GNSS Monitoring of Cross Fault Seismic Deformation of China Myanmar Oil and Gas Pipeline Project
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摘要: 中缅油气管道工程是我国重要的能源战略项目,该工程沿线地质背景复杂、破坏性地震多发,尤其是在云南境内跨越的3条大断裂曾发生过7级以上大震,有再次发生破坏性地震的可能性,对管道安全有潜在威胁。中缅油气管道地震观测项目通过在管道与3条断裂交汇处布设3组GNSS观测点,观测地震可能引起的断层位错,进而估计管道可能的变形影响。基于观测数据,分析影响观测的因素及断层位错的观测误差。管道变形承受能力对比结果表明,GNSS跨断裂变形观测系统能够有效观测断裂的位错,进而估计其对管道产生的影响。Abstract: China Myanmar natural gas pipeline project is an important energy strategic project in China, the geological background along the project is complex and destructive earthquakes are frequent, in particular, the three major faults across Yunnan have experienced major earthquakes of magnitude 7 or above, and it is likely to happen again which is a potential threat to the safety of the pipeline. The China Myanmar natural gas pipeline seismic monitoring project monitors the fracture dislocations that may be caused by earthquakes by setting up three groups of GNSS observation points at the intersection of the pipeline and three faults, so as to estimate the possible deformation impact of the pipeline. Based on the observation data, this paper discusses the factors affecting the observation, analyzes the observation error of fracture dislocation. Comparing the deformation bearing capacity of pipeline, it shows that the built GNSS cross fracture deformation observation system can effectively monitor the dislocation of fracture, and then estimate the possible impact of this deformation on pipeline.
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引言
2017年9月3日11时30分朝鲜在丰溪里核试验场进行了朝鲜迄今为止最大的核试验,震级达6.3级,地点位于41.3°N,129.1°E;紧接着当天11时38分在核试验场发生了塌陷,震级达4.6级,地点位于41.2°N,129.2°E。20天后,即9月23日16时29分在试验场区发生了3.4级地震,地点位于41.4°N,129.1°E。由于地点和时间的敏感性,这次3.4级地震引起了国内外的高度关注。
中国地震台网中心在3.4级地震发生后,依据该事件在很多地震台站记录的初动向上的特征,初步判定该事件性质为疑爆,并通过网站、微博对外公开发布。此后,中国科学院地质与地球物理研究所赵连锋等(2017)对地震波形的振幅比特征进行分析,认为本次发生在朝鲜核试验场的事件明显落入天然地震震源的群组,不是爆炸事件。当晚,由中国地震局监测预报司组织,中国地震台网中心、中国地震局地球物理研究所、辽宁省地震局、吉林省地震局联合召开了视频会议,对该地震的性质进行会商。
此后,中国地震台网中心邀请赵连峰到台网中心对该地震的性质进行了交流,地震学科协调组也组织专家开展了对该地震性质的研究,并将研究成果投稿至《科学通报(英文版)》,目前文章已接收(Gibbons等,2017)。
天然地震和非天然地震均可激发地震波。本文通过分析地震台网记录到的波形数据和频率特征,并综合上述研究和交流成果,对这次事件的性质进行了再判断,并对相关问题进行了分析。
1. 事件的地震波形分析
1.1 目标区天然地震记录情况
该事件发生在朝鲜历次核试验区域(41.4°±0.2°N,129.0°±0.2°E)(图 1),我国测震台网之前没有监测到该区域的天然地震(Wen等,2010;Zhang等,2013, 2015;Gibbons等,2017)。
1.2 台站P波初动
图 2显示长白台(CBT,震中距77km)、长白山台(CBS,震中距118km)、抚松台(FST,震中距176km)、珲春台(HCT,震中距185km)、延边台(YNB,震中距189km)、牡丹江台(MDJ,震中距315km)等6个台站所接收到的地震波的初动都向上,方位角为38.3°—270.5°(图 1),表明在两个相邻的象限内初动一致且向上。
天然地震是地下断层的突然错动,台站记录的初动方向呈现向上、向下四象限间隔分布,而非天然地震各个方向的台站记录的初动一般是一致的,如爆破初动全部向上、塌陷全部向下。由于此次事件在有记录的范围内各台站的P波初动都向上,因此,在速报时认定该事件性质为疑爆。
1.3 震中距较近台站出现面波
震中距0.69°的长白台和震中距1°的长白山台均出现Rg面波(图 3),表明地震波是水平入射,因为只有水平或近似水平入射才可能生成面波(Zhao等,2016)。
地震波要在震中距为0.69°时形成水平入射,那么事件的震源深度必定小于3km,且在接近1km的范围内。由此推断这次事件的震源深度较浅。
1.4 地震波频谱
如果一个地震记录只是一次断层错动、爆炸或塌陷,那么它产生的P波和S波在近场(远场可能因频散或滤波效应而产生解耦)无论高频还是低频都是耦合在一起的,表现出混频效应,不会出现高频波与低频波分离的解耦效应。
这次事件的较近台站为长白台(Δ=0.69°),该台记录的波形S波明显分为低频和高频两部分(图 4),说明这次事件不是单独事件。
1.5 不同体波的振幅特征
天然地震的力学机制为双力偶,由于剪切作用,地震台站一般会记录到明显的SH波分量(SH波是与地震到台站连线方向垂直的S波)。而非天然地震由于没有剪切作用,因此SH波分量一般没有或振幅较小。
这次事件中,部分台站的切向波形记录(T分量)包含较大分量的SH成分(图 5),表明此次事件具有明显的天然地震特征。
1.6 波P/S频谱比值
该事件虽然具有爆炸地震特征,但其P/S频谱比值不落在爆炸类的频谱范围内(Zhao等,2016;Gibbons等,2017;赵连锋等,2017)。后与中国科学院地球与地质研究所赵连锋和中国科学技术大学温联星等进行了沟通,基本认可该地震不是核爆。
另一方面,基于9·23事件P初动向上、S波明显等特征判定其为塌陷的理由不够充分。我们就该判定意见与赵连锋进行沟通,他也认可该结果,但该结论与他最初发布时认为是塌陷不一致,不过,他在网上发布结果并没有提及塌陷。此外,温联星等认为该事件是地下错动。
1.7 与同地区塌陷波形的比较
9月3日核爆后该区域又发生了一个4.6级塌陷事件,我们对9·23事件与这次塌陷事件的波形进行了互相关分析,截取两个事件8个台站P波前2秒至S波后30秒的波形记录进行频率域互相关,结果如表 1所示。虽然9·23事件有塌陷地震波特征,但是其波形与同一地区塌陷事件的互相关系数仅为0.22(8个台的平均值),相关程度较低,这表明9·23事件不是一次塌陷事件。
表 1 9·23事件与9·03塌陷事件的互相关性分析Table 1. Correlation analysis between the event occurred on September 23, 2017 and the collapse on September 3, 2017序号 台站名 最大相关系数 1 BST 0.300 2 CBS 0.208 3 CBT 0.048 4 FST 0.194 5 HCT 0.412 6 JYT 0.130 7 YNB 0.355 8 ZXT 0.135 1.8 震源机制反演结果
根据中国地震局地球物理研究所韩立波等人的震源机制研究结果(Han等,2017),该事件73.9%是位错分量(DC分量),但仍有25%的爆炸分量(ISO分量为正值,主要表现在波形的初始振动部分)(表 2)。此外,由表 2可以看出9月3日核爆的ISO分量是72%,塌陷事件的ISO分量是-84.6%。
表 2 2017年9月朝鲜几次地震事件的震源机制反演结果Table 2. Focal mechanisms of the three events occurred in North Korea in September, 2017事件 日期
(YYYY/MM/DD)UTC时间
(HH:MM:SS)ζ ISO/% DC/% 矩心深度/km 1 2017/09/03 03:30:01 0.85 72.3 26.6 2.4 2 2017/09/03 03:38:31 -0.92 -84.6 14.8 2.6 3 2017/09/23 08:29:16 0.50 25.0 73.9 2.6 图 6 9·23事件(蓝色)、核爆(红色)和天然地震事件(灰色)频谱比图(赵连锋等,2017)Figure 6. The spectrograms of the event on September 23, 2017 (blue), nuclear explosion (red) and natural seismic event (gray) (hao et al., 2017)(a)所使用台站分布图;(b)Pg/Lg频谱比图;(c)Pn/Lg频谱比图;(d)Pn/Sn频谱比图对比上述结果,与9月3日核爆和其后塌陷对比,分析认为,这次事件的天然地震的成分比较大,但有部分爆炸成分。
2. 结论与讨论
综上所述,9月23日3.4级地震的震源深度较浅,它不是一次简单的单独过程,初动和震源机制反映这次事件开始时是一次爆破,后续波形、振幅大小和震源机制显示这次事件的主体是一次由断层错动引起的天然地震。整体认为,这次事件是爆破和天然地震相继发生的复合型事件。
一种可能的推测是,由于该场地长期进行核爆炸实验,对地质结构造成较大影响,9月23日该区可能发生爆炸作用,如在修复矿洞时使用了某种爆炸物,而后触发了一次天然地震。
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表 1 GNSS测量系统技术性能指标
Table 1. Technical performance indexes of GNSS measurement system
指标 基本性能 通道 ≥24(并行) 测量方式 独立完整的码与载波相位测量、高精度的多重相关 L1/L2 伪距测量 采样 最大20 Hz RTK网络 VRS、FKP、MAC 数据存储 ≥32 MB 通信 RJ45、RS232,无线802.11 b 功耗 2 W 电源 10.5~28 V 直流,带压电保护功能。 工作温度 −30 ℃~70 ℃ 静态精度(MonNET 后处理) 水平:3 mm+0.5 ppm RMS
垂直:5 mm+1 ppm RMS快速静态基线精度(后处理)
水平:5 mm+0.5 ppm
垂直:10 mm+1 ppm动态定位:RTK
水平:10 mm+1 ppm
垂直:20 mm+1 ppm天线类型 L1/L2 零相位微对中天线,抑径板可以减少多路径干扰 天线增益 50 dB,内置低噪音放大器 使用温度 −40 ℃~70 ℃ 天线包装 防水、密封,高技术材料外壳机械强度高 表 2 数据利用率及周跳频次统计
Table 2. Statistics of data utilization and weekly hop frequency
测站 数据利用率/% 周跳频次 MDGCDS 100 0.006 2 MDGCF 100 0.012 0 MDGCDX 83 0.002 8 LLGCD 100 0.004 4 LLGCF 100 0.005 6 表 3 管道尺寸参数
Table 3. Design parameters of different pipeline projects
管道项目 外径/m 壁厚/m 设计压力/MPa 天然气管道 0.010 6 0.022 9 15 原油管道 0.813 0 0.028 6 15 成品油管道 0.219 1 0.009 5 15 表 4 管道容许变形计算
Table 4. Calculation of pipeline ultimate deformation
管道项目 容许拉伸量/cm 容许压缩量/cm 容许弯曲量/cm 天然气管道 41.13 27.57 8.4 原油管道 132.59 70.56 152.9 成品油管道 66.08 20.04 63.77 表 5 PPP基线误差收敛值
Table 5. Convergence value of PPP baseline error
方向 定西岭观测站基线
误差收敛值/cm龙陵观测站基线
误差收敛值/cmN 0.514 0.412 E 0.381 0.379 U 3.341 4.314 表 6 不同观测站观测值与真实值差值的标准差
Table 6. Difference standard deviation between observed values and true values at different stations
基线段 标准差/cm 定西岭观测站A-C 0.058 定西岭观测站B-C 0.060 定西岭观测站A-B 0.058 龙陵观测站A-B 0.029 表 7 N向GNSS管道观测阈值
Table 7. Observation threshold of GNSS pipeline in horizontal N direction
基线段 拉伸阈值/cm 压缩阈值/cm 弯曲阈值/cm 天然气管道 原油管道 成品油管道 天然气管道 原油管道 成品油管道 天然气管道 原油管道 成品油管道 定西岭观测站A-C 41.702 133.162 66.652 28.142 71.132 20.612 8.972 153.472 64.342 定西岭观测站B-C 41.704 133.164 66.654 28.144 71.134 20.614 8.974 153.474 64.344 定西岭观测站A-B 41.702 133.162 66.652 28.142 71.132 20.612 8.972 153.472 64.342 龙陵观测站A-B 41.571 133.031 66.521 28.011 71.001 20.481 8.943 153.443 64.313 表 8 E向GNSS管道观测阈值
Table 8. Observation threshold of GNSS pipeline in horizontal Edirection
基线段 拉伸阈值/cm 压缩阈值/cm 弯曲阈值/cm 天然气管道 原油管道 成品油管道 天然气管道 原油管道 成品油管道 天然气管道 原油管道 成品油管道 定西岭观测站A-C 41.569 133.029 66.519 28.007 70.999 20.479 8.839 153.339 64.209 定西岭观测站B-C 41.571 133.031 66.521 28.011 71.001 20.481 8.841 153.341 64.211 定西岭观测站A-B 41.569 133.029 66.519 28.009 70.999 20.479 8.839 153.339 64.209 龙陵观测站A-B 41.538 132.998 66.488 27.978 70.968 20.448 8.808 153.308 64.178 表 9 U向GNSS管道观测阈值
Table 9. Observation threshold of GNSS pipeline in vertical U direction
基线段 拉伸阈值/cm 压缩阈值/cm 弯曲阈值/cm 天然气管道 原油管道 成品油管道 天然气管道 原油管道 成品油管道 天然气管道 原油管道 成品油管道 定西岭观测站A-C 44.529 135.989 69.479 30.969 73.959 23.439 11.799 156.299 67.169 定西岭观测站B-C 44.531 135.991 69.481 30.971 73.961 23.441 11.801 156.301 67.171 定西岭观测站A-B 44.529 135.989 69.479 30.969 73.959 23.439 11.799 156.299 67.169 龙陵观测站A-B 45.473 136.933 70.423 31.913 73.93 24.383 12.743 157.243 68.113 -
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