蘆山地震科考人工爆破與構(gòu)造地震特征對比分析

魏婭玲，蔡一川，蘇金蓉

(四川省地震局，四川 成都 610041)

人工爆破與構(gòu)造地震在震源機(jī)制及其波形記錄的動(dòng)力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)特征都有不同。構(gòu)造地震是由于應(yīng)力集中超過介質(zhì)彈性限度導(dǎo)致巖石破裂、錯(cuò)動(dòng)的結(jié)果，在這一過程中產(chǎn)生了縱波(P波)和剪切波(S波)，一般破裂過程為幾秒、十幾秒至幾十秒，發(fā)震構(gòu)造通常為幾千米到幾十千米，震源一般都比較深，多數(shù)發(fā)生在地下幾千米到幾十千米的地殼深處;人工爆破多位于地表附近，且體積小，與構(gòu)造地震相比，更容易將其視為“點(diǎn)源”，爆破第一瞬間直接產(chǎn)生的波是壓縮波(P波)而沒有剪切波(S波)，S波是次生波，不是原生波，并且不是一種機(jī)制產(chǎn)生的，至少有兩種以上機(jī)制［1］。目前，地震觀測臺網(wǎng)記錄到的事件信號中包含了很多人工地震(如化學(xué)爆破、人工爆破、采礦誘發(fā)地震等)，這些事件的記錄，如果不能及時(shí)剔除，會混淆我們的地震目錄，影響地震學(xué)領(lǐng)域的研究工作。

在構(gòu)造地震與人工爆破事件的分類識別中，總結(jié)出有效的方法是分類識別的關(guān)鍵。自上世紀(jì)50年代開始，國內(nèi)外在這兩類事件的識別方面進(jìn)行了廣泛和深入的研究，并提出了多種識別判據(jù)，主要有:P波初動(dòng)、震源深度、體波震級Mb與面波震級MS之比、P波初動(dòng)振幅與P波最大振幅比、勒夫波和瑞利波振幅比、P波與S波譜振幅比、P波與勒夫波譜振幅比、倒譜、小波變換、瞬態(tài)譜等［2～5］。由于構(gòu)造地震與人工爆破波形記錄特征均受當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)條件影響，各地區(qū)波形記錄特征不盡相同，因此本文利用四川地震臺網(wǎng)記錄的蘆山科考人工爆破和構(gòu)造地震資料進(jìn)行小范圍波形記錄特征分析，歸納上述兩類事件波形記錄的主要區(qū)別，不僅可以避免大范圍地質(zhì)結(jié)構(gòu)差異對分析結(jié)果的影響，而且有助于大震速報(bào)和地震編目事件類型的正確判別，提高地震監(jiān)測質(zhì)量，為防震減災(zāi)工作打好扎實(shí)基礎(chǔ)。

圖1 研究所用臺站和蘆山科考人工爆破點(diǎn)分布

1 資料選取和處理

中國地震局蘆山“4·20”7.0級地震科學(xué)考察小組為了查明蘆山地震的發(fā)震構(gòu)造及其特征、構(gòu)建蘆山地震的發(fā)震構(gòu)造模型，采用人工地震剖面和科考臺陣記錄資料來揭示震區(qū)的地殼精細(xì)結(jié)構(gòu)和深淺構(gòu)造關(guān)系。蘆山科考臺陣總計(jì)35個(gè)臺站(見圖1)，運(yùn)行狀況良好，于2013年6月24日全部匯入四川地震臺網(wǎng)中心進(jìn)行實(shí)時(shí)分析處理，震區(qū)余震監(jiān)測能力得到了極大提高;人工地震爆破點(diǎn)總計(jì)8個(gè)(見圖1)，橫穿龍門山斷裂帶南段，長300多km，并分別于9月28日和10月21、22、23日成功完成爆破(見表1)，四川地震臺網(wǎng)中心很好地記錄了這8次人工爆破地震波形。同時(shí)，截至2013年12月24日，四川地震臺網(wǎng)中心共記錄到蘆山7.0級地震余震13 251次，201 454條震相數(shù)據(jù)。上述這些資料為研究蘆山地震科考人工爆破與構(gòu)造地震對比分析提供了資料保證。

考慮到分析結(jié)果的可比性，本研究選用6月24日至12月24日，沿蘆山科考人工爆破展布寬度約40 km范圍，1.3≤ML≤2.1(符合表2計(jì)算出的爆破地震震級范圍)，記錄臺站個(gè)數(shù)不少于6的構(gòu)造地震事件，最終挑選出40個(gè)最符合要求的構(gòu)造地震事件進(jìn)行對比分析。同時(shí)，為了測定出可靠的人工爆破和構(gòu)造地震事件震源位置，統(tǒng)一采用Hypocenter和川滇三維速度模型［6］進(jìn)行重新定位，圖1是本研究重定位所用臺站和蘆山科考人工爆破點(diǎn)分布圖。表1是“4·20”7.0級地震科考人工爆破點(diǎn)參數(shù)，表中根據(jù)炸藥當(dāng)量直接估算出了人工爆破事件的里氏震級，當(dāng)量折合成里氏震級估算公式為:ML=1.84+0.7logT(T:噸)，估算出的最大人工爆破地震是阿壩州金川縣太陽河鄉(xiāng)sp8炮點(diǎn)。表2是根據(jù)人工爆破事件記錄波形重新測定的爆破點(diǎn)位置參數(shù)，從表中可以看出，根據(jù)記錄波形測定的里氏震級均小于由炸藥當(dāng)量直接估算的里氏震級，主要是地震波在傳播路徑上介質(zhì)對能量吸收衰減的緣故;由記錄波形測出的最大人工爆破地震不是sp8炮點(diǎn)，而是樂山市關(guān)廟鎮(zhèn)sp1炮點(diǎn);測定位置偏差大于1 km的爆破點(diǎn)有sp4和sp7。

表1 “4·20”7.0級地震科考人工爆破點(diǎn)參數(shù)

表2 根據(jù)人工爆破記錄波形測定的爆破點(diǎn)位置參數(shù)

2 波形記錄特征分析

2.1 構(gòu)造地震波形記錄特征分析

由于本研究選擇的構(gòu)造地震震級較小，震中距大于200 km的臺站幾乎記錄不到清晰的地震波列，波形特征主要表現(xiàn)為清晰的Pg、Sg兩組波列(見圖2)，Pg的周期一般為0.05～0.25s，Sg的周期一般為0.1～0.5s，記錄到的直達(dá)縱、橫波到時(shí)差小于26s，主要振動(dòng)持續(xù)時(shí)間在3min之內(nèi)。當(dāng)震中距小于180 km時(shí)，大多數(shù)臺記錄不到下地殼繞射波Pn和Sn，一般只有兩個(gè)清晰的直達(dá)波，極個(gè)別臺站可記錄到清晰的下地殼反射波PmP和SmS;當(dāng)震中距大于180 km時(shí)，部分臺站可記錄到比較清晰的下地殼繞射波Pn和Sn。采用Hypocenter和川滇三維速度模型［6］對40個(gè)構(gòu)造地震進(jìn)行重新定位，重定位震源深度均大于8 km;選用單層地殼速度模型，用直達(dá)波走時(shí)方程分別計(jì)算出40個(gè)構(gòu)造地震直達(dá)縱波Pg的平均傳播速度，其值在5.89～6.34 km/s之間，所得結(jié)果為地震震源區(qū)上部直達(dá)縱波傳播速度的平均結(jié)果。

受龍門山東、西兩側(cè)地殼構(gòu)造不同的影響，東、西兩側(cè)地震記錄波形震相特征存在差異，在震級相近的情況下，東側(cè)地震記錄波形較西側(cè)地震記錄波形稀疏，典型震例波形見圖2。圖2(a)是2013年8月13日18時(shí)15分發(fā)生在龍門山東側(cè)洪雅地區(qū)的ML2.1地震記錄波形，地震震源深度為16 km;圖2(b)是2013年7月17日22時(shí)00分發(fā)生在龍門山西側(cè)小金地區(qū)的ML1.8地震記錄波形，地震震源深度為12 km。

圖2 龍門山東、西兩側(cè)構(gòu)造地震波形

2.2 人工爆破波形記錄特征分析

爆破是瞬間發(fā)生的，作用時(shí)間短，震源體積小，振動(dòng)時(shí)間短。其優(yōu)勢周期比構(gòu)造地震小，同時(shí)，爆炸源使周圍介質(zhì)在最開始時(shí)受壓縮作用，垂直向Pg波初動(dòng)向上，而對于構(gòu)造地震垂直向Pg波初動(dòng)呈四象限分布［7］。

四川蘆山科考人工爆破為地方爆破，8個(gè)炮點(diǎn)中，只有sp1和sp8兩個(gè)當(dāng)量較大的爆破點(diǎn)波形能被震中距大于120 km的臺站記錄到。近臺爆破波形多顯示為Pg振幅突出，Sg波不清，垂直初動(dòng)向上。隨震中距或爆破點(diǎn)位置的不同，人工爆破波形記錄特征也有所不同。主要有:①圖3和圖4是按從東至西的順序排列各爆破點(diǎn)記錄波形的。通過對比可知，面波發(fā)育程度由東至西呈現(xiàn)逐漸減弱現(xiàn)象。②當(dāng)震中距小于120 km時(shí)，臺站記錄波形多顯示為Pg波振幅突出，Pg波最大震幅均大于Sg波最大震幅;龍門山東側(cè)人工爆破點(diǎn)的記錄波形面波發(fā)育，且當(dāng)量越大的人工爆破面波越發(fā)育(見圖3)，Sg波不易識別;龍門山西側(cè)人工爆破點(diǎn)的記錄波形面波不發(fā)育，個(gè)別臺站Sg清晰可辨，如sp6炮點(diǎn)震中距為73 km的WOLN臺和sp7炮點(diǎn)震中距為12 km的XJI臺等(見圖4)。③當(dāng)震中距大于120 km時(shí)，臺站記錄的爆破波形與天然地震波形相似(見圖5)，Pg振幅不突出，龍門山東側(cè)爆破點(diǎn)的Pg波最大震幅小于Sg波最大震幅，如果只有遠(yuǎn)臺記錄波形，是很難直觀分辨出地震事件類型的。

圖3 震中距小于120 km臺站記錄的龍門山東側(cè)人工爆破波形

圖4 震中距小于120 km臺站記錄的龍門山西側(cè)人工爆破波形

圖5 震中距大于120 km臺站記錄的人工爆破波形

選用單層地殼速度模型，本研究用直達(dá)波走時(shí)方程分別計(jì)算出8個(gè)人工爆破地震直達(dá)縱波Pg的平均傳播速度，其值在5.57～6.05 km/s之間。對比構(gòu)造地震與人工爆破地震直達(dá)縱波平均速度可知，構(gòu)造地震傳播速度大于人工爆破地震的傳播速度，其原因主要是人工爆破震源淺，地震波在沉積層中傳播的緣故。由于爆破地震震源淺，傳播介質(zhì)疏松，隨著震中距的增大，其高頻成分很快被疏松介質(zhì)吸收，所以直達(dá)Pg波的周期也明顯變大。在兩者震中位置差小于10 km、震級相等的情況下，構(gòu)造地震波持續(xù)時(shí)間較長，波及面大，而人工爆破地震波持續(xù)時(shí)間相對較短，波及面小。

3 結(jié)論

(1)人工爆破地震是以點(diǎn)源膨脹產(chǎn)生地振動(dòng)，從而驅(qū)動(dòng)爆破點(diǎn)四周的巖石向各個(gè)方向?qū)ΨQ輻射能量，故近臺Pg波發(fā)育，垂向初動(dòng)向上;Sg波是多種機(jī)制生成的次生波，不發(fā)育。

(2)在構(gòu)造地震與人工爆破事件的分類識別中，直接有效的方法就是使用震中距小于120 km的多臺波形記錄特征進(jìn)行判別。如果僅有震中距大于120 km的臺站記錄波形，則需進(jìn)一步計(jì)算出地震波傳播速度、持續(xù)時(shí)間等參數(shù)后才能判別。

(3)經(jīng)過研究分析發(fā)現(xiàn)，地震震相的基本特征與震源的力學(xué)過程、波的傳播路徑、地震的大小、震中距的遠(yuǎn)近、儀器的性能、臺基的巖性等因素有關(guān)。各地區(qū)地震波形記錄特征不盡相同，需要在分析中多加總結(jié)，熟練掌握地震波分析的要領(lǐng)以及地震波記錄的形態(tài)，這樣才能提高自身的分析水平和監(jiān)測工作質(zhì)量。

［1］中國地震局監(jiān)測預(yù)報(bào)司.實(shí)用數(shù)字地震分析［M］.北京:地震出版社，2009.8.

［2］邊銀菊.遺傳BP網(wǎng)絡(luò)在地震和爆破識別中的應(yīng)用［J］.地震學(xué)報(bào)，2002，24(5):516-524.

［3］和雪松，李世愚，沈萍，馮全雄.用小波包識別地震和礦震［J］.中國地震，2006，22(4):425-434.

［4］劉希強(qiáng)，沈萍，張玲，等.用小波變換能量線性度方法識別天然地震與爆破或塌方［J］.西北地震學(xué)報(bào)，2003，25(3):204-209.

［5］楊選輝，沈萍，劉希強(qiáng)，等.地震與核爆識別的小波包分量比方法［J］.地球物理學(xué)報(bào)，2005，48(1):148-156.

［6］吳建平，黃媛，張?zhí)熘?，?汶川Ms8.0級地震余震分布及周邊區(qū)域P波三維速度結(jié)構(gòu)研究，地球物理學(xué)報(bào)，2009，52(2):320-328.

［7］陳培善.測震分析常用方法［J］.地震地磁觀測與研究，1991，12(6):25-78.