非天然地震的波形特征与识别方法

周舟

(1、湖北省地震局,湖北 武汉430071 2、湖北省地震局地震预警重点实验室,湖北 武汉430071）

地震记录是地震波引起地面震动信息的反映，不仅包含天然地震的波动信息，还包含地脉动以及地表人为干扰波的信息，因地震波的产生过程、振动形式、传播介质、仪器原理等方面的差异，使记录到的地震波形有所差异。因此在熟悉各类地震波波形特征的基础上，精准识别、有效区分各种传播路径的地震波是地震分析的首要任务，也是地震台网监测地震的一个重要环节。

1 地震事件的共性特征

地震事件主要分为天然地震和非天然地震，天然地震又可细分为人工爆破和塌陷，地震事件反映在地震记录的共性特征主要有：

1.1 在震相次序上：记录到的地震事件波形依次出现纵波、横波、面波。

1.2 在周期长短上：纵波的周期小于横波的周期，面波周期最长。

1.3 在震幅大小上：纵波的振幅小于横波的振幅，面波振幅最大。

1.4 在持续时间上：通常震级越大，震中距越大，地震波序列的持续时间越长（图1）。

图1 2009年2月19日克马德克群岛6.3 级地震

2 爆破地震事件波形特征

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

2.1 波形特征

一般而言，同一台站记录到的相同位置、相同机制产生的天然地震的波形特征是相似的，同一台站在相同位置、相同炸药量爆破产生的非天然地震的波形记录也是相似的。由于爆破与天然地震的产生机制不同，因此爆破地震在地震波形上主要有以下特征：

2.1.1 距离台站几公里的爆破，纵波在垂直方向的初动向上，并且较尖锐的脉冲型，周期较小，振幅很快由最大减到最小，衰减较快。

2.1.2 距离台站几十公里的爆破，纵波在垂直分向中有一个类似瑞利型面波的脉冲，该脉冲不仅振幅较大、周期还较长的，天然地震往往没有这种震相特征（图2）。

图2 2017年9月3日朝鲜核爆炸

2.1.3 一般而言，天然地震的横波振幅大于纵波振幅，并且波形随震中距变化仍表现为相似的波组，而非天然地震随震中距变化，波形差异较大，不具备相似性，垂直方向上纵波振幅往往还大于横波振幅。

2.1.4 发生在地表的爆破，因地层较为松散，波的高频成分易被吸收，表现出波列光滑的特征，而天然地震发生在花岗岩层中，地震波的高频部分被吸收的程度远小于被松散地层吸收的程度，因此天然地震高频成分多、波列涟波较多（图3）。

图3 爆炸(a)与地震(b)的时间函数

2.1.5 通常天然地震在纵波初动方向分布上具有一定象限分布规律，而爆破产生的纵波在较近台站所记录的垂直分量的初动都是向上的。

2.2 振幅衰减特征

非天然与天然地震记录，振幅的衰减特征可用地震波序列的持续时间来反映。

2.2.1 当天然地震与非天然地震的震中距和震级相同时，同一台站记录到天然地震的持续时间大于非天然地震的持续时间。

2.2.2 当天然地震与非天然地震震级相同、震中距不同时，同一台站记录到的地震波记录，非天然地震持续时间的变化幅度随P与S波的到时差变化较大，而天然地震的持续时间变化幅度不大。

2.2.3 同震中、同震级的天然地震事件和非天然地震事件，天然地震的持续时间往往大于非天然地震的持续时间。

2.3 振幅比特征

通过对比计算垂向上的纵波的最大振幅与水平方向上横波的最大振幅的比值，可总结得到：

2.3.1 同一天然地震，有记录台站的最大振幅比值均大于2.0 ；同一非天然地震事件中，有记录台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约为非天然地震的两倍（图4）。

图4 三次爆炸在垂直分量波形记录

2.3.3 震中位置相同，发震机制相同的事件的天然地震AS/AP值是基本相同或者相近的；随着震中距的增大，天然地震的AS/AP值逐渐变小。

2.3.4 随着震中距的增大，非天然地震的AS/AP值逐渐变大，纵波随着震中距的加大衰减加快。

3 塌陷地震记录波性特征

与天然地震和爆破对比分析，塌陷有以下特征：

3.1 塌陷的振动频率较低低且频谱单一，Pg和Sg的记录频率甚至无明显变化。

3.2 塌陷的垂直分量记录初动均向下，依据爆破垂直分量记录初动均向上，可区分别塌陷和爆破（图5）。

图5 2016年3月7日山东平邑石膏矿3.2 级塌陷地震波形

4 非天然地震在发震时刻,震级和震中位置上的特征

天然地震在时间上和震级大小上没有特别突出的规律，非天然地震特别是爆破地震通常发生在工作日的正常工作时间，又因在每次起爆的药量有严格的控制，因此震级大多集中在1.0 级到2.5 级之间。在震源位置上，非天然地震的震中往往就分布在某些采石场和工地附近，因此震中位置也较为集中，不像天然地震主要分布在断裂构造内。

5 结论

5.1 非天然地震基本遵循人们的日常工作时间，且震级一般在ML2.5 级以下，因此发震时刻，震级大小以及震中位置都是识别非天然地震的重要参考要素。

5.2 爆破波形最突出的特征为初动均向上，且都会出现较大周期的面波，这些可作为识别爆破的主要判断依据。

5.3 非天然地震在相同震级的情况下，天然地震持续时间明显大于非天然地震的持续时间，这也可作为识别地震事件性质的依据。

5.4 如果横波最大振幅与纵波最大振幅的比值大于2.0 ，那么属天然地震的可能性较大，而横波最大振幅与纵波最大振幅的比值小于1.5 ，则属非天然地震的可能性更大。

5.5 对于波形特征不明显的地震，可通过频谱分析方法来计算拐角频率，通常天然地震的拐角频率大于爆破的拐角频率。

在地震监测和速报与预警过程中，地震速报工作者不仅要依据积累地经验，从地震波的初动方向，横波最大振幅与纵波最大振幅的比值，以及波的持续时间，衰减快慢能够有效识别天然地震和非天然地震，还应更多地从震源机制去研究。