青海東部地區(qū)非天然地震識(shí)別與波形特征分析

馬麗

(青海省地震局湟源地震臺(tái)，青海 湟源 812100)

0 引 言

近年來(lái)相繼發(fā)生的天津港和江蘇響水爆炸事件、西藏江達(dá)山體滑坡事件等多起非天然地震事件，造成了重大社會(huì)影響和人民生命財(cái)產(chǎn)損失。在這些非天然地震事件發(fā)生的第一時(shí)間，中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心利用分布在當(dāng)?shù)氐牡卣鹋_(tái)記錄到的波形數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算，快速準(zhǔn)確地確定出事件的發(fā)生時(shí)間、位置、深度、震級(jí)以及震源性質(zhì)等參數(shù)，為后續(xù)的應(yīng)急救援和災(zāi)害評(píng)估提供了有力的依據(jù)，發(fā)揮了服務(wù)社會(huì)的作用。

青海省面積大、礦產(chǎn)資源豐富，全省不同范圍內(nèi)存在采礦企業(yè)進(jìn)行日常爆破作業(yè)，產(chǎn)生非天然地震事件。由于青海省數(shù)字地震臺(tái)網(wǎng)建立以來(lái)，對(duì)天然地震與非天然地震事件的識(shí)別區(qū)分能力還不成熟，導(dǎo)致在非天然地震監(jiān)測(cè)方面沒(méi)有一套完全的可行性處置流程，因此影響非天然地震事件的報(bào)送準(zhǔn)確性。又因非天然地震(爆破)引起的震動(dòng)幅度相對(duì)較小，在監(jiān)測(cè)臺(tái)網(wǎng)稀疏和監(jiān)測(cè)能力較差的區(qū)域，這種事件很難在多個(gè)臺(tái)站記錄到。本文重點(diǎn)對(duì)監(jiān)測(cè)能力強(qiáng)的青海東部進(jìn)行了爆破類非天然地震的實(shí)地調(diào)研，并利用測(cè)震臺(tái)網(wǎng)記錄到的東部地區(qū)非天然地震事件數(shù)據(jù)，結(jié)合爆破實(shí)地調(diào)研結(jié)果，將其與天然地震數(shù)據(jù)及波形作比較，總結(jié)歸納出非天然地震的一些基本規(guī)律及特征，進(jìn)一步提高非天然地震速報(bào)能力。

1 青海省測(cè)震臺(tái)網(wǎng)概況

青海測(cè)震臺(tái)網(wǎng)為了提高地震監(jiān)測(cè)能力，通過(guò)接收中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心流服務(wù)器下載共享的26個(gè)鄰省臺(tái)站數(shù)據(jù)(其中甘肅臺(tái)網(wǎng)14個(gè)、新疆臺(tái)網(wǎng)2個(gè)、西藏臺(tái)網(wǎng)6個(gè)、四川臺(tái)網(wǎng)4個(gè))，以及接入的中國(guó)大陸背景場(chǎng)探測(cè)項(xiàng)目青海子項(xiàng)目、中國(guó)地震科學(xué)臺(tái)陣項(xiàng)目和黃河地震臺(tái)網(wǎng)、青海油田花土溝臺(tái)網(wǎng)的部分臺(tái)站數(shù)據(jù)，共建成了一個(gè)覆蓋全省擁有86個(gè)測(cè)震臺(tái)站、1個(gè)小孔徑臺(tái)陣的數(shù)字地震觀測(cè)臺(tái)網(wǎng)(截止2020年9月)。青海測(cè)震臺(tái)網(wǎng)在東部地區(qū)臺(tái)站分布密度較大，臺(tái)間距約為30～100 km，監(jiān)測(cè)能力達(dá)到1.5級(jí)；中部地區(qū)臺(tái)站分布密度較小，臺(tái)間距約為100～200 km；西部地區(qū)臺(tái)站分布極其稀疏，平均臺(tái)間距大于200 km。全省大部分地區(qū)監(jiān)測(cè)能力達(dá)到2.0級(jí)，處于青藏交界的唐古拉山地區(qū)由于臺(tái)站極少，監(jiān)測(cè)能力只能達(dá)到ML3.0級(jí)左右(圖1)。青海臺(tái)網(wǎng)均采用廣東省地震局開(kāi)發(fā)的JOPENS系統(tǒng)作為測(cè)震臺(tái)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集與常規(guī)資料處理軟件，其中國(guó)家地震臺(tái)與區(qū)域臺(tái)分別架設(shè)了甚寬頻帶、寬頻帶地震計(jì)，均配備了24位數(shù)據(jù)采集器。

圖1 青海地區(qū)地震監(jiān)測(cè)能力分布

圖2 地震及爆破事件分布

2 資料來(lái)源

非天然地震包括爆破、滑坡、塌陷等各類人工參與的微小震動(dòng)。完整和準(zhǔn)確的地震目錄是地震預(yù)測(cè)的基礎(chǔ)工作，區(qū)分天然地震與非天然地震事件，建立準(zhǔn)確的天然地震事件目錄和完善礦震、塌陷、采石等非天然地震目錄已成為了當(dāng)下地震監(jiān)測(cè)人員的重要工作之一。利用非天然地震數(shù)據(jù)庫(kù)研究人工爆炸震源參數(shù)、爆炸當(dāng)量的關(guān)系，有助于對(duì)開(kāi)采部門的監(jiān)管，也可以對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)安全、礦產(chǎn)安全等進(jìn)行評(píng)估[1]。本文通過(guò)對(duì)青海測(cè)震臺(tái)網(wǎng)記錄到的青海東部湟中區(qū)、民和縣、大通縣爆破事件51個(gè)及同一地區(qū)天然地震22個(gè)(圖2)。其中，爆破事件震級(jí)范圍為1.7

3 現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研核實(shí)及震級(jí)、當(dāng)量的轉(zhuǎn)換

3.1 疑似事件現(xiàn)場(chǎng)核實(shí)

由于爆破產(chǎn)生的地震波特征與地震波類似，因而僅僅依據(jù)地震臺(tái)網(wǎng)記錄的波形難以區(qū)分其事件類型，為了核實(shí)記錄到的事件類型文通過(guò)實(shí)地走訪進(jìn)行非天然地震(爆破)現(xiàn)場(chǎng)核實(shí)，了解礦區(qū)采礦爆破的具體時(shí)間、爆破方式、礦區(qū)巖性、所用炸藥當(dāng)量，與我省測(cè)震臺(tái)網(wǎng)記錄數(shù)據(jù)對(duì)比分析。圖3是2020年6月2日16:49發(fā)生在西寧市湟中區(qū)的事件，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)核實(shí)此次爆破是企業(yè)采集石灰石而發(fā)生的日常工業(yè)作業(yè)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查可知作業(yè)區(qū)現(xiàn)有的鉆孔設(shè)備、巖石的硬度、炮孔直徑D=140 mm，炮孔在臺(tái)階面上采取垂直炮孔的形式，深度H=15 m，圖4為爆破鉆孔布置示意。此次爆破臺(tái)網(wǎng)測(cè)定震級(jí)為ML2.3級(jí)，震中位置為北緯36.40°，東經(jīng)101.45°。

圖3 青海湟中縣2020年6月2日爆破詳細(xì)定位結(jié)果

圖4 鉆孔布置

這樣的炮孔排列即實(shí)現(xiàn)了在中深孔爆破中所提倡的寬孔距小抵抗線的爆破，可采用微差擠壓爆破，有效降低大塊率，并能減弱爆破危害對(duì)周圍環(huán)境的影響。

3.2 爆破現(xiàn)場(chǎng)核實(shí)當(dāng)量與震級(jí)轉(zhuǎn)換當(dāng)量對(duì)比

爆炸當(dāng)量是用來(lái)衡量炸藥爆炸威力的物理量。炸藥在爆炸時(shí)，因填埋深度較淺，一部分能量會(huì)轉(zhuǎn)化為彈性波在地下傳播從而被地震計(jì)記錄到，一部分能量會(huì)在空氣中消耗。因此每次爆破事件實(shí)際所用當(dāng)量與震級(jí)轉(zhuǎn)換所得當(dāng)量有一定差別。每次爆破事件都有實(shí)際所用當(dāng)量，而在地震學(xué)方法中，也可以利用震級(jí)估算爆炸當(dāng)量[2]，本文采用當(dāng)量與震級(jí)轉(zhuǎn)換公式ML=0.9logY+1.3得到的轉(zhuǎn)換當(dāng)量與實(shí)際當(dāng)量做對(duì)比驗(yàn)證，結(jié)果如表1所示。

表1 非天然地震事件調(diào)查

4 波形識(shí)別

4.1 天然地震波形與非天然地震波形對(duì)比

圖5、圖6分別是青海測(cè)震臺(tái)網(wǎng)記錄到的天然地震和非天然地震波形。在三分向記錄圖上，每一種波的振幅特征是不相同的，總體上縱波的振幅小于橫波的振幅，由于縱波、橫波的振動(dòng)方式不同，所以縱波在垂直向的振幅強(qiáng)于水平向的振幅，橫波在水平向的振幅強(qiáng)于垂直向的振幅，震中距越大這一規(guī)律越明顯。地震波的頻率與震源性質(zhì)、傳播距離等因素有關(guān)。在同一條件下，縱波的周期小于橫波的周期，隨震中距的增大，波的周期會(huì)增大。隨震中距離及震級(jí)的增加，后續(xù)波形持續(xù)時(shí)間有較明顯的衰減規(guī)律。而非天然地震地發(fā)生一般存在規(guī)律性，因人為因素的參與，發(fā)震時(shí)刻比較有規(guī)律，一般發(fā)生在中午或下午；波形的初動(dòng)方向一般向上，周期大、頻率小；有些地區(qū)還有比較明顯的大周期面波，并且隨著震中距的增加，面波會(huì)越來(lái)越清楚。非天然地震因震源深度淺，能量衰減比較快[3]，尤其是Sg。圖5是一個(gè)較典型的地震，它符合地震的特征，P、S能容易分辨[4]。掌握了這些礦區(qū)非天然地震的特點(diǎn)。為今后提高非天然地震上報(bào)質(zhì)量提供了基礎(chǔ)資料，也為進(jìn)一步做好上報(bào)工作積累了經(jīng)驗(yàn)。

圖5 天然地震波形

圖6 爆破波形

4.2 識(shí)別方法

為建立準(zhǔn)確的天然地震數(shù)據(jù)庫(kù)，為預(yù)報(bào)強(qiáng)震奠定基礎(chǔ)，地震監(jiān)測(cè)工作者必須要具備較強(qiáng)的天然地震與非天然地震識(shí)別能力，但因非天然地震與天然地震某些特征類似，單靠波形識(shí)別，不能準(zhǔn)確區(qū)分，所有就有大量學(xué)者研究其識(shí)別方法，在以往的非天然地震識(shí)別研究中[5-6]，P波與S波的最大幅值比已成為判別天然地震與非天然地震最常見(jiàn)的方法之一。本文所用識(shí)別方法主要是初動(dòng)識(shí)別與P、S最大振幅比識(shí)別方法，兩種方法識(shí)別率如下。

4.2.1 初動(dòng)方向識(shí)別

這里的爆破主要是采石、工程、公路、礦山等的工程爆破，它與構(gòu)造地震的記錄特征有相似之處，但也有各自的特性。爆破的地震信號(hào)具有持續(xù)時(shí)間短，突變快的特點(diǎn)，通常是膨脹源激發(fā)，所以每個(gè)臺(tái)站所記錄到的P波垂直向的初動(dòng)方向均向上。在所選取的的51個(gè)非天然地震中，其中47個(gè)事件初動(dòng)向上，只有4個(gè)初動(dòng)向下，識(shí)別率達(dá)到92%。

4.2.2 P、S最大振幅比識(shí)別

本文選取了青海測(cè)震臺(tái)網(wǎng)近年來(lái)記錄到的非天然地震事件51個(gè)，同一地區(qū)天然地震事件22個(gè)。所選取得事件最少有五個(gè)以上臺(tái)站記錄到，剔除記錄不好的臺(tái)站，分別對(duì)每一個(gè)事件各個(gè)臺(tái)站仿真短周期W.A.后量取P 波最大振幅和S 波最大振幅計(jì)算出振幅比并求出平均振幅比(圖7)?？傮w表現(xiàn)出爆破的振幅比大于地震振幅比。振幅的大小象征著地震能量的大小，地震波的振幅隨著震中距的增大而逐漸衰減。如圖7所示，0.2是一個(gè)分界線，振幅比大于0.2都是爆破，小于0.2即為地震，此種方法識(shí)別率達(dá)到98%，更加可靠。

圖7 P波最大振幅與S波最大振幅比值

5 結(jié) 論

正確地識(shí)別波形是監(jiān)測(cè)工作的重中之重，掌握了各類波形的特征、識(shí)別方法，才能保證地震目錄相關(guān)資料準(zhǔn)確無(wú)誤。通過(guò)對(duì)近幾年青海省數(shù)字測(cè)震臺(tái)網(wǎng)記錄到的青海東部地區(qū)的天然地震事件與爆破事件進(jìn)行精細(xì)分析對(duì)比，發(fā)現(xiàn)青海省非天然地震基本都是人為參與實(shí)施爆破，發(fā)震時(shí)刻都在白天正常工作時(shí)間，有一定的時(shí)間特性，在以后遇到此類地震時(shí)，也可以用這一特性判定。

(1)青海省東部地區(qū)非天然地震波形大部分初動(dòng)方向都向上，符合膨脹波的特性。初動(dòng)方向識(shí)別率達(dá)92%，波形特征都存在周期大、頻率小、隨震中距離及震級(jí)的增加，后續(xù)波形持續(xù)時(shí)間有較明顯的衰減規(guī)律。

(2)通過(guò)東部地區(qū)非天然地震事件波形P、S波最大振幅比計(jì)算結(jié)果，發(fā)現(xiàn)這種方法識(shí)別率達(dá)到98%，若振幅比大于0.2是爆破的可能性大，若振幅比小于0.2則是天然地震的可能性較大。

(3)爆破當(dāng)量是衡量爆破釋放能量的基本參數(shù)，快速得出爆破當(dāng)量對(duì)后續(xù)應(yīng)急救援起到重要作用。而震級(jí)大小能夠計(jì)算出當(dāng)量大小，他們之間的關(guān)系都是已知當(dāng)量推導(dǎo)而來(lái)的經(jīng)驗(yàn)公式。

本文通過(guò)用震級(jí)、當(dāng)量轉(zhuǎn)換經(jīng)驗(yàn)公式推導(dǎo)出的當(dāng)量值與實(shí)地調(diào)研的實(shí)際當(dāng)量進(jìn)行對(duì)比，因爆破震源比較淺，有一部分能量在空氣中消耗轉(zhuǎn)換成熱能及其他形式，結(jié)果基本符合其規(guī)律。

致謝：感謝王培玲高級(jí)工程師對(duì)本文提供指導(dǎo)幫助。