蘭州市紅古區非天然地震記錄特征分析

陳曉龍,陳繼鋒,蒲 舉,王祖東

(1.甘肅省地震局,甘肅 蘭州 730000;2.中國地震局蘭州巖土地震研究所,甘肅 蘭州 730000)

0 引言

測震臺網日常工作中,震級(M≥2.0)需要在極短時間內進行速報,但對地震類型的識別需要消耗大量時間且難以保證準確性;編目工作需要排除非天然地震的干擾,但小型非天然地震又與天然構造地震存在許多相似之處,導致編目人員混淆的情況時有發生。所以非天然地震的識別不僅是學術界研究的熱點問題,同時也是測震臺網工作的重點與難點。雖然前人研究已經總結了大量非天然地震的一些特征,但由于不同地域、不同類型的非天然地震常存在差異,故不同地點的非天然地震應分別研究其特性。蘭州市作為甘肅省省會城市,對城市周邊地區的地震類型、分布的研究在大震速報、地震編目、地震災害防治與風險評估等方面具有重要意義。位于市區近郊的紅古區近年來非天然地震事件頻發,但目前尚未有研究涉及,對該區域非天然地震目前仍依靠工作人員的經驗進行判斷。

非天然地震主要包括爆破、塌陷和礦震等,這些非天然地震常常對臺網觀測和速報、編目工作造成干擾。近年來,隨著甘肅省數字化測震臺網的優化改造,省內小震監測能力得到大幅度的提升[1]。尤其是“十·五”規劃后中國地震觀測網絡項目升級改造以來,甘肅臺網積累了海量的寬頻帶地震觀測數據。這些地震記錄很好地記錄了許多地表反射波、反射轉換波、核面反射轉換波等數據,且各類震相的動力學和運動學特征明顯。豐富的震相記錄資料為區分不同類型的地震事件研究提供了研究基礎與保障[2]。本文利用甘肅臺網近年來記錄的蘭州周邊大量寬頻帶地震資料,通過空間分布、波形特征總結和頻譜特征分析等方法分析解釋蘭州紅古區非天然地震記錄特征,為區域測震臺網工作人員在速報過程中快速、準確識別該區域的地震類型提供必要的參考。

1 資料選取

選用2010年1月—2020年8月期間甘肅省區域測震臺網記錄的蘭州周邊地區ML≥2.0的地震事件386例,其中2.0≤ML<3.0地震366例、3.0≤ML<4.0地震18例、4.0≤ML<5.0地震2例。對于上述地震記錄,以甘肅省測震臺網觀測報告為依據,增加了青海臺網的共享臺站原始記錄數據,進行了分析處理。地震定位使用Hyposat方法對所有震例進行了重新校正,并復核了每次事件的類型。在測定震源參數時采用甘肅區域雙層地殼模型[3]。

為突出震源信息,最大限度減少介質傳播的影響,選取了紅古區礦震多發地震中距小于 120 km范圍內的MIH、LED、YDT、HUL、XUH、LZH、BYT、LXA等8個寬頻帶數字地震臺資料,其中包括周邊MIH、LED、HUL、XUH等4個青海臺網臺站的記錄(圖1)。

2 分析方法

不同類型地震事件波形的辨別需要研究地震波的振幅、頻率、相位特性、偏振狀態及衰減規律等要素。同時也需要更多的利用地震波傳播時間和空間距離之間的關系,確定地下地質構造等信息,即地震波的動力學和運動學特征[5]。本文從甘肅省非天然地震活動的空間分布、波形特征和頻譜特征三個方面進行分析討論。

塌陷、爆破、礦震等非天然地震波形特征除體波周期大、波形不規則、尾波長衰減慢[6-7]、P波垂直向初動方向各異和短周期面波發育外,與天然地震波形相比具有隨震中距增加波列的振幅衰減快,縱、橫波振幅比衰減迅速[8-10]的突出特征。

前人研究顯示天然地震的頻譜與非天然地震的頻譜存在顯著差異[11]。因此,對地震波進行頻譜分析能更加充分提取地震波所含信息,更深入地研究波動現象及其物理內涵[12]。傅里葉變換法在提取地震波中的頻譜信息方面被廣泛應用,具有可靠、便捷等諸多優勢[13]。天然地震因其震源深度較深、破裂面廣和主要依靠剛性地層傳播等特性,傅里葉頻譜表現為高頻成分較多、衰減慢、地震波震動有明顯的優勢頻率分布。而非天然地震震源深度較淺、破裂面較小、震動傳播多在地表松散沉積物,所以傅里葉頻譜呈現能量分布較為集中、低頻成分較多、振動頻率分布分散的特征。

3 分析與討論

3.1 紅古區構造環境及地震分布

紅古區東接蘭州市主城區,西臨大通河,南瀕湟水河與青海民和回族土族自治縣相望,北部黃土山嶺與永登縣毗鄰,地理位置恰好位于蘭州、西寧兩大省會城市的幾何中心。地質構造上該區地處民和中新生代盆地的周家臺隆起。民和盆地內褶皺、斷裂發育,主要劃分為皋蘭隆起、永登坳陷、周家臺隆起及巴州坳陷四個次級構造單元。研究區內斷裂構造發育,斷裂一般多為正斷層,其中以北北東向斷裂為主,其次北北西向及北西向斷裂也較為發育[14](圖1)。

圖1 研究區內近10年所有地震震中位置(紅色實心圓圈代表非天然地震事件、藍色實心圓圈代表天然地震事件)與臺站(灰色三角形)和斷層(紅色實線,據鄧起東等,2002[4])分布圖Fig.1 Epicenter location of all earthquakes in the study area in recent 10 years

通過分析近10年蘭州周邊地區ML>2.0的地震空間分布發現,位于蘭州市西北郊區的紅古區近十年間地震活動呈現震中位置集中、震級大和發震頻率高的特征。蘭州城區南、西南和東南三個方向,地震活動的分布與該區域較大斷裂帶的空間分布較為一致,呈現條帶狀分散分布特征。

3.2 紅古區地震波形特征分析

本研究對發生在紅古區的全部52例非天然地震及部分天然地震進行了波形對比,結果顯示該區地震事件的波形特征呈現很好的一致性,因篇幅所限在此僅選取2016年12月19日發生在甘肅蘭州(36°31′01″N,102°51′01″E),震源深度8 km的一次ML2.2地震為例。非天然地震事件選取2020年8月9號發生在甘肅蘭州紅古區(36°23′12″N,102°49′06″E),震源深度為0 km的一次ML2.5地震為例。兩例地震震中位置相差僅9 km,距LED臺的震中距分別為51 km、54 km。以LED臺記錄到的事件波形為例,對比分析二者間的波形差異。

距震中51 km的LED臺記錄到的震中位置位于甘肅蘭州的天然地震波形特征分析顯示,其波形特征清晰、界限明確,三分向寬頻帶數字波形垂直向Pg波初動方向向下,與天然地震的典型波形特征具有很好的一致性(圖2)。

圖2 LED臺(Δ=51 km)記錄的蘭州地震波形特征圖Fig.2 Waveform characteristics of Lanzhou ML2.2 earthquake recorded by LED station (Δ=51 km)

采用距離震中54 km的LED臺記錄到的波形資料分析顯示:震中位置在紅古區的地震波形記錄與天然地震有明顯的差異。特別是三分向寬頻帶地震數字波形記錄出現了Pg波和Sg波界限不清、垂直向Pg波向下、全波段波形不規則、高頻成分缺失、周期較大和Sg波后大周期面波發育等特點[15-18](圖3)。

圖3 LED臺(Δ=54 km)記錄的蘭州紅古區ML2.5地震塌陷波形特征圖Fig.3 Waveform characteristics of Honggu ML2.5 earthquake recorded by LED station (Δ=54 km)

利用兩次地震的波形數據,分別對其S/P最大振幅比、Sg波最大振幅隨震中距增加的衰減曲線進行分析(圖4)。兩次地震的波形均使用Jopens-msdp軟件分析,選取適用于體波仿真的伍德-安德森(W.A)仿真法,將BBVS-60S甚寬頻帶地震計、EDAS-GN數據采集器的速度記錄轉換為位移記錄進行最大振幅量取,其中Pg波仿真后在其最大振幅處量取一個完整周期的PME,Sg波仿真后在其最大振幅處量取一個完整周期的SME或SMN值,單位統一為um。

圖4 非天然、天然地震S波最大振幅(a)、S/P震幅比(b)在不同震中距的變化Fig.4 Variation of maximum amplitude of S-wave and S/P amplitude ratio of non-natural and natural earthquakes at different epicentral distance

從兩次事件的衰減曲線可以看出,非天然地震的S/P震幅比和S波最大振幅在近臺均明顯大于天然地震,但隨著震中距的增大都表現為快速衰減。S/P振幅比在震中距大于50 km后逐漸與天然地震趨于一致,S波最大振幅也在相近距離衰減至接近天然地震振幅,說明對地震類別進行判斷時近臺的波形記錄最為重要。

3.3 紅古區地震的頻譜特征分析

(1)

式中:F(ω)為(t)的像函數;f(t)為F(ω)的像原函數;α為實數;ω為頻率;不同類型的震源取不同的時間常數1/α。

振幅譜計算過程中,利用SAC軟件將事件按照臺站記錄較好的垂直向速度記錄進行格式轉換,存儲為數據文件,然后用SAC軟件將整體波列速度記錄做積分處理,對位移紀錄的縱橫波進行波譜分析,得到兩次事件的歸一化振幅譜如圖5所示。

圖5 紅古區ML2.5非天然地震與蘭州周邊ML2.2地震的歸一化震幅譜Fig.5 Normalized amplitude spectrum of Honggu ML2.5 non-natural earthquake and ML2.2 earthquake near Lanzhou

圖5(a)顯示LED臺記錄的紅古區ML2.5非天然地震事件傅里葉頻譜表現為低頻成分較多,且振動頻率分布分散。其少數高頻成分主要分布在0～2 Hz,能量分布十分集中,之后能量快速衰減,在12 Hz以后能量接近于0。這一結果與非天然地震發生在地表、近地表,傳播介質密度較低,因此其波形具有較多低頻成分的特征相符。反觀圖5(b)顯示的LED臺記錄到的甘肅蘭州ML2.2天然地震事件傅里葉頻譜,因天然地震發震于深度較大的剛性巖層中,所以其地震波明顯表現為高頻成分較多,優勢頻率位于5～9 Hz范圍內,地震波震動有明顯的優勢頻率分布。對發生在蘭州市周邊的大量地震事件的頻譜分析顯示,該區域天然、非天然地震事件的頻譜特征與上例高度相似,文中不再一一贅述。

4 討論

通過對甘肅蘭州地區近10年的地震事件統計分析,發現蘭州市紅古區存在明顯的團塊狀地震發生地帶,且震中位置非常集中。除此之外其他區域的地震活動大多隨主要斷裂帶呈條帶狀分布。特別需要注意的是,近10年以來發生在蘭州市周邊地區的非天然地震,除2例發生在白銀市靖遠縣和蘭州市永登縣外,其余52例非天然地震事件均發生于紅古區及其與青海省民和縣、甘肅省永登縣交界處。

通過紅古區與蘭州市周邊其他區域地震事件波形特征對比發現,震中位置位于紅古區的ML2.5地震事件在距震中54 km的LED臺記錄到的地震波形特征表現出Pg波和Sg波界限不清、Pg波振幅較大、Sg波后大周期面波發育、周期較大和持續時間長、全波段波形較為簡單等特點。因其垂直向Pg波向下,體波周期明顯偏大、高頻成分缺失,通過分析其S/P振幅比和S波最大振幅隨震中距的衰減曲線,判斷應為煤礦開采等生產活動引發的塌陷地震。臺網工作人員在速報、編目時應注意紅古區非天然地震的典型波形特征。

頻譜分析顯示,LED臺(Δ=51 km)記錄到的甘肅蘭州ML2.2天然地震事件波形的傅里葉頻譜表現為高頻成分較多,優勢頻率位于5～9 Hz范圍內,地震波震動有明顯的優勢頻率分布。而LED臺(Δ=54 km)記錄到的蘭州紅古區ML2.5非天然地震事件波形傅里葉頻譜表現為低頻成分較多,振動頻率分布分散,能量分布十分集中,少數高頻成分主要分布在0～2 Hz。上述兩例地震事件波形的頻譜特征都與各自地震類型的理論頻譜特征具有很好的一致性。對于少數難以通過波形特征進行確認的非天然地震,速報、編目時可以參考本文傅里葉頻譜分析方法進行對比判斷。

5 結論

通過波形對比與傅里葉頻譜分析,可知:(1)發生在紅古區的非天然地震普遍存在S/P振幅比和S波最大振幅隨震中距衰減極快、體波周期較大、Pg和Sg震相界限模糊及大周期面波發育等特征;(2)該區發生的地震多呈現能量分布集中、振動頻率分布分散和低頻成分多等特點。結合當地煤礦、石灰石礦場分布,初步判斷該區域地震活動與礦產開發活動關系密切。

紅古區近10年發生了大量ML≥2.0的非天然地震,對區域測震臺網日常工作中的地震速報、編目等工作造成了一定的干擾,所以對責任區內不同地域非天然地震特性的研究總結不僅有利于非天然地震的識別,同時也具有重要的實際意義。