非天然地震的波形特征與識別方法

周舟

(1、湖北省地震局,湖北 武漢430071 2、湖北省地震局地震預警重點實驗室,湖北 武漢430071）

地震記錄是地震波引起地面震動信息的反映，不僅包含天然地震的波動信息，還包含地脈動以及地表人為干擾波的信息，因地震波的產生過程、振動形式、傳播介質、儀器原理等方面的差異，使記錄到的地震波形有所差異。因此在熟悉各類地震波波形特征的基礎上，精準識別、有效區分各種傳播路徑的地震波是地震分析的首要任務，也是地震臺網監測地震的一個重要環節。

1 地震事件的共性特征

地震事件主要分為天然地震和非天然地震，天然地震又可細分為人工爆破和塌陷，地震事件反映在地震記錄的共性特征主要有：

1.1 在震相次序上：記錄到的地震事件波形依次出現縱波、橫波、面波。

1.2 在周期長短上：縱波的周期小于橫波的周期，面波周期最長。

1.3 在震幅大小上：縱波的振幅小于橫波的振幅，面波振幅最大。

1.4 在持續時間上：通常震級越大，震中距越大，地震波序列的持續時間越長（圖1）。

圖1 2009年2月19日克馬德克群島6.3 級地震

2 爆破地震事件波形特征

與天然地震相比，爆破地震事件的波形在波形特征、振幅衰減和振幅比值有以下主要特征：

2.1 波形特征

一般而言，同一臺站記錄到的相同位置、相同機制產生的天然地震的波形特征是相似的，同一臺站在相同位置、相同炸藥量爆破產生的非天然地震的波形記錄也是相似的。由于爆破與天然地震的產生機制不同，因此爆破地震在地震波形上主要有以下特征：

2.1.1 距離臺站幾公里的爆破，縱波在垂直方向的初動向上，并且較尖銳的脈沖型，周期較小，振幅很快由最大減到最小，衰減較快。

2.1.2 距離臺站幾十公里的爆破，縱波在垂直分向中有一個類似瑞利型面波的脈沖，該脈沖不僅振幅較大、周期還較長的，天然地震往往沒有這種震相特征（圖2）。

圖2 2017年9月3日朝鮮核爆炸

2.1.3 一般而言，天然地震的橫波振幅大于縱波振幅，并且波形隨震中距變化仍表現為相似的波組，而非天然地震隨震中距變化，波形差異較大，不具備相似性，垂直方向上縱波振幅往往還大于橫波振幅。

2.1.4 發生在地表的爆破，因地層較為松散，波的高頻成分易被吸收，表現出波列光滑的特征，而天然地震發生在花崗巖層中，地震波的高頻部分被吸收的程度遠小于被松散地層吸收的程度，因此天然地震高頻成分多、波列漣波較多（圖3）。

圖3 爆炸(a)與地震(b)的時間函數

2.1.5 通常天然地震在縱波初動方向分布上具有一定象限分布規律，而爆破產生的縱波在較近臺站所記錄的垂直分量的初動都是向上的。

2.2 振幅衰減特征

非天然與天然地震記錄，振幅的衰減特征可用地震波序列的持續時間來反映。

2.2.1 當天然地震與非天然地震的震中距和震級相同時，同一臺站記錄到天然地震的持續時間大于非天然地震的持續時間。

2.2.2 當天然地震與非天然地震震級相同、震中距不同時，同一臺站記錄到的地震波記錄，非天然地震持續時間的變化幅度隨P與S波的到時差變化較大，而天然地震的持續時間變化幅度不大。

2.2.3 同震中、同震級的天然地震事件和非天然地震事件，天然地震的持續時間往往大于非天然地震的持續時間。

2.3 振幅比特征

通過對比計算垂向上的縱波的最大振幅與水平方向上橫波的最大振幅的比值，可總結得到：

2.3.1 同一天然地震，有記錄臺站的最大振幅比值均大于2.0 ；同一非天然地震事件中，有記錄臺站的最大振幅比值均小于2.0 ，并且大部分都小于1.5 。

2.3.2 天然地震的最大振幅比值大于非天然地震的最大振幅比值，且天然地震的最大振幅比值大約為非天然地震的兩倍（圖4）。

圖4 三次爆炸在垂直分量波形記錄

2.3.3 震中位置相同，發震機制相同的事件的天然地震AS/AP值是基本相同或者相近的；隨著震中距的增大，天然地震的AS/AP值逐漸變小。

2.3.4 隨著震中距的增大，非天然地震的AS/AP值逐漸變大，縱波隨著震中距的加大衰減加快。

3 塌陷地震記錄波性特征

與天然地震和爆破對比分析，塌陷有以下特征：

3.1 塌陷的振動頻率較低低且頻譜單一，Pg和Sg的記錄頻率甚至無明顯變化。

3.2 塌陷的垂直分量記錄初動均向下，依據爆破垂直分量記錄初動均向上，可區分別塌陷和爆破（圖5）。

圖5 2016年3月7日山東平邑石膏礦3.2 級塌陷地震波形

4 非天然地震在發震時刻,震級和震中位置上的特征

天然地震在時間上和震級大小上沒有特別突出的規律，非天然地震特別是爆破地震通常發生在工作日的正常工作時間，又因在每次起爆的藥量有嚴格的控制，因此震級大多集中在1.0 級到2.5 級之間。在震源位置上，非天然地震的震中往往就分布在某些采石場和工地附近，因此震中位置也較為集中，不像天然地震主要分布在斷裂構造內。

5 結論

5.1 非天然地震基本遵循人們的日常工作時間，且震級一般在ML2.5 級以下，因此發震時刻，震級大小以及震中位置都是識別非天然地震的重要參考要素。

5.2 爆破波形最突出的特征為初動均向上，且都會出現較大周期的面波，這些可作為識別爆破的主要判斷依據。

5.3 非天然地震在相同震級的情況下，天然地震持續時間明顯大于非天然地震的持續時間，這也可作為識別地震事件性質的依據。

5.4 如果橫波最大振幅與縱波最大振幅的比值大于2.0 ，那么屬天然地震的可能性較大，而橫波最大振幅與縱波最大振幅的比值小于1.5 ，則屬非天然地震的可能性更大。

5.5 對于波形特征不明顯的地震，可通過頻譜分析方法來計算拐角頻率，通常天然地震的拐角頻率大于爆破的拐角頻率。

在地震監測和速報與預警過程中，地震速報工作者不僅要依據積累地經驗，從地震波的初動方向，橫波最大振幅與縱波最大振幅的比值，以及波的持續時間，衰減快慢能夠有效識別天然地震和非天然地震，還應更多地從震源機制去研究。