山西數(shù)字地震臺(tái)網(wǎng)記錄波形特征分析

梁向軍，劉林飛，翁釗強(qiáng)

（1.山西省地震局，山西 太原 030021；2.山西省地震局太原基準(zhǔn)地震臺(tái)，山西 太原 030025；3.太原大陸裂谷動(dòng)力學(xué)國家野外科學(xué)觀測研究站，山西 太原 030025；4.廣東省地震局汕頭地震臺(tái)，廣東 汕頭 515000）

0 引言

震相分析是微觀地震學(xué)的核心工作，是提取數(shù)據(jù)的主要手段，震相應(yīng)該發(fā)揮更多的作用［1］。隨著“十五”數(shù)字化臺(tái)網(wǎng)建設(shè)的完成，臺(tái)站的密度不斷增強(qiáng)，記錄到豐富的地震波形，定位精度大幅提高。地震波形分析是地震監(jiān)測預(yù)報(bào)的一項(xiàng)基礎(chǔ)工作，隨著對地震波形研究的不斷深入，要求分析人員熟練掌握各種不同類型的波形特征，準(zhǔn)確分析每一條地震波形，快速得到準(zhǔn)確的地震參數(shù)。為此，對山西數(shù)字地震臺(tái)網(wǎng)記錄的波形特征進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)對震相快速、準(zhǔn)確地判斷。

1 山西地震臺(tái)網(wǎng)簡介

山西測震臺(tái)網(wǎng)目前由56個(gè)臺(tái)站組成。臺(tái)站基本均勻分布于全省范圍內(nèi)，以采用寬頻帶地震計(jì)為主，甚寬頻帶地震計(jì)為輔，配用24位IP數(shù)據(jù)采集器；采用山西移動(dòng)公司2MSDH光纖，通過IP方式將信號(hào)實(shí)時(shí)傳送到省局臺(tái)網(wǎng)中心，并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)匯集。另外從中國地震臺(tái)網(wǎng)中心實(shí)時(shí)共享內(nèi)蒙古自治區(qū)、陜西省、河南省、河北省共15個(gè)測震臺(tái)站的實(shí)時(shí)波形數(shù)據(jù)。臺(tái)站平均臺(tái)間距約56km，重點(diǎn)監(jiān)測山西省及省緣50km范圍內(nèi)的地震。全省范圍內(nèi)的地震監(jiān)測能力達(dá)到ML2.0，局部地區(qū)達(dá)到ML1.0～1.5［2］。臺(tái)網(wǎng)中心采用基于java環(huán)境下的jopens地震處理軟件包，實(shí)時(shí)監(jiān)控，自動(dòng)和人機(jī)交互結(jié)合處理地震事件，對滿足觸發(fā)條件的事件能在10分鐘內(nèi)自動(dòng)測定地震三要素，實(shí)現(xiàn)人機(jī)結(jié)合地震速報(bào)和分析處理，完成地震基本數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)管理，產(chǎn)出符合要求的地震目錄和觀測報(bào)告，為有關(guān)部門和社會(huì)公眾提供多種數(shù)據(jù)服務(wù)。

2 波形記錄特征分析

2.1 天然地震波形記錄特征

天然地震主要是指構(gòu)造地震，是構(gòu)造應(yīng)力集中超過介質(zhì)彈性限度時(shí)，巖石破裂、巖層瞬時(shí)錯(cuò)動(dòng)的結(jié)果，一般振動(dòng)時(shí)間為幾秒至幾十秒。在天然地震中，震中距小于100km范圍內(nèi)的為地方震，在100～1 000km范圍內(nèi)的為近震［3］。山西測震臺(tái)網(wǎng)日常工作中，分析的主要是地方震和近震，涉及的震相主要有PG、SG、P11、S11、PN和SN。當(dāng)震中距在120km附近時(shí)，會(huì)有PN和SN震相出現(xiàn)；當(dāng)震中距大于70km時(shí)，部分臺(tái)站有P11和S11震相出現(xiàn)。

第2頁圖1是典型的天然地震波形，在震中距80km時(shí)，出現(xiàn)P11震相。震中距達(dá)到175km時(shí)，PN和SN震相出現(xiàn)。在PN波剛出現(xiàn)時(shí)，有些臺(tái)站的SN波一般不易識(shí)別，原因是首波能量極其微弱，并且比直達(dá)波傳播時(shí)間長，很容易淹沒在直達(dá)波的續(xù)至區(qū)內(nèi)，無法看到，但理論上是存在的。也有某些區(qū)域的地震，有些臺(tái)站記錄到的波形比較特殊，若不參照其他臺(tái)站，會(huì)誤認(rèn)為是非天然地震事件（見圖2a）。從圖中可以看出，YUY臺(tái)PG波的振幅要比SG波的大，造成這種情況的原因可能為YUY臺(tái)在斷層錯(cuò)動(dòng)方向延長線附近，所以縱波比橫波幅度大。YIX臺(tái)和YMG臺(tái)情況類似，只是震中距較遠(yuǎn)，縱波衰減比橫波大，且離錯(cuò)動(dòng)方向比YUY臺(tái)大，PG波振幅減小，SG波增大（見圖2b）。

圖1 2010年4月7日山西洪洞ML4.1地震波形Fig.1 Waveform of Hongtong ML4.1earthquake in Shanxi on April 7，2010

圖2 2014年12月31日內(nèi)蒙古和林格爾ML1.9地震波形和震動(dòng)方向分解圖Fig.2 Waveform and vibration direction decomposition of Helingeer ML1.9earthquake in Inner Mongolia on December 31，2014

2.2 爆破波形記錄特征

爆破是瞬間發(fā)生的，作用時(shí)間短，震源體積小，振動(dòng)時(shí)間短，其優(yōu)勢周期比天然地震小。爆破波形是經(jīng)過破碎區(qū)、徑向裂隙區(qū)濾波后傳播，在3個(gè)區(qū)各自激發(fā)不同的脈沖和彈性波。破碎區(qū)和裂隙區(qū)破壞的巖體狀態(tài)對后續(xù)波產(chǎn)生較大影響，使得爆破波既具有明顯的脈沖特征，又有彈性波的特征。同時(shí)，爆破源使周圍介質(zhì)開始時(shí)受到壓縮作用，因此一般垂直方向上的PG波初動(dòng)均向上。天然地震的PG波初動(dòng)則四象限分布，即震源發(fā)生的振動(dòng)使一定方位的介質(zhì)受壓，形成壓縮波，PG波初動(dòng)向上；另一方位的介質(zhì)受拉伸，形成膨脹波，PG 波初動(dòng)向下［4］。

山西臺(tái)網(wǎng)記錄的爆破達(dá)到速報(bào)和編目要求的，除省內(nèi)的外（見圖3），還有省緣的，主要發(fā)生在內(nèi)蒙古自治區(qū)地區(qū)（見圖4）。對比爆破和天然地震事件的波形看出，初動(dòng)方向都向上，周期比天然地震波的要小，衰減速度相對于天然地震要快，重要的一點(diǎn)是爆破的面波比較發(fā)育，相同震中距的天然地震沒有面波。從圖中還可以看出，在達(dá)到一定震中距時(shí)，也會(huì)有P11、S11、PN和SN震相出現(xiàn)。

圖3 2014年9月6日山西交城ML2.8爆破波形Fig.3 Waveform of Jiaocheng ML2.8blasting in Shanxi on September 6，2014

圖4 2014年9月12日內(nèi)蒙古準(zhǔn)格爾旗ML3.0爆破波形Fig.4 Waveform of Jungar Banner ML3.0blasting in Inner Mongolia on September 12，2014

2.3 塌陷波形記錄特征

塌陷波形的主要特征是周期較小，頻譜比較單一，縱波振幅較強(qiáng)，有面波且發(fā)育。山西臺(tái)網(wǎng)記錄到的塌陷主要位于山西北部大同地區(qū)（見圖5），中部較少（見圖6），省緣達(dá)到速報(bào)和編目要求的陜西神木一帶的占多數(shù)（見圖7）。從圖中可以看出，發(fā)生在省內(nèi)塌陷的波形要比省外的更加規(guī)則，震相較易識(shí)別。同樣，塌陷波形在達(dá)到一定震中距時(shí)，會(huì)產(chǎn)生P11、S11、PN和SN震相。對比圖5、圖6和圖7，不同地區(qū)記錄到的塌陷波形有所不同，省內(nèi)和省外的塌陷波形也有明顯的區(qū)別。2個(gè)震級相近的塌陷，似乎省外的周期要大于省內(nèi)的，面波更加發(fā)育，這是由記錄臺(tái)站較遠(yuǎn)所致。

3 結(jié)論

通過選取幾組典型的事件波形分析發(fā)現(xiàn)，山西臺(tái)網(wǎng)記錄的天然地震、爆破和塌陷波形，有其各自的特征。

（1）經(jīng)過對波形記錄分析得到，山西臺(tái)網(wǎng)記錄的波形和之前模擬記錄的波形特征基本一致。天然地震的初動(dòng)呈四象限分布，爆破的初動(dòng)基本向上，塌陷的初動(dòng)基本向下。但是也有某些區(qū)域記錄到的地震，如內(nèi)蒙古和林格爾地區(qū)和山西右玉交界地區(qū)發(fā)生的地震，右玉臺(tái)記錄到PG波的振幅會(huì)比SG波的大，看最近的臺(tái)站記錄不像天然地震，需要參考稍遠(yuǎn)一些的臺(tái)站，造成這種情況的原因可能為該臺(tái)站在斷層錯(cuò)動(dòng)方向延長線附近，所以縱波比橫波幅度大。

（2）通過分析山西測震臺(tái)網(wǎng)的波形記錄特征發(fā)現(xiàn)，構(gòu)成某個(gè)震相的基本特征與震源的力學(xué)過程、波的傳播路徑、震級大小，震中距的遠(yuǎn)近、儀器的性能、臺(tái)基的巖性等因素有直接的關(guān)系。

圖6 2014年11月25日山西中陽ML3.6塌陷波形Fig.6 Waveform of Zhongyang ML3.6collapse in Shanxi on November 25，2014

圖7 2014年11月8日陜西神木ML3.3塌陷波形Fig.7 Waveform of Shenmu ML3.3collapse in Shaanxi on November 8，2014

（3）分析人員要熟練掌握分析地震波形的要領(lǐng)以及不同地區(qū)地震波形的形態(tài)，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，相互交流，分析不同的地震，需要從每個(gè)臺(tái)站的實(shí)際出發(fā)，在日常工作和學(xué)習(xí)中掌握波形分析的方法和理論依據(jù)，提高準(zhǔn)確判斷事件類型、震相的水平。

［1］趙榮國.震相分析是地震科學(xué)的心臟［J］.地震地磁觀測與研究，1999，20（5）：121－126.

［2］張玲，梁向軍，董春麗，等.山西數(shù)字地震臺(tái)網(wǎng)監(jiān)測能力分析［J］.山西地震，2010（4）：11－16.

［3］張少泉.地震分析［M］.北京：地震出版社，1977.

［4］陳培善.測震分析常用方法［J］.地震地磁觀測與研究，1991，12（6）：25－78.