水庫地震監測臺網干擾源及其波形特征分析

陳 輝， 雷 學， 戴 繪， 胡 興 堯

(1.中國電建集團貴陽勘測設計研究院有限公司，貴州 貴陽 550081；2.成都理工大學地球物理學院，四川 成都 610059；3.國電大渡河猴子巖水電建設有限公司，四川 康定 626005)

1 引 言

水庫地震監測臺網是由多個遙測臺站組成的監測系統，為研究水庫蓄水前后庫區周邊地震活動性分析提供重要資料。臺網記錄的地震波形中有時包含了類似地震波的其他干擾波形，如爆破、滑坡、機械震動以及人為干擾等。怎樣識別和剔除這些干擾波形，前輩們已做大量工作。許健生等[1](1999)對中國數字地震臺網記錄到的5個附近工業爆破與震級相近的7個天然地震作波普分析比較，發現人工爆破與天然地震的波普參數和震源參數有較大差異。張萍[2]等(2005)采用波譜分析的方法，對爆破、礦震和天然地震進行研究，得出爆破、礦震與天然地震的縱橫波拐角頻率以及最大譜值等均存在差異。閆俊崗[3]等(2011)總結分析了小浪底水庫數字臺網記錄的波形資料，認為該水庫地震臺網波形記錄有特定的記錄特征……魏婭玲[4]等(2014)對四川蘆山地震科考人工爆破與構造地震特征對比分析后，用實例驗證了不同震中距、不同地區，震級相近的兩類地震震相特征是不同的。

本文利用某臺網記錄到的實際地震資料，對記錄到的爆破、滑坡、機械震動以及人工干擾等波形，從波形、發震時間、初動方向、P波與S波振幅比(APM/ASM)以及功率譜等方面進行分析，得到該臺網干擾波形的相關特征。以便更加快速準確的識別各類地震類型，及時剔除干擾事件，為水庫活動性分析提供更準確的數據。

2 干擾波形特征

天然地震主要是指構造地震，是構造應力集中超過介質彈性限度時，巖石破裂、巖層瞬時錯動的結果，一般振動時間為幾秒至幾十秒。天然地震中，當震中距為100 km內地震稱為地方震。對于天然地震的PG波呈四象限分布，即震源發生的振動，使一定方位的介質受壓，形成壓縮波，PG波向上；另一方位的介質受拉伸，形成膨脹波，PG波向下。利用臺網實際地震資料，選取爆破、滑坡、機械震動以及人工干擾等波形，分別對比各干擾波形特征。

2.1 爆破干擾波形特征

爆破是瞬間發生的，作用時間短，震源體積小，振動時間短，優勢周期比天然地震小，發震的地點不固定。爆破的震源體對源外介質施加的是壓力，產生的是壓縮波，因此，一般表現為垂直向P波初動向上。

臺網記錄的爆破波形與天然地震波形相比(如圖1)：爆破的P波初動方向向上，周期比天然地震大。由于爆破淺源一般在5 km左右，且爆炸體積小，所以可以簡單的認為爆破地震是點源，因此產生無象限分布的、且初動向上的P波。統計該臺網記錄的爆破地震的P波初動方向發現，初動向上的臺站占67.1%，初動向下的臺站占1.4%，初動方向不清楚的臺站占31.5%。

圖1 典型天然地震與爆破地震波形

取爆破位置到臺站距離D≤20 km的爆破做統計，同時選擇振幅接近地脈動水平的時間點作為爆破尾波的終結點，得到爆破持續時間T與D及爆破當量震級ML的關系圖(如圖2)。從圖中可以看出D<5 km的爆破，衰減很快，持時較短。

統計該臺網記錄的爆破地震的APM/ASM(隨機抽樣100次)，得到圖3。經統計APM/ASM≥1的爆破占比43%， APM/ASM≥0.8的爆破占比為84%，說明該臺網爆破地震多顯示為P頭大。

選取震級較小且震中距較近的天然地震和爆破進行歸一化功率譜分析，對比結果見圖4。從圖中可以看到，該臺網監測區天然地震的優勢頻段較高，主要集中在1～12Hz以內；爆破的優勢頻段較低，主要集中在1～5Hz以內。通過比較發現爆破地震優勢頻段比天然地震窄。

圖2 爆破持時與距離及當量震級關系圖

圖3 某臺網爆破APM/ASM

圖4 各子臺記錄爆破波形與天然地震歸一化功率譜圖

以上分析發現該臺網記錄的爆破的P波初動多為向上，且多表現為P頭大；爆破衰減快，且持時短；APM/ASM比值較大；爆破優勢頻段比天然地震窄。

2.2 滑坡干擾波形特征

滑坡不是一瞬間完成的，而是滑動開始后，短時間內滑坡體向前沖刷，不斷產生新的巖層破裂和錯動，并由于摩擦和碰撞，形成新的振動源。該水庫周邊存在一些規模較小的滑坡，如道路修建、排危等由于高程落差較大而向山體下滑落土、石引起的滑坡。由于能量小，并且在地表傳播，衰減迅速，地震臺站較難記錄到波形。

該臺網記錄的滑坡事件波形如圖5，從波形上看其初始微弱，P波不明顯，且振幅大小和周期變化均不大。由于新的振動不斷加入，各種波形疊加在一起，無構造地震明顯的縱橫波特征，后續震相難以區分。對滑坡波形進行歸一化功率譜分析結果如圖6，從圖中可以看到滑坡的優勢頻段主要集中在0.5～2Hz以內。與天然地震和爆破的優勢頻段相比，滑坡優勢頻段值較小。

圖5 滑坡波形

2.3 其他干擾波形特征

其他干擾以機械震動和人為干擾為例，進行分析。部分臺站建在村落附近，對于單個臺站而言，有時會接收到村民耕作、勞動等產生的人為干擾。此類干擾雜亂無章，并無規律可循，周期有長有短。對比白天和夜晚發震次數，發現白天發震次數明顯高于夜晚發震次數，說明此類干擾一般集中在白天發生，干擾的出現掩蓋了一部分微小地震。

由于臺網各個臺站當地或附近施工等原因，部分單個臺站白天存在機械震動的情況(如圖7)，從圖中可以看到，機械震動波形有周期短、頻率較高、持續時間短以及一段時間內多個振動等特征。從歸一化功率譜圖(如圖8)上可以看到，機械震動的優勢頻段主要集中在20～37 Hz，范圍較大。

圖7 機械震動波形

圖8 機械震動歸一化功率譜

3 結 語

本文僅基于臺網記錄到的主要干擾源進行了波形特征分析，對于水庫地震監測而言，庫區周邊的干擾源類型多種多樣且波形記錄復雜。對該地區干擾源針對性分析，以便能更加快速準確的判定事件類型，為水庫研究分析提供更準確的數據，更有利于該地區水庫地震活動性研究。通過以上分析，得到一些有益的啟示：

(1)宏觀特征上，發現該臺網記錄的爆破事件波形P波初動多為向上，且多表現為P頭大，S波到時不好確定， APM/ASM比值較大，衰減快且持時短；滑坡事件波形初始微弱，P波不明顯，無構造地震明顯的縱橫波特征，后續震相難以區分；人為干擾雜亂無章，并無規律可循，一般集中在白天發；機械震動具有周期短、頻率較高、持續時間短、一段時間內多個振動等特征。

(2)功率譜特征上，該臺網記錄的天然地震的優勢頻段主要集中在1～12 Hz以內，爆破的優勢頻段主要集中在1～5 Hz以內，滑坡的優勢頻段主要集中在0.5～2 Hz以內；機械震動的優勢頻段主要集中在20～37 Hz。

(3)由于各地區地質條件不同，記錄的干擾源波形特征也有所不同。本文收集的資料有限，有些問題有待進一步討論，不斷總結以提高事件判別分析水平。