江蘇地區(qū)天然地震與人工爆破識別研究

江蘇地區(qū)天然地震與人工爆破識別研究

霍祝青， 王俊， 張金川， 楊云

(江蘇省地震局，江蘇 南京210014)

摘要：選取江蘇數(shù)字地震臺網(wǎng)記錄的部分天然地震與人工爆破波形數(shù)據(jù)，通過波形對比分析、震幅比以及頻譜等方面的對比發(fā)現(xiàn)兩者之間不同之處。把這些不同的方法應(yīng)用到數(shù)字地震臺網(wǎng)實際工作中，能夠快速有效地分辨出天然地震和人工爆破，為今后震相的識別提供可靠依據(jù)。

關(guān)鍵詞：天然地震； 人工爆破； 震幅比； 頻譜

收稿日期：*2015-01-01

基金項目：中國地震局三結(jié)合資助課題目(151005))

作者簡介：霍祝青(1979-)，男(漢族)，工程師，現(xiàn)從事地震監(jiān)測工作.E-mail：hzqbook@126.com

中圖分類號:P315.3文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI:10.3969/j.issn.1000-0844.2015.01.0228

Recognition Study on Earthquakes and Explosions in Jiangsu Area

HUO Zhu-qing， WANG Jun， ZHANG Jin-chuan， YANG Yun

(EarthquakeAdministrationofJiangsuProvince，Nanjing，Jiangsu210014，China)

Abstract：The crux of rapid reports of earthquakes is to establish three factors of the event as soon as possible.Seismic phase analysis is the basic work of earthquake monitoring，yet all types of seismic phase demand correct interpretation to determine the earthquake epicenter within the network.Summarizing rapid treatment methods can improve seismic phase analysis and the speed of issuing the rapid report.The present situation of rapid reports of earthquakes in Jiangsu province is analyzed from the viewpoint of both science and society，with recognition of its development.On this basis and using waveform data recorded by the Jiangsu digital seismic network，we studied the difference between natural earthquakes and explosions by contrasted comparative analysis of the waveform，amplitude，frequency spectrum，and other aspects，and found a difference between earthquakes and explosions，both in Jiangsu and adjacent areas.These methods，applied to digital seismograph network practice，can quickly and effectively differentiate natural events from artificial explosions.As a quick distinguishing method，it represents a swift and proficient application during major earthquakes，which provides a reliable basis for the identification of future phases.

Key words： natural earthquake； explosion； amplitude ratio； frequency spectrum

0引言

江蘇地處我國經(jīng)濟比較發(fā)達(dá)的長三角地區(qū)，近年來，隨著江蘇省數(shù)字地震臺網(wǎng)建設(shè)的步伐不斷增大及“十五”數(shù)字化改造的全面完成，江蘇省測震臺站已經(jīng)達(dá)到40多個，在“十五”數(shù)字化改造過程中又接收了山東、上海、浙江、安徽等省市30多個臺站信號，使得江蘇省數(shù)字地震臺網(wǎng)的地震監(jiān)能力得到了相當(dāng)大的提高。

1波形記錄特征

1.1數(shù)字記錄地震波形的特征

數(shù)字地震臺網(wǎng)記錄的波形具有動態(tài)范圍大、頻帶寬、動態(tài)大、分辨率高等特點。從數(shù)字記錄波形與模擬記錄波形的對比可以看出，數(shù)字記錄波形初動清晰，波形高頻成分豐富，周期明顯，波形通過放大處理，震相特征更為突出，使震相到時讀取更為準(zhǔn)確， 當(dāng)發(fā)生較大地震時，分析人員能夠快速處理地震參數(shù)；并且數(shù)字化短周期波形更為豐富，震相特征更為明確。而模擬記錄動態(tài)范圍小，記錄波形初動不清晰，周期不明顯，并容易產(chǎn)生記錄波形限幅，當(dāng)發(fā)生較大地震時，部分臺因記尋限幅難以判定震級，從而影響臺網(wǎng)的大震速報。

1.2天然地震與人工爆破波形識別方法

天然地震與人工爆破產(chǎn)生的振動，都是以地震波的形式傳播，兩者之間的波形十分相似，如何正確地對二者進行辨別是一項十分重要的工作。

天然地震主要是指構(gòu)造地震，是構(gòu)造應(yīng)力集中超過介質(zhì)彈性限度時，巖石破裂、巖層瞬時錯動的結(jié)果，一般振動時間為幾秒至幾十秒，震源深度一般幾千米到幾百千米[1]。天然地震由于錯動介質(zhì)一方受到擠壓，形成壓縮波，另一方受到拉伸，形成膨脹波，天然地震PG波呈四象限分布，即震源發(fā)生的振動，使一定方位的介質(zhì)受壓，形成壓縮波，PG波向上；另一方位介質(zhì)受拉伸，形成膨脹波，PG波向下[2]。

天然地震地震波傳播路程較長，其變化也較為復(fù)雜(圖1)，所以每個地震的記錄特征都有所差別，不同地區(qū)記錄到的震相清晰度也不同。以江蘇地區(qū)為例，在東部沿海地區(qū)以及蘇中、蘇南地區(qū)由于覆蓋層比較厚，導(dǎo)致這些地區(qū)大多臺站記錄發(fā)生天然地震時震相初動不太清晰，而蘇北地區(qū)覆蓋層較薄，記錄到的初動震相則相對清晰。

圖1　江蘇地區(qū)地震典型圖例 Fig.1　Typical seismogram in Jiangsu area

隨著工業(yè)的發(fā)展，人工爆破作業(yè)越來越頻繁，人工爆破與天然地震的識別貫穿于測震臺網(wǎng)的日常監(jiān)測工作中。有的爆破波形比較容易識別，也有的波形比較復(fù)雜，主要原因是隨著經(jīng)濟的發(fā)展，爆破作業(yè)的頻率越來越高，爆破的手法也越來越多。有的是當(dāng)量大小不同，有的炸藥放置的深淺度不一，還有的是一次爆破或者兩次甚至多次連續(xù)爆破，這導(dǎo)致很多波形都不具備常見波形特征，有的和天然波形很相似，這就需要測震臺網(wǎng)的每一位工作人員都要有很好的分析經(jīng)驗。

人工爆破是瞬間發(fā)生的，作用時間短，震源體積小，振動時間短，其優(yōu)勢周期比天然地震小；爆炸源使周圍介質(zhì)開始時受到壓縮作用，因此垂直方向上PG波均向上。人工爆破一般都是能量相對較小的爆破(圖2)，如開礦、人工地震源等。

江蘇臺網(wǎng)記錄到的爆破主要是連云港港口爆破，記錄到的波形特征也符合人工爆破近源小噸位爆破特征，波形主要表現(xiàn)出：①頻譜相對單調(diào)且衰減較快，而天然地震頻譜比較復(fù)雜且衰減較慢；②波列比天然地震衰減快；③地震波周期較天然地震波周期小；④記錄的波形垂直方向上的初動都是向上的；⑤面波比較發(fā)育，炸藥當(dāng)量越大面波越發(fā)育，而離震中距較近的天然地震往往沒有面波；⑥大多數(shù)爆破的發(fā)生時間往往比較有規(guī)律性，如深夜、整點、下班時間等；⑦波形特征多顯示為P波頭較大，距離爆破點越近S波越不清晰。

天然地震具有初動方向既有向上也有向下、地震發(fā)生隨機性強，波形復(fù)雜、衰減慢、震源較深、波及面較大等特點；人工爆破具有初動方向全部向上、發(fā)生時間相對固定、波形簡單、衰減快、震源較淺、波及面較小等特點(圖1)。

除了一般當(dāng)量相對較小的人工爆破外，還有當(dāng)量相當(dāng)大的核爆破，所激發(fā)的波動與地震波尤其是與深震更為相近。2013年2月12日朝鮮核爆破江蘇臺網(wǎng)記錄到的波形如圖3。

圖2　江蘇地區(qū)爆破典型圖例 Fig.2　Typical picture of blasting in Jiangsu area

圖3　核爆破典型圖例 Fig.3　Typical picture of nuclear blasting

圖4　地震及爆破震幅比擬合直線圖 Fig.4　Fitting chart of the amplitude ratios of the earthquake and blasting

2波形震幅比及頻譜差異分析

圖4為天然地震與人工爆破震幅比擬合直線對比圖，通過對多個地震、爆破事件計算出平均震幅比分別為0.89、1.25，從圖中看地震平均震幅比隨著震中距增大逐漸減小，爆破震幅比值隨著震中距增大逐漸增大。當(dāng)震中距在0～50 km時地震平均震幅比大于爆破；50 km以后爆破平均震幅比大于地震。

圖5為震級相當(dāng)?shù)奶烊坏卣鹋c人工爆破頻譜分析對比圖，可以看出，天然地震高頻部分主要集中在2～20 Hz，能量衰減較慢而且頻率比較豐富；人工爆破能量在大于10 Hz以后頻譜與地震相似，在1 Hz左右存在一個明顯的卓越峰值，但衰減較天然地震快而且頻率比較單調(diào)，兩者之間有明顯的差別，這與其他研究者的結(jié)論基本一致[3]。

圖5　地震、爆破頻譜對比圖 Fig.5　Comparision of the spectrums of earthquake and blasting

3總結(jié)

由于地震波的傳播路徑長，期間變化也較為復(fù)雜，每個地震記錄特征也都有所差別。但天然地震和人工爆破同樣存在不同，如波列衰減速度的快慢、波列周期大小、垂直向初動方向、面波是否發(fā)育、事件發(fā)生時間是否規(guī)律等，所有這些差別都是鑒定發(fā)生的事件是天然地震或是人工爆破的參照工具。

通過對江蘇臺網(wǎng)記錄到的各種不同類型事件波形差異對比分析，辨別兩者之間不同之處能夠快速有效地分辨出天然地震和人工爆破，從而對江蘇數(shù)字地震臺網(wǎng)地震監(jiān)測質(zhì)量起到積極作用，也能夠?qū)K及鄰省地區(qū)的地震研究起到更大的幫助。

參考文獻(xiàn)(References)

[1]張少泉．地震分析[M].北京：地震出版社，1977.

ZHANG Shao-quan.Earthquake Analysis[M].Beijing：Seismological Press，1977.(in Chinese)

[2]陳培善.測震分析常用方法(講座)[J].地震地磁觀測與研究，1991，12(6)：25-27.

CHEN Pei-shan.Common Methods for seismic Analysis[J].Seismolgical and Geomagnetic observation and Research，1991，12(6)：25-27.(in Chinese)

[3]劉莎,楊建思,田寶峰,等.首都圈地區(qū)、礦震與天然地震的識別研究[J].地震學(xué)報，2012，34(2)：202-214.

LIU Sha，YANG Jian-si，TIAN Bao-feng，et al.Disorimination between Explosions，Mine Collapses and Earthquakes in Capital Region of China[J].Acta Seismologica Sinca，2012，34(2)：202-214.(in Chinese)

研究報道