楊芳，朱嘉健，劉智，吳彬

（1.廣東省地震局，廣州510070；2.中國地震局地震監(jiān)測與減災技術重點實驗室，廣州510070；3.廣東省地震預警與重大工程安全診斷重點實驗室，廣州510070）

廣東地區(qū)地震與爆破事件識別方法研究

楊芳1，2，3，朱嘉健1，2，3，劉智1，2，3，吳彬1，2，3

（1.廣東省地震局，廣州510070；2.中國地震局地震監(jiān)測與減災技術重點實驗室，廣州510070；3.廣東省地震預警與重大工程安全診斷重點實驗室，廣州510070）

基于廣東省數(shù)字遙測地震臺網(wǎng)的天然地震動記錄與人工爆破記錄資料，采用直觀快速識別的時域多指標對比分析方法，選取事件發(fā)震時間、波形震相特征、P波初動方向、P波和S波振幅比等多個時域判據(jù)，對廣東省的天然地震和人工爆破事件進行識別和對比分析。結果表明，P波最大振幅與S波最大振幅的比值是識別天然地震和人工爆破較為有效的特征參數(shù)，P波初動方向可作為輔助識別依據(jù)。研究結果可為省地震臺網(wǎng)天然地震和人工爆破事件的識別工作提供參考依據(jù)。

天然地震；人工爆破；時域判據(jù)；振幅比

0 前言

廣東省作為社會經(jīng)濟建設發(fā)展大省，爆破工程作業(yè)繁多，爆破是非天然地震事件中記錄最多的事件類型。廣東地震臺網(wǎng)每天分析入庫的人工爆破數(shù)量僅次于天然地震事件。對于爆破事件，識別后若是震級較小的爆破一般不進行震相分析入庫，但有些爆破有著類似于天然地震的波形特征，難以從波形特征上識別，若誤把爆破判定成天然地震或是漏震的情況，將影響到地震基本數(shù)據(jù)資料產(chǎn)出的質(zhì)量，因此，對實時監(jiān)測的事件類型進行識別，剔除和整理非天然地震事件，建立準確的天然地震事件目錄，是地震監(jiān)測人員的重要工作之一，對提高臺網(wǎng)地震編目質(zhì)量具有積極意義。

從20世紀50年代開始，國內(nèi)外對地震和爆破的識別及其相關問題進行了廣泛和深入的研究。地震和爆破的識別判據(jù)研究是首先需要解決的核心問題，這些判據(jù)包括P波初動、震源深度、P波和S波震相幅值比、倒譜、體波震級mb與面波震級MS之比等[1-4]。然而，單一的判據(jù)往往不能完全區(qū)分地震和爆炸，且它們的識別效果具有地域性，因而基于統(tǒng)計、模式識別以及神經(jīng)網(wǎng)絡等綜合識別方法被相繼提出[5]，以提高識別率及識別的穩(wěn)定性。

本文結合廣東省地震臺網(wǎng)大量天然地震和人工爆破數(shù)據(jù)，選取事件發(fā)震時間、波形震相特征、P波初動方向、P波和S波振幅比等多種時域判據(jù)對事件進行識別分析，旨在找出適用于本地區(qū)爆破與地震事件準確識別方法，為廣東地震臺網(wǎng)中心地震事件的準確監(jiān)測與識別提供參考依據(jù)。

1 常用地震與爆破事件識別方法選取

識別天然地震和人工爆破的方法很多，單一的判據(jù)往往不能區(qū)分地震和爆破，因而我們需要采用統(tǒng)計模式識別方法綜合幾種判據(jù)進行綜合識別。從快速直觀識別的角度出發(fā)，選取以下4種時域判據(jù)進行重點研究。

1.1 基于發(fā)生時間、震中位置與震級大小事件識別方法

地震作為一種隨機突發(fā)事件，在時間、空間分布上具有不確定性，而工業(yè)爆炸則是因人為因素發(fā)起，常常成組出現(xiàn)，同一地區(qū)常常出現(xiàn)多次爆炸事件，且發(fā)震時刻常為固定時刻。工程安全性的要求前提下，爆破需嚴格地控制藥量，因此會出現(xiàn)爆破的震級相對于地震偏小。綜上，在排除一些共性的因素后可區(qū)分事件類型，因此作為一種識別方法來探討本區(qū)域是否存在可求的規(guī)律性。

1.2 基于波形震相的識別方法

對比觀察波形震相特征是最直接的識別方法，因地震與爆破在震源機制及它們波列的動力學及運動學特征都有些不同[6]，從波形上體現(xiàn)出不同的特征規(guī)律，先前已有很多關于這方面識別方法的研究，本文將總結本區(qū)域中地震與爆破之間典型的波形特征。

1.3 基于P波初動方向的識別方法

利用多臺P波初動同時向上來識別爆破是目前常用的判據(jù)之一。在各向同性介質(zhì)中，點源爆破的振幅與方位無關，且只有壓縮初動，而地震的振幅和極性均會隨方位變化[7]。從震源理論上講，爆破屬于膨脹源，產(chǎn)生的壓縮波無象限分布，P波垂直分量初動方向應該都向上，這就造成了爆破的垂直分量記錄到的初動幾乎都是向上的特征；而地震則是巖石發(fā)生錯動，屬于剪切源，產(chǎn)生的壓縮波和膨脹波，有象限分布[8]，所以初動可能向上，也可能向下。

1.4 基于振幅比的識別方法

利用震相振幅比識別地震事件的研究始于20多年前[9]。爆破與地震的震源機制不同，從而導致其激發(fā)S波的能力不同[10]。理論上爆破主要產(chǎn)生P波，但由于爆破方式、傳播路徑復雜等因素影響也可能派生出S波，因此爆破有較強的P波群，S波相對較弱。而地震過程中，巖石要發(fā)生剪切錯動，所以大多數(shù)地震會產(chǎn)生較強的S波。P、S波振幅比反映此特點，可選為判據(jù)，而且用振幅的比值可減小震級、地震儀的放大倍數(shù)和頻率特性的影響[11-13]。

2 資料選取

廣東省“十五”期間建設地震臺44個，其中5個為國家臺、29個為區(qū)域臺；“十一五”期間對地震臺建設范圍布設點進行了加密，新建地震臺19個、地方地震臺8個、共享周邊區(qū)省的地震臺42個。編報范圍是廣東省及鄰省30公里內(nèi)和省界延長線涵蓋的南海海域所有記錄到的地震及ML2.5以上的非天然地震事件。

2013年臺網(wǎng)事件庫編報范圍內(nèi)記錄了天然地震事件5 061個，其中發(fā)生在廣東及附近海域的地震有4 826個（單臺定位的地震有274個），同一時期提交到事件庫的人工爆破事件有187個。本文選用廣東省臺網(wǎng)“十五”期間建設的44個專業(yè)地震臺的波形資料，隨機抽取了2013年數(shù)據(jù)庫中震級ML≥1.0的20個天然小地震和20個人工爆破事件，事件參數(shù)見表1。對于每個事件，從44個專業(yè)臺記錄波形里挑選波形清晰的作為樣本，得到的天然事件樣本數(shù)共計179個，人工爆破共計181個。

表1 所選地震與爆破事件的參數(shù)Table 1 Parameters of selected earthquakes and blasting events

3 地震與爆破事件識別分析

3.1 發(fā)生時間、震中分布及震級大小

爆破工程需根據(jù)其設計方案（爆破類型、爆破級別、操作過程、裝藥當量、炸藥配送和回收、爆破區(qū)巖性）評估影響范圍，與爆破工程所在地的審批機關協(xié)調(diào)后才能制定爆破時間。因此，爆破事件發(fā)生時段存在不確定性。圖1對全年事件庫中記錄的爆破事件按爆破時間進行統(tǒng)計，結果顯示爆破事件多發(fā)生在中午11～14 h和15～18 h?？紤]人們的活動規(guī)律，同時根據(jù)多年的日常監(jiān)測結果，包含未入庫事件在內(nèi)的眾多爆破事件多發(fā)生在11～13 h和17～19 h。與地震發(fā)震時間相比，爆破事件的發(fā)震時間具有一定的集中性，即隨機性較弱。因此，盡管爆破發(fā)震時間存在不確定性，仍然可以作為爆破事件識別的輔助判據(jù)。此外，廣東省絕大部分天然地震的震中在河源、陽江及南澳等地質(zhì)構造活動地區(qū)。而爆破事件與整個社會建設活動相關，震中位置隨著人類城市建設的側重不同而發(fā)生轉(zhuǎn)移。根據(jù)統(tǒng)計，2004年非天然地震主要發(fā)生在廣州和深圳兩個地區(qū)，共計有478次[12]，體現(xiàn)出當年兩大城市正處在大規(guī)模建設期間。與此相比，現(xiàn)在人工爆破主要分布在東源、河源、惠州、惠陽、從化、番禺等處于快速發(fā)展階段的中小型城市。

震級大小方面，2013年臺網(wǎng)監(jiān)測記錄到4826條發(fā)生在廣東及附近海域的天然地震事件，震級分布在ML0.0～5.1。同一時期記錄的人工爆破事件至少187個，震級分布在ML0.1～2.5，可見我省的爆破震級一般不超過2.5級。

3.2 波形震相特征

與爆破相比，因震源機制的不同，地震的垂直分量初動存在向上向下兩種情況，波的周期小，S波振幅明顯大于P波振幅，能量衰減緩慢。地震波在傳播過程中高頻成分被吸收的較少，記錄表現(xiàn)出高頻成分多、波列漣波較多和不規(guī)則的特點。地震震相復雜，波形具有近震震相記錄特征，以3月8日東源1.2級地震為例，給出有代表性的地震波形記錄，見圖2。其中波形記錄長度為60 s，每道波形記錄的左上方為記錄臺站和震中距。Δ＜40 km的地震震相主要有Pg、Sg，見圖2的DOY臺；隨著震中距增大，震相會發(fā)生變化，通常當40 km＜Δ＜120 km時出現(xiàn)莫霍面上的反射波，在70 km＜Δ＜110 km能量最強，見圖2的ZIJ臺；Δ＞120 km，首波作為第一個震相出現(xiàn)，見圖2的FES臺。

圖1 廣東人工爆破時間分布Fig.1 Time distributions of artificial explosion in Guangdong

爆破是人為在地表面上產(chǎn)生的膨脹源，激發(fā)的直達P波較強，垂直分量初動向上呈脈沖型，周期較大，振幅大且尖銳；直達P波振幅達到甚至超過直達S波的振幅，S波比天然地震產(chǎn)生的弱。爆破通常表現(xiàn)出波列光滑，漣波較少的特征，

圖2 3月8日東源ML1.2地震波形Fig.2 The waveform of ML1.2 earthquake occurred in Dongyuan on March 8th

最大記錄振幅隨著距離的衰減比地震要快。以3月9日東源1.2級爆破為例，給出有代表性的爆破波形記錄，見圖3。其中，圓框內(nèi)容描述了爆破的單臺初動方向。震中距為數(shù)十公里的爆破，在垂直分向中有個振幅較大，周期較長的脈沖（即大P頭），如圖3DOY臺所示。當Δ＜80 km，S波后能夠很清晰地分辨出特殊震相Xm，頻率低（約1 Hz）而強度大且呈正弦波狀態(tài)[8]。通過仿真能看到大周期的面波，而天然地震則沒有這個特征，見圖3紅框內(nèi)波形。Δ＞70 km，兩波群將出現(xiàn)類似反射波的大振幅波形，呈顯著的紡錘形，波形中間部分振幅較小，呈細長條，見圖3中FES臺記錄波形。

3.3 P波初動方向

本文182個人工爆破記錄樣本中初動方向清晰的有129個，其中向上的有110個，占85%。因此本地區(qū)可以將初動方向作為一個識別特征。

爆破事件初動多為向上，而遠臺記錄出現(xiàn)初動向下的情況較多，因此在研究區(qū)域內(nèi)選取Δ≤100的臺站記錄進行研究。2011年王婷婷等[11]提出了對初動方向判據(jù)進行量化的準則，根據(jù)此初動準則對所選的事件提取初動進行統(tǒng)計，結果如圖4所示。其中，類型“1”表示事件偏向于地震；類型“-1”表示偏向于爆破；類型“0”代表難以識別。20個人工爆破事件按初動歸類正確的15個（75%），錯誤的有1個（5%），無法識別的有4個（20%，其中有一個事件波形初動都不清晰）；而所選20個天然地震按初動歸類正確的有9個（45%），錯誤的有6個（30%），無法識別的有5個（25%）。整體識別準確率率達到60%。識別結果表明，對于本研究區(qū)域，P波初動方向在一定程度上能區(qū)分爆破事件及地震事件，但準確率不高，僅能作為輔助依據(jù)使用。

圖3 3月9日東源ML1.2爆破波形Fig.3 The waveform of ML1.2 explosion occurred in Dongyuan on March 9th

3.4 振幅比

圖4 基于初動方向的爆破與地震事件識別Fig.4 Explosion and earthquake events identification based on first motion direction

為了減少震中距對振幅比的影響，本節(jié)同樣選取Δ≤100的臺站記錄進行分析。同時，由于近臺記錄的S波會與后續(xù)激發(fā)出的面波相疊加，因此不選取最近臺的S波振幅。這里分別使用垂直向的P波初動振幅（初至第一個半周期的振幅）、P波最大振幅（最大振幅/2）與水平向S波最大振幅（最大振幅/2）的比值A（Pc）/A（Sm）和A（Pm）/A（Sm）作為識別指標進行研究。其中的振幅比值為對每一個事件中各記錄臺站振幅比結果的平均值，以此去除由臺站的方位及震中距引起的差異[5]。圖5為各指標計算結果，其中綠線是根據(jù)樣本數(shù)據(jù)計算得到的最優(yōu)閾值。由圖5可知，A（Pc）/A（Sm）的最優(yōu)閾值為0.35，識別正確率為70%；A（Pm）/ A（Sm）的最優(yōu)閾值為0.43，正確率為82.5%。研究結果表明，爆破事件與地震事件的振幅比差異較大，以振幅比為判據(jù)的識別正確率較高。因此，振幅比可作為識別爆破事件的可靠判據(jù)。

4 結語

圖5 基于振幅比的爆破與地震事件識別Fig.5 Blasting and earthquake events identification based on amplitude ratio

本文選取了事件發(fā)震時間、波形震相特征、P波初動方向、P波S波振幅比等時域判據(jù)，采用多指標對比分析方法，對廣東地區(qū)地震和爆破監(jiān)測事件進行了識別分析，主要結論如下：

（1）根據(jù)p波初動方向進行事件識別的整體準確率為60%左右，可作為地震和爆破的一種輔助識別依據(jù)，具有一定參考價值。

（2）P波最大振幅與S波最大振幅的比值是識別本區(qū)域地震和爆破較為有效的特征參數(shù)，當閾值為0.43時，識別率高達82.5%，識別正確率最高。

（3）建議在廣東地區(qū)地震監(jiān)測事件識別時，采用基于P波與S波最大振幅比的方法，結合P波初動方向、震相特征等因素，綜合評判地震或爆破事件類型，提高事件識別的準確率。

[1]邊銀菊．Fisher方法在震級比mb/Ms特征識別爆炸中的應用研究[J].地震學報，2005，27（4）：414-422.

[2]魏富勝，黎明．震源性質(zhì)的倒譜分析[J]．地震學報，2003，25（1）：47-54．

[3]沈萍，鄭治真．瞬態(tài)譜在地震與核爆識別中的應用[J]．地球物理學報，1999，42（2）：233-240．

[4]Taylor S R.Statistical discriminants from two-dimensional grids of regional P/S spectral ratios[J].Bull.Seism.Soc. Amer.，2011，101（4）:1584-1589.

[5]王婷婷，邊銀菊，張博．地震和爆破的綜合識別方法研究[J]．地球物理學進展，2013，28（5）：2 433-2 443.

[6]吳書貴，趙永．實用數(shù)字地震分析[M]．北京：地震出版社，2009.

[7]彼得·鮑曼．新地震觀測實踐手冊[M]．北京：地震出版社，2006.

[8]楊成榮，王桂嶺，敖雪明．烏魯木齊附近地區(qū)小爆破識別判據(jù)的研究[J]．內(nèi)陸地震，2001，15（1）：30-38.

[9]Pomeroy P W，Best W J，Mcevilly T C.Test ban treaty verification with regional data：A review[J].Bull Seism SocAmer，1982，72：S89-S129.

[10]蔡杏輝，邵平榮，段剛，等．福建地區(qū)人工爆破與天然地震的判定[J].地震地磁觀測與研究，2013，34（1/ 2）：87-91.

[11]王婷婷，邊銀菊．識別天然地震和人工爆破的判據(jù)選擇[J]．地震地磁觀測與研究，2011，32（6）：62-67.

[12]林偉，吳叔坤，陳杏．廣東非天然地震的特征與識別[J]．華南地震，2004，24（1）：35-43.

[13]霍祝青，王俊，張金川，等.江蘇地區(qū)天然地震與人工爆破識別研究[J].地震工程學報，2015，37（1）：232-234.

Study on Identification Methods between Earthquakes and Explosions Occurred in Guangdong Region

YANG Fang1，2，3，ZHU Jiajian1，2，3，LIU Zhi1，2，3，WU Bin1，2，3
（1.Earthquake Administration of Guangdong Province，Guangzhou 510070，China；2.Key Laboratory of Earthquake Monitoring and Disaster Mitigation Technology，CEA，Guangzhou 510070，China；3.Key Laboratory of Earthquake Early Warning and Safety Diagnosis of Major Projects，Guangdong Province，Guangzhou 510070，China）

Based on the natural data of earthquakes and explosions recorded by Guangdong digital telemetric seismic network,several intuitionistic time-domain indexes are utilized to distinguish these two kinds of events. By extracting the characteristic parameters from the sample records,i.e.original time,seismic phase characteristics,first motion direction of P wave and amplitude ratio of P wave and S wave,a comparison among different identified indexes is conducted.All the results indicate that amplitude ratio of P wave and S wave is the most efficient parameter for explosion identification.And the first motion direction of P wave can be regarded as an assistant index in the identification process.

Natural earthquakes；Artificial explosion；Time-domain index；Amplitude ratio

P315.9；TP391.4

A

1001-8662（2016）03-0111-06

10.13512/j.hndz.2016.03.016

2016-08-20

星火計劃（深圳市填海場地地震響應特性分析XH14039Y)

楊芳（1988-），女，助理工程師，主要從事地震觀測和強震監(jiān)測數(shù)據(jù)分析工作.

E-mail：328612609@qq.com.

楊芳，朱嘉健，劉智，等.廣東地區(qū)地震與爆破事件識別方法研究[J].華南地震，2016，36（3）：110-115.[YANG Fang，ZHU Jiajian，LIU Zhi，et al.Study on Identification Methods between Earthquakes and Explosions Occurred in Guangdong Region[J].South china journal of seismology，2016，36（3）：110-115.]