蘆山地震科考人工爆破與構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)

人工爆破與構造地震在震源機制及其波形記錄的動力學、運動學特征都有不同。構造地震是由于應力集中超過介質彈性限度導致巖石破裂、錯動的結果，在這一過程中產生了縱波(P波)和剪切波(S波)，一般破裂過程為幾秒、十幾秒至幾十秒，發震構造通常為幾千米到幾十千米，震源一般都比較深，多數發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，與構造地震相比，更容易將其視為“點源”，爆破第一瞬間直接產生的波是壓縮波(P波)而沒有剪切波(S波)，S波是次生波，不是原生波，并且不是一種機制產生的，至少有兩種以上機制［1］。目前，地震觀測臺網記錄到的事件信號中包含了很多人工地震(如化學爆破、人工爆破、采礦誘發地震等)，這些事件的記錄，如果不能及時剔除，會混淆我們的地震目錄，影響地震學領域的研究工作。

在構造地震與人工爆破事件的分類識別中，總結出有效的方法是分類識別的關鍵。自上世紀50年代開始，國內外在這兩類事件的識別方面進行了廣泛和深入的研究，并提出了多種識別判據，主要有:P波初動、震源深度、體波震級Mb與面波震級MS之比、P波初動振幅與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、瞬態譜等［2～5］。由于構造地震與人工爆破波形記錄特征均受當地地質條件影響，各地區波形記錄特征不盡相同，因此本文利用四川地震臺網記錄的蘆山科考人工爆破和構造地震資料進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別，不僅可以避免大范圍地質結構差異對分析結果的影響，而且有助于大震速報和地震編目事件類型的正確判別，提高地震監測質量，為防震減災工作打好扎實基礎。

圖1 研究所用臺站和蘆山科考人工爆破點分布

1 資料選取和處理

中國地震局蘆山“4·20”7.0級地震科學考察小組為了查明蘆山地震的發震構造及其特征、構建蘆山地震的發震構造模型，采用人工地震剖面和科考臺陣記錄資料來揭示震區的地殼精細結構和深淺構造關系。蘆山科考臺陣總計35個臺站(見圖1)，運行狀況良好，于2013年6月24日全部匯入四川地震臺網中心進行實時分析處理，震區余震監測能力得到了極大提高;人工地震爆破點總計8個(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)，四川地震臺網中心很好地記錄了這8次人工爆破地震波形。同時，截至2013年12月24日，四川地震臺網中心共記錄到蘆山7.0級地震余震13 251次，201 454條震相數據。上述這些資料為研究蘆山地震科考人工爆破與構造地震對比分析提供了資料保證。

考慮到分析結果的可比性，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計算出的爆破地震震級范圍)，記錄臺站個數不少于6的構造地震事件，最終挑選出40個最符合要求的構造地震事件進行對比分析。同時，為了測定出可靠的人工爆破和構造地震事件震源位置，統一采用Hypocenter和川滇三維速度模型［6］進行重新定位，圖1是本研究重定位所用臺站和蘆山科考人工爆破點分布圖。表1是“4·20”7.0級地震科考人工爆破點參數，表中根據炸藥當量直接估算出了人工爆破事件的里氏震級，當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sp8炮點。表2是根據人工爆破事件記錄波形重新測定的爆破點位置參數，從表中可以看出，根據記錄波形測定的里氏震級均小于由炸藥當量直接估算的里氏震級，主要是地震波在傳播路徑上介質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，而是樂山市關廟鎮sp1炮點;測定位置偏差大于1 km的爆破點有sp4和sp7。

表1 “4·20”7.0級地震科考人工爆破點參數

表2 根據人工爆破記錄波形測定的爆破點位置參數

2 波形記錄特征分析

2.1 構造地震波形記錄特征分析

由于本研究選擇的構造地震震級較小，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，記錄到的直達縱、橫波到時差小于26s，主要振動持續時間在3min之內。當震中距小于180 km時，大多數臺記錄不到下地殼繞射波Pn和Sn，一般只有兩個清晰的直達波，極個別臺站可記錄到清晰的下地殼反射波PmP和SmS;當震中距大于180 km時，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個構造地震進行重新定位，重定位震源深度均大于8 km;選用單層地殼速度模型，用直達波走時方程分別計算出40個構造地震直達縱波Pg的平均傳播速度，其值在5.89～6.34 km/s之間，所得結果為地震震源區上部直達縱波傳播速度的平均結果。

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

圖2 龍門山東、西兩側構造地震波形

2.2 人工爆破波形記錄特征分析

爆破是瞬間發生的，作用時間短，震源體積小，振動時間短。其優勢周期比構造地震小，同時，爆炸源使周圍介質在最開始時受壓縮作用，垂直向Pg波初動向上，而對于構造地震垂直向Pg波初動呈四象限分布［7］。

四川蘆山科考人工爆破為地方爆破，8個炮點中，只有sp1和sp8兩個當量較大的爆破點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，垂直初動向上。隨震中距或爆破點位置的不同，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記錄波形的。通過對比可知，面波發育程度由東至西呈現逐漸減弱現象。②當震中距小于120 km時，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;龍門山東側人工爆破點的記錄波形面波發育，且當量越大的人工爆破面波越發育(見圖3)，Sg波不易識別;龍門山西側人工爆破點的記錄波形面波不發育，個別臺站Sg清晰可辨，如sp6炮點震中距為73 km的WOLN臺和sp7炮點震中距為12 km的XJI臺等(見圖4)。③當震中距大于120 km時，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，龍門山東側爆破點的Pg波最大震幅小于Sg波最大震幅，如果只有遠臺記錄波形，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，本研究用直達波走時方程分別計算出8個人工爆破地震直達縱波Pg的平均傳播速度，其值在5.57～6.05 km/s之間。對比構造地震與人工爆破地震直達縱波平均速度可知，構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，傳播介質疏松，隨著震中距的增大，其高頻成分很快被疏松介質吸收，所以直達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，構造地震波持續時間較長，波及面大，而人工爆破地震波持續時間相對較短，波及面小。

3 結論

(1)人工爆破地震是以點源膨脹產生地振動，從而驅動爆破點四周的巖石向各個方向對稱輻射能量，故近臺Pg波發育，垂向初動向上;Sg波是多種機制生成的次生波，不發育。

(2)在構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行判別。如果僅有震中距大于120 km的臺站記錄波形，則需進一步計算出地震波傳播速度、持續時間等參數后才能判別。

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

［1］中國地震局監測預報司.實用數字地震分析［M］.北京:地震出版社，2009.8.

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