河北数字地震台网近震震相特征与典型震例库的建立

杨锐，魏艳旭，刘丽，董一兵

(河北省地震局，河北 石家庄　050021)



河北数字地震台网近震震相特征与典型震例库的建立

杨锐，魏艳旭，刘丽，董一兵

(河北省地震局，河北 石家庄050021)

摘要：主要分析了河北数字地震台网近年来记录到的华北区域近震中6种常规震相(PN、PG、P11、SN、SG、S11)的基本特征，分析总结了该区的震相特点。利用编目震例库与动态分析演示系统软件，建立了河北台网典型地震震例库。为新人快速了解该区域地震波形特点和应注意的问题提供了图文、声音、视频并茂的基础数据。

关键词：数字化近震记录；震相分析；典型震例库

0引言

河北省通过“首都圈”、“十五”网络项目建设，建立了较完备的数字化地震观测体系。河北数字地震台网由河北省地震局直属管理57个台站及北京、天津、山东、山西、内蒙、辽宁、地球物理研究所等7个测震台网，共170个台站组成，承担着河北及邻省的地震速报与地震分析处理编目任务。地震震相分析是微观地震学的核心工作，是提取地震学及地球物理学研究数据的主要手段，是台网工作的基础。河北数字地震台网自2002年正式运行以来，积累了大量有价值的数字化记录波形数据，地震记录信息相当丰富，为研究人员开展华北地区地震学及地球物理学研究提供了第一手基础资料。首都圈地区地震波形震相复杂，识别有难度，且数字化以来针对华北地区区域地震震相特征的研究工作还很少，因此有必要对典型震例特征进行分析和总结[1]。

福建省地震局研制开发的编目震例库与动态分析演示系统软件，能完整地将典型震例进行收集，并能实现视频动态效果，具有良好的使用和推广前景，利用河北数字化以来丰富的数据分析河北台网近震震相特征并建立典型震例库，为台网工作积累经验、提供依据势在必行。

不断提高分析震相和地震速报水平是对地震工作者提出的最基本要求。震相识别与分析是地震编目与速报的基础。河北省地震台网有着坚实的数据基础，在工作中发现不同地方的天然近震波形各具特色，在分析震相过程中，会遇到有争议的问题，利用该台网已有的数字化地震数据，总结、统计、用实例来说明不同距离、不同方位、不同类型的近震震相特征，做好震相识别与分析并建立典型震例数据库，为今后相关人员进行学习、练习以及为地震速报和编目打好坚实的基础具有实际意义。

1资料来源与说明

本文按照相对于河北省地震台网不同方位选取了6个具有典型记录特征的近震：天津地处首都圈，在该台网处理地震的责任区范围内，它的很多台站地震计是井下摆，由于天津地质条件特殊，记录的波形很难区分是否是天然地震；山西相对偏西，位于该台网边缘地区，由于能记录到地震波形的台站数量有限，定位台站包围不够密，震中较远，会出现难辨别的PN、SN震相，要注意区分震相；张家口地处河北最北部，地震发生比较频繁，震相丰富，正确的区分和标注地震要素是关键；唐山地处河北东部，地震发生频繁，加上在首都圈附近，台站密集，记录的震相丰富，易混淆；深州地处河北东部，由于地下介质比较破碎，记录的地震波形特殊，尤其近台记录波形很像爆破，所以区分是否为天然地震是难点；石家庄辛集市在河北省会附近，地震波形与深州地震有相似之处，波形特别。这些地震震相特征各不相同，基本代表了河北地区近震的震相特点和难点，各个震例的基本参数及难点分析见表1。

表1

震例参数及分析难点

2典型近震震例分析

2.1天津市宁河县M3.1级地震

由图1a可见，最近的芦台地震台(LUT)记录到的垂直向一簇波形，波形不具备天然地震的特征。天津的台站一般是深井观测，覆盖层厚，井下地震计记录的波形不如地面地震计记录得漂亮，震相更加复杂。河北省地震台网记录的地震波形标准特征较为明显，天津地震多半波形特征较为复杂，人工爆破极似天然地震，有的浅源地震又似爆破，所以分析起来难度较大，须结合更多台站来看。如其他天津的地震台站、中国地震局地球物理研究所和河北地震台网的多数地震台站记录的波形特征较为清楚，由此来判断天然地震和爆破等。天津宁河地震，虽然从图1a来看，天津的芦台(LUT)、汉沽(HAG)、长虹公园(CHH)、武清(WUQ)、大沽(DAG)等地震台记录的波形蹙成一团，不易辨认，但结合图1b水平向记录和图1c河北地震台网记录的波形特征，可以判定它为天然地震。

图1　天津宁河M3.1级地震记录波形

天津宁河地震所有台站记录的波形按台间距排序后，如图1d所示。撒金坨(SJT)台比其他台站记录的波形靠前，理论震相和实际震相也相差甚远，可见撒金坨(SJT)台GPS对时有问题，时间不准确，速报时一旦用上会影响定位结果，残差很大，理论到时整体错位，也会影响地震的正确标注，所以具备识别有问题台站的分析能力很重要。

2.2山西省阳曲县M4.6级地震

山西地震对于河北省地震台网属于边缘地震，由于台网布局，参与定位的台站比较偏，由矢量定位可见(图2a)，台站分布相对靠东。对于边缘地震，编目时本省台网记录震相清晰的台站需要标上震相。该地震震中距较大，地震波形周期较大。图2b为最近台站记录的波形。

如图2c所示，多数台站记录的山西阳曲县M4.6级地震的SG-PG到时差在16 s以上，会出现PN、SN，所以震相识别很关键，不能将PN、SN与PG、SG混淆。一般PN比PG的周期大且振幅小，在PG之前出现。

图2　山西阳曲地震波形

2.3河北省张家口市张北县M3.3级地震

河北省张家口地区地震震相清晰、特征明显，较易定位，定位深度较深。由于地壳厚度较厚，PN、SN、P11、S11较其他地区如唐山地区出现得晚。在震中距80 km左右，即SG-PG约12 s时，会出现P11和S11震相；震中距在170 km左右，即SG-PG约18 s时会出现PN和SN震相。PN、SN的特点为周期大，振幅小；PG、SG相对PN、SN振幅大，周期小；P11、S11振幅最大，相对周期更小。可以根据以上特征在处理资料时稍加小心，以免震相混淆、出错。如图3所示。

图3　张家口地震波形

2.4河北省唐山M3.3级地震

如图4所示，唐山M3.3级地震震相丰富，PN、PG、P11、SN、SG、S11震相都会出现，同时一些台站定位残差较大，使得最后定位残差大于0.5的一级残差范围。需要调整一下个别台站的震相，尤其是SG-PG大于16 s的台站，会影响到残差，一般可以把到时差在16 s以上的台站震相或不是特别清楚的震相权重设置为0，不参与定位。但震中距大的台站定的震级比较准确，震中距小的台站定的震级也偏小，因此可用震中距大的台站定震级。由于台网分布较密，能记录到唐山地震波形的台站较多，唐山地震大多会出现PN、SN或P11、S11，一般SG-PG为10 s左右，即震中距在70 km～90 km时，会出现P11、S11(图4a中PMP、SMS)震相，且P11、S11振幅大于PG、SG振幅。随着震中距增加，P11、S11逐渐变得不清，理论上当入射角等于临界角时就产生绕射波[2]，在震中距150 km，SG-PG约16 s左右出现PN、SN震相，如图4b。

2.5河北省衡水市深州M2.4级地震

以2014年11月27日河北省衡水市深州M2.4级地震为例，由于深州地质结构以土层为主，薄且破碎，造成深州地震波形特别，波形周期普遍较大，如图5a所示，放大窗中的波形周期也较大。深州(SHZ)和深县(SHX)属于最近的地震台站，水平分向出现两组类似的SG波，仿真后的周期也很大，如图5b。深州台(SHZ)东西分向另有一组波跟在其后，性质不明。初学者会产生疑问，甚至会认为可能不是天然地震。但是记录到类似波形的台站很多，如果是爆破，沿地表传播，不可能有如此多的台站记录到[3]。特别是有些较远的台站也记录到了，但个别远台记录波形特征不够明显，仿真后周期也偏大，如图5c所示。可结合更多地面摆台站记录来区分是否为天然地震。

图4　唐山M3.3级地震波形

2.6河北省石家庄市辛集M3.3级地震

2011年9月1日，石家庄辛集、衡水市冀州市、深州市交界发生M3.3级地震，距离2014年深州M2.4级地震不远，其他台站记录波形不存在特别之处，但深州台(SHZ)井下地震计水平向SG后面跟着两组波，如图6a所示，与2014年记录到的深州M2.4级地震的波形存在相似之处。但两水平向的两组波上下方向不一致，可能与深州的地质构造有关，深州地质构造破碎，波形可能特殊。2011年河北辛集交界地震，用单纯型法定的震源深度较深，达到30.1 km，如图6b，与该地区地质构造不太相符，并且在精细定位中，出现PMP残差-999的情况，原因不明，如图6c。用HYPOSAT方法定位深度14.5 km，如图6d，比较符合实际，精细定位结果中也未出现混乱数据，最终取该方法的定位结果。

图5　深州M2.4级地震波形

图6　河北辛集M3.3级地震

3典型震例库建立情况

典型震例库中，收录了河北台网记录的3级以上地震编目相关的事件13个，3级以上地震速报相关的事件11个，爆破、塌陷相关的非天然地震事件7个，共31个，如图7所示。每个地震事件或非天然地震事件中包含着震例信息、视频、图片及详细报告。震例信息中包含地震的基本三要素，视频中包含声音录制，对每个台站每个震相如何标取以及一些注意事项等均达到动态视频的效果，直观明了。图7可显示特别台站特殊波形的标注，也包含地震定位的结果及不同定位方法定出结果的不同之处。可点击每个地震事件，查看具体速报和编目情况，以达到学习的目的。这些事件中包含东南西北四个方位的地震，也是各个地区具有代表性的地震，北面的张家口、东面的唐山、西面的山西地震及石家庄附近的辛集地震，东面的衡水地区的地震，有的是网内地震，有的是边缘地震，都有较为详细的记录，录屏工具也将标注的每一个细节都进行了录音和录屏，实现静态和动态相结合的教学目标。

图7　典型震例库的建立

4结论

通过以上论述和分析，可总结如下：

(1)天津的台站为深井观测，覆盖层厚。记录的波形不如地面地震计记录得漂亮，与其他台站相比震相识别更具复杂性。

(2)山西地震对于河北省地震台网属于边缘地震，由于台网布局，参与定位的台站比较偏，需注意区分PN、P11、SN、S11震相和定位方法的选择。

(3)河北张家口附近的地震震相清晰、特征明显，但震相丰富，需注意不要混淆。定位深度较深，比较而言，单纯型法定位结果似乎更精确。

(4)河北唐山地震震相丰富，特征明显，但需注意区分PN、P11、SN、S11震相。

(5)河北深州地震波形特殊，特别是最近的台站记录的波形不似天然地震，SG后面会出现2个很一致的大周期波，会干扰天然地震的识别，必须结合其他台站来综合分析考虑，可能与当地地壳土层薄且破碎有关。

(6)典型震例库中，收录了河北省地震台网3级以上地震编目相关的事件13个，3级以上地震速报相关的事件11个，爆破、塌陷相关的非天然地震事件7个，共31个，涉及省内地震、边缘地震、特殊波形地震和爆破等非天然地震，使初学者能够通过震例信息、图片、视频和报告等更好地了解河北省记录的地震波形特征、如何正确标注震相以及在标注过程中需要注意的问题。

参考文献：

[1]孟晓春.地震信息分析技术[M].北京：地震出版社，2002：10-280.

[2]冉慧敏，段天山，赵庆.新疆数字化近震记录特征[J].地震地磁观测与研究，2013，34(Z2)：195-201.

[3]霍祝青，王俊.江苏数字地震台网中心记录波形分析[J].地震地磁观测与研究，2012，33(Z1)：264-268.

CHARACTERISTICS OF NEAR EARTHQUAKE SEISMIC PHASES IN HEBEI DIGITAL SEISMOGRAPH NETWORK AND THE DATABASE OF TYPICAL EARTHQUAKE CASES

YANG Rui, WEI Yanxu, LIU Li, DONG Yibing

(EarthquakeAdministrationOfHebeiProvince,Shijiazhuang050021,China)

Abstract：The basic characteristics of 6 kinds of normal seismic phase (PN,PG, P11,SN, SG, S11)recorded by Hebei digital seismic network in recent years in the North China region are analyzed and summarized. The database of typical earthquake cases in Hebei province is established by “the case library and dynamic analysis system” cataloguing software. The basic data of pictures, voice and video are provided for the regional seismic waveform characteristics and other problems.

Key words：Digital near earthquake record; Phase analysis; Typical case library

中图分类号：P315.3

文献标识码：A

文章编号：1005-586X(2016)01-0004-10

作者简介：杨锐(1983—)，女，河北怀来人，工程师，本科，从事地震监测与速报工作。E-mail：yangrui9811@eyou.com。

基金项目：河北省地震科技星火计划项目“河北台网近震震相特征分析与典型震例库的建立”(项目编号：DZ20140712045)资助。

收稿日期：2015-11-10