于台网布设区山高谷深，地形复杂，受自然及多方条件限制，只有采用中国电信的CDMA VPDN数据专网进行组网。CDMA VPDN专网传输到监测中心，监测中心业务软件完成数据汇集记录和处理，提供分析应用，在局域网内实现监测中心与分析预测研究中心数据共享。这种组网方式，有利于增加系统的稳定性和可维护性，有利于确保系统的运行率。(4)台站避雷。地震观测台属第2类防雷建筑物，主要预防感应雷造成的危害(刘洋君等，2014)。建筑物建设成等电位，利用建筑混凝土柱内的结构钢筋，作为引下线。防雷电感应和强、弱电系统的工作，保护接地共用接地装置，其接地电阻不大于4 Ω，电源装置和信号均安装相应的避雷装置。

表1 大岗山水库地震监测系统仪器配置

2 台站(网)监测能力估算

(1)估算原理。测震台网监测能力主要取决于台基、观测系统的响应灵敏度、仪器的动态范围、台网密度及台网布局等因素(张有林等，2005)，其原理是依据测震台站台基背景振动噪声观测值来确定可观测地震事件的振幅值，依据该振幅值和近震震级计算公式，建立震级大小和震中距的对应关系。该对应关系描述了测震台站对给定震级地震的有效监测范围。以4个以上台站公共监测区域的集合作为测震台网对指定震级的监控区域，该指定震级即为测震台网对该监控区域的监控能力。然后再用台站实际地动噪声分析值和公式:

计算各台测震系统的动态范围。式中，P——数据采集器量程为20 V；Ss0——地震计的电压灵敏度，为 2 000 V/(m·s-1)；rms——计算得到的rms值，单位为m/s。

表2 大岗山水库地震监测系统台站观测动态范围

(2)资料选取。抽取运行阶段2013年4月15日00时至4月17日00时的连续48小时记录的地噪声观测数据，按照GB/T 10084-1988的规定分别计算各台站每小时的噪声功率谱密度(PSD)，根据GB/T 3241-1998规定用1/3倍频程滤波器在1～20 Hz范围内，计算出RMS值，再取RMS平均值来表示台站的平均地噪声水平。并以台站所配置设备的相关参数，计算出每个台站的实际观测动态范围。大岗山水库诱发地震监测系统各台站的环境地噪声水平，如表2所示。

图2 大岗山水库地震台网监测能力图

(3)计算结果。根据数字地震测震台站观测技术规范要求，规定台基背景噪声1～20 Hz频带范围，地动速度的噪声RMS值作为台址勘选的评估标准，各子台噪声RMS值均小于1.0×10-7m/s，达到Ⅱ类台基噪声水平。各子台观测数据均能正确反映当地实际背景噪声水平，能正确评估该区域台网测震监测能力，在库区重点监视区内可以监控ML≥0.5级地震(见图2)。

3 监测能力验证

随机抽取2014年2月2日至 2017年9月2日期间，大岗山水电站地震监测台网记录到大岗山水电站库区内(29.2°～29.5°N，101.9°～102.5°E)地震3 296次，其中ML0～0.9级地震 2 710次，ML1.0～1.9级地震542次，ML2.0～2.9级地震40次，ML3.0～3.9级地震4次。 从大岗山水库库区震中分布图(见图3)可以看出，地震主要分布在大岗山水库周边，向北至鲜水河断裂末端，向南延伸至安宁河断裂带石棉县附近。对大岗山水库地震监测区进行地震活动性分析(见图4)可以看出，地震震级和月频次呈起伏波动变化，震级较高地震主要集中在2014年7～12月和2016年3～5月之间。其中2016年3～5月地震月频度较高，小震活动密集，蠕变图显示地震能量释放也主要集中在该时段；震级频度关系拟合结果显示最大截距震级为3.6级，与实际发生最大地震相同，地震活动的b值为1.0，略高于与川滇地区b值平均水平。

图3 大岗山库区震中分布

图4 大岗山水库地震监测区 2014 年 2 月至 2017 年 9月地震的 M-T、N-T、蠕变、LgN-M图

4 结论

大岗山水电站水库诱发地震监测系统正式运行以来，观测系统稳定，为水库诱发地震分析积累了重要的库区天然地震活动背景数据和资料。小震资料作为地震活动性分析的基础和关键资料，其完整性分析尤显重要，不容忽视(谢卓娟等，2012)。根据对国内外水库诱发地震的研究，诱发地震一般发生于库满到其后几年内。如浙江省的珊溪水库，2000年库满，2006年库区连续发生多次4级以上地震(刘洋君等，2014)。近年来，大岗山水电站水库诱发地震监测系统记录到的地震震级较小，但毕竟是有所活动，因而需加强监控，密切关注大岗山水电站水库地震活动的新动向。