辽宁抚顺地区非天然地震的特征与识别

2023-12-23李子昊王晓睿梁一婧

防灾减灾学报 2023年4期

李子昊，郭攀，王晓睿，梁一婧

（辽宁省地震局，辽宁沈阳 110034）

0 引言

辽宁抚顺地区矿产资源丰富，频繁的开采煤矿会导致非天然地震如塌陷等的频发，并诱发诸多次生地质灾害，在不同程度上影响人民生活和工业生产[1]。非天然地震的波形和天然地震的波形相似度极高，对于速报和编目值班人员来说，通过波形记录难以识别和区分。非天然地震的识别不仅仅是学术界的研究热点，同时也是测震台网工作的一项重要内容，对非天然地震的震源参数的研究，有利于提高国民经济安全和矿产安全。因此如何快速地识别地震波震相，查找非天然地震波形的共同特征，总结非天然地震的识别方法并提高地震监测的精准度，是非天然地震监测工作中亟待解决的问题。

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前人对于地震性质识别已经开展了很多的研究。20世纪80年代，开始提出了非天然地震的识别依据[2-4]，如P 波初动方向、能量衰减规律、地震波频率等性质来对非天然地震进行识别，进而总结出非天然地震的规律，然而这些特征通过波形无法直接获取，所以一些学者开展了地震事件波形提取工作。振动分析方法也用于研究非天然地震事件，赵永等[5]、林伟等[6]、苏莉华等[7]、蔡杏辉等[8]、徐岩等[9]分别对北京、广东、河南、福建、内蒙等地区的非天然地震事件开展波形、频谱、能量、震相等方面的研究和分析，归纳总结出不同研究地区的非天然地震特征。由于不同地区地质特征的不同以及设备性能的差异，导致非天然地震在各个地区的识别结果不尽相同。

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在前人研究成果的基础上选取了2018 年到2022 年辽宁地震台网记录到的抚顺地区非天然地震事件，通过发震时间、震级、震源深度、震中位置、波形、频谱等特征进行对比分析，归纳总结出抚顺地区非天然地震的识别依据，有助于提高测震台网工作人员在速报过程中提高速报能力，并快速识别出事件类型。

1 辽宁地震台网概述

辽宁地震台网拥有37 个测震台站，其中5个国家测震台站，32 个地方测震台站（图1）。通过广东省地震局研发的JOPENS 数据采集软件系统进行资料处理。为了提高地震监测能力，辽宁地震台网通过国家台网中心的SDH 光纤和扩频微波进行数据传输，能够从邻省数据下载邻省（吉林、内蒙、河北、山东）14 个台站的波形数据，大大提升了辽宁地震台网速报地震和编辑目录的准确性，目前辽宁地震台网共有51个台站的实时数据。

图1 辽宁测震台网台站分布图Fig.1 Distribution of seismic stations in Liaoning

2 资料选取

选取了2013年到2022年辽宁地震台网记录到的抚顺地区非天然事件共计338条。使用Hyposat 方法对非天然地震进行重新分析和校正，并对事件类型进行复核，最大的非天然地震发生在2018年04月29日16：00：41.47，震级为ML3.5。

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3 地震波形的特征

3.1 地震事件的共性特征

目前，值班人员通常采用地震信息图来识别地震的类型[10]。地震信息图所包括的信息十分丰富，不仅有天然地震的地震波信息，还有其他振动波引发的信息，如非天然地震的波形信息，所以需要对地震信息图进行分析与处理，解释每一个地震波的震相特征。地震波的波形特征会有差异，比如传播路径、振动方式、初动方式、周期等等。地震台网根据波形特征差异将地震事件分为天然地震、塌陷和爆破，其中塌陷和爆破属于非天然地震。

（2）震相特征。无论是塌陷还是爆破，P波周期较大、衰减快[14]，S波发育的都不是很清晰，P 波和S 波界限不明显并且在垂直向P 波振幅大于S 波振幅。即使是距离震中位置较近的台站，在S 波之后也会有较清晰和长周期的面波存在，随着震中距的增大，面波逐渐清晰，非天然地震的地震波所持续时间比同级天然地震持续时间要短。对于地方震和近震来说，这种现象是不存在的[15]，地方震和近震存在清晰的P波和S波（图6）。

3.2.1 发震时间特征

3.2.4 震源深度特征

（3）从波形的持续时间上来看，震级越大地震波序列的持续时间就越长；

（4）从震中距方面来看，震中距越远整个地震波序列的持续时间就越长。

3.2 辽宁抚顺地区非天然事件的记录特征

根据图2 统计可以看出，抚顺地区非天然地震的发震时间比较有规律，建筑企业主要在中午或晚上某些时间段开展爆破作业，中午集中在11—13时，12时居多，晚上集中在17—19时，18 时较多。抚顺地区非天然地震多为人为可以控制的塌陷事件，与人类的社会活动性有很大的关系，非天然地震发震时间一般选择在人们非工作比如休息的时间段。然而天然地震的发震时间是比较随机的，没有任何的规律可言，所以通过发震时刻也是鉴别天然地震和非天然地震的一项依据。

（1）波形记录图中包含三种波：纵波、横波和面波，这三种震相波形在记录图中依次出现，并且纵波速度最大，横波速度和面波速度较小；

据统计2013年到2022年辽宁地震台网所记录到的抚顺地区非天然地震共计338 条，其中塌陷事件278 条，爆破事件60 条。通过对上述非天然事件的分析，发现非天然地震与天然地震存在一些差异的特征，表现为发震时间特征、震级特征、震中位置特征、震源深度特征、波形特征、频谱特征六个方面。

图2 2013—2022年全天不同时间段非天然地震数目Fig.2 Numbers of non-natural earthquakes in different hours throughout the day from 2013 to 2022

3.2.2 震级特征

据统计，2013年到2022年辽宁地震台网所记录到的抚顺地区天然地震共计5439 条，其中ML＜1.5 的地震1762 条，1.5≤ML＜2.5 的地震2964 条，ML≥2.5 的地震713 条，天然地震最大震级为ML5.5，天然地震的震级上没有明显的规律；2013年到2022年辽宁地震台网所记录到的抚顺地区非天然地震共计338 条，其中震级最小为ML1.2，最大震级为ML3.5，多数震级在ML2.0～3.0。由于每次引起爆破的药量需要控制[13]，因此抚顺地区非天然地震震级比同时间段天然地震震级要小，范围主要集中在ML2.0～3.0（图3）。

图3 2013—2022年辽宁抚顺地区非天然地震震级分布图Fig.3 Distribution of non-natural earthquakes magnitudes in Fushun，Liaoning Province from 2013 to 2022

3.2.3 震中位置特征

非天然地震的发生与人类的活动有关，在震源位置上常常发生在工业活动频发的地区，如某些工地、矿业和采石场附近，位置也较为集中；而天然地震多数发生于板块交接处或者板块内部断裂构造发育地区。

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（2）波形周期和振幅方面，纵波的周期和振幅小于对应的横波周期与振幅，最长的是面波的周期和振幅[12]；

非天然地震一般与人类活动有关，一般震源深度较浅，爆破和矿震引起的非天然地震深度为0 km。大部分发生的天然地震与地壳的构造活动有关，然而天然地震的发生与地壳的构造型运动有关，一般发生在地壳范围，发震所在的断层位置比较深。按照震源深度可分为浅源地震（深度小于70 km）、中源地震（深度在70 km到300 km）和深源地震（深度大于300 km），所以震源的深度也可作为区分天然地震和非天然地震的一项参考依据。

3.2.5 波形特征

非天然地震和天然地震的波形存在比较大的差异，通过对辽宁地区非天然地震进行分析发现：各种地震波的波形特征会有不同的差异，比如传播路径、振动方式、初动方式、周期等等。

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非天然地震的波形信息与天然地震类似，因此天然地震、塌陷和爆破这三类事件在波形记录上存在一些共同的特征[11]：

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表1 抚顺地区非天然地震P波初动方向统计

图4 2020年3月18日辽宁抚顺塌陷事件波形Fig.4 The waveform of Fushun collapse event in Liaoning on March 18，2020

图5 2013年3月19日辽宁抚顺爆破事件波形Fig.5 The waveform of Fushun explosion event in Liaoning on March 19，2013

图6 2021年12月21日辽宁抚顺天然地震事件波形Fig.6 The waveform of Fushun natural earthquake event in Liaoning on December 21，2021

（3）波形周期。抚顺地区非天然地震的波形记录，具有全波段波形频率单一，高频成分少，周期较长，近台衰减快，远台面波清晰的特征[16]（图4-5），这是因为非天然地震发生的震源位置深度比较浅，破裂面比较小，传播路径大部分为松散的地表沉积物，由于地层对波有低通滤波作用，波在传播过程中，高频成分大部分都被吸收，体波的周期比天然地震的周期大很多，因此相对于地震波形，非天然地震波形具有周期大、衰减快、持续时间短的特征。

（1）P 波初动方向。塌陷事件多发生在矿区或者建筑工程区域，塌陷的震源体对源外介质采用的是拉力作用，由于收缩波的作用，塌陷垂直分量P 波初动方向的记录是向下的（图4），而爆破事件是膨胀源，垂直向能够记录到较为清晰的P 波，一定方向上的介质由于膨胀波的挤压作用，导致P 波垂直向初动大多数是向上的（图5），因此P 波的初动方向可以作为识别塌陷和爆破的重要手段。为了进一步对比，将震中距100 km 以内的台站初动情况进行统计（表1），最后得出塌陷的P波垂直向初动向下的占比超过93%，爆破的P 波垂直向初动向上的占比超过90%。

3.2.6 频谱特征

MHD方程组的求解难点在于：① 方程组含有非线性项。② MHD方程组是多方程耦合的方程组，导致方程组的计算量偏大。针对这两个难题，本文基于区域分解技术和两步有限元方法提出并行两步有限元方法，并利用数值算例体现它的高效性。

地震速报和编目工作者一般通过波形图来识别地震类型，此判别方法具有快速便捷的优势。但由于非天然地震种类复杂，特别是一些波形记录与天然地震相似的人工爆破波形，仅仅从波形图当中很难识别出来，所以通过波形图鉴别事件类型还存在局限性。

研究表明天然地震的频谱与非天然地震的频谱存在着明显的差异[17]，地震波频谱分析技术通常采用的是傅里叶变换（FFT）方法，具体是将原始时间记录域函数转变成频率域序列排序，通过分解振动信号提取地震波所含的信息，能够更深入研究和处理地震波的波动现象和物理本质[17]。基于抚顺地区2013—2022 年记录到的事件波形，利用Matlab 程序对频谱特征进行了分析研究。由该频谱图可知（图7），抚顺地区塌陷事件的优势频率较低，主要集中在0～3 Hz，主频为1 Hz；抚顺地区爆破事件的优势频率较高，主要集中在0～5 Hz，主频为1 Hz；抚顺地区天然地震事件的优势频率主要集中在1～22 Hz。综上所述，爆破和塌陷事件的主频相当，相对于天然地震较低，爆破和塌陷事件的能量衰减都较快。

在传统初中英语教学中，教师普遍有一个错误的观念，将课堂教学的主体进行颠倒，认为自己是阅读教学中的主人，一味对学生进行阅读技巧的灌输，忽视了学生能否真正消化这部分知识点，是否能将这些技巧在自己的阅读中使用，导致教学效率的下降。因此，教师需要及时转变教学观念，梳理师生在课堂中的关系，重视学生自主阅读能力的培养，使得学生主动进行阅读，并且有意识地锻炼自己的阅读能力。教师在初中阅读课堂中需要给学生自主发挥的时间和空间，提供平台让学生进行自我展示。