芦山地震科考人工爆破与构造地震特征对比分析

2014-12-02魏娅玲蔡一川苏金蓉

四川地震 2014年2期

魏娅玲，蔡一川，苏金蓉

(四川省地震局，四川成都 610041)

人工爆破与构造地震在震源机制及其波形记录的动力学、运动学特征都有不同。构造地震是由于应力集中超过介质弹性限度导致岩石破裂、错动的结果，在这一过程中产生了纵波(P波)和剪切波(S波)，一般破裂过程为几秒、十几秒至几十秒，发震构造通常为几千米到几十千米，震源一般都比较深，多数发生在地下几千米到几十千米的地壳深处;人工爆破多位于地表附近，且体积小，与构造地震相比，更容易将其视为“点源”，爆破第一瞬间直接产生的波是压缩波(P波)而没有剪切波(S波)，S波是次生波，不是原生波，并且不是一种机制产生的，至少有两种以上机制［1］。目前，地震观测台网记录到的事件信号中包含了很多人工地震(如化学爆破、人工爆破、采矿诱发地震等)，这些事件的记录，如果不能及时剔除，会混淆我们的地震目录，影响地震学领域的研究工作。

在构造地震与人工爆破事件的分类识别中，总结出有效的方法是分类识别的关键。自上世纪50年代开始，国内外在这两类事件的识别方面进行了广泛和深入的研究，并提出了多种识别判据，主要有:P波初动、震源深度、体波震级Mb与面波震级MS之比、P波初动振幅与P波最大振幅比、勒夫波和瑞利波振幅比、P波与S波谱振幅比、P波与勒夫波谱振幅比、倒谱、小波变换、瞬态谱等［2～5］。由于构造地震与人工爆破波形记录特征均受当地地质条件影响，各地区波形记录特征不尽相同，因此本文利用四川地震台网记录的芦山科考人工爆破和构造地震资料进行小范围波形记录特征分析，归纳上述两类事件波形记录的主要区别，不仅可以避免大范围地质结构差异对分析结果的影响，而且有助于大震速报和地震编目事件类型的正确判别，提高地震监测质量，为防震减灾工作打好扎实基础。

图1 研究所用台站和芦山科考人工爆破点分布

1 资料选取和处理

中国地震局芦山“4·20”7.0级地震科学考察小组为了查明芦山地震的发震构造及其特征、构建芦山地震的发震构造模型，采用人工地震剖面和科考台阵记录资料来揭示震区的地壳精细结构和深浅构造关系。芦山科考台阵总计35个台站(见图1)，运行状况良好，于2013年6月24日全部汇入四川地震台网中心进行实时分析处理，震区余震监测能力得到了极大提高;人工地震爆破点总计8个(见图1)，横穿龙门山断裂带南段，长300多km，并分别于9月28日和10月21、22、23日成功完成爆破(见表1)，四川地震台网中心很好地记录了这8次人工爆破地震波形。同时，截至2013年12月24日，四川地震台网中心共记录到芦山7.0级地震余震13 251次，201 454条震相数据。上述这些资料为研究芦山地震科考人工爆破与构造地震对比分析提供了资料保证。

考虑到分析结果的可比性，本研究选用6月24日至12月24日，沿芦山科考人工爆破展布宽度约40 km范围，1.3≤ML≤2.1(符合表2计算出的爆破地震震级范围)，记录台站个数不少于6的构造地震事件，最终挑选出40个最符合要求的构造地震事件进行对比分析。同时，为了测定出可靠的人工爆破和构造地震事件震源位置，统一采用Hypocenter和川滇三维速度模型［6］进行重新定位，图1是本研究重定位所用台站和芦山科考人工爆破点分布图。表1是“4·20”7.0级地震科考人工爆破点参数，表中根据炸药当量直接估算出了人工爆破事件的里氏震级，当量折合成里氏震级估算公式为:ML=1.84+0.7logT(T:吨)，估算出的最大人工爆破地震是阿坝州金川县太阳河乡sp8炮点。表2是根据人工爆破事件记录波形重新测定的爆破点位置参数，从表中可以看出，根据记录波形测定的里氏震级均小于由炸药当量直接估算的里氏震级，主要是地震波在传播路径上介质对能量吸收衰减的缘故;由记录波形测出的最大人工爆破地震不是sp8炮点，而是乐山市关庙镇sp1炮点;测定位置偏差大于1 km的爆破点有sp4和sp7。

表1 “4·20”7.0级地震科考人工爆破点参数

表2 根据人工爆破记录波形测定的爆破点位置参数

2 波形记录特征分析

2.1 构造地震波形记录特征分析

由于本研究选择的构造地震震级较小，震中距大于200 km的台站几乎记录不到清晰的地震波列，波形特征主要表现为清晰的Pg、Sg两组波列(见图2)，Pg的周期一般为0.05～0.25s，Sg的周期一般为0.1～0.5s，记录到的直达纵、横波到时差小于26s，主要振动持续时间在3min之内。当震中距小于180 km时，大多数台记录不到下地壳绕射波Pn和Sn，一般只有两个清晰的直达波，极个别台站可记录到清晰的下地壳反射波PmP和SmS;当震中距大于180 km时，部分台站可记录到比较清晰的下地壳绕射波Pn和Sn。采用Hypocenter和川滇三维速度模型［6］对40个构造地震进行重新定位，重定位震源深度均大于8 km;选用单层地壳速度模型，用直达波走时方程分别计算出40个构造地震直达纵波Pg的平均传播速度，其值在5.89～6.34 km/s之间，所得结果为地震震源区上部直达纵波传播速度的平均结果。

受龙门山东、西两侧地壳构造不同的影响，东、西两侧地震记录波形震相特征存在差异，在震级相近的情况下，东侧地震记录波形较西侧地震记录波形稀疏，典型震例波形见图2。图2(a)是2013年8月13日18时15分发生在龙门山东侧洪雅地区的ML2.1地震记录波形，地震震源深度为16 km;图2(b)是2013年7月17日22时00分发生在龙门山西侧小金地区的ML1.8地震记录波形，地震震源深度为12 km。

图2 龙门山东、西两侧构造地震波形

2.2 人工爆破波形记录特征分析

爆破是瞬间发生的，作用时间短，震源体积小，振动时间短。其优势周期比构造地震小，同时，爆炸源使周围介质在最开始时受压缩作用，垂直向Pg波初动向上，而对于构造地震垂直向Pg波初动呈四象限分布［7］。

四川芦山科考人工爆破为地方爆破，8个炮点中，只有sp1和sp8两个当量较大的爆破点波形能被震中距大于120 km的台站记录到。近台爆破波形多显示为Pg振幅突出，Sg波不清，垂直初动向上。随震中距或爆破点位置的不同，人工爆破波形记录特征也有所不同。主要有:①图3和图4是按从东至西的顺序排列各爆破点记录波形的。通过对比可知，面波发育程度由东至西呈现逐渐减弱现象。②当震中距小于120 km时，台站记录波形多显示为Pg波振幅突出，Pg波最大震幅均大于Sg波最大震幅;龙门山东侧人工爆破点的记录波形面波发育，且当量越大的人工爆破面波越发育(见图3)，Sg波不易识别;龙门山西侧人工爆破点的记录波形面波不发育，个别台站Sg清晰可辨，如sp6炮点震中距为73 km的WOLN台和sp7炮点震中距为12 km的XJI台等(见图4)。③当震中距大于120 km时，台站记录的爆破波形与天然地震波形相似(见图5)，Pg振幅不突出，龙门山东侧爆破点的Pg波最大震幅小于Sg波最大震幅，如果只有远台记录波形，是很难直观分辨出地震事件类型的。

图3 震中距小于120 km台站记录的龙门山东侧人工爆破波形

图4 震中距小于120 km台站记录的龙门山西侧人工爆破波形

图5 震中距大于120 km台站记录的人工爆破波形

选用单层地壳速度模型，本研究用直达波走时方程分别计算出8个人工爆破地震直达纵波Pg的平均传播速度，其值在5.57～6.05 km/s之间。对比构造地震与人工爆破地震直达纵波平均速度可知，构造地震传播速度大于人工爆破地震的传播速度，其原因主要是人工爆破震源浅，地震波在沉积层中传播的缘故。由于爆破地震震源浅，传播介质疏松，随着震中距的增大，其高频成分很快被疏松介质吸收，所以直达Pg波的周期也明显变大。在两者震中位置差小于10 km、震级相等的情况下，构造地震波持续时间较长，波及面大，而人工爆破地震波持续时间相对较短，波及面小。