鏡泊湖火山區(qū)波形事件識別及活動性分析

高雙玲，趙建通，梁阿全，馬寶君

（牡丹江地震監(jiān)測中心站，黑龍江 牡丹江 157009）

如今，通過對地震產(chǎn)生的波形信號、頻率狀態(tài)等特征，可以將火山地震分為主要的5大類，分別是：長周期地震、火山顫動、爆炸型地震、混合地震及火山構(gòu)造地震[1]。

長周期地震也稱為B型火山地震，該類地震的頻率一般小于5 Hz，其峰值一般在2 Hz左右，長周期地震一般被認為是巖漿活動或者其他流體活動在一種地下應力或者溫度變化梯度的作用下，產(chǎn)生了流體物質(zhì)的轉(zhuǎn)移而引發(fā)的一種地震。長周期地震波的特點是P波明顯，但是S波不發(fā)育，且該類地震只在火山區(qū)出現(xiàn)過。通過對火山區(qū)長周期地震的深度探索，可以為火山地震工作者進行火山預報及火山研究打下良好基礎(chǔ)。

火山顫動的地震波形形態(tài)相較于其他傳統(tǒng)的地震波形形態(tài)有著本質(zhì)區(qū)別，其地震信號不是粗狂奔放的劇烈波動，反而如同月之海鏡面的持久穩(wěn)定的地震信號，產(chǎn)生與巖漿活動有直接關(guān)系，其特點是波形持續(xù)時間長，可長達數(shù)小時乃至數(shù)個月，主要頻段0.1～7 Hz，火山顫動波形以長周期成分為主，因此也被認為是一系列長周期疊加形成的。

爆炸地震顧名思義是由火山劇烈活動、爆炸而引發(fā)的地震，火山爆炸地震與火山的爆炸噴發(fā)是相互對應的，其地震波形與火山構(gòu)造地震相比優(yōu)勢波形的周期更長一些，而且初動在任何一個方向看都是向外伸展，震源一般位于劇烈活動的火山口底部以下，產(chǎn)生的空氣振動的擾動在地震波形圖上清晰可見。

混合型火山地震較為特殊，其波形是同時具有A型和B型這兩種地震特征的一類火山地震，是只有在火山區(qū)內(nèi)才能記錄到的事件，屬于二次觸發(fā)的地震?；旌闲突鹕降卣鹗窃诨鹕綐?gòu)造地震的影響下，巖石的破裂及熔巖的干預共同作用之下產(chǎn)生的，由于其形成與巖漿運動密切相關(guān)，所以混合型火山地震的出現(xiàn)，通常是表明地震過程中必然伴隨有巖漿活動的直接參與，是巖漿活動的標志之一，這種地震波形在火山區(qū)也是非常少見的。

火山構(gòu)造地震也可稱之為高頻地震或者是A型火山地震?；鹕綐?gòu)造地震的頻譜相較于其他類型的地震顯得較寬且頻率較高，表現(xiàn)為波形的頻率成分豐富，主頻大多在5 Hz以上，其P、S波清晰，波形以短周期成分為主。一般認為火山構(gòu)造地震活動的增加通常是火山活動的早期信號。

火山巖漿的活動是產(chǎn)生火山地震的重要原因，二者密切關(guān)聯(lián)，正確高效識別和區(qū)分鏡泊湖火山區(qū)地震的不同類型，可以為研究判斷火山區(qū)巖漿活動的過程及巖漿活動的變化規(guī)律提供技術(shù)支持，對判斷一座火山的活動狀態(tài)具有十分重要的意義[2]。

中國地震局地球物理勘探中心于2002年在鏡泊湖火山區(qū)布設(shè)了14臺流動地震儀，分析發(fā)現(xiàn)火山區(qū)地震主要分布在火山口森林和區(qū)內(nèi)斷裂帶上，震源深度10~30 km范圍內(nèi)，震級多小于ML2.0，并存在疑似火山活動的長周期波形和火山顫動。這項工作結(jié)果表明目前鏡泊湖火山區(qū)雖活動水平不高，當仍存在一定的地震活動性[3]。本文對鏡泊湖火山臺網(wǎng)2008年以來觀測數(shù)據(jù)進行分析，對事件波形進行分類，建立鏡泊湖火山區(qū)各類事件目錄，并且通過分析火山區(qū)地震類型及區(qū)內(nèi)活動性特征，從而為火山活動的研究探索提供理論基礎(chǔ)，更為人民生命財產(chǎn)安全提供基石，具有重要的意義。

1 鏡泊湖火山監(jiān)測臺網(wǎng)概況

鏡泊湖火山位于黑龍江省牡丹江市管轄的寧安市西南，共有13個火山口，均為復式火山，由火山口森林、大干泡、五道溝、迷魂陣和蛤蟆塘等5個復式火山機構(gòu)構(gòu)成，全新世形成的火山群集中在火山口森林和蛤蟆塘2個地區(qū)[2]，如圖1所示。張招崇等[2]通過14C同位素年齡結(jié)果推斷，鏡泊湖火山最后一次火山噴發(fā)的時代即第三亞旋回的時代在2 000～1 000 a的可能性較大。一般認為，小于10 000 a的火山為休眠火山，并且年齡越年輕，其再次噴發(fā)的可能性越大。另外，他還在火山口森林地區(qū)發(fā)現(xiàn)了噴冷氣現(xiàn)象，這些都說明鏡泊湖火山是繼黑龍江五大連池、吉林長白山和龍崗后的又一個年齡小于3 000 a的危險火山[4]。

圖1 鏡泊湖火山群位置圖

為了更好地監(jiān)測鏡泊湖火山，2006年建立鏡泊湖火山監(jiān)測臺網(wǎng)中心，在火山區(qū)四周布設(shè)了5個測震臺站，如圖2所示，2008年正式開始產(chǎn)出數(shù)據(jù)，火山子臺安裝有20～40 Hz的寬頻帶地震計，采用無人值守，實時傳輸工作方式，2019年改造后，各子臺背景噪聲有效值均遠遠小于3.16×10-8m/s，5個臺站臺基都屬于“I級臺基噪聲水平”，優(yōu)秀的臺基噪聲，可清晰完整記錄火山區(qū)微震活動，監(jiān)測能力達到ML大于0.1監(jiān)控范圍[4]。

圖2 鏡泊湖火山臺網(wǎng)分布

2 鏡泊湖火山區(qū)事件波形識別

比較大的天然地震波形是很容易辨認的，但比較小的，特別是ML1.0以下的地震在波形上很難辨認。鏡泊湖火山區(qū)內(nèi)臺站環(huán)境較為復雜，臺站附近有道路、河流，特別是臺網(wǎng)區(qū)域內(nèi)有吉林最大的鐵礦——塔東鐵礦。通過對2008年以來鏡泊湖火山臺網(wǎng)觀測數(shù)據(jù)進行分析，火山區(qū)事件除了天然地震外，比較多的事件包括爆破、冰裂、塌陷及車輛干擾等。車輛噪聲在波形上比較容易識別，其波形特點是初至波沒有明顯變化，波形類似正弦波，能量較強、頻帶較寬，能量衰減也比較快。而由于鏡泊湖火山區(qū)地震震級比較小，記錄到的地震波形與爆破、冰裂和塌陷等事件波形就很難區(qū)分。而且爆破是鏡泊湖火山區(qū)內(nèi)非天然地震事件中記錄最多的事件類型，爆破事件遠遠多于天然地震事件，并且有些爆破的波形特征與天然地震的波形特征極其類似，單從波形特征上難以識別，如果把爆破判斷成天然地震記錄到數(shù)據(jù)庫或是把天然地震誤認為是爆破而沒有進行分析入庫，都將會影響到地震基本數(shù)據(jù)資料庫及地震編目的質(zhì)量。因此，在對鏡泊湖火山數(shù)據(jù)分析時，采取了以下幾種方法對火山區(qū)事件波形進行識別，并且對火山區(qū)的爆破、冰裂和塌陷等事件按照發(fā)生時間分別進行了歸類，為以后火山區(qū)研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

2.1 基于發(fā)生時間、地點事件識別方法

天然地震發(fā)震時間是隨機的，通過對2008年以來事件波形分析發(fā)現(xiàn)，火山區(qū)內(nèi)人工爆破時間和地點一般是有規(guī)律的，地點多集中在塔東鐵礦四周，爆破時間多發(fā)生在中午休息時或下午下班后，其他不固定的或零星的小爆破點，爆破時間都在白天上班時間較多；冰裂產(chǎn)生的主要原因是在自然條件下溫差和壓力的變化，冰裂干擾與震源激發(fā)無直接關(guān)系；既有隨機性又有時段性，冰裂多發(fā)生在每年11月下旬到次年4月初，且只有柳河臺和山莊臺能記錄到。綜上所述，在排除一些共性因素后可作為判斷事件類型的一個標準。

2.2 基于P波的初動方向進行識別

由于爆破是膨脹源，產(chǎn)生的壓縮波無象限分布，P波垂直分量初動方向應該是都向上，且波形P頭較大，形狀尖銳。地震則是巖石的破裂或錯動，這種方式下會產(chǎn)生膨脹波或壓縮波，有象限分布的特點，所以初動方向可能向上也可能向下。冰裂P波頭部發(fā)育，振幅較大，周期較長，S波振幅相對較小。

2.3 基于振幅比的識別方法

地震與爆破、冰裂及塌陷在震源機制上是不同的，因而導致激發(fā)S波的能力不同。理論上爆破、冰裂及塌陷主要產(chǎn)生P波，但由于受產(chǎn)生方式、傳播路徑等復雜因素的影響，也可能會派生出S波。因此無論爆破還是冰裂、塌陷都有較強的P波群，而相對于P波，S波則顯得相對較弱。而在地震發(fā)生過程中，巖石要發(fā)生剪切錯動，大多數(shù)地震會產(chǎn)生較強的S波，所以根據(jù)P、S波振幅比，可作為判斷依據(jù)。

2.4 倒譜分析方法

由于鏡泊湖火山區(qū)記錄到的地震震級較小，而且地球介質(zhì)結(jié)構(gòu)的復雜性也導致地震波的傳播變得極其復雜，體現(xiàn)在記錄波形上就是初動不清晰，很容易與其他火山區(qū)事件混淆。因此我們引用倒譜分析方法對事件波形進行進一步識別。倒譜就是把地震信號進行傅里葉變換，再對傅里葉變換譜進行對數(shù)運算后得到的傅里葉的逆變換。該方法通過對大量天然地震與人工爆破的地震記錄進行倒譜分析，提取事件的倒譜參量C，根據(jù)天然地震C值大，人工爆破C值小進行識別[5]。一般來說，地震的倒譜參量C值小于1，爆破的倒譜參量C值大于1。

3 鏡泊湖火山區(qū)地震活動性分析

根據(jù)火山地震類型的特征，用Matlab對地震波形進行頻譜分析，選取2010年11月30日和2014年7月13日發(fā)生在鏡泊湖火山區(qū)內(nèi)的兩次ML2.0地震和ML1.9地震進行分析。

選取火山區(qū)的地震進行頻譜分析，由圖3和圖4可知：P波、S波震相清晰，波形以短周期成分為主，一般處于高頻區(qū)，能量衰減慢，優(yōu)勢頻率都集中在5～25 Hz。從頻譜分析和波形圖上分析顯示鏡泊湖火山地震大部分屬于火山構(gòu)造地震。由于信號能量比較弱，很多地震都是單臺記錄到的，是火山地區(qū)局部破裂而引發(fā)的微小地震。

圖3 2010年11月30日M L2.0地震頻譜圖

圖4 2014年7月13日M L1.9地震頻譜圖

鏡泊湖火山群構(gòu)造上位于敦密斷裂帶西側(cè)，分布受北東向的密山-敦化深斷裂及其次一級北東向及東西向斷裂的控制，屬板塊內(nèi)部構(gòu)造環(huán)境，板內(nèi)（大陸地區(qū)）火山及火山地震，多與斷塊縫合線、深斷裂和基底斷裂有關(guān)[6]。大地電磁研究也推斷在鏡泊湖火山口森林下30～40 km有巖漿囊存在[7]。

鏡泊湖火山自有連續(xù)測震觀測記錄以來，在火山區(qū)共發(fā)生47次地震，也主要集中在該斷裂帶上，如圖5所示。震級一般不超過ML3.0，也說明目前鏡泊湖火山區(qū)地震活動雖然活動性弱，但仍然存在地震活動。

圖5 鏡泊湖火山震中分布

鏡泊湖火山區(qū)地震活動雖然活動性弱，但仍然存在地震活動，其地震活動主要表現(xiàn)為火山構(gòu)造地震，這些構(gòu)造地震主要分布在敦化-密山斷裂帶附近。

西太平洋板塊從日本海溝向歐亞大陸下俯沖，形成了對歐亞大陸地幔的擾動，這種俯沖的動力是東北地區(qū)深源地震和淺源地震的統(tǒng)一的動力源。俯沖應力積累到一定程度，可能會對震源周圍的地幔造成擾動，而鏡泊湖火山因為存在著巖漿囊，在一些特定的條件下，巖漿囊也會具有一定的活動性，從而在火山區(qū)記到一些火山地震。

4 結(jié)束語

通過鏡泊湖火山臺網(wǎng)記錄到的波形事件分析認為，天然地震與爆破、冰裂等事件波形在震相特征上具有很多差異，可以從發(fā)震時間、初動方向、P波與S波振幅比和倒譜分析等多方面進行辨別，建立火山區(qū)地震目錄，為研究火山地震活動性提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫。