镜泊湖火山区波形事件识别及活动性分析

高双玲，赵建通，梁阿全，马宝君

（牡丹江地震监测中心站，黑龙江 牡丹江 157009）

如今，通过对地震产生的波形信号、频率状态等特征，可以将火山地震分为主要的5大类，分别是：长周期地震、火山颤动、爆炸型地震、混合地震及火山构造地震[1]。

长周期地震也称为B型火山地震，该类地震的频率一般小于5 Hz，其峰值一般在2 Hz左右，长周期地震一般被认为是岩浆活动或者其他流体活动在一种地下应力或者温度变化梯度的作用下，产生了流体物质的转移而引发的一种地震。长周期地震波的特点是P波明显，但是S波不发育，且该类地震只在火山区出现过。通过对火山区长周期地震的深度探索，可以为火山地震工作者进行火山预报及火山研究打下良好基础。

火山颤动的地震波形形态相较于其他传统的地震波形形态有着本质区别，其地震信号不是粗狂奔放的剧烈波动，反而如同月之海镜面的持久稳定的地震信号，产生与岩浆活动有直接关系，其特点是波形持续时间长，可长达数小时乃至数个月，主要频段0.1～7 Hz，火山颤动波形以长周期成分为主，因此也被认为是一系列长周期叠加形成的。

爆炸地震顾名思义是由火山剧烈活动、爆炸而引发的地震，火山爆炸地震与火山的爆炸喷发是相互对应的，其地震波形与火山构造地震相比优势波形的周期更长一些，而且初动在任何一个方向看都是向外伸展，震源一般位于剧烈活动的火山口底部以下，产生的空气振动的扰动在地震波形图上清晰可见。

混合型火山地震较为特殊，其波形是同时具有A型和B型这两种地震特征的一类火山地震，是只有在火山区内才能记录到的事件，属于二次触发的地震。混合型火山地震是在火山构造地震的影响下，岩石的破裂及熔岩的干预共同作用之下产生的，由于其形成与岩浆运动密切相关，所以混合型火山地震的出现，通常是表明地震过程中必然伴随有岩浆活动的直接参与，是岩浆活动的标志之一，这种地震波形在火山区也是非常少见的。

火山构造地震也可称之为高频地震或者是A型火山地震。火山构造地震的频谱相较于其他类型的地震显得较宽且频率较高，表现为波形的频率成分丰富，主频大多在5 Hz以上，其P、S波清晰，波形以短周期成分为主。一般认为火山构造地震活动的增加通常是火山活动的早期信号。

火山岩浆的活动是产生火山地震的重要原因，二者密切关联，正确高效识别和区分镜泊湖火山区地震的不同类型，可以为研究判断火山区岩浆活动的过程及岩浆活动的变化规律提供技术支持，对判断一座火山的活动状态具有十分重要的意义[2]。

中国地震局地球物理勘探中心于2002年在镜泊湖火山区布设了14台流动地震仪，分析发现火山区地震主要分布在火山口森林和区内断裂带上，震源深度10~30 km范围内，震级多小于ML2.0，并存在疑似火山活动的长周期波形和火山颤动。这项工作结果表明目前镜泊湖火山区虽活动水平不高，当仍存在一定的地震活动性[3]。本文对镜泊湖火山台网2008年以来观测数据进行分析，对事件波形进行分类，建立镜泊湖火山区各类事件目录，并且通过分析火山区地震类型及区内活动性特征，从而为火山活动的研究探索提供理论基础，更为人民生命财产安全提供基石，具有重要的意义。

1 镜泊湖火山监测台网概况

镜泊湖火山位于黑龙江省牡丹江市管辖的宁安市西南，共有13个火山口，均为复式火山，由火山口森林、大干泡、五道沟、迷魂阵和蛤蟆塘等5个复式火山机构构成，全新世形成的火山群集中在火山口森林和蛤蟆塘2个地区[2]，如图1所示。张招崇等[2]通过14C同位素年龄结果推断，镜泊湖火山最后一次火山喷发的时代即第三亚旋回的时代在2 000～1 000 a的可能性较大。一般认为，小于10 000 a的火山为休眠火山，并且年龄越年轻，其再次喷发的可能性越大。另外，他还在火山口森林地区发现了喷冷气现象，这些都说明镜泊湖火山是继黑龙江五大连池、吉林长白山和龙岗后的又一个年龄小于3 000 a的危险火山[4]。

图1 镜泊湖火山群位置图

为了更好地监测镜泊湖火山，2006年建立镜泊湖火山监测台网中心，在火山区四周布设了5个测震台站，如图2所示，2008年正式开始产出数据，火山子台安装有20～40 Hz的宽频带地震计，采用无人值守，实时传输工作方式，2019年改造后，各子台背景噪声有效值均远远小于3.16×10-8m/s，5个台站台基都属于“I级台基噪声水平”，优秀的台基噪声，可清晰完整记录火山区微震活动，监测能力达到ML大于0.1监控范围[4]。

图2 镜泊湖火山台网分布

2 镜泊湖火山区事件波形识别

比较大的天然地震波形是很容易辨认的，但比较小的，特别是ML1.0以下的地震在波形上很难辨认。镜泊湖火山区内台站环境较为复杂，台站附近有道路、河流，特别是台网区域内有吉林最大的铁矿——塔东铁矿。通过对2008年以来镜泊湖火山台网观测数据进行分析，火山区事件除了天然地震外，比较多的事件包括爆破、冰裂、塌陷及车辆干扰等。车辆噪声在波形上比较容易识别，其波形特点是初至波没有明显变化，波形类似正弦波，能量较强、频带较宽，能量衰减也比较快。而由于镜泊湖火山区地震震级比较小，记录到的地震波形与爆破、冰裂和塌陷等事件波形就很难区分。而且爆破是镜泊湖火山区内非天然地震事件中记录最多的事件类型，爆破事件远远多于天然地震事件，并且有些爆破的波形特征与天然地震的波形特征极其类似，单从波形特征上难以识别，如果把爆破判断成天然地震记录到数据库或是把天然地震误认为是爆破而没有进行分析入库，都将会影响到地震基本数据资料库及地震编目的质量。因此，在对镜泊湖火山数据分析时，采取了以下几种方法对火山区事件波形进行识别，并且对火山区的爆破、冰裂和塌陷等事件按照发生时间分别进行了归类，为以后火山区研究提供基础数据。

2.1 基于发生时间、地点事件识别方法

天然地震发震时间是随机的，通过对2008年以来事件波形分析发现，火山区内人工爆破时间和地点一般是有规律的，地点多集中在塔东铁矿四周，爆破时间多发生在中午休息时或下午下班后，其他不固定的或零星的小爆破点，爆破时间都在白天上班时间较多；冰裂产生的主要原因是在自然条件下温差和压力的变化，冰裂干扰与震源激发无直接关系；既有随机性又有时段性，冰裂多发生在每年11月下旬到次年4月初，且只有柳河台和山庄台能记录到。综上所述，在排除一些共性因素后可作为判断事件类型的一个标准。

2.2 基于P波的初动方向进行识别

由于爆破是膨胀源，产生的压缩波无象限分布，P波垂直分量初动方向应该是都向上，且波形P头较大，形状尖锐。地震则是岩石的破裂或错动，这种方式下会产生膨胀波或压缩波，有象限分布的特点，所以初动方向可能向上也可能向下。冰裂P波头部发育，振幅较大，周期较长，S波振幅相对较小。

2.3 基于振幅比的识别方法

地震与爆破、冰裂及塌陷在震源机制上是不同的，因而导致激发S波的能力不同。理论上爆破、冰裂及塌陷主要产生P波，但由于受产生方式、传播路径等复杂因素的影响，也可能会派生出S波。因此无论爆破还是冰裂、塌陷都有较强的P波群，而相对于P波，S波则显得相对较弱。而在地震发生过程中，岩石要发生剪切错动，大多数地震会产生较强的S波，所以根据P、S波振幅比，可作为判断依据。

2.4 倒谱分析方法

由于镜泊湖火山区记录到的地震震级较小，而且地球介质结构的复杂性也导致地震波的传播变得极其复杂，体现在记录波形上就是初动不清晰，很容易与其他火山区事件混淆。因此我们引用倒谱分析方法对事件波形进行进一步识别。倒谱就是把地震信号进行傅里叶变换，再对傅里叶变换谱进行对数运算后得到的傅里叶的逆变换。该方法通过对大量天然地震与人工爆破的地震记录进行倒谱分析，提取事件的倒谱参量C，根据天然地震C值大，人工爆破C值小进行识别[5]。一般来说，地震的倒谱参量C值小于1，爆破的倒谱参量C值大于1。

3 镜泊湖火山区地震活动性分析

根据火山地震类型的特征，用Matlab对地震波形进行频谱分析，选取2010年11月30日和2014年7月13日发生在镜泊湖火山区内的两次ML2.0地震和ML1.9地震进行分析。

选取火山区的地震进行频谱分析，由图3和图4可知：P波、S波震相清晰，波形以短周期成分为主，一般处于高频区，能量衰减慢，优势频率都集中在5～25 Hz。从频谱分析和波形图上分析显示镜泊湖火山地震大部分属于火山构造地震。由于信号能量比较弱，很多地震都是单台记录到的，是火山地区局部破裂而引发的微小地震。

图3 2010年11月30日M L2.0地震频谱图

图4 2014年7月13日M L1.9地震频谱图

镜泊湖火山群构造上位于敦密断裂带西侧，分布受北东向的密山-敦化深断裂及其次一级北东向及东西向断裂的控制，属板块内部构造环境，板内（大陆地区）火山及火山地震，多与断块缝合线、深断裂和基底断裂有关[6]。大地电磁研究也推断在镜泊湖火山口森林下30～40 km有岩浆囊存在[7]。

镜泊湖火山自有连续测震观测记录以来，在火山区共发生47次地震，也主要集中在该断裂带上，如图5所示。震级一般不超过ML3.0，也说明目前镜泊湖火山区地震活动虽然活动性弱，但仍然存在地震活动。

图5 镜泊湖火山震中分布

镜泊湖火山区地震活动虽然活动性弱，但仍然存在地震活动，其地震活动主要表现为火山构造地震，这些构造地震主要分布在敦化-密山断裂带附近。

西太平洋板块从日本海沟向欧亚大陆下俯冲，形成了对欧亚大陆地幔的扰动，这种俯冲的动力是东北地区深源地震和浅源地震的统一的动力源。俯冲应力积累到一定程度，可能会对震源周围的地幔造成扰动，而镜泊湖火山因为存在着岩浆囊，在一些特定的条件下，岩浆囊也会具有一定的活动性，从而在火山区记到一些火山地震。

4 结束语

通过镜泊湖火山台网记录到的波形事件分析认为，天然地震与爆破、冰裂等事件波形在震相特征上具有很多差异，可以从发震时间、初动方向、P波与S波振幅比和倒谱分析等多方面进行辨别，建立火山区地震目录，为研究火山地震活动性提供基础数据库。