利用小波包變換時(shí)頻譜識別寧夏及鄰區(qū)的地震和爆破＊

曾憲偉,趙衛(wèi)明,李鴻庭,師海闊,姚 琳

(寧夏回族自治區(qū)地震局,銀川 750001)

利用小波包變換時(shí)頻譜識別寧夏及鄰區(qū)的地震和爆破＊

曾憲偉,趙衛(wèi)明,李鴻庭,師海闊,姚 琳

(寧夏回族自治區(qū)地震局,銀川 750001)

采用 dmey小波基函數(shù)分別對地震和爆破事件的垂直向記錄信號進(jìn)行小波包變換,計(jì)算各事件信號的歸一化時(shí)頻譜值以及 P波和 S波時(shí)頻譜值達(dá)到最大時(shí)的頻率fmp和fms,比較地震信號和爆破信號 P波段(0～6.25 Hz)和 S波段(0～6.25 Hz)在各相同分解頻帶內(nèi)的瞬時(shí)譜最大值差異,尋找合適的單項(xiàng)定量識別指標(biāo),并綜合各單項(xiàng)識別指標(biāo)形成綜合識別判據(jù)。運(yùn)用綜合識別判據(jù)對銀川臺記錄到的寧夏及鄰區(qū) 14個(gè)地震事件和 19個(gè)爆破事件進(jìn)行判別,結(jié)果表明,各單項(xiàng)定量識別指標(biāo)的識別率均在 80%以上,綜合判別結(jié)果均與事件的真實(shí)類型一致。

小波包變換;時(shí)頻譜;地震;爆破;識別;寧夏及鄰區(qū)

0 引言

地震記錄易受外界因素干擾,這在一定程度上影響了人們對地震事件的識別和分析的有效性和準(zhǔn)確性。在干擾因素中,像人工爆破這樣的震動(dòng)源干擾比較難以排除或識別。有些爆破的波形記錄特征類似于天然地震,為測震分析人員的震相識別工作帶來了一定的困難。為了解決爆破干擾造成的地震漏報(bào)或誤報(bào)的問題,找到一種切實(shí)可行的識別天然地震和人工爆破的定量方法就顯得尤為重要。

自 20世紀(jì) 70年代以來,國內(nèi)外地震工作者在天然地震與非天然地震識別方面進(jìn)行了廣泛而深入的研究(楊選輝等,2005)。經(jīng)過近 40年的探索,人們基于地震波的輻射圖形、地震波譜分析和震相特征提出了很多識別地下非天然地震(特別是核爆破)和天然地震的判據(jù),其中包括 P波初動(dòng)振幅與 P波最大振幅比、勒夫波和瑞利波振幅比、P波與 S波譜振幅比(Plafcanet al,1997)、P波譜振幅與勒夫波譜振幅比(Walteret al,1995;Taylor,1996;Kimet al,1997)、瞬態(tài)譜等分析方法(劉希強(qiáng)等,2003)。另外,沈萍和鄭治真(1999)采用非穩(wěn)態(tài)的離散WD理論,對哈薩克斯坦的 5個(gè)地下核爆破事件及其鄰近地區(qū)的 7個(gè)地震事件進(jìn)行瞬態(tài)譜和瞬時(shí)頻率特征分析,取得了區(qū)域地震和區(qū)域核爆破識別的半定量化結(jié)果。楊選輝等(2005)利用小波包對 7個(gè)地震事件和 5個(gè)核爆破事件進(jìn)行多尺度分解,得到了信號在不同頻帶上的能量分布。劉希強(qiáng)等(2000)、林大超等(2003)還將小波包變換應(yīng)用于地震信號或爆破信號的時(shí)頻譜分析。

以上多數(shù)方法將不同震相之間的譜比值作為尋找識別指標(biāo)的切入點(diǎn),然后比較地震與爆破在該比值上的差異,而本文將小波包變換時(shí)頻譜分析應(yīng)用于天然地震與小當(dāng)量人工爆破的識別,研究地震信號與爆破信號同一震相之間各分解頻帶內(nèi)的時(shí)頻譜值差異。

1 基于小波包變換的時(shí)頻譜分析方法

連續(xù)小波變換頻域能量守恒公式(飛思科技產(chǎn)品研發(fā)中心,2005)

Wf(a,b)為伸縮系數(shù),b為平移分量,ψ(t)表示小波母函數(shù),表示ψ(t)的傅立葉變換。

對(1)式進(jìn)行離散化,參數(shù)a和b均取離散值,am=2-m,bm,n=nΔbm,m,n∈Z,Z表示整數(shù)集,則m和n分別代表尺度參數(shù)和時(shí)間參數(shù),可得

將總能量依尺度m分段離散,再將頻帶上的能量和依時(shí)間離散,取m=-j,n=k,j∈Z+,k∈Z,Z+表示非負(fù)整數(shù)集,則在t=bm,n時(shí)刻,記錄在尺度m頻帶的能量和為

2 資料選取

本研究范圍在內(nèi)蒙古阿拉善左旗與寧夏石嘴山 交 界 地 帶(39°～ 39.25°N,105.75°～106.5°E),資料為銀川地震臺記錄到的地震和爆破事件,事件記錄選取信噪比較高的臺站記錄,記錄采樣率為 50 Hz。

筆者選取了研究區(qū)域內(nèi)銀川地震臺記錄到的波形較為清晰的 14個(gè)地震事件,地震目錄取自寧夏地震觀測報(bào)告(表 1)①寧夏回族自治區(qū)地震局 .2007.寧夏地震觀測報(bào)告(2003～2007).,其中事件 1、6、7和10均具有 P、S波波列清晰、震相較為單一、高頻成分較為豐富的波形特征,說明事件 1、6、7和10的記錄信號與典型的地震信號較為接近,可以較為可靠地判定為地震事件。

表 1 研究范圍內(nèi)的地震事件目錄Tab.1 Earthquake catalogue in the study area

同樣,筆者選取了研究區(qū)域內(nèi)銀川地震臺記錄到的波形較為清晰的 19個(gè)爆破事件(表 2),其中序號為 1～7的事件為經(jīng)過落實(shí)后確認(rèn)的爆破事件,序號為 8～19的事件為分析人員通過對波形特征作直觀分析后識別出的爆破事件。

表 2 研究范圍內(nèi)的爆破事件目錄Tab.2 Explosion catalogue in the study area

另外,對所選的全部爆破和地震事件的記錄波形進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)它們的面波均不發(fā)育,因?yàn)檫@些事件的震級都較小(均小于ML3.0),震中距也較小(均小于 80 km)。

3 資料處理

在某個(gè)給定的分解尺度上,小波包變換的每組變換系數(shù)分別對應(yīng)于一個(gè)頻率區(qū)間上信號的變化特征。原始信號在給定頻率范圍內(nèi)關(guān)于時(shí)間的變化情況直接通過其對應(yīng)的變換系數(shù)得到刻畫,因此這些變換系數(shù)就能給出信號的時(shí)間頻率特征。因此,我們也可以把用變換系數(shù)表示的信號特征作重構(gòu)。顯然,這與直接應(yīng)用變換系數(shù)進(jìn)行分析沒有本質(zhì)區(qū)別,只是從表面上更易于被人們接受而已。不過,已建立的小波基函數(shù)只能在一定程度上滿足這個(gè)要求,因此二者的局部差異是不可避免的,但不影響關(guān)于信號特征的分析。

事實(shí)上,一個(gè)時(shí)間信號可以表示為不同分解層的重構(gòu)信號的疊加(多分辨分析),這些疊加信號中每個(gè)頻率區(qū)間的信號與其它頻率區(qū)間上的信號彼此正交。于是,信號的總能量可以通過相關(guān)頻率區(qū)間上信號的能量進(jìn)行完全描述。而能量(密度)是相關(guān)點(diǎn)分解后導(dǎo)出的速度值的平方,因此,通過計(jì)算速度值的平方就可以給出不同事件的時(shí)頻譜值。

筆者僅選一對實(shí)例進(jìn)行具體分析,分別選取表 1和表 2中的第一個(gè)事件,這兩次事件的銀川臺垂直向原始記錄波形如圖 1a和圖 2a所示。首先對原始記錄信號進(jìn)行歸零、去傾以及小波包降噪處理(圖 1b,圖 2b),然后對降噪后的地震信號和爆破信號進(jìn)行尺度j=5的小波包分解,此時(shí)整個(gè)信號頻帶 0～25 Hz平均分成了 32個(gè)頻帶。計(jì)算每個(gè)頻帶內(nèi)的分解信號速度的平方值,即時(shí)頻譜值,并計(jì)算每個(gè)事件信號的時(shí)頻譜值與各自信號的總能量之比,即進(jìn)行譜值歸一化處理,以便于對不同事件信號間進(jìn)行譜值大小比較。最后通過比較地震信號與爆破信號的 P波段時(shí)頻譜值達(dá)到最大時(shí)的頻率差異,以及 S波段時(shí)頻譜值達(dá)到最大時(shí)的頻率差異,尋找定量識別的閾值大小。通過比較地震與爆破 P波信號(0～6.25 Hz)在各分解頻帶內(nèi)的時(shí)頻譜最大值差異以及地震與爆破 S波信號(0～6.25 Hz)在各分解頻帶內(nèi)的時(shí)頻譜最大值差異,尋找不同震相信號在各分解頻帶內(nèi)的識別閾值大小。

圖 1 地震原始波形(a)和濾波后的波形(b)Fig.1 Original signal(a)and filtered signal(b)of the earthquake

圖 2 爆破原始波形(a)和濾波后的波形(b)Fig.2 Original signal(a)and filtered signal(b)of the explosion

4 資料分析

采用 dmey小波基函數(shù)對所選地震和爆破事件的垂直向記錄進(jìn)行小波包變換,計(jì)算各事件信號的歸一化時(shí)頻譜值、P波和 S波時(shí)頻譜值達(dá)到最大時(shí)的頻率fmp和fms、地震信號(0～6.25 Hz)P波和 S波在各分解頻帶內(nèi)的時(shí)頻譜最大值和爆破信號(0～6.25 Hz)P波和 S波在各分解頻帶內(nèi)的時(shí)頻譜最大值。

以事件序號為橫坐標(biāo),分別以頻率fmp和fms為縱坐標(biāo)繪圖(圖 3)。由圖 3可以看出,fmp和fms分別以 4 Hz和 3 Hz為界,識別效果較為明顯,可作為兩項(xiàng)識別指標(biāo)。

圖 3 地震與爆破銀川臺垂向記錄信號 P波(a)和S波(b)時(shí)頻譜值達(dá)到最大時(shí)的頻率差異Fig.3 Differences of frequency when the value of ti me-frequency spectrum of P(a)and S(b)wave of the earthquake and explosion from Yinchuan station's UD records is maximum

分析 0～6.25 Hz頻帶內(nèi)的地震信號和爆破信號,以每個(gè)小波包分解頻帶為單元,事件序號為橫坐標(biāo),時(shí)頻譜最大值為縱坐標(biāo)繪圖(圖 4,圖5)。地震與爆破的 P波在各分解頻帶內(nèi)的時(shí)頻譜最大值差異見圖 4,S波在各分解頻帶內(nèi)的時(shí)頻譜最大值差異見圖 5?？梢钥闯?地震與爆破 P波時(shí)頻譜最大值僅在 0.78125～1.5625 Hz和 1.5625～2.34375 Hz兩個(gè)頻帶內(nèi)存在較顯著差異,分界閾值分別為 0.2和 0.35;而 S波時(shí)頻譜最大值在 0～0.78125 Hz、0.78125～1.5625 Hz、1.5625～2.34375 Hz、3.125 ～3.90625 Hz、3.90625 ～4.6875 Hz和 4.6875～5.46875 Hz 6個(gè)頻帶內(nèi)均存在顯著差異,分界閾值分別為 0.5、1、3.2、4、0.5和 0.7。因此,P波兩個(gè)頻帶內(nèi)的時(shí)頻譜最大值差異和 S波 6個(gè)頻帶內(nèi)的時(shí)頻譜最大值差異均可作為地震和爆破的識別指標(biāo)。

圖 4 銀川臺垂向記錄的地震與爆破信號 P波(0～6.25 Hz)各分解頻帶內(nèi)的時(shí)頻譜最大值差異Fig.4 Differences of maximum value of time-frequency spectrum in decomposing bands of P signal(0～6.25 Hz)of the earthquake and explosion from Yinchuan station's UD records

圖 5 銀川臺垂向記錄的地震與爆破信號 S波(0～6.25 Hz)各分解頻帶內(nèi)的時(shí)頻譜最大值差異Fig.5 Differences of maximum value of time-frequency spectrum in decomposing bands of S signal(0～6.25 Hz)of the earthquake and explosion from Yinchuan station's UD records

表 3給出了各單項(xiàng)定量識別指標(biāo)的識別閾值以及識別率,各單項(xiàng)識別指標(biāo)的識別率均在 80%以上。為提高識別指標(biāo)的有效性,筆者將 10個(gè)單項(xiàng)識別指標(biāo)結(jié)合在一起,原則為超過半數(shù)的識別指標(biāo)給出的識別結(jié)果為事件類型的判別結(jié)果。依據(jù)該原則,對本文中的 14個(gè)地震事件和 19個(gè)爆破事件重新進(jìn)行判別,其判別結(jié)果均與事件的原類型一致(表 4和表 5),尤其是 6個(gè)落實(shí)為爆破的疑似爆破事件均判別為爆破。事件 3的速報(bào)定性結(jié)果為地震,經(jīng)落實(shí)是爆破,利用該綜合識別判據(jù)可以較好地將事件 3判斷為爆破事件。另外,利用該綜合識別判據(jù),較為典型的地震事件 1、6、7和10也判定為地震。

表 3 銀川臺地震事件和爆破事件的單項(xiàng)識別指標(biāo)及閾值Tab.3 Identification index and thresholds of Yinchuan station

表 4 石嘴山大峰煤礦爆破的銀川地震臺垂直向記錄的識別結(jié)果Tab.4 Identification result of explosion of Dafengmine in Shizuishan

5 判據(jù)例證

2007年 12月 20日 11時(shí) 30分,寧夏石嘴山大峰煤礦羊齒采區(qū)進(jìn)行硐室爆破,爆破炸藥量為5499 t,爆破點(diǎn)距離銀川地震臺 48 km,寧夏測震臺網(wǎng)測定的震級為MS3.8。筆者采用上文所述處理方法,對該爆破的銀川地震臺垂直向記錄進(jìn)行小波包變換分解,并計(jì)算相應(yīng)的識別指標(biāo)參數(shù)取值(表 4),得到 10項(xiàng)單項(xiàng)識別指標(biāo)中有 8項(xiàng)的判別結(jié)果為爆破,因此認(rèn)定該事件為爆破事件,判定類型與實(shí)際類型一致,說明本文給出的識別判據(jù)是有效的。

6 結(jié)論與討論

地震的發(fā)生是巖石破裂過程的結(jié)果(陳運(yùn)泰,顧浩鼎,2004),其能量釋放相對爆破要緩慢得多,所以相對而言地震信號能量多集中于低頻段,而爆破信號能量多集中于高頻段。然而,爆破信號的一個(gè)特點(diǎn)是距離爆源較近時(shí)地震波的高頻成分較為豐富,且持續(xù)時(shí)間較短(陽生權(quán),2002)。隨著爆破地震波在巖土介質(zhì)體內(nèi)從爆源向四周的傳播,介質(zhì)體的內(nèi)阻尼使地震波幅值衰減,且對于高頻振動(dòng)阻尼作用較大。由于爆破信號在傳播過程中有較長的路程在較為松散的淺層,遠(yuǎn)距離范圍的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)高頻成分衰減得非?？?低頻成分則相對增大。

由于本文所選資料僅為銀川地震臺所記錄的某一區(qū)域范圍內(nèi)的地震和爆破,得到的結(jié)果也僅是區(qū)域地震和區(qū)域爆破的識別判據(jù),如果對不同臺站同一區(qū)域以及同一臺站不同區(qū)域的事件進(jìn)行研究,有可能得到更多有意義的結(jié)果。另外,隨著分解尺度增加,信號在頻率域分解得更細(xì),同一事件不同頻帶內(nèi)的時(shí)頻譜差異性也會更大,信號的細(xì)節(jié)特征會得到更詳細(xì)的描述,這對于地震和爆破識別或許會得到更多有價(jià)值的結(jié)果。

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Discrimination between Earthquakes and Explosions in Ningxia and Its Neighboring Region Using Time-frequency Spectrum Wavelet Packet Transform

ZENG Xian-Wei,ZHAO Wei-ming,L I Hong-ting,SHI Hai-kuo,YAO L in
(Earthquake Administration of Ningxia Hui Autonomous Region,Yinchuan750001,Ningxia,China)

Usingdmey wavelet-base function,We conduct a wavelet-packet transform of the signals of vertical component recordings of the earthquakes and the explosions to calculate the values of the normalized time-frequency spectrum of the signal of each earthquake and explosion,and to calculate the frequency fmpon condition that the value of time-frequency spectrum of P wave is maxim um.We also calculate the frequency fmson condition that the value of time-frequency spectrum of S wave is maximum.Then We compare the maximum value of instantaneous spectrum of the seismic signals with that of the blasting signals in the same decomposition frequency band of P wave within frequency0-6.25Hz.And We compare the maximum value of instantaneous spectrum of the seismic signals with that of the blasting signals in the same decomposition frequency band of S wave within frequency0-6.25Hz.Thus We get some quantitative indexes to identify the earthquake and the explosion.Combining all these indexes We get a synthetic criterion.Then We apply the single index and the synthetic criterion to the identification test of14quakes and19explosions recorded by Yinchuan seismic Station.We find that using the single index,80%of the quakes and the explosions can be identified,and100%of the quakes and the explosions can be identified using the synthetic criterion.

wavelet packet transform; ti m e-frequency spectrum; earthquakes; explosions; identification;Ningxia and the neighboring region

P315.63

A

1000-0666(2010)03-0300-08

2009-09-29.

中國地震臺網(wǎng)中心震情跟蹤項(xiàng)目(2009A51)資助 .