敦化爆破地震的監(jiān)測、特征與識別

朱星曄

(1.中國地震局工程力學(xué)研究所，哈爾濱 150080； 2.中國地震局地震工程與工程振動重點實驗室，哈爾濱 150080； 3.吉林省地震局，吉林 敦化 137700)

非天然地震是指由炸藥爆破試驗及人工開采礦物甚至包括核試驗等激發(fā)的，一般震源深度為0或距離地表較近[1]。炸藥或彈藥在土壤和巖石等介質(zhì)中爆炸產(chǎn)生應(yīng)力波，應(yīng)力波來自于震源所產(chǎn)生的爆破應(yīng)力，在土巖介質(zhì)中傳播的應(yīng)力波稱為爆破地震波[2]。人工爆破所產(chǎn)生的應(yīng)力波有限，因而震級一般較小，其所產(chǎn)生的破壞力也十分有限。一般來說，炸藥當量越大或震中距越小，破壞程度越大。爆破地震一般在地表或近地表瞬時爆發(fā)，作用時間十分有限，不過由于爆破條件特殊，在爆破時，炸藥當量及其瞬時性對周圍巖土環(huán)境所產(chǎn)生的沖擊力和危害相對嚴重[1]。

1 現(xiàn)有技術(shù)手段

敦化地震臺2005年5月安裝BBVS-60數(shù)字地震儀，每日上報觀測數(shù)據(jù)。2019年全年分析近震241個，速報地震112個，觀測連續(xù)率達到99%，數(shù)據(jù)可靠。實際地震監(jiān)測和分析中，有些波形信號僅靠定性判斷很難識別，且主觀因素較大，因此對于地震工作者來說，從震源事件波形中盡快準確識別天然地震事件與人工爆破事件是目前相對重要的課題，也是為國家公共財產(chǎn)安全和地震學(xué)領(lǐng)域相關(guān)工作提供支持[3]。

2 2020年爆破地震案例

2020年5月21日21∶14∶56.0時吉林延邊州敦化市(北緯43.91°，東經(jīng)128.55°)發(fā)生1.0級地震(疑似爆破)，能量釋放相當于約504 kg TNT當量。2020年6月6日06∶19∶18.0時吉林延邊州敦化市(北緯43.45°，東經(jīng)128.14°)發(fā)生1.3級地震(疑似爆破)，能量釋放相當于約1.4 t TNT當量；2020年6月16日07∶29∶55.0時吉林延邊州敦化市(北緯43.42°，東經(jīng)128.16°)發(fā)生1.2級地震(疑似爆破)，能量釋放相當于約1 t TNT當量；2020年6月29日10∶41∶44.0時吉林延邊州敦化市(北緯43.47°，東經(jīng)128.05°)發(fā)生1.4級地震(疑似爆破)，能量釋放相當于約2.0 t TNT當量；2020年7月16日06∶07∶10.0時吉林延邊州敦化市(北緯43.31°，東經(jīng)128.17°)發(fā)生2.6級地震(疑似爆破)，能量釋放相當于約2.0 t TNT當量；2020年8月22日11∶39∶27.0時吉林延邊州敦化市(北緯43.33°，東經(jīng)128.29°)發(fā)生1.4級地震(疑似爆破)，能量釋放相當于約2 t TNT當量。

圖1 2020年敦化爆破地震波形Fig.1 Blast seismic waveform in Dunhua in 2020

3 與天然地震事件對比

3.1 發(fā)震時間規(guī)律

爆破地震時間規(guī)律較強，發(fā)震時間與社會建筑性活動相關(guān)。每年4月份，天氣回暖，建筑企業(yè)紛紛開展爆破作業(yè)，且大多數(shù)發(fā)生在日間。直至9月份，受冷空氣影響，爆破企業(yè)停止作業(yè)，敦化記錄的爆破地震也漸漸減少。而非天然地震一年四季都有出現(xiàn)。

3.2 初動方向

一般天然地震垂直初動向下，敦化爆破地震波形垂直初動方向向上，表現(xiàn)P波強而尖銳， 且呈脈沖型，相對天然地震波形來說，其周期較短，衰減很快[4]，振幅由最大突降到極小。

3.3 垂直向P、S振幅比

敦化臺記錄的天然地震由于在地震時巖石產(chǎn)生剪切錯動，產(chǎn)生較強的S波，因此波形S波振幅明顯大于P波振幅，而爆破地震主要產(chǎn)生P波，由于爆破方式與傳播路徑復(fù)雜等原因，爆破也有可能產(chǎn)生剪切力S波，但S波相對較弱，在垂直方向上P波振幅明顯大于S波的振幅。隨著天然地震的震中距由小到大，其波形的AS/AP值變化由大到小，而非天然地震的AS/AP值則正好相反，是由小到大[4]。

3.4 波的持續(xù)時間T

一般來說，震級越大持續(xù)時間越長。爆破發(fā)生在地表，傳播中有較長時間的路程是在地表淺層，因而能量損失較大，衰減較相同震級的天然地震大[5]。震中距比較小的爆破一般持續(xù)時間(P波開始時到振幅衰減結(jié)束)在1 min以內(nèi)，且同一地點隨著爆破炸藥當量的增加，持續(xù)時間可能會更長。天然地震在與爆破事件相近的震中距情況下，一般持續(xù)時間長，大約在3 min內(nèi)結(jié)束。

4 結(jié)論

敦化爆破地震在發(fā)震時刻上具有時間規(guī)律性，其波形特征是周期短、衰減迅速、振幅突減且垂直初動P頭向下，在垂直方向上P波振幅明顯大于S波的振幅。一般來說，如果一個事件初動向上，偏向爆破，若此事件初動向下，偏向地震。

爆破地震由于震源和震中距不同，因此在波形上多少有些差異，但總體來說，爆破地震的波形特點突出，在震源區(qū)，其面波周期較大且明顯，因此可以較快識別出，如果面波不顯著，可以通過仿真或濾波的方法來加以識別[4]。天然地震可按震中距不同分為三類：地方震(震中距小于100 km的地震)、近震(震中距為100～1 000 km的地震)、遠震(震中距大于1 000 km的地震)。不同的震中距，敦化臺記錄的波形差異很大。本研究主要將人工爆破地震與近震中的淺源地震相比較。淺源地震波形相對爆破地震事件平緩，且持續(xù)時間較長，衰減緩慢。

過去處理爆破地震事件，通常只是加以識別，并不會分析震相。實際工作中，天然地震與非天然地震在某些情況下是不容易識別的，加強爆破地震事件分析與研究，不僅是為了更加準確地識別監(jiān)測出天然地震，提升地震速報監(jiān)測能力，還可以利用人工爆破地震的波形結(jié)果來反演地下巖土結(jié)構(gòu)和地質(zhì)情況，為構(gòu)造研究和地震工程提供資料[5]。