廣東地區(qū)地震與爆破事件識(shí)別方法研究

楊芳，朱嘉健，劉智，吳彬

（1.廣東省地震局，廣州510070；2.中國(guó)地震局地震監(jiān)測(cè)與減災(zāi)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州510070；3.廣東省地震預(yù)警與重大工程安全診斷重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州510070）

廣東地區(qū)地震與爆破事件識(shí)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(guó)地震局地震監(jiān)測(cè)與減災(zāi)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州510070；3.廣東省地震預(yù)警與重大工程安全診斷重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州510070）

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

天然地震；人工爆破；時(shí)域判據(jù)；振幅比

0 前言

廣東省作為社會(huì)經(jīng)濟(jì)建設(shè)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(lèi)型。廣東地震臺(tái)網(wǎng)每天分析入庫(kù)的人工爆破數(shù)量?jī)H次于天然地震事件。對(duì)于爆破事件，識(shí)別后若是震級(jí)較小的爆破一般不進(jìn)行震相分析入庫(kù)，但有些爆破有著類(lèi)似于天然地震的波形特征，難以從波形特征上識(shí)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(duì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的事件類(lèi)型進(jìn)行識(shí)別，剔除和整理非天然地震事件，建立準(zhǔn)確的天然地震事件目錄，是地震監(jiān)測(cè)人員的重要工作之一，對(duì)提高臺(tái)網(wǎng)地震編目質(zhì)量具有積極意義。

從20世紀(jì)50年代開(kāi)始，國(guó)內(nèi)外對(duì)地震和爆破的識(shí)別及其相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行了廣泛和深入的研究。地震和爆破的識(shí)別判據(jù)研究是首先需要解決的核心問(wèn)題，這些判據(jù)包括P波初動(dòng)、震源深度、P波和S波震相幅值比、倒譜、體波震級(jí)mb與面波震級(jí)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(shí)別效果具有地域性，因而基于統(tǒng)計(jì)、模式識(shí)別以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等綜合識(shí)別方法被相繼提出[5]，以提高識(shí)別率及識(shí)別的穩(wěn)定性。

本文結(jié)合廣東省地震臺(tái)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(shí)間、波形震相特征、P波初動(dòng)方向、P波和S波振幅比等多種時(shí)域判據(jù)對(duì)事件進(jìn)行識(shí)別分析，旨在找出適用于本地區(qū)爆破與地震事件準(zhǔn)確識(shí)別方法，為廣東地震臺(tái)網(wǎng)中心地震事件的準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)與識(shí)別提供參考依據(jù)。

1 常用地震與爆破事件識(shí)別方法選取

識(shí)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(jì)模式識(shí)別方法綜合幾種判據(jù)進(jìn)行綜合識(shí)別。從快速直觀識(shí)別的角度出發(fā)，選取以下4種時(shí)域判據(jù)進(jìn)行重點(diǎn)研究。

1.1 基于發(fā)生時(shí)間、震中位置與震級(jí)大小事件識(shí)別方法

地震作為一種隨機(jī)突發(fā)事件，在時(shí)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(shí)刻常為固定時(shí)刻。工程安全性的要求前提下，爆破需嚴(yán)格地控制藥量，因此會(huì)出現(xiàn)爆破的震級(jí)相對(duì)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(lèi)型，因此作為一種識(shí)別方法來(lái)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(shí)別方法

對(duì)比觀察波形震相特征是最直接的識(shí)別方法，因地震與爆破在震源機(jī)制及它們波列的動(dòng)力學(xué)及運(yùn)動(dòng)學(xué)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(guān)于這方面識(shí)別方法的研究，本文將總結(jié)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(dòng)方向的識(shí)別方法

利用多臺(tái)P波初動(dòng)同時(shí)向上來(lái)識(shí)別爆破是目前常用的判據(jù)之一。在各向同性介質(zhì)中，點(diǎn)源爆破的振幅與方位無(wú)關(guān)，且只有壓縮初動(dòng)，而地震的振幅和極性均會(huì)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(wú)象限分布，P波垂直分量初動(dòng)方向應(yīng)該都向上，這就造成了爆破的垂直分量記錄到的初動(dòng)幾乎都是向上的特征；而地震則是巖石發(fā)生錯(cuò)動(dòng)，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(dòng)可能向上，也可能向下。

1.4 基于振幅比的識(shí)別方法

利用震相振幅比識(shí)別地震事件的研究始于20多年前[9]。爆破與地震的震源機(jī)制不同，從而導(dǎo)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(fù)雜等因素影響也可能派生出S波，因此爆破有較強(qiáng)的P波群，S波相對(duì)較弱。而地震過(guò)程中，巖石要發(fā)生剪切錯(cuò)動(dòng)，所以大多數(shù)地震會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的S波。P、S波振幅比反映此特點(diǎn)，可選為判據(jù)，而且用振幅的比值可減小震級(jí)、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(shè)地震臺(tái)44個(gè)，其中5個(gè)為國(guó)家臺(tái)、29個(gè)為區(qū)域臺(tái)；“十一五”期間對(duì)地震臺(tái)建設(shè)范圍布設(shè)點(diǎn)進(jìn)行了加密，新建地震臺(tái)19個(gè)、地方地震臺(tái)8個(gè)、共享周邊區(qū)省的地震臺(tái)42個(gè)。編報(bào)范圍是廣東省及鄰省30公里內(nèi)和省界延長(zhǎng)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(tái)網(wǎng)事件庫(kù)編報(bào)范圍內(nèi)記錄了天然地震事件5 061個(gè)，其中發(fā)生在廣東及附近海域的地震有4 826個(gè)（單臺(tái)定位的地震有274個(gè)），同一時(shí)期提交到事件庫(kù)的人工爆破事件有187個(gè)。本文選用廣東省臺(tái)網(wǎng)“十五”期間建設(shè)的44個(gè)專(zhuān)業(yè)地震臺(tái)的波形資料，隨機(jī)抽取了2013年數(shù)據(jù)庫(kù)中震級(jí)ML≥1.0的20個(gè)天然小地震和20個(gè)人工爆破事件，事件參數(shù)見(jiàn)表1。對(duì)于每個(gè)事件，從44個(gè)專(zhuān)業(yè)臺(tái)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(jì)179個(gè)，人工爆破共計(jì)181個(gè)。

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(shí)別分析

3.1 發(fā)生時(shí)間、震中分布及震級(jí)大小

爆破工程需根據(jù)其設(shè)計(jì)方案（爆破類(lèi)型、爆破級(jí)別、操作過(guò)程、裝藥當(dāng)量、炸藥配送和回收、爆破區(qū)巖性）評(píng)估影響范圍，與爆破工程所在地的審批機(jī)關(guān)協(xié)調(diào)后才能制定爆破時(shí)間。因此，爆破事件發(fā)生時(shí)段存在不確定性。圖1對(duì)全年事件庫(kù)中記錄的爆破事件按爆破時(shí)間進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)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(dòng)規(guī)律，同時(shí)根據(jù)多年的日常監(jiān)測(cè)結(jié)果，包含未入庫(kù)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(shí)間相比，爆破事件的發(fā)震時(shí)間具有一定的集中性，即隨機(jī)性較弱。因此，盡管爆破發(fā)震時(shí)間存在不確定性，仍然可以作為爆破事件識(shí)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(yáng)江及南澳等地質(zhì)構(gòu)造活動(dòng)地區(qū)。而爆破事件與整個(gè)社會(huì)建設(shè)活動(dòng)相關(guān)，震中位置隨著人類(lèi)城市建設(shè)的側(cè)重不同而發(fā)生轉(zhuǎn)移。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，2004年非天然地震主要發(fā)生在廣州和深圳兩個(gè)地區(qū)，共計(jì)有478次[12]，體現(xiàn)出當(dāng)年兩大城市正處在大規(guī)模建設(shè)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(yáng)、從化、番禺等處于快速發(fā)展階段的中小型城市。

震級(jí)大小方面，2013年臺(tái)網(wǎng)監(jiān)測(cè)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(jí)分布在ML0.0～5.1。同一時(shí)期記錄的人工爆破事件至少187個(gè)，震級(jí)分布在ML0.1～2.5，可見(jiàn)我省的爆破震級(jí)一般不超過(guò)2.5級(jí)。

3.2 波形震相特征

與爆破相比，因震源機(jī)制的不同，地震的垂直分量初動(dòng)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(guò)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(diǎn)。地震震相復(fù)雜，波形具有近震震相記錄特征，以3月8日東源1.2級(jí)地震為例，給出有代表性的地震波形記錄，見(jiàn)圖2。其中波形記錄長(zhǎng)度為60 s，每道波形記錄的左上方為記錄臺(tái)站和震中距。Δ＜40 km的地震震相主要有Pg、Sg，見(jiàn)圖2的DOY臺(tái)；隨著震中距增大，震相會(huì)發(fā)生變化，通常當(dāng)40 km＜Δ＜120 km時(shí)出現(xiàn)莫霍面上的反射波，在70 km＜Δ＜110 km能量最強(qiáng)，見(jiàn)圖2的ZIJ臺(tái)；Δ＞120 km，首波作為第一個(gè)震相出現(xiàn)，見(jiàn)圖2的FES臺(tái)。

圖1 廣東人工爆破時(shí)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(dá)P波較強(qiáng)，垂直分量初動(dòng)向上呈脈沖型，周期較大，振幅大且尖銳；直達(dá)P波振幅達(dá)到甚至超過(guò)直達(dá)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(jí)爆破為例，給出有代表性的爆破波形記錄，見(jiàn)圖3。其中，圓框內(nèi)容描述了爆破的單臺(tái)初動(dòng)方向。震中距為數(shù)十公里的爆破，在垂直分向中有個(gè)振幅較大，周期較長(zhǎng)的脈沖（即大P頭），如圖3DOY臺(tái)所示。當(dāng)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(qiáng)度大且呈正弦波狀態(tài)[8]。通過(guò)仿真能看到大周期的面波，而天然地震則沒(méi)有這個(gè)特征，見(jiàn)圖3紅框內(nèi)波形。Δ＞70 km，兩波群將出現(xiàn)類(lèi)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(xì)長(zhǎng)條，見(jiàn)圖3中FES臺(tái)記錄波形。

3.3 P波初動(dòng)方向

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

爆破事件初動(dòng)多為向上，而遠(yuǎn)臺(tái)記錄出現(xiàn)初動(dòng)向下的情況較多，因此在研究區(qū)域內(nèi)選取Δ≤100的臺(tái)站記錄進(jìn)行研究。2011年王婷婷等[11]提出了對(duì)初動(dòng)方向判據(jù)進(jìn)行量化的準(zhǔn)則，根據(jù)此初動(dòng)準(zhǔn)則對(duì)所選的事件提取初動(dòng)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如圖4所示。其中，類(lèi)型“1”表示事件偏向于地震；類(lèi)型“-1”表示偏向于爆破；類(lèi)型“0”代表難以識(shí)別。20個(gè)人工爆破事件按初動(dòng)歸類(lèi)正確的15個(gè)（75%），錯(cuò)誤的有1個(gè)（5%），無(wú)法識(shí)別的有4個(gè)（20%，其中有一個(gè)事件波形初動(dòng)都不清晰）；而所選20個(gè)天然地震按初動(dòng)歸類(lèi)正確的有9個(gè)（45%），錯(cuò)誤的有6個(gè)（30%），無(wú)法識(shí)別的有5個(gè)（25%）。整體識(shí)別準(zhǔn)確率率達(dá)到60%。識(shí)別結(jié)果表明，對(duì)于本研究區(qū)域，P波初動(dòng)方向在一定程度上能區(qū)分爆破事件及地震事件，但準(zhǔn)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(dòng)方向的爆破與地震事件識(shí)別Fig.4 Explosion and earthquake events identification based on first motion direction

為了減少震中距對(duì)振幅比的影響，本節(jié)同樣選取Δ≤100的臺(tái)站記錄進(jìn)行分析。同時(shí)，由于近臺(tái)記錄的S波會(huì)與后續(xù)激發(fā)出的面波相疊加，因此不選取最近臺(tái)的S波振幅。這里分別使用垂直向的P波初動(dòng)振幅（初至第一個(gè)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(chǔ)（Pc）/A（Sm）和A（Pm）/A（Sm）作為識(shí)別指標(biāo)進(jìn)行研究。其中的振幅比值為對(duì)每一個(gè)事件中各記錄臺(tái)站振幅比結(jié)果的平均值，以此去除由臺(tái)站的方位及震中距引起的差異[5]。圖5為各指標(biāo)計(jì)算結(jié)果，其中綠線是根據(jù)樣本數(shù)據(jù)計(jì)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(shí)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(jié)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(shí)別正確率較高。因此，振幅比可作為識(shí)別爆破事件的可靠判據(jù)。

4 結(jié)語(yǔ)

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

本文選取了事件發(fā)震時(shí)間、波形震相特征、P波初動(dòng)方向、P波S波振幅比等時(shí)域判據(jù)，采用多指標(biāo)對(duì)比分析方法，對(duì)廣東地區(qū)地震和爆破監(jiān)測(cè)事件進(jìn)行了識(shí)別分析，主要結(jié)論如下：

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

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

（3）建議在廣東地區(qū)地震監(jiān)測(cè)事件識(shí)別時(shí)，采用基于P波與S波最大振幅比的方法，結(jié)合P波初動(dòng)方向、震相特征等因素，綜合評(píng)判地震或爆破事件類(lèi)型，提高事件識(shí)別的準(zhǔn)確率。

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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(jì)劃（深圳市填海場(chǎng)地地震響應(yīng)特性分析XH14039Y)

楊芳（1988-），女，助理工程師，主要從事地震觀測(cè)和強(qiáng)震監(jiān)測(cè)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(shí)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.]