天然地震波和人工爆炸地震波有何区别？

梁光河

中国科学院地质与地球物理研究所

中国科学院矿产资源研究重点实验室

Lgh@mail.iggcas.ac.cn

最近作者撰写了一篇“地震新知”，引起了热议。部分地震领域的专家也对构造地震是隐爆产生质疑，其所列举的依据有以下2点：

1、震相

天然地震的常见震相有P波、S波和面波，其大多数的P波振幅<S波振幅<面波振幅。而人工爆炸的P波振幅大于S波。目前监测到的构造地震，大多是P波振幅<S波振幅。

2、P波初动

大多数天然地震是地下岩石破裂、滑动引起的，破裂面大且持续时间较长，表现在地震波上，不同方位地震台接收到的P波初动不一致，有的是压缩，有的是膨胀。而人工爆炸的震源过程要简单和短得多，为球对称压缩，所有地震台接收到的地震波初动都是压缩的。目前监测到的构造地震，不同台站测到的P波初动有的是压缩，有的是膨胀。

这些依据是真实的吗？可靠性如何？我们一个一个回答：

1 震相问题

问题：天然地震常见有P波、S波和面波

回答：人工地震一样存在这三种波。虽然单分量人工地震仪不能直接识别S波，但从接收到的较强面波就可以推断一定同时存在P波和SV波。因为面波就是一种P波或SV波在超临界反射情况下与另外一个波形产生干涉的结果。

问题：大多数的P波振幅<S波振幅<面波振幅。而人工爆炸的P波振幅大于S波。

回答：这个所谓的规律并不总成立，著名地震院士陈颙最近做了很多试验，就是用人工地震震源代替天然地震震源。从下面天然地震波形和人工气枪在湖中激发得到的波形对比图，他们没有本质区别（图1），它们都存在P波S波和瑞利面波。该对比图首先否定了所谓的人工爆炸震源P波振幅一定大于S波振幅。该图中气枪震源的S波振幅就明显大于P波振幅。而天然地震震源的P波振幅明显大于S波振幅。

这个对比图显示出明显的不同是天然地震频率高，人工爆炸地震频率低。为什么呢？我们知道人工爆炸在地表浅层，因此其地震波的传播路径也在浅部，包括全反射等。那么其地震波吸收系数大，对高频衰减快，因此总体呈现相对低频特征。而天然地震震源在深处，地震波传播路径中更多的可能是吸收系数相对小的高速岩石。因此整体上呈现相对高频。

图1 人工气枪震源与天然地震的地震波对比（据陈颙，2015）

 图2 是朝鲜2013年和2016年两次核爆炸,周边地震台站接收到的地震波,从中可以看出,不同方向和位置的地震波差异很大,比如东侧日本大多是P波为主,而西北方向紫红色的SNY台站就出现了明显的P波振幅远小于S波振幅的情况。这说明同一震源的地震波经过不同路径会对波形产生巨大影响，并不都是震源波形不一样所致。

图 2朝鲜四次核爆的地点（红色五角星），地震台站分布（三角形）以及2013和2016年两次核爆的地震波波形。

2、P波初动

问题：天然地震不同台站测到的P波初动有的是压缩，有的是膨胀。所有人工爆炸地震波初动都是压缩的？

回答：P波初动不同(也就是起跳是向上跳还是向下跳)，有时候是压缩波在先，有时候是膨胀波在先，实际上是P波相位的差异，而影响P波相位的最大因素是地震波传播过程就是一个大地滤波过程，大地相当于一个低通滤波器，这个低通滤波器包括振幅谱和相位谱，相位谱往往受大地吸收影响最大。它不但会改变P波也包括其他波形的振幅和相位，不同方向不同位置传播差异很大，特别是天然地震的特殊边界条件和地震环境。

事实上人工爆炸震源记录到的初动并不都是压缩的，下面的金属矿地震勘探原始炮集记录就说明（图3），初动起跳在横向上是变化的，初动在第1道到第4道就是从负跳变为正跳，其中变化最大的是25-44道之间，这之间事实上是一个含金隐爆角砾岩带。

图3 山西堡子湾金矿区人工地震勘探原始炮集记录（DFSV地震仪48道，偏移距60米，道间距9米，采样率1毫秒，炸药震源1公斤，震源深度2米，震源区为变质岩基岩）

特别提示，对于地震波初动识别和提取是一个很敏感的事情，初动振幅很小。一个天然地震台站往往是单个地震记录仪，因此很容易被风吹草动等噪声干扰而无法准确识别。但人工地震往往是多台地震检波器同时记录同一个地震爆炸，因此很容易识别哪些是噪声干扰，哪些是真实的地震波信号。同时天然大地震往往是一个沿断裂带深部的多个震源先后爆炸的过程，不同震源激发出来的地震波到达接收点处相互干涉，很容易影响初动特征。因此依靠初动来证明地下天然地震和人工地震存在本质区别是一件十分悬乎的事情。

也许会有人拿核爆地震波形和天然地震波形进行比较(图4)，他们显然差别比较大，我国的核爆通常是在地面的空中爆炸，空气是各向同性的，爆炸产生的地震波以P波为主。这和地下深处断裂带的爆炸存在边界条件差异巨大的特殊背景。

天然地震往往是在活动断裂破碎带发生，他们被夹持在两个相对刚性地块之间，如果在深处发生隐爆，地震波就像在两个钢板之间激发，而且波的传播反射折射以及波形转换很复杂。不同方向不同位置记录到的波形不一样很正常，符合地震波的传播规律。

事实上早期核爆产生的地震波，和天然地震的地震波的确区别很大，冷战美苏争霸时，都是通过测定地动波确定对方核爆的位置和当量的。后来，他们通过在山体内部开掘复杂的隧道，改变核爆引起的振动波形，从而获得和天然地震相似的地动波形，削减核爆的振动、掩盖核爆（地震台测到的更像是天然地震波）。这说明只要核爆炸在地下深处，而且地下构造岩性足够复杂，如果再把一个核炸弹分解成若干个子炸弹分时激发，从地震波形是很难区分他们到底是核爆炸还是浅源天然地震。

总之，地震波形的差异否定不了隐爆地震成因，而是相反，它恰恰吻合了隐爆成因。

图4  人工核爆炸地震波和天然地震波对比图（据百度文库）

有人举例：20世纪的10～20年代，许多地震学者在日本和欧洲的部分地区几乎同时发现，同一次地震在不同地点的台站记录,所得的P波初动方向具有四象限分布。如下图所示是日本列岛一次地震的记录（图5），以震中为原点的四个象限中，东西方位的P波初动向下（白点），而南北方位的P波初动向上（黑点）。

请注意该图西南角在黑点之中出现了两个白点，构造地震能给出合理解释吗？而事实上，用爆炸地震波的传播吸收理论很容易解释。

图5 日本一次地震的P波初动（据百度贴吧）

天然大地震是沿着断裂带的地下隐爆，特别注意这种隐爆不是单个震源，是无穷多震源。比如汶川大地震就是在近120秒内无穷多个震源在近300公里长的断裂破碎带先后激发造成的一种综合效应（梁光河，2016）。

越来越多的证据说明，传统的构造地震就是一个隐爆过程。2015年在东秦岭发现了216.8Ma前7.0级隐爆成因大地震的震源遗迹（陈志耕,2015），该震源遗迹主要包含隐爆角砾岩体、系列隐爆角砾岩，岩石地球化学及岩石微观破碎等特征分析表明，该震源遗迹是上地幔或下地壳形成的源于变质火山岩深熔的I型造山带花岗岩浆，在结晶分异过程中产生大量气液流体并沿断裂通道上升，进入硅化封闭的局部断裂空间后形成岩浆分异气液流体压力，当积聚的巨大压力超过所处深度的静岩压力与聚压空间围岩的破裂强度极限后，在地壳深部产生强烈隐爆所形成。

杜建国（1999，2010）调查了中国多个隐爆角砾岩出露区域，用流体隐爆合理地解释了地震的成因机制，他特别注意到了深部流体在地震孕育和征兆形成中的重要意义，认为许多岩脉群的形成都与流体导致岩石破裂有直接关系，并必然伴有强的地震。他还以北京延庆隐爆角砾岩体为例，说明岩浆房内早期结晶、后期岩浆注入挥发份气化产生隐爆的机制。随后又在深入研究深部超临界流体的基础上，系统地研究了超临界流体对断层的致震作用、岩浆中超临界流体的致震作用、超临界流体对岩石相变的致震作用。

白思胜(2004)提出隐爆地震由地下流体相的爆发引起，认为造成地震隐爆的原因有高压流体、岩浆侵入和流体相变等。曾明果等(2009)认为，2008年汶川大地震是由退相爆发的超临界水流体所造成。胡宝群等(2009)的研究表明，水的临界奇异性与断裂的耦合而触发地震。李德威（2011）提出大陆地震可能的形成机理是：地球深层热流物质经过多次转换后从大洋流入大陆，造成大陆地幔软流圈加厚和底辟上升，引起大陆下地壳含气热流物质的流动，当下地壳积累的热能超过中地壳应变能时，在引潮力触发下发生地震，并造成上地壳脆性破裂。曾雄飞(2013)提出“地震结构隐爆成因大地震的震源的地震成因，认为当地震结构包体内压力达到覆盖岩层的断裂强度与重力之和，便在日月引潮力的触发下下爆发地震。

据郭增建等（1982）介绍，伴随火山爆发的某些地震，其P波初动具有的四象限性特征，就旁证了流体扩张促发断层错动而引发地震的观点，也就是说地下流体膨胀爆炸在先，断层错动是地下隐爆的结果。高木(1972)指出1932年9月1日发生的日本关东大地震等的震源机制解图像，不是由应力作用产生的“象限型”，而是非应力的某种冲击作用才生的“圆锥型”，据此提出由岩浆囊中岩浆爆发引起地震的假说并进行了理论计算。

以金、铜、钼、铀、钨等多金属成矿为主要研究目标的隐爆角砾岩－斑岩型成矿作用，在隐爆角砾岩及其隐爆角砾岩体（筒）形成过程中的物质来源、岩浆气液流体的临界性、岩浆气液流体减压沸腾产生的压力积聚以及最终引起深部突发性隐蔽爆炸即隐爆的机制等方面，已有较多深入研究。而且地质学家们根据隐爆角砾岩的破碎特征等，已经形成了隐爆角砾岩和隐爆角砾岩筒是在地下瞬间隐蔽爆炸即隐爆产生的基本共识（陈志耕,2015）。

山东五莲七宝山隐爆角砾型金铜矿的研究说明（图6）：高压含矿流体在深部的隐爆是最重要的因素，同时流体与岩石矿物发生化学反应作用直接或间接地引起岩石矿物破裂，钾交代引发的体积膨胀也是另外一个重要因素（徐兴旺等，2000），该矿床的成矿过程就是一个隐爆过程也是一个地震过程。该矿床显示出上部金富集、下部铜富集的特征。地震构造岩石特征从上往下分别是流体网脉带、震裂角砾岩、爆裂角砾岩、金铜矿体和压裂角砾岩，外围往往发育大量同生节理构造带。其中金铜矿体富集在角砾岩中，以胶结物的形式出现。

图6 山东五莲七宝山角砾岩筒流体构造动力学成因机制模型（徐兴旺等,2000）

震源机制解问题

被地震科研工作者广泛研究并应用的震源机制解,无论是单力偶模型还是双力偶模型,难道就一定准确吗?首先这些模型是脆性弹性假设下建立起来的，与实际地质情况并不符合，实际地质条件是粘滞弹性，地下深处更是软塑性状态。另外从膨胀波象限到压缩波象限转换,必然存在一个方向是没有初至波的,因为初至信号从正数变化到负数过程中一定会经过零点。也就是说在这个方向上永远没有地震P波到达并被接收到（图7）。事实上有一部分地震初至并不符合这个模型。这种双力偶模型虽然在很多下符合统计规律，我们可以解读为地震大多发生在断裂带内，这个断裂带往往夹持在两个相对刚性块体之间，其隐爆过程中同步使得断层两侧发生位移错动，这个断裂错动大多符合双力偶模型的震源机制解。宏观层面上，断裂错动可分为逆冲、走滑断层和正断层。也就是说地震过程除了地下隐爆的能量释放同时也包含断层错断的能量释放。

图7 震源机制解问题

参考文献：

[1]  梁光河.地震新知[J],百科知识,2016,14:4-11.

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[4]  杜建国,李营,王传远,刘雷.高压地球科学[M].北京:地质出版社:2010,1-288.

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[10]高木.1972.地震的发生是应力的作用吗？.日本《气象厅研究所报告》.转自：国际地震动态，1980,12:15

[11]郭增建，秦保燕.某些震源物理化学现象与地震预测.地震,1982.2:2-4

[11]中国科大校友总会 https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MjM5NTg4MDg0MQ==&mid=401067628&idx=1&sn=c2ad826fe84f11c0914c277ed2b844c4&mpshare=1&scene=1&srcid=12019BvjU5raoAmJAutqZUVR&key=7701b0997262b117dcda5b7bb77e85af8e13caf02ce8ee5dab6758914211999ecc78ea293fa8c1dce2045ac65f9f5060ba892b809c49be259cdad4e311f9e78f7ee767c1c49210c46646e700a005b35c&ascene=1&uin=OTY1MDgzMTE3&devicetype=Windows-QQBrowser&version=61030006&pass_ticket=cHcLD3mBfqBsTQBH7lZ9%2FF7vNdTFqjV7YMsQ6f1uZOwsD5R8atwzrR43B4%2FZ9t8q