高雙玲，趙建通，梁阿全，馬寶君

（牡丹江地震監(jiān)測中心站，黑龍江 牡丹江 157009）

如今，通過對地震產(chǎn)生的波形信號、頻率狀態(tài)等特征，可以將火山地震分為主要的5大類，分別是：長周期地震、火山顫動、爆炸型地震、混合地震及火山構(gòu)造地震[1]。

長周期地震也稱為B型火山地震，該類地震的頻率一般小于5 Hz，其峰值一般在2 Hz左右，長周期地震一般被認(rèn)為是巖漿活動或者其他流體活動在一種地下應(yīng)力或者溫度變化梯度的作用下，產(chǎn)生了流體物質(zhì)的轉(zhuǎn)移而引發(fā)的一種地震。長周期地震波的特點是P波明顯，但是S波不發(fā)育，且該類地震只在火山區(qū)出現(xiàn)過。通過對火山區(qū)長周期地震的深度探索，可以為火山地震工作者進行火山預(yù)報及火山研究打下良好基礎(chǔ)。

火山顫動的地震波形形態(tài)相較于其他傳統(tǒng)的地震波形形態(tài)有著本質(zhì)區(qū)別，其地震信號不是粗狂奔放的劇烈波動，反而如同月之海鏡面的持久穩(wěn)定的地震信號，產(chǎn)生與巖漿活動有直接關(guān)系，其特點是波形持續(xù)時間長，可長達數(shù)小時乃至數(shù)個月，主要頻段0.1～7 Hz，火山顫動波形以長周期成分為主，因此也被認(rèn)為是一系列長周期疊加形成的。

爆炸地震顧名思義是由火山劇烈活動、爆炸而引發(fā)的地震，火山爆炸地震與火山的爆炸噴發(fā)是相互對應(yīng)的，其地震波形與火山構(gòu)造地震相比優(yōu)勢波形的周期更長一些，而且初動在任何一個方向看都是向外伸展，震源一般位于劇烈活動的火山口底部以下，產(chǎn)生的空氣振動的擾動在地震波形圖上清晰可見。

混合型火山地震較為特殊，其波形是同時具有A型和B型這兩種地震特征的一類火山地震，是只有在火山區(qū)內(nèi)才能記錄到的事件，屬于二次觸發(fā)的地震?；旌闲突鹕降卣鹗窃诨鹕綐?gòu)造地震的影響下，巖石的破裂及熔巖的干預(yù)共同作用之下產(chǎn)生的，由于其形成與巖漿運動密切相關(guān)，所以混合型火山地震的出現(xiàn)，通常是表明地震過程中必然伴隨有巖漿活動的直接參與，是巖漿活動的標(biāo)志之一，這種地震波形在火山區(qū)也是非常少見的。

火山構(gòu)造地震也可稱之為高頻地震或者是A型火山地震。火山構(gòu)造地震的頻譜相較于其他類型的地震顯得較寬且頻率較高，表現(xiàn)為波形的頻率成分豐富，主頻大多在5 Hz以上，其P、S波清晰，波形以短周期成分為主。一般認(rèn)為火山構(gòu)造地震活動的增加通常是火山活動的早期信號。

火山巖漿的活動是產(chǎn)生火山地震的重要原因，二者密切關(guān)聯(lián)，正確高效識別和區(qū)分鏡泊湖火山區(qū)地震的不同類型，可以為研究判斷火山區(qū)巖漿活動的過程及巖漿活動的變化規(guī)律提供技術(shù)支持，對判斷一座火山的活動狀態(tài)具有十分重要的意義[2]。

中國地震局地球物理勘探中心于2002年在鏡泊湖火山區(qū)布設(shè)了14臺流動地震儀，分析發(fā)現(xiàn)火山區(qū)地震主要分布在火山口森林和區(qū)內(nèi)斷裂帶上，震源深度10~30 km范圍內(nèi)，震級多小于ML2.0，并存在疑似火山活動的長周期波形和火山顫動。這項工作結(jié)果表明目前鏡泊湖火山區(qū)雖活動水平不高，當(dāng)仍存在一定的地震活動性[3]。本文對鏡泊湖火山臺網(wǎng)2008年以來觀測數(shù)據(jù)進行分析，對事件波形進行分類，建立鏡泊湖火山區(qū)各類事件目錄，并且通過分析火山區(qū)地震類型及區(qū)內(nèi)活動性特征，從而為火山活動的研究探索提供理論基礎(chǔ)，更為人民生命財產(chǎn)安全提供基石，具有重要的意義。

1 鏡泊湖火山監(jiān)測臺網(wǎng)概況

鏡泊湖火山位于黑龍江省牡丹江市管轄的寧安市西南，共有13個火山口，均為復(fù)式火山，由火山口森林、大干泡、五道溝、迷魂陣和蛤蟆塘等5個復(fù)式火山機構(gòu)構(gòu)成，全新世形成的火山群集中在火山口森林和蛤蟆塘2個地區(qū)[2]，如圖1所示。張招崇等[2]通過14C同位素年齡結(jié)果推斷，鏡泊湖火山最后一次火山噴發(fā)的時代即第三亞旋回的時代在2 000～1 000 a的可能性較大。一般認(rèn)為，小于10 000 a的火山為休眠火山，并且年齡越年輕，其再次噴發(fā)的可能性越大。另外，他還在火山口森林地區(qū)發(fā)現(xiàn)了噴冷氣現(xiàn)象，這些都說明鏡泊湖火山是繼黑龍江五大連池、吉林長白山和龍崗后的又一個年齡小于3 000 a的危險火山[4]。

圖1 鏡泊湖火山群位置圖

為了更好地監(jiān)測鏡泊湖火山，2006年建立鏡泊湖火山監(jiān)測臺網(wǎng)中心，在火山區(qū)四周布設(shè)了5個測震臺站，如圖2所示，2008年正式開始產(chǎn)出數(shù)據(jù)，火山子臺安裝有20～40 Hz的寬頻帶地震計，采用無人值守，實時傳輸工作方式，2019年改造后，各子臺背景噪聲有效值均遠遠小于3.16×10-8m/s，5個臺站臺基都屬于“I級臺基噪聲水平”，優(yōu)秀的臺基噪聲，可清晰完整記錄火山區(qū)微震活動，監(jiān)測能力達到ML大于0.1監(jiān)控范圍[4]。

圖2 鏡泊湖火山臺網(wǎng)分布

2 鏡泊湖火山區(qū)事件波形識別

比較大的天然地震波形是很容易辨認(rèn)的，但比較小的，特別是ML1.0以下的地震在波形上很難辨認(rèn)。鏡泊湖火山區(qū)內(nèi)臺站環(huán)境較為復(fù)雜，臺站附近有道路、河流，特別是臺網(wǎng)區(qū)域內(nèi)有吉林最大的鐵礦——塔東鐵礦。通過對2008年以來鏡泊湖火山臺網(wǎng)觀測數(shù)據(jù)進行分析，火山區(qū)事件除了天然地震外，比較多的事件包括爆破、冰裂、塌陷及車輛干擾等。車輛噪聲在波形上比較容易識別，其波形特點是初至波沒有明顯變化，波形類似正弦波，能量較強、頻帶較寬，能量衰減也比較快。而由于鏡泊湖火山區(qū)地震震級比較小，記錄到的地震波形與爆破、冰裂和塌陷等事件波形就很難區(qū)分。而且爆破是鏡泊湖火山區(qū)內(nèi)非天然地震事件中記錄最多的事件類型，爆破事件遠遠多于天然地震事件，并且有些爆破的波形特征與天然地震的波形特征極其類似，單從波形特征上難以識別，如果把爆破判斷成天然地震記錄到數(shù)據(jù)庫或是把天然地震誤認(rèn)為是爆破而沒有進行分析入庫，都將會影響到地震基本數(shù)據(jù)資料庫及地震編目的質(zhì)量。因此，在對鏡泊湖火山數(shù)據(jù)分析時，采取了以下幾種方法對火山區(qū)事件波形進行識別，并且對火山區(qū)的爆破、冰裂和塌陷等事件按照發(fā)生時間分別進行了歸類，為以后火山區(qū)研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

2.1 基于發(fā)生時間、地點事件識別方法

天然地震發(fā)震時間是隨機的，通過對2008年以來事件波形分析發(fā)現(xiàn)，火山區(qū)內(nèi)人工爆破時間和地點一般是有規(guī)律的，地點多集中在塔東鐵礦四周，爆破時間多發(fā)生在中午休息時或下午下班后，其他不固定的或零星的小爆破點，爆破時間都在白天上班時間較多；冰裂產(chǎn)生的主要原因是在自然條件下溫差和壓力的變化，冰裂干擾與震源激發(fā)無直接關(guān)系；既有隨機性又有時段性，冰裂多發(fā)生在每年11月下旬到次年4月初，且只有柳河臺和山莊臺能記錄到。綜上所述，在排除一些共性因素后可作為判斷事件類型的一個標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 基于P波的初動方向進行識別

由于爆破是膨脹源，產(chǎn)生的壓縮波無象限分布，P波垂直分量初動方向應(yīng)該是都向上，且波形P頭較大，形狀尖銳。地震則是巖石的破裂或錯動，這種方式下會產(chǎn)生膨脹波或壓縮波，有象限分布的特點，所以初動方向可能向上也可能向下。冰裂P波頭部發(fā)育，振幅較大，周期較長，S波振幅相對較小。

2.3 基于振幅比的識別方法

地震與爆破、冰裂及塌陷在震源機制上是不同的，因而導(dǎo)致激發(fā)S波的能力不同。理論上爆破、冰裂及塌陷主要產(chǎn)生P波，但由于受產(chǎn)生方式、傳播路徑等復(fù)雜因素的影響，也可能會派生出S波。因此無論爆破還是冰裂、塌陷都有較強的P波群，而相對于P波，S波則顯得相對較弱。而在地震發(fā)生過程中，巖石要發(fā)生剪切錯動，大多數(shù)地震會產(chǎn)生較強的S波，所以根據(jù)P、S波振幅比，可作為判斷依據(jù)。

2.4 倒譜分析方法

由于鏡泊湖火山區(qū)記錄到的地震震級較小，而且地球介質(zhì)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性也導(dǎo)致地震波的傳播變得極其復(fù)雜，體現(xiàn)在記錄波形上就是初動不清晰，很容易與其他火山區(qū)事件混淆。因此我們引用倒譜分析方法對事件波形進行進一步識別。倒譜就是把地震信號進行傅里葉變換，再對傅里葉變換譜進行對數(shù)運算后得到的傅里葉的逆變換。該方法通過對大量天然地震與人工爆破的地震記錄進行倒譜分析，提取事件的倒譜參量C，根據(jù)天然地震C值大，人工爆破C值小進行識別[5]。一般來說，地震的倒譜參量C值小于1，爆破的倒譜參量C值大于1。

3 鏡泊湖火山區(qū)地震活動性分析

根據(jù)火山地震類型的特征，用Matlab對地震波形進行頻譜分析，選取2010年11月30日和2014年7月13日發(fā)生在鏡泊湖火山區(qū)內(nèi)的兩次ML2.0地震和ML1.9地震進行分析。

選取火山區(qū)的地震進行頻譜分析，由圖3和圖4可知：P波、S波震相清晰，波形以短周期成分為主，一般處于高頻區(qū)，能量衰減慢，優(yōu)勢頻率都集中在5～25 Hz。從頻譜分析和波形圖上分析顯示鏡泊湖火山地震大部分屬于火山構(gòu)造地震。由于信號能量比較弱，很多地震都是單臺記錄到的，是火山地區(qū)局部破裂而引發(fā)的微小地震。

圖3 2010年11月30日M L2.0地震頻譜圖

圖4 2014年7月13日M L1.9地震頻譜圖

鏡泊湖火山群構(gòu)造上位于敦密斷裂帶西側(cè)，分布受北東向的密山-敦化深斷裂及其次一級北東向及東西向斷裂的控制，屬板塊內(nèi)部構(gòu)造環(huán)境，板內(nèi)（大陸地區(qū)）火山及火山地震，多與斷塊縫合線、深斷裂和基底斷裂有關(guān)[6]。大地電磁研究也推斷在鏡泊湖火山口森林下30～40 km有巖漿囊存在[7]。

鏡泊湖火山自有連續(xù)測震觀測記錄以來，在火山區(qū)共發(fā)生47次地震，也主要集中在該斷裂帶上，如圖5所示。震級一般不超過ML3.0，也說明目前鏡泊湖火山區(qū)地震活動雖然活動性弱，但仍然存在地震活動。

圖5 鏡泊湖火山震中分布

鏡泊湖火山區(qū)地震活動雖然活動性弱，但仍然存在地震活動，其地震活動主要表現(xiàn)為火山構(gòu)造地震，這些構(gòu)造地震主要分布在敦化-密山斷裂帶附近。

西太平洋板塊從日本海溝向歐亞大陸下俯沖，形成了對歐亞大陸地幔的擾動，這種俯沖的動力是東北地區(qū)深源地震和淺源地震的統(tǒng)一的動力源。俯沖應(yīng)力積累到一定程度，可能會對震源周圍的地幔造成擾動，而鏡泊湖火山因為存在著巖漿囊，在一些特定的條件下，巖漿囊也會具有一定的活動性，從而在火山區(qū)記到一些火山地震。

4 結(jié)束語

通過鏡泊湖火山臺網(wǎng)記錄到的波形事件分析認(rèn)為，天然地震與爆破、冰裂等事件波形在震相特征上具有很多差異，可以從發(fā)震時間、初動方向、P波與S波振幅比和倒譜分析等多方面進行辨別，建立火山區(qū)地震目錄，為研究火山地震活動性提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫。