王婷婷 邊銀菊

（中國北京100081中國地震局地球物理研究所）

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振幅衰減特性在地震與爆破識別中的應用

（中國北京100081中國地震局地球物理研究所）

基于小震級地震與爆破事件， 從快速識別要求出發(fā)， 分析了P波初動振幅AI和P波最大振幅AP分別與S波最大振幅AS的幅值比判據(jù)及其對事件的識別能力． 考慮到傳播路徑對地震與爆破各振幅的影響， 選用合理的振幅隨距離衰減公式， 分別研究了P波、 S波各振幅隨震中距的衰減特征， 結(jié)果顯示爆破振幅衰減比地震快； 在100 km處進行衰減校正后重新計算P波與S波幅值比， 得到經(jīng)過衰減校正后的幅值比AI/AS正確識別率從84%提高到98%，AP/AS正確識別率從92%提高到100%， 表明經(jīng)衰減校正后的幅值比判據(jù)可以更好地應用于小震級地震與爆破的識別中．

地震 爆破 振幅衰減 幅值比 事件識別

引言

在地震與爆破的眾多識別判據(jù)中， P/S幅值比的研究最為深入和應用最為廣泛. 該判別量可分為同一頻段內(nèi)P波與S波幅值比、 同一震相低頻與高頻幅值比， 以及不同震相高頻與低頻幅值比等. 到目前為止， P/S幅值比仍是識別天然地震與地下核爆破的有效判據(jù)． Zhao等（2008）通過對朝鮮2006年10月9日核爆分析， 得到在頻率大于2 Hz時， 臺站記錄的平均P/S譜比（Pg/Lg， Pn/Lg， Pn/Sn）可將核爆與附近的地震完全分開． Shin等（2010）分析2009年朝鮮第二次核爆與附近的兩次地震垂直向記錄在0.5—15 Hz的Pn/Lg比值， 得到大于4 Hz時可將兩類事件完全分開． Chun等（2011）分析不同臺站記錄到的朝鮮2006和2009兩次核爆與中朝邊界地震的Pg與Lg的傅里葉譜比值， 發(fā)現(xiàn)3—11 Hz內(nèi)地震與核爆破的識別效果好．

由于地震波的振幅隨著傳播距離的增大而不斷衰減， 因此， P/S幅值比對傳播路徑具有較強的依賴性， 通常需要進行路徑校正才能更好地應用于事件性質(zhì)識別中． 最常用的校正方法是基于一維幾何擴散的振幅隨震中距衰減校正． 也有研究考慮傳播路徑上的地形起伏、 地殼厚度以及傳播介質(zhì)結(jié)構等特征， 建立了包含傳播路徑上的地形、 地殼結(jié)構等影響因素在內(nèi)的經(jīng)驗校正方法、 小區(qū)域平均和克里金方法等（Rodgersetal， 1999； Fisk, Bottone， 2002； 潘常周等， 2007a）． MDAC（magnitude and distance amplitude correction）將震源、 臺站校正、 傳播路徑考慮在內(nèi)， 對每個地區(qū)都需要用大量的震相資料進行反演， 以消除震源大小和傳播距離對P/S判別量的影響（Tayloretal， 2002; Walteretal, 2005； Cheetal， 2007； Fisketal, 2008, 2009; Pasyanos, Walter, 2009; Hong, Rhie, 2009； Pasyanos, 2010; Taylor, 2011）， 從而取得了較好的事件識別效果． 以上關于P/S幅值比的研究及校正大部分基于大震級事件. 潘常周等（2007b）將P/S幅值比應用于小震級事件識別中， 用R=a+blgΔ+cΔ描述P/S震相比對震中距的依賴性， 并在此基礎上進行震中距校正， 減小了P/S幅值比對震級的依賴性．

本文在著重分析小震級事件的幅值比判據(jù)， 包含P波初動振幅與S波最大振幅比值（AI/AS）以及P波最大振幅與S波最大幅值比值（AP/AS）的基礎上， 分別研究地震與爆破的P波、 S波振幅隨震中距的衰減特性， 并對振幅進行衰減校正， 最后對比分析衰減校正前后的P/S幅值比的識別能力．

1 資料

本文共選取了首都圈29個爆破和33個地震事件， 爆破震級范圍為ML1.0—2.1， 地震震級范圍為ML1.3—3.2． 所選事件保證至少有3個以上臺站的記錄， 剔除諸如P波最大振幅與噪聲水平相當?shù)妮^差記錄， 最終共有59個臺站的661條波形記錄. 其中爆破記錄185個， 地震記錄476個， 經(jīng)統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)所選記錄的最大震中距為180 km. 所選爆破、 地震、 臺站及傳播路徑分布如圖1所示． 為研究方便， 本文對文中所選的33次地震和29次爆破按發(fā)震時間先后順序分別進行編號．

圖1 本文所選爆破、 地震事件、 臺站及傳播路徑示意圖

2 垂直向P波與S波幅值比

從快速識別要求出發(fā)， 通過人機交互方式量取爆破和地震垂直向的P波初動振幅AI、 P波最大振幅AP和S波最大振幅AS（王婷婷， 邊銀菊， 2011）， 此處P波最大振幅和S波最大振幅分別為震相Pg和Sg的最大幅值． 由于本文地震與爆破事件震級較小， 可用的臺站資料較少， 故選用多種儀器記錄． 其中， 寬頻帶儀器記錄有468個， 甚寬頻帶儀器記錄有12個， 短周期儀器記錄有124個， 井下短周期儀器記錄有51個． 本文所測事件的P波初動振幅、 P波和S波最大振幅的優(yōu)勢頻率為3—5 Hz， 不超過2—10 Hz的范圍， 而2—10 Hz處于短周期和井下短周期儀器頻率特性的平坦區(qū)域， 也處于寬頻帶和甚寬頻帶儀器頻率特性的平坦區(qū)域， 因此， 不同頻帶儀器對本文幅值影響較?。?/p>

理論上認為爆破是簡單的膨脹源， 有較強的P波群， 而剪切S波是傳播路徑復雜等影響下所產(chǎn)生的， 故相對較弱； 而在地震的發(fā)生過程中， 巖石要發(fā)生剪切錯動， 大多數(shù)地震的S波較P波發(fā)育（趙永等, 1995; Yildirimetal, 2011）， 因此一般來說爆破的P波與S波最大振幅比要大于地震． 但在實際爆破波形記錄中， 并不是所有的記錄都有較強的P波群和較弱的S波群， 這可能由于放炮方式（比如并排放炮式等）以及傳播介質(zhì)復雜等因素， 使得有些記錄S波組也比較發(fā)育； 而對于地震來說， 由于震源錯動方位的影響， 也不一定是每個地震記錄都有較強的S波群． 如圖2a所示， 2003年5月10日爆破， XBZ臺站的記錄有著較強的P波及較弱的S波， 而CHC臺站的記錄情況則相反， 且單憑CHC臺的P、 S波記錄情況， 很難判定其事件類型； 又如圖2b所示， 2003年6月19日地震， LBP臺站記錄的S波較強， P波較弱， 而SHC臺站記錄的P波較強， 尤其是垂直向P波最大振幅大于S波．

圖2 2003年5月10日爆破波形（左）和2003年6月19日地震波形（右）

本文求取每一條波形記錄的P波初動振幅與S波最大振幅比值（AI/AS）、 P波最大振幅與S波最大振幅比值（AP/AS）后， 再對各臺站記錄的幅值比結(jié)果進行算術平均， 以減弱臺站方位以及震中距引起的差異（邊銀菊等， 2012）． 最終得到的62個事件的AI/AS和AP/AS分布如圖3所示． 由于本研究需對所得到的幅值比值均取以10為底的對數(shù)， 為方便表述， 文中提到AI/AS和AP/AS時均省略了對數(shù)符號． 從圖3可看出， 研究區(qū)大部分爆破的AI/AS值大于-0.3，AP/AS的值大于-0.02； 而地震的AI/AS值小于-0.3，AP/AS值小于-0.02． 對于AI/AS共有5個爆破和5次地震誤識， 正確識別率為84%；AP/AS有4個爆破和1次地震誤識， 正確識別率為92%．

3 振幅衰減特性及衰減校正

3.1 振幅隨震中距衰減特性

振幅是地震波的動力學特征之一， 其大小代表地震波能量的大小， 其變化反映的是波動能量的變化， 也是震源、 波的傳播路徑及介質(zhì)物性等因素共同作用的結(jié)果． 地震波的振幅隨傳播距離（時間）的增大而不斷衰減， 振幅的衰減既隨傳播時間的不同而變化， 又隨頻率的不同而變化， 高頻成分比低頻成分衰減得更快， 主頻向低頻方向移動． 從快速識別出發(fā)， 本文僅對地震波的速度記錄在時間域量取各震相振幅， 并研究其衰減特性．

本文參考王碧泉等（1999）對中國華北地區(qū)峰值加速度衰減特性的分析， 采用Peng等（1985）所用的振幅隨距離衰減擬合公式分別研究了AI，AP，AS隨震中距的衰減， 其公式為lgA=a+bMS+clgR+dR. 其中,bMS項和clgR項分別表示震級和震中距對地震動參數(shù)的影響，dR項代表地震波在地殼介質(zhì)傳播中的內(nèi)摩擦損耗（陳運泰等， 2000）． 我們將式中面波震級替換為近震震級, 有l(wèi)gA=a+bML+clgR+dR. 其中：A為垂直向速度記錄振幅值，ML為近震震級，R為震中距（km）；a，b，c，d為未知系數(shù)， 其可用振幅隨震中距變化的數(shù)據(jù)通過最小二乘法擬合得到．

圖4 爆破（a）與地震（b）振幅（AI， AP， AS）隨震中距的衰減特性

用上述資料及公式， 研究爆破與地震振幅（AI，AP，AS）隨震中距的衰減特性， 其衰減擬合曲線如圖4所示． 可以直觀看出： 爆破資料的震中距較為集中， 大多集中在40—80 km處; 而地震資料較多， 震中距分布也較為均勻一些． 計算6條衰減曲線的平均殘差平方, 得到擬合殘差如表1所示， 然后進行檢驗分析， 得出這6個擬合公式均可以通過顯著水平為0.05的F檢驗．

圖5 爆破（a）與地震（b）衰減校正后的振幅值

表1 不同振幅的擬合殘差 Table 1 Fitting residual of different amplitudes

3.2 振幅衰減校正

對各振幅用得到的衰減擬合曲線進行衰減校正， 取距離R0為100 km， 將不同距離R上的振幅值都校正到距離R0處， 即AR校正后=AR校正前+（A100理論-AR理論）． 通過100 km處衰減校正重新得到的地震與爆破的P波初動振幅、 P波最大振幅、 S波最大振幅值隨震中距變化如圖5所示. 可以看出， 校正后的振幅值隨震中距變化較小， 較好地消除了振幅的衰減影響， 達到了本文衰減校正所預期的結(jié)果．

3.3 衰減校正后的幅值比

為了得到衰減校正后的幅值比， 同樣， 我們計算衰減校正后各臺站記錄的AI/AS、AP/AS值， 并對每個事件不同臺站的判據(jù)值進行平均, 如圖6所示． 通過逐點計算閾值法得到研究區(qū)衰減校正后爆破與地震AI/AS判據(jù)的閾值為-0.52，AP/AS判據(jù)的閾值為-0.15． 從圖6和表2可以看出： ① 經(jīng)過衰減校正后， 幅值比判據(jù)的識別率提高了．AI/AS識別錯誤1次地震， 正確識別率為98%； 而AP/AS則全部識別正確， 正確識別率為100%． ② 比較圖6與圖3也可看出， 經(jīng)過衰減校正后的幅值比同類特征更加聚集， 兩類分離程度也有所增大． 因此上述兩個幅值比判據(jù)相對衰減校正前的識別效果和識別可信度都有所提高， 說明對幅值比判據(jù)進行衰減校正是有必要的．

圖6 衰減校正后的AI/AS值（a）和AP/AS值（b）

判據(jù)地震總數(shù)爆破總數(shù)衰減校正前地震誤識個數(shù)爆破誤識個數(shù)正確識別率衰減校正后地震誤識個數(shù)爆破誤識個數(shù)正確識別率AI/AS33295584%1098%AP/AS33291492%00100%

4 衰減曲線對未知事件性質(zhì)的應用

對于未知性質(zhì)的事件， 我們無法確定究竟是用地震還是爆破衰減擬合曲線進行校正， 因此我們只能分別用地震與爆破的衰減曲線對未知事件進行衰減校正， 并分析校正后的幅值比結(jié)果． 將62個事件作為未知屬性樣本， 分別用爆破與地震的衰減曲線進行校正， 繪制校正后判據(jù)值如圖7所示.

圖7 按爆破（a, b）與地震（c, d）衰減曲線校正后的幅值比

1） 以爆破衰減曲線為基準進行校正． 對于本是爆破事件的結(jié)果與圖6一致， 有變化的只有地震事件. 從圖7a中可以看出, 對于地震AI/AS判據(jù)有整體上移趨勢， 即值變大， 結(jié)果將4次地震誤識為爆破， 正確識別率為94%； 圖7b中地震AP/AS判據(jù)相對于圖6b變化較小， 將地震與爆破完全識別正確， 正確識別率為100%．

2） 以地震衰減曲線為基準進行校正． 相對于圖6有變化的只有爆破的判據(jù)值. 從圖7c, d中可以看出, 對于爆破AI/AS判據(jù)有整體下移趨勢， 即值變小， 結(jié)果將3個爆破誤識為地震， 一次地震誤識為爆破， 正確識別率為94%； 爆破AP/AS判據(jù)變化也較小， 正確識別率為100%．

分別以地震與爆破的衰減曲線進行校正， 其結(jié)果的差異主要在于校正值， 校正值即為衰減校正中（A100理論-AR理論）一項， 也是觀測振幅值所需要加上的值， 繪制地震與爆破的校正值如圖8所示． 可以看出， 在震中距80 km前爆破振幅AS，AP和AI的校正值小于地震， 即爆破AR理論與A100理論的差異比地震大. 這說明爆破3個震相振幅隨震中距的衰減均比地震快． 該結(jié)果符合非天然地震與天然地震波傳播的理論模型， 即非天然地震震源較淺， 傳播路徑主要經(jīng)過疏松表層， 對振動波有較強的吸收作用．

圖8 不同振幅的衰減校正值隨震中距的變化

從地震與爆破校正值差異上分析， 若將地震用爆破衰減曲線的校正值進行校正， 各振幅值需要加上的AS，AP和AI校正值相對變小， 即校正后3個振幅值均變小. 其中，AS變小較多，AP次之，AI變小幅度最小． 因此經(jīng)衰減校正后的AI/AS判據(jù)值變大， 呈整體上移趨勢，AP/AS判據(jù)值變化較?。?同樣， 將爆破用地震衰減曲線的校正值進行校正， 各振幅值加上的校正值相對變大， 即校正后3個振幅值均變大. 其中，AS變大較多，AP次之，AI變大幅度最小. 這樣就導致了爆破AI/AS判據(jù)值變小， 在判據(jù)分布圖上整體下移，AP/AS判據(jù)值變化較?。?/p>

雖然兩種衰減曲線校正后的AI/AS判據(jù)值均識別錯誤4個事件， 而AP/AS判據(jù)值完全識別正確， 識別結(jié)果一致， 但是由于爆破振幅值資料的震中距較為集中， 而地震資料隨震中距分布較均勻， 且地震資料點較多， 故得到的衰減擬合曲線更為準確． 因此， 我們建議今后工作中先按地震衰減曲線進行校正為好．

5 討論與結(jié)論

本文主要對小震級事件的幅值比判據(jù)進行研究. 首先從快速識別要求出發(fā)， 分析量取較為方便的P波初動振幅AI與S波最大振幅AS比值（AI/AS）和P波最大振幅AP與S波最大振幅比值（AP/AS）對地震和爆破事件的識別能力； 其次考慮到傳播路徑對地震與爆破各振幅的影響， 分別研究地震與爆破P波、 S波各振幅隨震中距的衰減特性， 并在100 km處對振幅進行衰減校正； 最后對比衰減校正前、 后的P/S幅值比判據(jù)的識別能力． 本文得到的結(jié)論如下：

1） 在地震波時域速度記錄上量取P波初動振幅AI， P波最大振幅AP和S波最大振幅AS， 操作簡單方便， 滿足快速識別的要求； 而且人工量取各震相振幅比用速度窗口計算量取的震相更單純， 意義更明確， 量取誤差較?。?/p>

2） 本文分別研究P波震相和S波震相振幅隨震中距的衰減特性， 具有較明確的物理意義， 體現(xiàn)了地震與爆破不同震相受傳播介質(zhì)的影響不同， 并且單個震相的振幅衰減特性對震級的標定， 即量規(guī)函數(shù)的修正也有一定的參考意義．

3） 本文得到未經(jīng)校正的各事件平均臺站記錄的幅值比判據(jù)AP/AS對地震與爆破的正確識別率為92%，AI/AS為84%； 經(jīng)衰減校正后AP/AS對地震與爆破的正確識別率為100%，AI/AS為98%． 若按未知屬性事件， 分別以地震與爆破的衰減曲線進行校正， 則校正后AP/AS的正確識別率均為100%，AI/AS為94%． 這表明幅值比判據(jù)在小震級事件中應用效果較好， 經(jīng)衰減校正后可提高識別能力． 以往研究僅選取P波與S波最大振幅比值， 本文同時進行初動幅值比的判據(jù)研究， 識別效果也較好. 因此在今后實際工作中當AP記錄有問題時， 初動振幅與S波最大幅值比值也可作為補充判據(jù)進行事件性質(zhì)的識別．

對于我國周邊地區(qū)， 一般情況下缺少近震中距的波形數(shù)據(jù)及震相資料， 因而對其小震級事件的震級判定和事件識別誤差較大． 本文研究的小震級事件的震中距在180 km內(nèi)， 可以補充一些地區(qū)的近震中距資料． 因此下一步工作將嘗試用分布更廣泛的地震與爆破振幅信息， 檢驗對周邊地區(qū)的適用能力， 以提高對周邊地區(qū)事件性質(zhì)的識別．

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Amplitude attenuation and its application to earthquake and explosion discrimination

（InstituteofGeophysics,ChinaEarthquakeAdministration,Beijing100081,China）

Based on the small magnitude earthquakes and explosions and quick identification requirements, this paper analyzed the identification ability of first motion amplitudeAIand P maximum amplitudeAPto S maximum amplitudeASratios. Considering the impact of propagation paths on different seismic amplitude, this paper selected reasonable amplitude attenuation formula with distance, and invesigated attenuation characteristics of P, S amplitudes which indicates that amplitude of explosion attenuated faster than that of earthquake. We chosen 100 km as attenuation correction distance and recalculated the ratios of P amplitude to S amplitude after attenuation correction, then it is shown that the correct recognition rate ofAI/ASimproved from 84% to 98%,AP/ASimproved from 92% to 100%. These results show that amplitude ratio criteria after attenuation correction could be better applied to small magnitude earthquakes and explosions recognition.

earthquake; explosion; amplitude attenuation; amplitude ratio; event recognition

10.11939/jass.2015.01.015.

中國地震局地球物理研究所中央級公益性科研院所基本科研業(yè)務專項（DQJB13B12）資助.

2014-08-23收到初稿， 2014-11-09決定采用修改稿.

e-mail: bianyinju@Yahoo.com.cn

10.11939/jass.2015.01.015

P315.3+1

A

王婷婷, 邊銀菊. 2015. 振幅衰減特性在地震與爆破識別中的應用. 地震學報, 37（1）: 169--179.

Wang T T, Bian Y J. 2015. Amplitude attenuation and its application to earthquake and explosion discrimination.ActaSeismologicaSinica, 37（1）: 169--179. doi:10.11939/jass.2015.01.015.