水庫地震監(jiān)測臺網(wǎng)干擾源及其波形特征分析

陳 輝， 雷 學(xué)， 戴 繪， 胡 興 堯

(1.中國電建集團(tuán)貴陽勘測設(shè)計研究院有限公司，貴州 貴陽 550081；2.成都理工大學(xué)地球物理學(xué)院，四川 成都 610059；3.國電大渡河猴子巖水電建設(shè)有限公司，四川 康定 626005)

1 引 言

水庫地震監(jiān)測臺網(wǎng)是由多個遙測臺站組成的監(jiān)測系統(tǒng)，為研究水庫蓄水前后庫區(qū)周邊地震活動性分析提供重要資料。臺網(wǎng)記錄的地震波形中有時包含了類似地震波的其他干擾波形，如爆破、滑坡、機械震動以及人為干擾等。怎樣識別和剔除這些干擾波形，前輩們已做大量工作。許健生等[1](1999)對中國數(shù)字地震臺網(wǎng)記錄到的5個附近工業(yè)爆破與震級相近的7個天然地震作波普分析比較，發(fā)現(xiàn)人工爆破與天然地震的波普參數(shù)和震源參數(shù)有較大差異。張萍[2]等(2005)采用波譜分析的方法，對爆破、礦震和天然地震進(jìn)行研究，得出爆破、礦震與天然地震的縱橫波拐角頻率以及最大譜值等均存在差異。閆俊崗[3]等(2011)總結(jié)分析了小浪底水庫數(shù)字臺網(wǎng)記錄的波形資料，認(rèn)為該水庫地震臺網(wǎng)波形記錄有特定的記錄特征……魏婭玲[4]等(2014)對四川蘆山地震科考人工爆破與構(gòu)造地震特征對比分析后，用實例驗證了不同震中距、不同地區(qū)，震級相近的兩類地震震相特征是不同的。

本文利用某臺網(wǎng)記錄到的實際地震資料，對記錄到的爆破、滑坡、機械震動以及人工干擾等波形，從波形、發(fā)震時間、初動方向、P波與S波振幅比(APM/ASM)以及功率譜等方面進(jìn)行分析，得到該臺網(wǎng)干擾波形的相關(guān)特征。以便更加快速準(zhǔn)確的識別各類地震類型，及時剔除干擾事件，為水庫活動性分析提供更準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。

2 干擾波形特征

天然地震主要是指構(gòu)造地震，是構(gòu)造應(yīng)力集中超過介質(zhì)彈性限度時，巖石破裂、巖層瞬時錯動的結(jié)果，一般振動時間為幾秒至幾十秒。天然地震中，當(dāng)震中距為100 km內(nèi)地震稱為地方震。對于天然地震的PG波呈四象限分布，即震源發(fā)生的振動，使一定方位的介質(zhì)受壓，形成壓縮波，PG波向上；另一方位的介質(zhì)受拉伸，形成膨脹波，PG波向下。利用臺網(wǎng)實際地震資料，選取爆破、滑坡、機械震動以及人工干擾等波形，分別對比各干擾波形特征。

2.1 爆破干擾波形特征

爆破是瞬間發(fā)生的，作用時間短，震源體積小，振動時間短，優(yōu)勢周期比天然地震小，發(fā)震的地點不固定。爆破的震源體對源外介質(zhì)施加的是壓力，產(chǎn)生的是壓縮波，因此，一般表現(xiàn)為垂直向P波初動向上。

臺網(wǎng)記錄的爆破波形與天然地震波形相比(如圖1)：爆破的P波初動方向向上，周期比天然地震大。由于爆破淺源一般在5 km左右，且爆炸體積小，所以可以簡單的認(rèn)為爆破地震是點源，因此產(chǎn)生無象限分布的、且初動向上的P波。統(tǒng)計該臺網(wǎng)記錄的爆破地震的P波初動方向發(fā)現(xiàn)，初動向上的臺站占67.1%，初動向下的臺站占1.4%，初動方向不清楚的臺站占31.5%。

圖1 典型天然地震與爆破地震波形

取爆破位置到臺站距離D≤20 km的爆破做統(tǒng)計，同時選擇振幅接近地脈動水平的時間點作為爆破尾波的終結(jié)點，得到爆破持續(xù)時間T與D及爆破當(dāng)量震級ML的關(guān)系圖(如圖2)。從圖中可以看出D<5 km的爆破，衰減很快，持時較短。

統(tǒng)計該臺網(wǎng)記錄的爆破地震的APM/ASM(隨機抽樣100次)，得到圖3。經(jīng)統(tǒng)計APM/ASM≥1的爆破占比43%， APM/ASM≥0.8的爆破占比為84%，說明該臺網(wǎng)爆破地震多顯示為P頭大。

選取震級較小且震中距較近的天然地震和爆破進(jìn)行歸一化功率譜分析，對比結(jié)果見圖4。從圖中可以看到，該臺網(wǎng)監(jiān)測區(qū)天然地震的優(yōu)勢頻段較高，主要集中在1～12Hz以內(nèi)；爆破的優(yōu)勢頻段較低，主要集中在1～5Hz以內(nèi)。通過比較發(fā)現(xiàn)爆破地震優(yōu)勢頻段比天然地震窄。

圖2 爆破持時與距離及當(dāng)量震級關(guān)系圖

圖3 某臺網(wǎng)爆破APM/ASM

圖4 各子臺記錄爆破波形與天然地震歸一化功率譜圖

以上分析發(fā)現(xiàn)該臺網(wǎng)記錄的爆破的P波初動多為向上，且多表現(xiàn)為P頭大；爆破衰減快，且持時短；APM/ASM比值較大；爆破優(yōu)勢頻段比天然地震窄。

2.2 滑坡干擾波形特征

滑坡不是一瞬間完成的，而是滑動開始后，短時間內(nèi)滑坡體向前沖刷，不斷產(chǎn)生新的巖層破裂和錯動，并由于摩擦和碰撞，形成新的振動源。該水庫周邊存在一些規(guī)模較小的滑坡，如道路修建、排危等由于高程落差較大而向山體下滑落土、石引起的滑坡。由于能量小，并且在地表傳播，衰減迅速，地震臺站較難記錄到波形。

該臺網(wǎng)記錄的滑坡事件波形如圖5，從波形上看其初始微弱，P波不明顯，且振幅大小和周期變化均不大。由于新的振動不斷加入，各種波形疊加在一起，無構(gòu)造地震明顯的縱橫波特征，后續(xù)震相難以區(qū)分。對滑坡波形進(jìn)行歸一化功率譜分析結(jié)果如圖6，從圖中可以看到滑坡的優(yōu)勢頻段主要集中在0.5～2Hz以內(nèi)。與天然地震和爆破的優(yōu)勢頻段相比，滑坡優(yōu)勢頻段值較小。

圖5 滑坡波形

2.3 其他干擾波形特征

其他干擾以機械震動和人為干擾為例，進(jìn)行分析。部分臺站建在村落附近，對于單個臺站而言，有時會接收到村民耕作、勞動等產(chǎn)生的人為干擾。此類干擾雜亂無章，并無規(guī)律可循，周期有長有短。對比白天和夜晚發(fā)震次數(shù)，發(fā)現(xiàn)白天發(fā)震次數(shù)明顯高于夜晚發(fā)震次數(shù)，說明此類干擾一般集中在白天發(fā)生，干擾的出現(xiàn)掩蓋了一部分微小地震。

由于臺網(wǎng)各個臺站當(dāng)?shù)鼗蚋浇┕さ仍颍糠謫蝹€臺站白天存在機械震動的情況(如圖7)，從圖中可以看到，機械震動波形有周期短、頻率較高、持續(xù)時間短以及一段時間內(nèi)多個振動等特征。從歸一化功率譜圖(如圖8)上可以看到，機械震動的優(yōu)勢頻段主要集中在20～37 Hz，范圍較大。

圖7 機械震動波形

圖8 機械震動歸一化功率譜

3 結(jié) 語

本文僅基于臺網(wǎng)記錄到的主要干擾源進(jìn)行了波形特征分析，對于水庫地震監(jiān)測而言，庫區(qū)周邊的干擾源類型多種多樣且波形記錄復(fù)雜。對該地區(qū)干擾源針對性分析，以便能更加快速準(zhǔn)確的判定事件類型，為水庫研究分析提供更準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，更有利于該地區(qū)水庫地震活動性研究。通過以上分析，得到一些有益的啟示：

(1)宏觀特征上，發(fā)現(xiàn)該臺網(wǎng)記錄的爆破事件波形P波初動多為向上，且多表現(xiàn)為P頭大，S波到時不好確定， APM/ASM比值較大，衰減快且持時短；滑坡事件波形初始微弱，P波不明顯，無構(gòu)造地震明顯的縱橫波特征，后續(xù)震相難以區(qū)分；人為干擾雜亂無章，并無規(guī)律可循，一般集中在白天發(fā)；機械震動具有周期短、頻率較高、持續(xù)時間短、一段時間內(nèi)多個振動等特征。

(2)功率譜特征上，該臺網(wǎng)記錄的天然地震的優(yōu)勢頻段主要集中在1～12 Hz以內(nèi)，爆破的優(yōu)勢頻段主要集中在1～5 Hz以內(nèi)，滑坡的優(yōu)勢頻段主要集中在0.5～2 Hz以內(nèi)；機械震動的優(yōu)勢頻段主要集中在20～37 Hz。

(3)由于各地區(qū)地質(zhì)條件不同，記錄的干擾源波形特征也有所不同。本文收集的資料有限，有些問題有待進(jìn)一步討論，不斷總結(jié)以提高事件判別分析水平。