澜沧江流域小湾、糯扎渡水库地震台网震级完备性初探

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  摘要:利用b值稳定性方法计算了云南省澜沧江流域上的小湾和糯扎渡水库台网地震目录的最小完整性震级MC,并对其实际监控能力进行了分析。结果表明,随着台网的建设,小湾水库台网的监控能力呈微弱下降,MC由一期台站运行时的ML1.6变为一、二期台站运行时的ML.1.7,表明台网的运行情况影响了其监控能力;糯扎渡水库台网的监控能力有了显著的提高,MC由一期台站运行阶段的ML1.3变为一、二期台站合并运行后的ML0.8。
  关键词:最小完整性震级;地震目录;监控能力;小湾水库台网;糯扎渡水库台网
  中图分类号:P315.7 文献标识码:A 文章编号:1000-0666(2014)03-0406-06
  0 引言
  区域地震台网监测能力的科学评估是台网进一步优化布局的基础,也是利用地震观测数据进行地震活动和地震危险性分析的前提。地震目录的最小完整性震级MC是表征地震台网监测能力的重要参数,其定义为覆盖时空范围内100%的地震事件可被监测到的最低震级(Rydelek,Sacks,1989;Wiemer,Wyss,2000)。对ML的科学评估是大多数地震活动和地震危险性分析中最关键的步骤之一。常用的估计区域Mc的方法有两类,一类是假定震级不小于Mc的地震在震级—频度分布上满足G-R关系(Gutenberg,Richter,1944),并认为这些地震的记录是完整的(Wiemer,Wyss,2000,2005;Cao,Gao,2002),震级—频度最佳满足G—R关系时所对应的最小起始震级即为Mc。另一类是基于概率的完整性震级方法(probability.based magnitude of completeness,简称为PMC)(Schorlemer,Woessner,2008)。由于PMC方法对观测资料、台站布设历史、采用的震级一距离衰减关系等要求较高,操作上具有一定难度,因此本文采用基于G-R关系的统计地震学方法进行研究。基于G-R关系计算Mc的方法主要包括EMR方法(Wiemer,Wyss,2005)、MAXC方法(Wi-emer,Wyss,2000)、6值稳定性方法(Mc by 6.value stability,简称为MBS)
  (Cao,Gao,2002)及拟合度分别为90%和95%的GFT方法(Wiem-er,Wyss,2000)等。Wiemer和Wyss(2000)利用拟合度分别为90%和95%的GFT方法研究了阿拉斯加、美国西部、日本地区的地震目录的最小完整性震级的空间分布,冯建刚等(2012)分别利用EMR、MAXC及GFT方法研究了甘肃地区地震目录最小完整性震级的时空分布特征,刘丽芳等(2012)采用MAXC方法和拟合度分别为90%和95%的GFT方法研究了云南地震区的MC时间演化。本文采用了b值稳定性方法分别计算分析了澜沧江流域上的两个水库台网,即小湾水库台网和糯扎渡水库台网的地震目录的最小完整性震级MC
  澜沧江纵贯滇西南,境外段为湄公河。澜沧江—湄公河长4 880 km,流经中国、缅甸、越南、泰国、老挝、柬埔寨6国,属亚洲第一国际大河、世界第三国际大河,它的水利资源开发与利用倍受沿岸各国关注。目前我国沿澜沧江规划了15个梯级电站,云南省地震局对澜沧江流域上进行地震监测的有小湾水库、糯扎渡水库、漫湾水库以及景洪水库。小湾电站水库是澜沧江龙头水库,坝高292 m,水库总库容为149.32×103m3,主库长178 km,于2008年开始蓄水。糯扎渡电站水库设计最大坝高262.5 m,设计正常蓄水位高程812m,水库总库容237.03×108m3,库长214 km,是澜沧江中下流梯级规划中工程规模、调节库容、装机容量和发电量最大的电站,于2011年11月29日开始蓄水。漫湾水库台网是从2012年8月开始运行,运行时间短,数据量少。景洪水库台网由于合同问题已于2012年10月停止运行,故笔者只选取了小湾水库台网及糯扎渡水库台网的地震目录为基础数据,使用6值稳定性方法分别计算分析了这两个水库地震目录的最小完整性震级Mc,并评估了其地震目录的质量,为水库库区地震的监测、水库诱发地震、区域地震活动性研究提供了参考依据。
  1 研究方法
  Cao和Gao(2002)根据6值的稳定性来测定区域最小完整性震级,该方法称为6值稳定性方法。在地震学研究中有很多常规的参数,如近震震级最早由Richter(1935)引入,另一个常规化计算的参数是频度一震级分布:
  lgN=a-bM. (1)
  式(1)描述了震级及其频度间的关系(Ishimoto,Iida,1939)。基于震级一频度关系,可以利用最大似然法(Aki,1965)来计算6值
  计算一系列地震的6值与所使用的方法有很大关系,不同6值可能是由相同的数据在不同的假设下计算所造成的。就最大完整性震级而言,不同的地震震级间隔、间隔内的零观察数据以及大震级地震都会影响到6值的计算。利用最大似然法计算成组数据的6值,能够恰当的计算最小完整性震级、震级间隔大小以及零观察数据的间隔(Bend-er,1983)。
  6值稳定性方法方法认为6值随最小完整性震级MC变化的曲线的特征为:当区域最小完整性震级MC小于实际值时,b值呈线性增长,而当达到实际地震监测的最小完整性震级后,b值不再随震级变化而变化,而是形成一平台。b值的转折点即为根据实际观测地震目录得到的区域最小完整性震级MC。   用于测定区域最小完整性震级时所使用的6值随震级变化曲线也可用于评价一个地震目录的优劣。对于一个符合G-R关系式(式1)的地震目录,b值随最小完整性震级变化曲线的特征为:当最小完整性震级小于实际值时,b值呈线性逐渐增加,当变化的最小完整性震级达到实际的值时,b值将不再变化。然而对于实际的地震目录,b值并不会如理论般的在最小完整性震级后呈一直线,而是在某一值的附近波动。所以b值在最小完整性震级后的变化情况可用来评价地震目录的好坏。
  2 台网资料
  2.1 小湾水库台网
  小湾水库台网由17个测震台站(含1个强震台)、1个中继站、1个数据汇集处理中心和小湾水库地震台网监测中心构成。其中一期台站12个,台站包围并均匀的分布于库坝区,于2005年6月1日开始试运行;二期台站4个,主要分布于库首区,于2009年9月1日开始运行,2010年4月小湾一、二期台站合并运行。小湾水库台网台站分布见图1。地震台网监测中心实时接收数据,使库区地震监测、速报、研究和预警形成一体,达到信息共享,快速应对紧急事件。数据经过工作人员的分析处理后生成台网各种数据及测定结果,并实现台网的各种监测功能。
  2.2 糯扎渡水库台网
  糯扎渡电站水库地震监测台网由12个测震台站和糯扎渡水库台网监测中心构成。一期台站4个,主要分布于糯扎渡水库库区,于2008年6月建成并完成主体设备安装,产出单台地震监测数据,2009年2月监测系统实现联网监测。二期台站8个,于2009年6月开始运行。2009年6月糯扎渡水库台网一、二期台站合并运行观测,台网分布见图2。
  2.3 数据选取
  在水库诱发地震的研究中选取地震目录时,李永莉等(2012)和林松建等(2010)选取的研究范围为库区20 km,毛玉平等(2008)和王绍晋等(2005)对云南漫湾水库和大朝山水库的选取研究范围为库区50 km。由于小湾和糯扎渡大坝周围20 km范围内的地震资料较少,而且两水库台网监控的库区地震范围远大于此,因此笔者选取大坝周围50 km范围内的数据进行分析研究,研究范围如图1和图2中的黑框所示。笔者选取2005年6月至2013年7月小湾水库20 698条ML≥-2.1的地震目录,以及糯扎渡水库自2008年6月至2013年7月13990条ML≥-2.1的地震目录来分析2个水库台网的实际监控能力。
  3 台网实际监控能力分析
  3.1 小湾水库台网
  小湾水库台网建设之初即2005年6月至2009年8月只有一期台站,2009年9月起增加二期台站,台站数量由原来的12个增加至16个,监测范围也由原来的库坝区扩大至库首区。利用水库建设的前后两个阶段的地震目录所得到的最小完整性震级直观的体现了小湾水库台网监控能力的变化,笔者使用MBS方法分别计算了2005年6月至2009年8月和2009年9月至2013年7月两个时期的最小完整性震级。图3a为运用MBS方法得到的小湾水库台网监测区的b值随震级下限变化曲线图,图中黑色点值为运用2005年6月至2009年8月,即一期台站的地震目录得到的b值变化,灰色点值为运用2009年9月至2013年7月,即一、二期台站的地震目录得到的6值变化。两个时间段得到的b值随震级变化曲线的特性都符合MBS方法所认为的b值随MC变化的曲线特性,即对于小于真实最小完整性震级的情况下,b值随震级的增加而增加,而在最小完整性震级处b值出现转折,对于大于最小完整性震级的部分b值将不再随震级增大而增加,而是保持在一个值附近波动。图3a中6值变化曲线显示转折点在ML1.6附近,而小湾水库台网监测区的MCL1.7。
  小湾水库台网由一期的12个台增加到了一、二期合并的16个台。虽然地震台站数目增加了,可根据实际观测的水库地震目录得到的小湾水库台网监控能力却下降了。决定MC的因素有台站密度、台站运行率、地震数据获取的途径及震级计算的方法等,由于小湾水库自运行开始,获取地震数据的途径和计算震级的方法一直未改变。而随着台站数增多,Mc并没有由于台站数增多而减小。虽然随着小湾水库地震台站数目增多,台站密度增大,但是一期台站的运行情况明显好于增加二期台站后的运行情况。
  图4为2005年6月至2009年8月一期台站和2009年9月至2013年7月增加了二期台站后的小湾水库台网各台和台网的平均运行率,从图中可看出只有一期台站时各台平均运行率均在90%以上,而增加二期台站后,有6个台站的平均运行率没有达到90%,最低的一个台的运行率仅为77.12%,增加二期台站后的各台平均运行率明显不如只有一期台站时的情况。增加二期后的台网的平均运行率91.37%,而一期台网的平均运行率为96.11%。虽然台站的密度在增大,但是台网的运行情况却影响了监控能力。
  虽然加入了二期台站,但由于台网运行率不高影响了小湾水库台网的最小完整性震级。运行率低应该会导致系统在不同震级结构下缺失地震,但图3a显示并非如此,ML2.0以上的地震缺失明显,而MC2.0以下的地震并无明显缺失,其原因为台站数增加对监测大震级地震没有影响,却加强了小震级地震的监测能力,因此监控到的库坝区地震数目明显高于只有一期台站时的情况。一期台站由于当时只要求分析0级以上的地震,所以没有记录到0级以下的地震,而增加二期台站后,小湾水库地震目录不仅丰富了0级以下地震的观测,而且所监控到的0级以上地震也远多于一期台站观测数。
  3.2 糯扎渡水库台网
  糯扎渡水库台网建设分两个阶段,2008年6月至2009年8月一期只有4个台站运行观测,2009年9月增加了二期8个台站,笔者按照这两个阶段来分析糯扎渡水库台网监控能力的变化。图3b为糯扎渡水库台网监测区的6值随震级下限变化曲线图,图中黑色和灰色的点线分别为使用2008年6月至2009年5月一期台站和2009年6月至2013年7月一、二期台站的地震目录得到的6值变化曲线。图3b中6值变化曲线显示黑色曲线的转折点为ML1.3,2009年6月至2013年7月的地震目录所得到的灰色曲线显示出现阶段的Mc为ML0.8左右。现阶段的糯扎渡水库台网的监控能力与只有一期4个台时期的监控能力相比提高了将近40%。
  2008年6月5日至2009年6月25日为糯扎渡电站水库地震监测台网的初运行期,在初运行期内由于没有形成完整的台网体系,存在人为因素和自然因素,导致台网运行存在诸多问题。2009年6月台网加入了二期8个台站,项目承担单位为了台网整体运行率的提高投入了大量人力、物力进行供电系统以及通讯系统改造,同时形成了完整的运行体系及管理规范,使得糯扎渡水库台网的运行情况有所好转。图5为2009年10月至2013年7月糯扎渡水库台网各台站和台网的平均运行率,台网的平均运行率为91.28%。而之前的数据由于管理的问题,并没有保存,所以无法给出。
  糯扎渡水库台网一期运行13个月,运行时间短,运行情况不佳,监测到的地震资料少,如图3b所示,所以目录质量不佳。而加入二期8个台站后,库坝区地震的监测能力得到了显著提高,水库地震目录中各震级档次的地震数量都远远大于一期观测数据。正是由于糯扎渡水库在增加二期台站后观测质量的提升,使得其最小完整性震级由ML1.3降到了ML0.8。
  4 结论
  笔者选取水库大坝周围50 km以内的地震资料,并使用MBS方法分别计算了小湾水库台网及糯扎渡水库台网的最小完整性震级。小湾水库台网最小完整性震级一期台站阶段为ML1.6,一、二期台站运行观测后为ML1.7。相比一期台站时期,现行的小湾水库台网的监控能力有微弱的减小,其原因为一期台站时的运行情况好于增加二期台站后的运行情况,实际观测揭示出现行的台网的运行情况影响了小湾水库的监控能力。
  糯扎渡水库台网一期单独运行时期的MC为ML1.3,一、二期台站合并运行时期的MC为ML0.8,糯扎渡水库台网在目前12个台站的框架下对发生在水库监测区内的ML≥0.8的地震不会存在漏记情况,但对于ML<0.8的地震由于台网密度不够而不能做到100%的记录。相比只有4个台站的初运行时期,现行的台网对库坝区的监控能力有了显著提高。
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