陳曉龍,陳繼鋒,蒲 舉,王祖東

(1.甘肅省地震局,甘肅 蘭州 730000;2.中國地震局蘭州巖土地震研究所,甘肅 蘭州 730000)

0 引言

測震臺網(wǎng)日常工作中,震級(M≥2.0)需要在極短時間內(nèi)進(jìn)行速報,但對地震類型的識別需要消耗大量時間且難以保證準(zhǔn)確性;編目工作需要排除非天然地震的干擾,但小型非天然地震又與天然構(gòu)造地震存在許多相似之處,導(dǎo)致編目人員混淆的情況時有發(fā)生。所以非天然地震的識別不僅是學(xué)術(shù)界研究的熱點(diǎn)問題,同時也是測震臺網(wǎng)工作的重點(diǎn)與難點(diǎn)。雖然前人研究已經(jīng)總結(jié)了大量非天然地震的一些特征,但由于不同地域、不同類型的非天然地震常存在差異,故不同地點(diǎn)的非天然地震應(yīng)分別研究其特性。蘭州市作為甘肅省省會城市,對城市周邊地區(qū)的地震類型、分布的研究在大震速報、地震編目、地震災(zāi)害防治與風(fēng)險評估等方面具有重要意義。位于市區(qū)近郊的紅古區(qū)近年來非天然地震事件頻發(fā),但目前尚未有研究涉及,對該區(qū)域非天然地震目前仍依靠工作人員的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行判斷。

非天然地震主要包括爆破、塌陷和礦震等,這些非天然地震常常對臺網(wǎng)觀測和速報、編目工作造成干擾。近年來,隨著甘肅省數(shù)字化測震臺網(wǎng)的優(yōu)化改造,省內(nèi)小震監(jiān)測能力得到大幅度的提升[1]。尤其是“十·五”規(guī)劃后中國地震觀測網(wǎng)絡(luò)項(xiàng)目升級改造以來,甘肅臺網(wǎng)積累了海量的寬頻帶地震觀測數(shù)據(jù)。這些地震記錄很好地記錄了許多地表反射波、反射轉(zhuǎn)換波、核面反射轉(zhuǎn)換波等數(shù)據(jù),且各類震相的動力學(xué)和運(yùn)動學(xué)特征明顯。豐富的震相記錄資料為區(qū)分不同類型的地震事件研究提供了研究基礎(chǔ)與保障[2]。本文利用甘肅臺網(wǎng)近年來記錄的蘭州周邊大量寬頻帶地震資料,通過空間分布、波形特征總結(jié)和頻譜特征分析等方法分析解釋蘭州紅古區(qū)非天然地震記錄特征,為區(qū)域測震臺網(wǎng)工作人員在速報過程中快速、準(zhǔn)確識別該區(qū)域的地震類型提供必要的參考。

1 資料選取

選用2010年1月—2020年8月期間甘肅省區(qū)域測震臺網(wǎng)記錄的蘭州周邊地區(qū)ML≥2.0的地震事件386例,其中2.0≤ML<3.0地震366例、3.0≤ML<4.0地震18例、4.0≤ML<5.0地震2例。對于上述地震記錄,以甘肅省測震臺網(wǎng)觀測報告為依據(jù),增加了青海臺網(wǎng)的共享臺站原始記錄數(shù)據(jù),進(jìn)行了分析處理。地震定位使用Hyposat方法對所有震例進(jìn)行了重新校正,并復(fù)核了每次事件的類型。在測定震源參數(shù)時采用甘肅區(qū)域雙層地殼模型[3]。

為突出震源信息,最大限度減少介質(zhì)傳播的影響,選取了紅古區(qū)礦震多發(fā)地震中距小于 120 km范圍內(nèi)的MIH、LED、YDT、HUL、XUH、LZH、BYT、LXA等8個寬頻帶數(shù)字地震臺資料,其中包括周邊MIH、LED、HUL、XUH等4個青海臺網(wǎng)臺站的記錄(圖1)。

2 分析方法

不同類型地震事件波形的辨別需要研究地震波的振幅、頻率、相位特性、偏振狀態(tài)及衰減規(guī)律等要素。同時也需要更多的利用地震波傳播時間和空間距離之間的關(guān)系,確定地下地質(zhì)構(gòu)造等信息,即地震波的動力學(xué)和運(yùn)動學(xué)特征[5]。本文從甘肅省非天然地震活動的空間分布、波形特征和頻譜特征三個方面進(jìn)行分析討論。

塌陷、爆破、礦震等非天然地震波形特征除體波周期大、波形不規(guī)則、尾波長衰減慢[6-7]、P波垂直向初動方向各異和短周期面波發(fā)育外,與天然地震波形相比具有隨震中距增加波列的振幅衰減快,縱、橫波振幅比衰減迅速[8-10]的突出特征。

前人研究顯示天然地震的頻譜與非天然地震的頻譜存在顯著差異[11]。因此,對地震波進(jìn)行頻譜分析能更加充分提取地震波所含信息,更深入地研究波動現(xiàn)象及其物理內(nèi)涵[12]。傅里葉變換法在提取地震波中的頻譜信息方面被廣泛應(yīng)用,具有可靠、便捷等諸多優(yōu)勢[13]。天然地震因其震源深度較深、破裂面廣和主要依靠剛性地層傳播等特性,傅里葉頻譜表現(xiàn)為高頻成分較多、衰減慢、地震波震動有明顯的優(yōu)勢頻率分布。而非天然地震震源深度較淺、破裂面較小、震動傳播多在地表松散沉積物,所以傅里葉頻譜呈現(xiàn)能量分布較為集中、低頻成分較多、振動頻率分布分散的特征。

3 分析與討論

3.1 紅古區(qū)構(gòu)造環(huán)境及地震分布

紅古區(qū)東接蘭州市主城區(qū),西臨大通河,南瀕湟水河與青海民和回族土族自治縣相望,北部黃土山嶺與永登縣毗鄰,地理位置恰好位于蘭州、西寧兩大省會城市的幾何中心。地質(zhì)構(gòu)造上該區(qū)地處民和中新生代盆地的周家臺隆起。民和盆地內(nèi)褶皺、斷裂發(fā)育,主要劃分為皋蘭隆起、永登坳陷、周家臺隆起及巴州坳陷四個次級構(gòu)造單元。研究區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造發(fā)育,斷裂一般多為正斷層,其中以北北東向斷裂為主,其次北北西向及北西向斷裂也較為發(fā)育[14](圖1)。

圖1 研究區(qū)內(nèi)近10年所有地震震中位置(紅色實(shí)心圓圈代表非天然地震事件、藍(lán)色實(shí)心圓圈代表天然地震事件)與臺站(灰色三角形)和斷層(紅色實(shí)線,據(jù)鄧起東等,2002[4])分布圖Fig.1 Epicenter location of all earthquakes in the study area in recent 10 years

通過分析近10年蘭州周邊地區(qū)ML>2.0的地震空間分布發(fā)現(xiàn),位于蘭州市西北郊區(qū)的紅古區(qū)近十年間地震活動呈現(xiàn)震中位置集中、震級大和發(fā)震頻率高的特征。蘭州城區(qū)南、西南和東南三個方向,地震活動的分布與該區(qū)域較大斷裂帶的空間分布較為一致,呈現(xiàn)條帶狀分散分布特征。

3.2 紅古區(qū)地震波形特征分析

本研究對發(fā)生在紅古區(qū)的全部52例非天然地震及部分天然地震進(jìn)行了波形對比,結(jié)果顯示該區(qū)地震事件的波形特征呈現(xiàn)很好的一致性,因篇幅所限在此僅選取2016年12月19日發(fā)生在甘肅蘭州(36°31′01″N,102°51′01″E),震源深度8 km的一次ML2.2地震為例。非天然地震事件選取2020年8月9號發(fā)生在甘肅蘭州紅古區(qū)(36°23′12″N,102°49′06″E),震源深度為0 km的一次ML2.5地震為例。兩例地震震中位置相差僅9 km,距LED臺的震中距分別為51 km、54 km。以LED臺記錄到的事件波形為例,對比分析二者間的波形差異。

距震中51 km的LED臺記錄到的震中位置位于甘肅蘭州的天然地震波形特征分析顯示,其波形特征清晰、界限明確,三分向?qū)掝l帶數(shù)字波形垂直向Pg波初動方向向下,與天然地震的典型波形特征具有很好的一致性(圖2)。

圖2 LED臺(Δ=51 km)記錄的蘭州地震波形特征圖Fig.2 Waveform characteristics of Lanzhou ML2.2 earthquake recorded by LED station (Δ=51 km)

采用距離震中54 km的LED臺記錄到的波形資料分析顯示:震中位置在紅古區(qū)的地震波形記錄與天然地震有明顯的差異。特別是三分向?qū)掝l帶地震數(shù)字波形記錄出現(xiàn)了Pg波和Sg波界限不清、垂直向Pg波向下、全波段波形不規(guī)則、高頻成分缺失、周期較大和Sg波后大周期面波發(fā)育等特點(diǎn)[15-18](圖3)。

圖3 LED臺(Δ=54 km)記錄的蘭州紅古區(qū)ML2.5地震塌陷波形特征圖Fig.3 Waveform characteristics of Honggu ML2.5 earthquake recorded by LED station (Δ=54 km)

利用兩次地震的波形數(shù)據(jù),分別對其S/P最大振幅比、Sg波最大振幅隨震中距增加的衰減曲線進(jìn)行分析(圖4)。兩次地震的波形均使用Jopens-msdp軟件分析,選取適用于體波仿真的伍德-安德森(W.A)仿真法,將BBVS-60S甚寬頻帶地震計、EDAS-GN數(shù)據(jù)采集器的速度記錄轉(zhuǎn)換為位移記錄進(jìn)行最大振幅量取,其中Pg波仿真后在其最大振幅處量取一個完整周期的PME,Sg波仿真后在其最大振幅處量取一個完整周期的SME或SMN值,單位統(tǒng)一為um。

圖4 非天然、天然地震S波最大振幅(a)、S/P震幅比(b)在不同震中距的變化Fig.4 Variation of maximum amplitude of S-wave and S/P amplitude ratio of non-natural and natural earthquakes at different epicentral distance

從兩次事件的衰減曲線可以看出,非天然地震的S/P震幅比和S波最大振幅在近臺均明顯大于天然地震,但隨著震中距的增大都表現(xiàn)為快速衰減。S/P振幅比在震中距大于50 km后逐漸與天然地震趨于一致,S波最大振幅也在相近距離衰減至接近天然地震振幅,說明對地震類別進(jìn)行判斷時近臺的波形記錄最為重要。

3.3 紅古區(qū)地震的頻譜特征分析

(1)

式中:F(ω)為(t)的像函數(shù);f(t)為F(ω)的像原函數(shù);α為實(shí)數(shù);ω為頻率;不同類型的震源取不同的時間常數(shù)1/α。

振幅譜計算過程中,利用SAC軟件將事件按照臺站記錄較好的垂直向速度記錄進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換,存儲為數(shù)據(jù)文件,然后用SAC軟件將整體波列速度記錄做積分處理,對位移紀(jì)錄的縱橫波進(jìn)行波譜分析,得到兩次事件的歸一化振幅譜如圖5所示。

圖5 紅古區(qū)ML2.5非天然地震與蘭州周邊ML2.2地震的歸一化震幅譜Fig.5 Normalized amplitude spectrum of Honggu ML2.5 non-natural earthquake and ML2.2 earthquake near Lanzhou

圖5(a)顯示LED臺記錄的紅古區(qū)ML2.5非天然地震事件傅里葉頻譜表現(xiàn)為低頻成分較多,且振動頻率分布分散。其少數(shù)高頻成分主要分布在0～2 Hz,能量分布十分集中,之后能量快速衰減,在12 Hz以后能量接近于0。這一結(jié)果與非天然地震發(fā)生在地表、近地表,傳播介質(zhì)密度較低,因此其波形具有較多低頻成分的特征相符。反觀圖5(b)顯示的LED臺記錄到的甘肅蘭州ML2.2天然地震事件傅里葉頻譜,因天然地震發(fā)震于深度較大的剛性巖層中,所以其地震波明顯表現(xiàn)為高頻成分較多,優(yōu)勢頻率位于5～9 Hz范圍內(nèi),地震波震動有明顯的優(yōu)勢頻率分布。對發(fā)生在蘭州市周邊的大量地震事件的頻譜分析顯示,該區(qū)域天然、非天然地震事件的頻譜特征與上例高度相似,文中不再一一贅述。

4 討論

通過對甘肅蘭州地區(qū)近10年的地震事件統(tǒng)計分析,發(fā)現(xiàn)蘭州市紅古區(qū)存在明顯的團(tuán)塊狀地震發(fā)生地帶,且震中位置非常集中。除此之外其他區(qū)域的地震活動大多隨主要斷裂帶呈條帶狀分布。特別需要注意的是,近10年以來發(fā)生在蘭州市周邊地區(qū)的非天然地震,除2例發(fā)生在白銀市靖遠(yuǎn)縣和蘭州市永登縣外,其余52例非天然地震事件均發(fā)生于紅古區(qū)及其與青海省民和縣、甘肅省永登縣交界處。

通過紅古區(qū)與蘭州市周邊其他區(qū)域地震事件波形特征對比發(fā)現(xiàn),震中位置位于紅古區(qū)的ML2.5地震事件在距震中54 km的LED臺記錄到的地震波形特征表現(xiàn)出Pg波和Sg波界限不清、Pg波振幅較大、Sg波后大周期面波發(fā)育、周期較大和持續(xù)時間長、全波段波形較為簡單等特點(diǎn)。因其垂直向Pg波向下,體波周期明顯偏大、高頻成分缺失,通過分析其S/P振幅比和S波最大振幅隨震中距的衰減曲線,判斷應(yīng)為煤礦開采等生產(chǎn)活動引發(fā)的塌陷地震。臺網(wǎng)工作人員在速報、編目時應(yīng)注意紅古區(qū)非天然地震的典型波形特征。

頻譜分析顯示,LED臺(Δ=51 km)記錄到的甘肅蘭州ML2.2天然地震事件波形的傅里葉頻譜表現(xiàn)為高頻成分較多,優(yōu)勢頻率位于5～9 Hz范圍內(nèi),地震波震動有明顯的優(yōu)勢頻率分布。而LED臺(Δ=54 km)記錄到的蘭州紅古區(qū)ML2.5非天然地震事件波形傅里葉頻譜表現(xiàn)為低頻成分較多,振動頻率分布分散,能量分布十分集中,少數(shù)高頻成分主要分布在0～2 Hz。上述兩例地震事件波形的頻譜特征都與各自地震類型的理論頻譜特征具有很好的一致性。對于少數(shù)難以通過波形特征進(jìn)行確認(rèn)的非天然地震,速報、編目時可以參考本文傅里葉頻譜分析方法進(jìn)行對比判斷。

5 結(jié)論

通過波形對比與傅里葉頻譜分析,可知:(1)發(fā)生在紅古區(qū)的非天然地震普遍存在S/P振幅比和S波最大振幅隨震中距衰減極快、體波周期較大、Pg和Sg震相界限模糊及大周期面波發(fā)育等特征;(2)該區(qū)發(fā)生的地震多呈現(xiàn)能量分布集中、振動頻率分布分散和低頻成分多等特點(diǎn)。結(jié)合當(dāng)?shù)孛旱V、石灰石礦場分布,初步判斷該區(qū)域地震活動與礦產(chǎn)開發(fā)活動關(guān)系密切。

紅古區(qū)近10年發(fā)生了大量ML≥2.0的非天然地震,對區(qū)域測震臺網(wǎng)日常工作中的地震速報、編目等工作造成了一定的干擾,所以對責(zé)任區(qū)內(nèi)不同地域非天然地震特性的研究總結(jié)不僅有利于非天然地震的識別,同時也具有重要的實(shí)際意義。