遼寧撫順地區非天然地震的特征與識別

李子昊，郭 攀，王曉睿，梁一婧

（遼寧省地震局，遼寧 沈陽 110034）

0 引言

遼寧撫順地區礦產資源豐富，頻繁的開采煤礦會導致非天然地震如塌陷等的頻發，并誘發諸多次生地質災害，在不同程度上影響人民生活和工業生產[1]。非天然地震的波形和天然地震的波形相似度極高，對于速報和編目值班人員來說，通過波形記錄難以識別和區分。非天然地震的識別不僅僅是學術界的研究熱點，同時也是測震臺網工作的一項重要內容，對非天然地震的震源參數的研究，有利于提高國民經濟安全和礦產安全。因此如何快速地識別地震波震相，查找非天然地震波形的共同特征，總結非天然地震的識別方法并提高地震監測的精準度，是非天然地震監測工作中亟待解決的問題。

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前人對于地震性質識別已經開展了很多的研究。20世紀80年代，開始提出了非天然地震的識別依據[2-4]，如P 波初動方向、能量衰減規律、地震波頻率等性質來對非天然地震進行識別，進而總結出非天然地震的規律，然而這些特征通過波形無法直接獲取，所以一些學者開展了地震事件波形提取工作。振動分析方法也用于研究非天然地震事件，趙永等[5]、林偉等[6]、蘇莉華等[7]、蔡杏輝等[8]、徐巖等[9]分別對北京、廣東、河南、福建、內蒙等地區的非天然地震事件開展波形、頻譜、能量、震相等方面的研究和分析，歸納總結出不同研究地區的非天然地震特征。由于不同地區地質特征的不同以及設備性能的差異，導致非天然地震在各個地區的識別結果不盡相同。

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在前人研究成果的基礎上選取了2018 年到2022 年遼寧地震臺網記錄到的撫順地區非天然地震事件，通過發震時間、震級、震源深度、震中位置、波形、頻譜等特征進行對比分析，歸納總結出撫順地區非天然地震的識別依據，有助于提高測震臺網工作人員在速報過程中提高速報能力，并快速識別出事件類型。

1 遼寧地震臺網概述

遼寧地震臺網擁有37 個測震臺站，其中5個國家測震臺站，32 個地方測震臺站（圖1）。通過廣東省地震局研發的JOPENS 數據采集軟件系統進行資料處理。為了提高地震監測能力，遼寧地震臺網通過國家臺網中心的SDH 光纖和擴頻微波進行數據傳輸，能夠從鄰省數據下載鄰省（吉林、內蒙、河北、山東）14 個臺站的波形數據，大大提升了遼寧地震臺網速報地震和編輯目錄的準確性，目前遼寧地震臺網共有51個臺站的實時數據。

圖1 遼寧測震臺網臺站分布圖Fig.1 Distribution of seismic stations in Liaoning

2 資料選取

選取了2013年到2022年遼寧地震臺網記錄到的撫順地區非天然事件共計338條。使用Hyposat 方法對非天然地震進行重新分析和校正，并對事件類型進行復核，最大的非天然地震發生在2018年04月29日16：00：41.47，震級為ML3.5。

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3 地震波形的特征

3.1 地震事件的共性特征

目前，值班人員通常采用地震信息圖來識別地震的類型[10]。地震信息圖所包括的信息十分豐富，不僅有天然地震的地震波信息，還有其他振動波引發的信息，如非天然地震的波形信息，所以需要對地震信息圖進行分析與處理，解釋每一個地震波的震相特征。地震波的波形特征會有差異，比如傳播路徑、振動方式、初動方式、周期等等。地震臺網根據波形特征差異將地震事件分為天然地震、塌陷和爆破，其中塌陷和爆破屬于非天然地震。

（2）震相特征。無論是塌陷還是爆破，P波周期較大、衰減快[14]，S波發育的都不是很清晰，P 波和S 波界限不明顯并且在垂直向P 波振幅大于S 波振幅。即使是距離震中位置較近的臺站，在S 波之后也會有較清晰和長周期的面波存在，隨著震中距的增大，面波逐漸清晰，非天然地震的地震波所持續時間比同級天然地震持續時間要短。對于地方震和近震來說，這種現象是不存在的[15]，地方震和近震存在清晰的P波和S波（圖6）。

3.2.1 發震時間特征

3.2.4 震源深度特征

（3）從波形的持續時間上來看，震級越大地震波序列的持續時間就越長；

（4）從震中距方面來看，震中距越遠整個地震波序列的持續時間就越長。

3.2 遼寧撫順地區非天然事件的記錄特征

根據圖2 統計可以看出，撫順地區非天然地震的發震時間比較有規律，建筑企業主要在中午或晚上某些時間段開展爆破作業，中午集中在11—13時，12時居多，晚上集中在17—19時，18 時較多。撫順地區非天然地震多為人為可以控制的塌陷事件，與人類的社會活動性有很大的關系，非天然地震發震時間一般選擇在人們非工作比如休息的時間段。然而天然地震的發震時間是比較隨機的，沒有任何的規律可言，所以通過發震時刻也是鑒別天然地震和非天然地震的一項依據。

（1）波形記錄圖中包含三種波：縱波、橫波和面波，這三種震相波形在記錄圖中依次出現，并且縱波速度最大，橫波速度和面波速度較小；

據統計2013年到2022年遼寧地震臺網所記錄到的撫順地區非天然地震共計338 條，其中塌陷事件278 條，爆破事件60 條。通過對上述非天然事件的分析，發現非天然地震與天然地震存在一些差異的特征，表現為發震時間特征、震級特征、震中位置特征、震源深度特征、波形特征、頻譜特征六個方面。

圖2 2013—2022年全天不同時間段非天然地震數目Fig.2 Numbers of non-natural earthquakes in different hours throughout the day from 2013 to 2022

3.2.2 震級特征

據統計，2013年到2022年遼寧地震臺網所記錄到的撫順地區天然地震共計5439 條，其中ML＜1.5 的 地 震1762 條，1.5≤ML＜2.5 的 地 震2964 條，ML≥2.5 的地震713 條，天然地震最大震級為ML5.5，天然地震的震級上沒有明顯的規律；2013年到2022年遼寧地震臺網所記錄到的撫順地區非天然地震共計338 條，其中震級最小為ML1.2，最大震級為ML3.5，多數震級在ML2.0～3.0。由于每次引起爆破的藥量需要控制[13]，因此撫順地區非天然地震震級比同時間段天然地震震級要小，范圍主要集中在ML2.0～3.0（圖3）。

圖3 2013—2022年遼寧撫順地區非天然地震震級分布圖Fig.3 Distribution of non-natural earthquakes magnitudes in Fushun，Liaoning Province from 2013 to 2022

3.2.3 震中位置特征

非天然地震的發生與人類的活動有關，在震源位置上常常發生在工業活動頻發的地區，如某些工地、礦業和采石場附近，位置也較為集中；而天然地震多數發生于板塊交接處或者板塊內部斷裂構造發育地區。

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（2）波形周期和振幅方面，縱波的周期和振幅小于對應的橫波周期與振幅，最長的是面波的周期和振幅[12]；

非天然地震一般與人類活動有關，一般震源深度較淺，爆破和礦震引起的非天然地震深度為0 km。大部分發生的天然地震與地殼的構造活動有關，然而天然地震的發生與地殼的構造型運動有關，一般發生在地殼范圍，發震所在的斷層位置比較深。按照震源深度可分為淺源地震（深度小于70 km）、中源地震（深度在70 km到300 km）和深源地震（深度大于300 km），所以震源的深度也可作為區分天然地震和非天然地震的一項參考依據。

3.2.5 波形特征

非天然地震和天然地震的波形存在比較大的差異，通過對遼寧地區非天然地震進行分析發現：各種地震波的波形特征會有不同的差異，比如傳播路徑、振動方式、初動方式、周期等等。

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非天然地震的波形信息與天然地震類似，因此天然地震、塌陷和爆破這三類事件在波形記錄上存在一些共同的特征[11]：

學生缺乏音素意識。在小學的英語授課過程中，跟讀并仿讀單詞是常規的練習，由于缺少音素意識，學生跟讀發音不準。我國的小學生缺乏音素意識，在拼讀時習慣將音通過漢語來標注記憶，這種錯誤的習慣嚴重阻礙了學生的英語學習。

表1 撫順地區非天然地震P波初動方向統計

圖4 2020年3月18日遼寧撫順塌陷事件波形Fig.4 The waveform of Fushun collapse event in Liaoning on March 18，2020

圖5 2013年3月19日遼寧撫順爆破事件波形Fig.5 The waveform of Fushun explosion event in Liaoning on March 19，2013

圖6 2021年12月21日遼寧撫順天然地震事件波形Fig.6 The waveform of Fushun natural earthquake event in Liaoning on December 21，2021

（3）波形周期。撫順地區非天然地震的波形記錄，具有全波段波形頻率單一，高頻成分少，周期較長，近臺衰減快，遠臺面波清晰的特征[16]（圖4-5），這是因為非天然地震發生的震源位置深度比較淺，破裂面比較小，傳播路徑大部分為松散的地表沉積物，由于地層對波有低通濾波作用，波在傳播過程中，高頻成分大部分都被吸收，體波的周期比天然地震的周期大很多，因此相對于地震波形，非天然地震波形具有周期大、衰減快、持續時間短的特征。

（1）P 波初動方向。塌陷事件多發生在礦區或者建筑工程區域，塌陷的震源體對源外介質采用的是拉力作用，由于收縮波的作用，塌陷垂直分量P 波初動方向的記錄是向下的（圖4），而爆破事件是膨脹源，垂直向能夠記錄到較為清晰的P 波，一定方向上的介質由于膨脹波的擠壓作用，導致P 波垂直向初動大多數是向上的（圖5），因此P 波的初動方向可以作為識別塌陷和爆破的重要手段。為了進一步對比，將震中距100 km 以內的臺站初動情況進行統計（表1），最后得出塌陷的P波垂直向初動向下的占比超過93%，爆破的P 波垂直向初動向上的占比超過90%。

3.2.6 頻譜特征

MHD方程組的求解難點在于：① 方程組含有非線性項。② MHD方程組是多方程耦合的方程組，導致方程組的計算量偏大。針對這兩個難題，本文基于區域分解技術和兩步有限元方法提出并行兩步有限元方法，并利用數值算例體現它的高效性。

地震速報和編目工作者一般通過波形圖來識別地震類型，此判別方法具有快速便捷的優勢。但由于非天然地震種類復雜，特別是一些波形記錄與天然地震相似的人工爆破波形，僅僅從波形圖當中很難識別出來，所以通過波形圖鑒別事件類型還存在局限性。

研究表明天然地震的頻譜與非天然地震的頻譜存在著明顯的差異[17]，地震波頻譜分析技術通常采用的是傅里葉變換（FFT）方法，具體是將原始時間記錄域函數轉變成頻率域序列排序，通過分解振動信號提取地震波所含的信息，能夠更深入研究和處理地震波的波動現象和物理本質[17]。基于撫順地區2013—2022 年記錄到的事件波形，利用Matlab 程序對頻譜特征進行了分析研究。由該頻譜圖可知（圖7），撫順地區塌陷事件的優勢頻率較低，主要集中在0～3 Hz，主頻為1 Hz；撫順地區爆破事件的優勢頻率較高，主要集中在0～5 Hz，主頻為1 Hz；撫順地區天然地震事件的優勢頻率主要集中在1～22 Hz。綜上所述，爆破和塌陷事件的主頻相當，相對于天然地震較低，爆破和塌陷事件的能量衰減都較快。

在傳統初中英語教學中，教師普遍有一個錯誤的觀念，將課堂教學的主體進行顛倒，認為自己是閱讀教學中的主人，一味對學生進行閱讀技巧的灌輸，忽視了學生能否真正消化這部分知識點，是否能將這些技巧在自己的閱讀中使用，導致教學效率的下降。因此，教師需要及時轉變教學觀念，梳理師生在課堂中的關系，重視學生自主閱讀能力的培養，使得學生主動進行閱讀，并且有意識地鍛煉自己的閱讀能力。教師在初中閱讀課堂中需要給學生自主發揮的時間和空間，提供平臺讓學生進行自我展示。

圖7 天然地震與非天然地震的頻譜特征Fig.7 Spectral characteristics of natural and non-natural earthquakes

4 結論與討論

通過對2013—2022 年撫順地區所觀測到的非天然地震事件的對比分析，總結出如下結論：

（1）撫順地區非天然地震主要為塌陷和爆破事件，發震時刻主要集中在人們非工作休息的時間段，如11—13時，17—19時，震級范圍主要集中在ML2.0～3.0，震中位置發生在工業活動頻發的地區，非天然地震多為淺源地震，震源深度為0 km；

（2）從波形上看，塌陷事件垂直分量P 波初動方向的記錄是向下的，爆破事件P 波垂直向初動大多數是向上的，塌陷和爆破的P 波周期較大衰減快，S 波發育的都不是很清晰，非天然地震波形具有周期大、衰減快、持續時間短的特征；

四小姐又點點頭。走進石警官辦公室，石警官又想替四小姐脫大衣，四小姐再次抬抬手。四小姐看著劉雁衡：“我那兒有一套清王府珍藏的古譜，劉先生是否有興趣幫我看看？”

（3）從頻譜特征上看，撫順地區塌陷事件的優勢頻率較低，主要集中在0～3 Hz，主頻為1 Hz；撫順地區爆破事件的優勢頻率較高，主要集中在0～5 Hz，主頻為1 Hz；撫順地區天然地震事件的優勢頻率主要集中在1～22 Hz。