河北數(shù)字地震臺(tái)網(wǎng)近震震相特征與典型震例庫(kù)的建立

楊銳，魏艷旭，劉麗，董一兵

(河北省地震局，河北 石家莊　050021)

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河北數(shù)字地震臺(tái)網(wǎng)近震震相特征與典型震例庫(kù)的建立

楊銳，魏艷旭，劉麗，董一兵

(河北省地震局，河北 石家莊050021)

摘要：主要分析了河北數(shù)字地震臺(tái)網(wǎng)近年來(lái)記錄到的華北區(qū)域近震中6種常規(guī)震相(PN、PG、P11、SN、SG、S11)的基本特征，分析總結(jié)了該區(qū)的震相特點(diǎn)。利用編目震例庫(kù)與動(dòng)態(tài)分析演示系統(tǒng)軟件，建立了河北臺(tái)網(wǎng)典型地震震例庫(kù)。為新人快速了解該區(qū)域地震波形特點(diǎn)和應(yīng)注意的問題提供了圖文、聲音、視頻并茂的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

關(guān)鍵詞：數(shù)字化近震記錄；震相分析；典型震例庫(kù)

0引言

河北省通過“首都圈”、“十五”網(wǎng)絡(luò)項(xiàng)目建設(shè)，建立了較完備的數(shù)字化地震觀測(cè)體系。河北數(shù)字地震臺(tái)網(wǎng)由河北省地震局直屬管理57個(gè)臺(tái)站及北京、天津、山東、山西、內(nèi)蒙、遼寧、地球物理研究所等7個(gè)測(cè)震臺(tái)網(wǎng)，共170個(gè)臺(tái)站組成，承擔(dān)著河北及鄰省的地震速報(bào)與地震分析處理編目任務(wù)。地震震相分析是微觀地震學(xué)的核心工作，是提取地震學(xué)及地球物理學(xué)研究數(shù)據(jù)的主要手段，是臺(tái)網(wǎng)工作的基礎(chǔ)。河北數(shù)字地震臺(tái)網(wǎng)自2002年正式運(yùn)行以來(lái)，積累了大量有價(jià)值的數(shù)字化記錄波形數(shù)據(jù)，地震記錄信息相當(dāng)豐富，為研究人員開展華北地區(qū)地震學(xué)及地球物理學(xué)研究提供了第一手基礎(chǔ)資料。首都圈地區(qū)地震波形震相復(fù)雜，識(shí)別有難度，且數(shù)字化以來(lái)針對(duì)華北地區(qū)區(qū)域地震震相特征的研究工作還很少，因此有必要對(duì)典型震例特征進(jìn)行分析和總結(jié)[1]。

福建省地震局研制開發(fā)的編目震例庫(kù)與動(dòng)態(tài)分析演示系統(tǒng)軟件，能完整地將典型震例進(jìn)行收集，并能實(shí)現(xiàn)視頻動(dòng)態(tài)效果，具有良好的使用和推廣前景，利用河北數(shù)字化以來(lái)豐富的數(shù)據(jù)分析河北臺(tái)網(wǎng)近震震相特征并建立典型震例庫(kù)，為臺(tái)網(wǎng)工作積累經(jīng)驗(yàn)、提供依據(jù)勢(shì)在必行。

不斷提高分析震相和地震速報(bào)水平是對(duì)地震工作者提出的最基本要求。震相識(shí)別與分析是地震編目與速報(bào)的基礎(chǔ)。河北省地震臺(tái)網(wǎng)有著堅(jiān)實(shí)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，在工作中發(fā)現(xiàn)不同地方的天然近震波形各具特色，在分析震相過程中，會(huì)遇到有爭(zhēng)議的問題，利用該臺(tái)網(wǎng)已有的數(shù)字化地震數(shù)據(jù)，總結(jié)、統(tǒng)計(jì)、用實(shí)例來(lái)說(shuō)明不同距離、不同方位、不同類型的近震震相特征，做好震相識(shí)別與分析并建立典型震例數(shù)據(jù)庫(kù)，為今后相關(guān)人員進(jìn)行學(xué)習(xí)、練習(xí)以及為地震速報(bào)和編目打好堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)具有實(shí)際意義。

1資料來(lái)源與說(shuō)明

本文按照相對(duì)于河北省地震臺(tái)網(wǎng)不同方位選取了6個(gè)具有典型記錄特征的近震：天津地處首都圈，在該臺(tái)網(wǎng)處理地震的責(zé)任區(qū)范圍內(nèi)，它的很多臺(tái)站地震計(jì)是井下擺，由于天津地質(zhì)條件特殊，記錄的波形很難區(qū)分是否是天然地震；山西相對(duì)偏西，位于該臺(tái)網(wǎng)邊緣地區(qū)，由于能記錄到地震波形的臺(tái)站數(shù)量有限，定位臺(tái)站包圍不夠密，震中較遠(yuǎn)，會(huì)出現(xiàn)難辨別的PN、SN震相，要注意區(qū)分震相；張家口地處河北最北部，地震發(fā)生比較頻繁，震相豐富，正確的區(qū)分和標(biāo)注地震要素是關(guān)鍵；唐山地處河北東部，地震發(fā)生頻繁，加上在首都圈附近，臺(tái)站密集，記錄的震相豐富，易混淆；深州地處河北東部，由于地下介質(zhì)比較破碎，記錄的地震波形特殊，尤其近臺(tái)記錄波形很像爆破，所以區(qū)分是否為天然地震是難點(diǎn)；石家莊辛集市在河北省會(huì)附近，地震波形與深州地震有相似之處，波形特別。這些地震震相特征各不相同，基本代表了河北地區(qū)近震的震相特點(diǎn)和難點(diǎn)，各個(gè)震例的基本參數(shù)及難點(diǎn)分析見表1。

表1

震例參數(shù)及分析難點(diǎn)

2典型近震震例分析

2.1天津市寧河縣M3.1級(jí)地震

由圖1a可見，最近的蘆臺(tái)地震臺(tái)(LUT)記錄到的垂直向一簇波形，波形不具備天然地震的特征。天津的臺(tái)站一般是深井觀測(cè)，覆蓋層厚，井下地震計(jì)記錄的波形不如地面地震計(jì)記錄得漂亮，震相更加復(fù)雜。河北省地震臺(tái)網(wǎng)記錄的地震波形標(biāo)準(zhǔn)特征較為明顯，天津地震多半波形特征較為復(fù)雜，人工爆破極似天然地震，有的淺源地震又似爆破，所以分析起來(lái)難度較大，須結(jié)合更多臺(tái)站來(lái)看。如其他天津的地震臺(tái)站、中國(guó)地震局地球物理研究所和河北地震臺(tái)網(wǎng)的多數(shù)地震臺(tái)站記錄的波形特征較為清楚，由此來(lái)判斷天然地震和爆破等。天津?qū)幒拥卣穑m然從圖1a來(lái)看，天津的蘆臺(tái)(LUT)、漢沽(HAG)、長(zhǎng)虹公園(CHH)、武清(WUQ)、大沽(DAG)等地震臺(tái)記錄的波形蹙成一團(tuán)，不易辨認(rèn)，但結(jié)合圖1b水平向記錄和圖1c河北地震臺(tái)網(wǎng)記錄的波形特征，可以判定它為天然地震。

圖1　天津?qū)幒覯3.1級(jí)地震記錄波形

天津?qū)幒拥卣鹚信_(tái)站記錄的波形按臺(tái)間距排序后，如圖1d所示。撒金坨(SJT)臺(tái)比其他臺(tái)站記錄的波形靠前，理論震相和實(shí)際震相也相差甚遠(yuǎn)，可見撒金坨(SJT)臺(tái)GPS對(duì)時(shí)有問題，時(shí)間不準(zhǔn)確，速報(bào)時(shí)一旦用上會(huì)影響定位結(jié)果，殘差很大，理論到時(shí)整體錯(cuò)位，也會(huì)影響地震的正確標(biāo)注，所以具備識(shí)別有問題臺(tái)站的分析能力很重要。

2.2山西省陽(yáng)曲縣M4.6級(jí)地震

山西地震對(duì)于河北省地震臺(tái)網(wǎng)屬于邊緣地震，由于臺(tái)網(wǎng)布局，參與定位的臺(tái)站比較偏，由矢量定位可見(圖2a)，臺(tái)站分布相對(duì)靠東。對(duì)于邊緣地震，編目時(shí)本省臺(tái)網(wǎng)記錄震相清晰的臺(tái)站需要標(biāo)上震相。該地震震中距較大，地震波形周期較大。圖2b為最近臺(tái)站記錄的波形。

如圖2c所示，多數(shù)臺(tái)站記錄的山西陽(yáng)曲縣M4.6級(jí)地震的SG-PG到時(shí)差在16 s以上，會(huì)出現(xiàn)PN、SN，所以震相識(shí)別很關(guān)鍵，不能將PN、SN與PG、SG混淆。一般PN比PG的周期大且振幅小，在PG之前出現(xiàn)。

圖2　山西陽(yáng)曲地震波形

2.3河北省張家口市張北縣M3.3級(jí)地震

河北省張家口地區(qū)地震震相清晰、特征明顯，較易定位，定位深度較深。由于地殼厚度較厚，PN、SN、P11、S11較其他地區(qū)如唐山地區(qū)出現(xiàn)得晚。在震中距80 km左右，即SG-PG約12 s時(shí)，會(huì)出現(xiàn)P11和S11震相；震中距在170 km左右，即SG-PG約18 s時(shí)會(huì)出現(xiàn)PN和SN震相。PN、SN的特點(diǎn)為周期大，振幅小；PG、SG相對(duì)PN、SN振幅大，周期??；P11、S11振幅最大，相對(duì)周期更小?？梢愿鶕?jù)以上特征在處理資料時(shí)稍加小心，以免震相混淆、出錯(cuò)。如圖3所示。

圖3　張家口地震波形

2.4河北省唐山M3.3級(jí)地震

如圖4所示，唐山M3.3級(jí)地震震相豐富，PN、PG、P11、SN、SG、S11震相都會(huì)出現(xiàn)，同時(shí)一些臺(tái)站定位殘差較大，使得最后定位殘差大于0.5的一級(jí)殘差范圍。需要調(diào)整一下個(gè)別臺(tái)站的震相，尤其是SG-PG大于16 s的臺(tái)站，會(huì)影響到殘差，一般可以把到時(shí)差在16 s以上的臺(tái)站震相或不是特別清楚的震相權(quán)重設(shè)置為0，不參與定位。但震中距大的臺(tái)站定的震級(jí)比較準(zhǔn)確，震中距小的臺(tái)站定的震級(jí)也偏小，因此可用震中距大的臺(tái)站定震級(jí)。由于臺(tái)網(wǎng)分布較密，能記錄到唐山地震波形的臺(tái)站較多，唐山地震大多會(huì)出現(xiàn)PN、SN或P11、S11，一般SG-PG為10 s左右，即震中距在70 km～90 km時(shí)，會(huì)出現(xiàn)P11、S11(圖4a中PMP、SMS)震相，且P11、S11振幅大于PG、SG振幅。隨著震中距增加，P11、S11逐漸變得不清，理論上當(dāng)入射角等于臨界角時(shí)就產(chǎn)生繞射波[2]，在震中距150 km，SG-PG約16 s左右出現(xiàn)PN、SN震相，如圖4b。

2.5河北省衡水市深州M2.4級(jí)地震

以2014年11月27日河北省衡水市深州M2.4級(jí)地震為例，由于深州地質(zhì)結(jié)構(gòu)以土層為主，薄且破碎，造成深州地震波形特別，波形周期普遍較大，如圖5a所示，放大窗中的波形周期也較大。深州(SHZ)和深縣(SHX)屬于最近的地震臺(tái)站，水平分向出現(xiàn)兩組類似的SG波，仿真后的周期也很大，如圖5b。深州臺(tái)(SHZ)東西分向另有一組波跟在其后，性質(zhì)不明。初學(xué)者會(huì)產(chǎn)生疑問，甚至?xí)J(rèn)為可能不是天然地震。但是記錄到類似波形的臺(tái)站很多，如果是爆破，沿地表傳播，不可能有如此多的臺(tái)站記錄到[3]。特別是有些較遠(yuǎn)的臺(tái)站也記錄到了，但個(gè)別遠(yuǎn)臺(tái)記錄波形特征不夠明顯，仿真后周期也偏大，如圖5c所示?？山Y(jié)合更多地面擺臺(tái)站記錄來(lái)區(qū)分是否為天然地震。

圖4　唐山M3.3級(jí)地震波形

2.6河北省石家莊市辛集M3.3級(jí)地震

2011年9月1日，石家莊辛集、衡水市冀州市、深州市交界發(fā)生M3.3級(jí)地震，距離2014年深州M2.4級(jí)地震不遠(yuǎn)，其他臺(tái)站記錄波形不存在特別之處，但深州臺(tái)(SHZ)井下地震計(jì)水平向SG后面跟著兩組波，如圖6a所示，與2014年記錄到的深州M2.4級(jí)地震的波形存在相似之處。但兩水平向的兩組波上下方向不一致，可能與深州的地質(zhì)構(gòu)造有關(guān)，深州地質(zhì)構(gòu)造破碎，波形可能特殊。2011年河北辛集交界地震，用單純型法定的震源深度較深，達(dá)到30.1 km，如圖6b，與該地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造不太相符，并且在精細(xì)定位中，出現(xiàn)PMP殘差-999的情況，原因不明，如圖6c。用HYPOSAT方法定位深度14.5 km，如圖6d，比較符合實(shí)際，精細(xì)定位結(jié)果中也未出現(xiàn)混亂數(shù)據(jù)，最終取該方法的定位結(jié)果。

圖5　深州M2.4級(jí)地震波形

圖6　河北辛集M3.3級(jí)地震

3典型震例庫(kù)建立情況

典型震例庫(kù)中，收錄了河北臺(tái)網(wǎng)記錄的3級(jí)以上地震編目相關(guān)的事件13個(gè)，3級(jí)以上地震速報(bào)相關(guān)的事件11個(gè)，爆破、塌陷相關(guān)的非天然地震事件7個(gè)，共31個(gè)，如圖7所示。每個(gè)地震事件或非天然地震事件中包含著震例信息、視頻、圖片及詳細(xì)報(bào)告。震例信息中包含地震的基本三要素，視頻中包含聲音錄制，對(duì)每個(gè)臺(tái)站每個(gè)震相如何標(biāo)取以及一些注意事項(xiàng)等均達(dá)到動(dòng)態(tài)視頻的效果，直觀明了。圖7可顯示特別臺(tái)站特殊波形的標(biāo)注，也包含地震定位的結(jié)果及不同定位方法定出結(jié)果的不同之處?？牲c(diǎn)擊每個(gè)地震事件，查看具體速報(bào)和編目情況，以達(dá)到學(xué)習(xí)的目的。這些事件中包含東南西北四個(gè)方位的地震，也是各個(gè)地區(qū)具有代表性的地震，北面的張家口、東面的唐山、西面的山西地震及石家莊附近的辛集地震，東面的衡水地區(qū)的地震，有的是網(wǎng)內(nèi)地震，有的是邊緣地震，都有較為詳細(xì)的記錄，錄屏工具也將標(biāo)注的每一個(gè)細(xì)節(jié)都進(jìn)行了錄音和錄屏，實(shí)現(xiàn)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)相結(jié)合的教學(xué)目標(biāo)。

圖7　典型震例庫(kù)的建立

4結(jié)論

通過以上論述和分析，可總結(jié)如下：

(1)天津的臺(tái)站為深井觀測(cè)，覆蓋層厚。記錄的波形不如地面地震計(jì)記錄得漂亮，與其他臺(tái)站相比震相識(shí)別更具復(fù)雜性。

(2)山西地震對(duì)于河北省地震臺(tái)網(wǎng)屬于邊緣地震，由于臺(tái)網(wǎng)布局，參與定位的臺(tái)站比較偏，需注意區(qū)分PN、P11、SN、S11震相和定位方法的選擇。

(3)河北張家口附近的地震震相清晰、特征明顯，但震相豐富，需注意不要混淆。定位深度較深，比較而言，單純型法定位結(jié)果似乎更精確。

(4)河北唐山地震震相豐富，特征明顯，但需注意區(qū)分PN、P11、SN、S11震相。

(5)河北深州地震波形特殊，特別是最近的臺(tái)站記錄的波形不似天然地震，SG后面會(huì)出現(xiàn)2個(gè)很一致的大周期波，會(huì)干擾天然地震的識(shí)別，必須結(jié)合其他臺(tái)站來(lái)綜合分析考慮，可能與當(dāng)?shù)氐貧ね翆颖∏移扑橛嘘P(guān)。

(6)典型震例庫(kù)中，收錄了河北省地震臺(tái)網(wǎng)3級(jí)以上地震編目相關(guān)的事件13個(gè)，3級(jí)以上地震速報(bào)相關(guān)的事件11個(gè)，爆破、塌陷相關(guān)的非天然地震事件7個(gè)，共31個(gè)，涉及省內(nèi)地震、邊緣地震、特殊波形地震和爆破等非天然地震，使初學(xué)者能夠通過震例信息、圖片、視頻和報(bào)告等更好地了解河北省記錄的地震波形特征、如何正確標(biāo)注震相以及在標(biāo)注過程中需要注意的問題。

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CHARACTERISTICS OF NEAR EARTHQUAKE SEISMIC PHASES IN HEBEI DIGITAL SEISMOGRAPH NETWORK AND THE DATABASE OF TYPICAL EARTHQUAKE CASES

YANG Rui, WEI Yanxu, LIU Li, DONG Yibing

(EarthquakeAdministrationOfHebeiProvince,Shijiazhuang050021,China)

Abstract：The basic characteristics of 6 kinds of normal seismic phase (PN,PG, P11,SN, SG, S11)recorded by Hebei digital seismic network in recent years in the North China region are analyzed and summarized. The database of typical earthquake cases in Hebei province is established by “the case library and dynamic analysis system” cataloguing software. The basic data of pictures, voice and video are provided for the regional seismic waveform characteristics and other problems.

Key words：Digital near earthquake record; Phase analysis; Typical case library

中圖分類號(hào)：P315.3

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1005-586X(2016)01-0004-10

作者簡(jiǎn)介：楊銳(1983—)，女，河北懷來(lái)人，工程師，本科，從事地震監(jiān)測(cè)與速報(bào)工作。E-mail：yangrui9811@eyou.com。

基金項(xiàng)目：河北省地震科技星火計(jì)劃項(xiàng)目“河北臺(tái)網(wǎng)近震震相特征分析與典型震例庫(kù)的建立”(項(xiàng)目編號(hào)：DZ20140712045)資助。

收稿日期：2015-11-10