0 引言

喀斯特地貌(karst landform)又称岩溶地貌, 是具有溶蚀力的水对可溶性岩石(大多为石灰岩)进行溶蚀作用等形成的地表和地下形态的总称。除溶蚀作用以外, 包括流水的冲蚀、潜蚀以及坍陷等机械侵蚀过程。我国喀斯特地貌分布区域较广, 如广西、云南等地。喀斯特地貌主要特征体现在溶洞、天坑等地理现象。喀斯特地貌区地质条件特殊, 发生的天然地震记录波形与爆破波形相似, 给准确判别地震性质带来一定难度。

天然地震是地球内部活动引发的地震, 主要指地下岩石受应力超出其弹性限度时, 沿地质断层发生突然滑动而产生的构造地震。天然地震振动持续时间较长, 多为几秒至几十秒, 震源深度较深, 一般几千米至几百千米, 波形成分复杂, 具有衰减慢、波及面积大等特点。人工爆破与天然地震在地震记录图上均显示为地面振动所产生的波动曲线, 其震相特征取决于震源、传播介质和接收仪器的特性(许玉红等, 2014)。正确识别天然地震与人工爆破信号, 对地震速报、地震编目及地震预报具有重要意义。

正确识别喀斯特地貌区天然地震, 具有以下意义:①可用于日常地震编目工作; ②为地震活动性分析提供正确的地震目录; ③有利于开展地震速报与应急工作。本文以河南测震台网记录的南阳淅川地震波形为例, 详细分析喀斯特地貌区天然地震波形记录特征, 并与河南省汝阳矿区工程爆破记录波形, 就P波垂直向初动方向、波形振幅比A_S/A_P、反射波PmP与Pg到时差、Pg波视速度进行对比分析, 试图通过直观方法, 总结喀斯特地貌区地震波形特征, 为防震减灾、地震科学研究提供参考。

1 研究区地质特征

南阳市淅川地区位于河南省西南部, 南阳盆地西缘, 与陕西省、湖北省相邻。淅川属西北突起向东南展开的马蹄状地形, 西北部为低山区, 中部为丘陵区, 东南部为岗地及冲积平原区, 亚洲最大人工湖丹江口水库位于淅川南部。县北部和西北部属于秦岭东段延伸部分的伏牛山南侧, 山体走向大致呈EW向, 海拔约900 m的山脉自北向南连绵不断, 县西和西南部有秦岭和大巴山, 与湖北交界的走马岭东西两峰海拔高度分别为1 033 m和1 086 m。丹江口水库东边属于南阳盆地西南边缘, 呈平垄岗状。南阳淅川境内广泛出露石灰岩, 地下有大小不一的溶洞, 具有一定的喀斯特地貌特征。

南阳淅川地区在一级大地构造单元上属秦岭褶皱系, 秦岭褶皱系北以栾川—确山—固始深断裂为界, 与中朝准地台(华北准地台)相邻, 南以青峰—襄樊—广济深断裂为界, 与扬子准地台相邻, 是一个中生代以前典型的长期多旋回发展的地槽褶皱系, 构造复杂, 褶皱、断裂发育(黄汲清, 1984); 断裂主要有NWW和NNE向2组, 其中NWW向断裂以深大断裂为主, 构成区域的主要断裂格架, 具有规模大、长期活动、性质多变的特征(胡受权, 1998)。中生代以来, 随着扬子板块、秦岭造山带依次由南向北运动, 扬子板块陆内俯冲于秦岭造山带之下, 而秦岭造山带又俯冲于华北板块之下, 由此形成区内发育宽广的逆冲推覆断裂构造(王全庆, 1992), 因此区内断层广泛具有一定的逆冲性质。在二级构造单元划分上, 南襄坳陷是叠置在秦岭褶皱系之上的近NS向中新生代坳陷, 地表广为第四系覆盖。据区域地质构造特征和物探、钻孔资料, 南阳—襄樊坳陷基底为秦岭区元古界—古生界, 区域布格重力异常呈现重力高异常, 地壳厚度约30 km。

该区地质构造经燕山运动, 特别是燕山晚期至新生代早期的大规模断陷活动, 形成现今地质构造大格局。在新构造时期, 由于西部喜马拉雅运动和东部太平洋板块俯冲推挤的影响, 本区地壳构造运动由前期的强烈张性隆起和断陷转化为块状差异隆起和坳陷, 断裂活动由前期的张性断块运动转化为走滑活动, 并且出现东西差异(胡受权, 1998; 宋传中等, 2009)。在南襄盆地东部, 由于青藏高原运动的影响已不明显, NWW向断裂未见新的活动, 但受到太平洋板块NNE向构造运动的影响, 一些早期形成的NNE向断裂再次发生右旋走滑运动。

2 地震波形记录特征

2018年2月9日19:00:37, 南阳淅川发生M_L 4.6地震, 震区震感明显, 有较大地声, 震中位于(32.82°N, 111.53°E), 距淅川县城约35 km, 距南阳市城区约90 km。河南测震台网清晰记录到该次地震, 距震中最近台站为湖北省丹江地震台, 震中距约32 km。截至2018年2月27日08时, 淅川M_L 4.6地震序列共发生51次余震, 最大余震为2月13日21时07分M_L 2.7地震。选取震中距100 km以内的丹江、南阳、内乡、商南地震台记录, 地震波形见图 1, 可见波形特征与爆破相似。

对河南测震台网记录的此次地震及余震震相特征进行分析, 认为该地震具有喀斯特地貌区典型震相特征, 主要特征如下:①较近台站记录有大周期Lg、Rg面波, 且持续时间较长; ②近台直达波Sg起始较弱, 经过几个周期后达到最大, 地震较小时不易识别; ③理论上反射波在70 km < Δ < 90 km时达到全反射, 其能量最强, 记录波形显著, 而此次地震在震中距(Δ)95 km附近地区才记录到反射波PmP、SmS, 反射波出现较晚。

为进一步判别喀斯特地貌区天然地震与爆破波形特征差异, 选取2018年1月3日河南测震台网记录的汝阳矿区工程爆破波形, 从直达波Pg垂直向初动方向、A_S/A_P振幅比、反射波PmP与Pg到时差、直达波Pg视速度进行对比分析。

3 与汝阳矿区爆破波形特征对比分析

汝阳东沟钼矿北沟尾矿区位于秦岭山脉东部, 整体呈树枝型, 植被茂盛, 海拔628.42—1 074.86 m, 爆破区山顶到沟底相对高差127 m, 地貌以构造侵蚀类型为主。场地基岩断层较多, 断层均为正断层, 基岩主要为安山岩和花岗岩。矿区因长期作业开采, 形成大面积采空区和纵横交错的地下坑道。2018年1月3日河南测震台网记录到该矿区一次震级为M_L 3.2的工程爆破, 距爆破最近的台站为鲁山台, 震中距约27 km。选取震中距100 km范围内的鲁山、平顶山、南阳、尖山地震台站记录, 地震波形见图 2。

由图 2可见, 距震源较近的台站记录与喀斯特地貌区南阳淅川地震波形特征较为相似, 具体特征如下:有类似瑞利型面波出现; Sg震相起始较弱, 不易识别, 推断可能与震源区地下介质有关。

爆破记录特征取决于爆破源的性质、爆破源处介质条件和波的传播路径。下文初动方向、A_S/A_P振幅比、反射波PmP与Pg到时差、直达波Pg视速度4个方面, 进一步分析喀斯特地貌区地震与爆破波形特征差异。

3.1 初动方向

人工爆破是膨胀源, 相当于在包围震源的弹性区球面上作用一个强大的瞬时压力脉冲, 无象限分布。天然地震是地球内部活动引发的地震, 主要指地下岩石受应力超出其弹性限度时, 沿地质断层发生突然滑动而产生的构造地震, 分为压缩波和膨胀波, 因此纵波方向呈四象限分布(狄莉莎, 2004)。

对于2次震动事件, 统计震中距100 km范围内地震台站记录波形(Pg波)垂直向记录的初动方向, 结果见表 1, 可知:汝阳矿区M_L 3.2爆破事件中, 4个台站记录的Pg波初动方向均向上; 南阳淅川天然地震中, 3个台站记录的Pg波初动方向有的向上、有的向下。

3.2 振幅比A_S/A_P

振幅比(A_S/A_P)表征了地震波动力学特征, 不取决于地震波振幅的绝对值, 基本与震级无关。当区域测震台网的地震计频率特性在短周期区间较为平坦时, 振幅比A_S/A_P与地震计的放大倍数和频率特性关系较小(郭培兰等, 2015)。振幅比直观可靠, 量取方便, 误差小, 研究较为简便。

为减少震中距对震幅比的影响, 选取震中距Δ＜100 km的台站记录进行分析。在数字地震仪记录速度波形上, 量取每个事件垂直分量的直达P波和S波最大振幅A_P、A_S, 计算振幅比值A_S/A_P, 具体结果见表 2, 可知:爆破波形振幅比一般小于3, 天然地震波形振幅比远大于3。

3.3 反射波特征

反射波是指由震源发出, 经过界面反射后的波。在近震范围内, 记录较好的反射波是莫霍面的反射波, 其通常在震中距60—120 km范围内比较明显, 在震中距70—90 km范围内能量最强。反射波与直达波的到时差随着震中距的增大而逐渐缩小。由表 3可见, 爆破的反射波记录清晰, 与直达波的到时差与震中距没有明显关系, 而南阳淅川地震的反射波较弱, 只有个别台站记录到, 与直达波的到时差随着震中距的增大而逐渐缩小。

3.4 直达波Pg视速度

观测地震学实质是对地震波速度的研究。波速分作“真速度”“视速度”以及“虚速度”等。假定介质各向同性, 则波速不随距离改变, 叫做“真速度”; 介质各向异性, 层状结构中存在速度梯度, 则波速随距离改变, 称作“视速度”(中国地震局监测预报司, 2009)。分别计算汝阳矿区爆破与南阳淅川地震100 km范围内台站记录的直达波Pg视速度, 结果见表 4。由表 4可见, 淅川地震直达波Pg视速度较大, 并随震中距的变化而变化。

4 结论

通过对河南测震台网记录的2018年南阳淅川喀斯特地貌区地震及汝阳矿区爆破记录特征进行对比分析, 发现二者波形特征较为相似, 但仍有明显不同:①喀斯特地貌区地震震相在近距离台站记录有大周期Lg、Rg面波出现, 且持续时间较长; 矿区爆破震相记录也有大周期瑞利型面波出现, 但持续时间短, 衰减较快; ②喀斯特地貌区地震震相记录垂直向Pg波初动呈四象限分布, 而矿区爆破震相记录垂直向Pg波初动无象限分布; ③喀斯特地貌区地震震相记录垂直向直达波Pg与Sg振幅比远大于3, 矿区爆破垂直向直达波Pg与Sg振幅比一般小于3;④喀斯特地貌区地震记录反射波记录较弱, PmP与直达波Pg的到时差随震中距增大而减小; 矿区爆破反射波PmP与直达波Pg到时差与震中距变化无明显关系; ⑤南阳淅川喀斯特地貌区地震直达波Pg视速度较高, 并随震中距变化而变化。