基于Lg波識別判據(jù)的特性分析

何永鋒 趙克常 姚國正 張獻兵 馬裕然

1）中國北京100072裝甲兵工程學院基礎部

2）中國北京100871北京大學地球與空間科學學院

基于Lg波識別判據(jù)的特性分析

何永鋒1），趙克常2）姚國正1）張獻兵2）馬裕然1）

1）中國北京100072裝甲兵工程學院基礎部

2）中國北京100871北京大學地球與空間科學學院

Lg波是檢測、識別地下核爆炸的重要震相.通常情況下，地下核爆炸的低頻段Lg波能量相對較強，基于Lg波的識別判據(jù)在高頻段表現(xiàn)較好.然而在低頻范圍內(nèi)卻表現(xiàn)出難以用球?qū)ΨQ爆炸源模式解釋的現(xiàn)象，如Lg/Pg判據(jù)在1Hz附近失效等現(xiàn)象.本文利用理論地震圖方法，分析了伴隨層裂過程產(chǎn)生的重要輔助源——CLVD源對Lg波低頻成分的調(diào)制作用，給出了基于Lg波的識別判據(jù)成功及失效的原因，并將層裂過程視為輸入擾動，利用振型疊加原理，進一步解釋了基于Lg波識別判據(jù)特性的物理機制.這對于更好地利用Lg波識別地下核爆炸，具有較好的參考意義.

地下核爆炸 Lg波 識別判據(jù) CLVD源

引言

如何利用觀測資料來區(qū)分地下核爆炸與天然地震是我們所關(guān)心的重要問題.自從實施地下核試驗以來，基于地球物理方法的識別手段得到了較為深入、廣泛的研究，許多種方法被提出來.通過對大量觀測資料的分析和理論研究結(jié)果表明，基于S波、P波的比對是研究識別判據(jù)的重要理論出發(fā)點（韓紹卿等，2010；潘常周等，2007；Guptaetal，2005；Bowers，Selby，2009；Blandford，1977；Douglas，Rivers，1988；Dahlman，1977）.Lg波可被看作是大陸地殼內(nèi)部傳播的導波或高階面波的疊加.在穩(wěn)定的大陸地區(qū)，Lg波十分發(fā)育，常常是區(qū)域地震圖上幅值最大的震相，在震源特性分析、識別及當量估算方面，扮演著重要角色.

實際運用Lg/Pg識別判據(jù)的過程中，發(fā)現(xiàn)該判據(jù)隨著頻率的變化而變化（Guptaetal，1992）.在高頻處，地下核爆炸的Lg/Pg值通常要比天然地震的小，識別效果較好，但是在1Hz附近卻往往失效（Guptaetal，2005；Taylor，1989，1996）.Lg波高、低頻段譜比判據(jù)，在某些區(qū)域發(fā)揮著較好的作用（Walteretal，1995）.該現(xiàn)象很特殊，迄今為止，還沒有找到具有說服力的理論模型來解釋.

上述現(xiàn)象并不能用球?qū)ΨQ爆炸源模式解釋.越來越多的證據(jù)表明，地下核爆炸中的低頻Lg波的激發(fā)主要源于Rg波的散射，爆炸震源的非對稱性及伴隨爆炸源的層裂源都有可能激發(fā)Rg波（靳平等，1997，1999；Patton，Taylor，1995；何永鋒等，2005a）.進而，其波譜表現(xiàn)出與天然地震很不相同的特征.本文利用理論地震圖方法，通過對層裂源激發(fā)的Lg波譜特征的分析，解釋了基于Lg波判據(jù)所表現(xiàn)出來的特性.這對于深入地理解地下核爆炸震源機制，具有較好的參考意義.

1 基于Lg震相的識別判據(jù)

理論上講，天然地震要比相同量級的地下核爆炸激發(fā)更豐富的S波（靳平等，1997；Pressetal，1962）.我們可以使用攜帶S波的參量，如短周期S波與短周期P波的振幅比、由S波測定的體波震級與由P波測定的體波震級之比等（Bowers，Selby，2009；潘常周等，2007）來作為識別判據(jù).基于Lg波的識別判據(jù)的理論依據(jù)同上，天然地震相對于等量級的地下核爆炸來說，會激發(fā)更豐富的Lg波，但卻表現(xiàn)出很特殊的現(xiàn)象.其主要判據(jù)及其存在問題如下：

1）Lg/Pg.該判據(jù)隨頻率的變化而變化.在高頻部，可以發(fā)揮較好作用，但在1.0Hz附近卻往往失效（Blandford，1977；Guptaetal，1992；Taylor，1996）.圖1為Taylor給出的不同頻段Lg/Pg判據(jù)的識別能力示意圖.結(jié)果可以明顯看出，在高頻段，分離效果很好，然而，在低頻段（＜3.0Hz）重疊現(xiàn)象開始嚴重，尤其是在1.0Hz附近，幾乎失去識別能力，實際記錄多數(shù)為低頻信號，所以，該判據(jù)在1.0Hz附近失效的特性，制約了該判據(jù)的應用.

2）Lg（1—2Hz）/Lg（6—8Hz）.經(jīng)過對大量觀測資料的分析，發(fā)現(xiàn)以Lg波的低、高頻段的比值為判據(jù)，在某些區(qū)域，發(fā)揮著很好的作用（Walteretal，1995）.判據(jù)的形式說明，地下核爆炸激發(fā)的高頻Lg波要比天然地震低，然而，相應頻譜段的Pn波譜比卻不具備該特征.利用球?qū)ΨQ爆炸源模型，顯然難以解釋上述現(xiàn)象.而從爆炸源的非對稱性及其引發(fā)的源區(qū)附近的二次源尋找原因，不失為一種解決途徑.

對主要輔助源模式對面波、體波的影響進行分析，是尋找答案的重要途徑.該方法從震源物理本質(zhì)出發(fā)，理論依據(jù)充分、可靠.本文利用理論地震圖方法，分析了伴隨層裂過程產(chǎn)生的重要輔助震源 補償線性偶極源（compensated linear vector dipole，簡寫為CLVD）（Masse，1981）對Lg波、P波的影響，以期尋找解釋上述判據(jù)所表現(xiàn)出來的特性的原因.

2 CLVD源模式的Lg/Pg特征分析

2.1 地下爆炸激發(fā)Lg波機制

地下核爆炸地震與天然地震的本質(zhì)區(qū)別在于震源特性不同，包括空間特性和時間特性的不同.地下核爆炸震源空間機制被認為主要是球?qū)ΨQ壓縮的，而天然地震的空間機制是有限剪切破裂.地下核爆炸激發(fā)的區(qū)域震相Lg波由陷俘于地殼中的S波構(gòu)成.理論上講，球?qū)ΨQ爆炸源只激發(fā)P波，地下核爆炸形成Lg波，只能源自P波在地表的轉(zhuǎn)換波P－－S或由面波散射而成，但這樣形成的Lg波能量非常弱，與實際觀測結(jié)果不符（Xie，Lay，1994）.而且，這樣的激發(fā)機制對速度模型較敏感，如果爆炸源處P波速度大于上地幔S波速度（東哈薩克斯坦州（原蘇聯(lián)東哈薩克斯坦）地下核試驗場區(qū)地殼就是這種地表高速模型（Mclaughlinetal，1988）），這種情況下，絕大部分的P－－S波能量會泄露到下地幔，不會陷俘于地殼中形成導波.

造成地下核爆炸激發(fā)S波的原因很多，源區(qū)附近的構(gòu)造應力釋放是其主要原因.例如，巖石塊體的移動、應力釋放及斷層運動等；伴隨地下核爆炸產(chǎn)生的層裂現(xiàn)象會激發(fā)SV波；壓縮波波前作用于非球形空腔幾何體同樣會產(chǎn)生剪切波（Gibson，1994；靳平等，1997）；源區(qū)附近Rg－S的散射現(xiàn)象，P波波前作用于地球自由表面，以及介質(zhì)各向異性（靳平等，1998），都會激發(fā)S波.上述任何一種具有合適慢度的S波，都可能會陷浮于地殼中，進而形成地下核爆炸中普遍觀測到的區(qū)域優(yōu)勢震相Lg波.有關(guān)這方面的研究工作很多，目前多數(shù)學者認為地下核爆炸激發(fā)的低頻Lg波主要源于地下爆炸產(chǎn)生的Rg波散射而來的，Rg波可能源于實際爆炸源偏離球?qū)ΨQ的情況，伴隨層裂的CLVD源及介質(zhì)的各向異性.本文從CLVD源角度出發(fā)，對Lg/Pg識別判據(jù)所表現(xiàn)出的特性進行分析.

地下核爆炸強地面記錄中，可觀測到層裂現(xiàn)象.近源區(qū)的矩張量反演結(jié)果也表明，層裂可以很好地解釋源時間函數(shù)的二次脈沖及矩張量對角分量的幅值偏差等現(xiàn)象.對于多數(shù)地下核爆炸的層裂過程，會伴隨有逆傾滑斷層形式的構(gòu)造應力釋放源，這種源可以用CLVD來描述（Masse，1981；Pattan，Taylor，1995；何永鋒等，2005b）.Barker和Day（1990）利用差分法數(shù)值模擬了地下核爆炸激發(fā)的P波和S波，并與利用矩張量描述方法得到的結(jié)果進行了對比.結(jié)果表明，用一個單力偶源加上一個水平張裂源來描述地下核爆炸激發(fā)的地震波，可以很好地模擬P波，但是不能激發(fā)足夠大的S波.如果一個CLVD源加上張裂源，就可以同時很好地模擬P波和S波.更重要的一點是，可以解釋Lg波譜中的低谷點現(xiàn)象.這表明CLVD源在激發(fā)區(qū)域震相Lg波的過程中扮演著重要角色，越來越多的學者傾向于認為CLVD源是激發(fā)低頻Lg波的主要因素之一.Lg波表現(xiàn)出來的特性，顯然與CLVD源對Lg波的影響機制相關(guān).

圖2 不同埋藏深度爆炸源（EXP）的垂向理論地震圖（速度場）Fig.2 Synthetic vertical ground motion velocity due to EXP source buried at various depths

2.2 Lg/Pg隨頻率變化特征

數(shù)值方法模擬計算不同源模型下的理論地震圖，是分析地下核爆炸的區(qū)域震相特征與震源機制關(guān)系的有力手段.本文采用了水平層狀地球模型中理論地震圖的計算方法（Chen，1993，1999）.該方法在本質(zhì)上與姚振興的經(jīng)典的廣義反射－透射系數(shù)方法是一致的（Yao，Harkrider，1983）.其優(yōu)點是能夠模擬出全波場震相.

基于東哈薩克斯坦州地殼速度模型（Mclaughlinetal，1998）下的爆炸源、CLVD源激發(fā)的理論地震圖（速度場）模擬結(jié)果（0—5Hz），震源深度分別為100，300，500，700，900，1 100m和1 300m，震中距為300km，如圖2、圖3所示.圖中顯示的理論地震圖均為歸一化后的結(jié)果，歸一化因子為對應于埋藏深度0.1km理論地震圖中Pg震相的最大振幅.可以看出，純爆炸源激發(fā)的Lg波能量比較弱，且隨深度衰減較快.這是因為，爆炸源激發(fā)的P波在地表的轉(zhuǎn)換波P－－S波能量基本上都泄漏到地幔低速層，導致Lg波的能量很弱.

圖3 CLVD源的垂向理論地震圖（速度場）Fig.3 Synthetic vertical ground motion velocity due to CLVD source buried at various depths

圖4 爆炸源（EXP）的Lg/Pg譜比隨頻率變化關(guān)系Fig.4 Logarithm of spectral Lg/Pg ratio due to EXP source plotted as a function of frequency

圖3為相應的CLVD源激發(fā)的理論地震圖.可以看出，Lg波十分發(fā)育，從能量角度來看，CLVD源適合作為激發(fā)地下核爆炸低頻Lg波的主要源，其源的空間分布特征利于S波的形成，即對角分量的偏差直接激發(fā)了S波.

激發(fā)地下核爆炸的Lg波的主要因素是伴隨地下核爆炸層裂過程所普遍特有的輔助源模式，這就使得其Lg波的表現(xiàn)與一般天然地震激發(fā)的Lg波不同，這種不同必然會反映在頻譜變化規(guī)律上.為此，分別提取P波和Lg波段，并計算了Lg/Pg譜比隨頻率的變化關(guān)系.圖4為相應爆炸源波形的Lg/Pg譜比，最上邊及最下邊曲線對應震源深度最淺及最深的譜比結(jié)果，而且100m深的Lg/Pg譜比值比1 300m的Lg/Pg譜比值大（點線為介于100m和1 300m之間的Lg/Pg波波譜比結(jié)果）.需注意到，1—1.5Hz的Lg/Pg譜比值普遍小于1.

圖5為相應CLVD源波形的Lg/Pg譜比，對所有震源深度，Lg波幅值普遍要大于P波幅值，除具有與爆炸源結(jié)果相似的特征外.需要特別注意到的是，1—1.5Hz譜比結(jié)果相對爆炸源的要大許多，說明伴隨地下核爆炸的CLVD輔助源造成Lg波1.0Hz附近能量增強.這可以解釋Lg/Pg判據(jù)為何在1Hz附近失效，也可以用來作為Lg波低、高頻譜比識別判據(jù)成功的依據(jù).需要說明的是，圖5顯示的Lg/Pg譜比隨頻率變化較小，與實際觀測結(jié)果不符.這是一維模型過于簡單造成的.

圖5 CLVD源的Lg/Pg譜比隨頻率變化關(guān)系Fig.5 Logarithm of spectral Lg/Pg ratio due to CLVD source plotted as a function of frequency

一般情況下，地下核爆炸激發(fā)的Rg波的能量多集中在1Hz附近，這與爆炸裝置埋深以及伴隨爆炸的2次源息息相關(guān).本文在CLVD源模型下，給出了導致地下核爆炸的Lg/Pg譜比在1.0—1.5Hz范圍內(nèi)增大的一種原因，其實際物理機制，有待于進一步研究.多數(shù)地下核爆炸的層裂周期在1.0s左右（Patton，1988）.該周期可以看作爆炸起始與層裂物質(zhì)回拍地球介質(zhì)的時間間隔.筆者認為，層裂過程可以看作策動周期為1.0s左右的輸入擾動，該擾動會對頻率為1.0Hz左右的本征振型具有加強作用.本征振型的疊加構(gòu)成Rg面波，而Rg面波的散射是Lg波形成的主要因素，這可以從Lg波譜中“遺傳”了Rg波譜中的低谷點這一事實得到印證（Patton，Taylor，1995）.同樣，上述加強作用也會“遺傳”給Lg波，從而使得1Hz左右的Lg波能量得到加強.

需要說明的是，不存在層裂的地下核爆炸，如果其爆炸源的非球?qū)ΨQ機制與CLVD源機制相似，也會存在類似Lg/Pg譜比的變化規(guī)律，也會導致基于Lg波判據(jù)的特殊性.

3 討論與結(jié)論

任何一種識別判據(jù)都需要合適的震源理論來做支持，否則，它的局限性可想而知.本文利用合成理論地震圖方法，分析了東哈薩克斯坦州地殼速度模型下的爆炸源、CLVD源對地下核爆炸區(qū)域震相的影響.從CLVD源激發(fā)的理論地震圖以及Lg/Pg譜比的變化規(guī)律可以看出，在低頻段，CLVD源激發(fā)相對較強的Lg波，這可以作為解釋基于Lg波的識別判據(jù)成功及失效的一種原因.盡管該結(jié)果是從一維模型得到的，但是，從震源物理機制出發(fā)來尋求解釋，其途徑是正確的，所得結(jié)論對更好地理解基于Lg波的識別判據(jù)以及進一步開發(fā)基于Lg波的識別手段和利用Lg波估計當量，都具有較好的參考意義.地球可以近似為一封閉系統(tǒng)，本征振型函數(shù)構(gòu)成完備系，球?qū)ΨQ爆炸可視為激發(fā)點源，并激發(fā)系統(tǒng)本征振動.層裂擾動源對低頻本征振型具有加強作用，利用振型疊加原理，該加強作用可以作為Lg波低頻能量加強的物理機制.該觀點比較新穎，還有待于通過對大量資料的分析、研究進一步證實.

韓紹卿，李夕海，安躍文，劉代志.2010.核爆、化爆、地震識別綜述［J］.地球物理學進展，25（4）：1206－－1218.

何永鋒，陳曉非，張海明.2005a.層裂對區(qū)域震相Lg波的影響［J］.地震學報，27（3）：309－－316.

何永鋒，陳曉非，張海明.2005b.地下核爆炸Rg波低谷點的激發(fā)機理［J］.地球物理學報，48（3）：643－－650.

靳平，徐國明，樓溈濤.1997.受低頻動態(tài)正壓力加載的橢球腔的地震矩表示及其在無限介質(zhì)中輻射的地震波［J］.地震學報，19（5）：2－－11.

靳平，徐國明，樓溈濤.1998.點力源在橫向各向同性介質(zhì)中激發(fā)的彈性波［J］.地球物理學報，41（4）：525－－536.

靳平.1999.中國地下核爆炸近區(qū)地震觀測與總結(jié)［R］.西安：西北核技術(shù)研究所：25－－58.

潘常周，靳平，王紅春.2007.P/S震相幅值比判據(jù)對低震級事件的適用性檢驗［J］.地震學報，29（5）：521－－528.

Barker T G，Day S.1990.An analysis of the effects of spall on regional and teleseismic waveforms using two－dimensional numerical modeling of underground explosions［C］∥SystemScienceandSoftware（Report No：SSS－TR－90－11536）.Washington：88－－100.

Blandford R R.1977.Discrimination between earthquakes and underground explosions［J］.AnnRevEarthPlanetSoc，5：111－－122.

Bowers D，Selby N D.2009.Forensic seismology and the Comprehensive Nuclear－Test－Ban Treaty［J］.AnnRevEarth PlanetSoc，37：209－－236.

Chen X F.1993.A systematic and efficient method of computing normal modes for multilayered half－space［J］.Geophys JInt，115：391－－409.

Chen X F.1999.Seismogram synthesis in multi－layered half－space part I.Theor etical formulations［J］.EarthquakeResearchinChina，13（2）：149－－174.

Dahlman O.1977.MonitoringUndergroundNuclearExplosions［M］.Amsterdam：Elsevier Scientific Publishing Company：134－－149.

Douglas A，Rivers D W.1988.An explosion that looks like an earthquake［J］.BullSeismSocAmer，78（2）：1011－－1019.

Gibson R L.1994.Radiation from seismic sources in cylindrical cavities［C］∥16thSeismicResearchSymposium.Thornwood，New York.

Gupta I N，Chan W W，Wagner R A.2005.Regional source discrimination of small events based on the use of Lg wavetrain［J］.BullSeismSocAmer，95（1）：341－－346.

Gupta I N，Chan W W，Wanger R A.1992.A comparison of regional phases from underground nuclear explosions at East Kazakh and Nevada Test Sites［J］.BullSeismSocAmer，82（1）：352－－382.

Masse P R.1981.Review of seismic source models for underground nuclear explosions［J］.BullSeismSocAmer，71（4）：1249－－1268.

Mclaughlin K L，Barker T G，Day S M.1988.Effects of depth of burial on explosion and earthquake regional seismograms：Regional discrimination and yield estimation（Report No：SSS－R－88－9844）［R］∥S－CUBEDReport.California：Jolla.

Patton H J.1988.Source models of the Harzer explosion from regional observations of fundamental－mode and higher mode surface waves［J］.BullSeismSocAmer，78（3）：1133－－1157.

Patton H J，Taylor R S.1995.Analysis of Lg spectral ratios from NTS explosions：Implications for the source mechanisms of spall and the generation of Lg waves［J］.BullSeismSocAmer，85（1）：220－－236.

Press F，Dewart G，Gilman R.1962.Release of tectonic strain by underground explosions［J］.JGeophysRes，67（1）：337－－343.

Taylor S R.1989.Regional discrimination between NTS－explosions and earthquakes［J］.BullSeismSocAmer，79（4）：1142－－1176.

Taylor S R.1996.Analysis of high－frequency Pg/Lg ratiofrom NTS explosions and western U S earthquakes［J］.Bull SeismSocAmer，86（4）：1042－－1053.

Walter W R，Myeda K M，Patton H J.1995.Phase and spectral ratio discrimination between NTS earthquakes and explosions.Part 1：Empirical observations［J］.BullSeismSocAmer，85（4）：1050－－1067.

Xie X B，Lay T.1994.The excitation of Lg wavs by explosions：A fine difference investigation［J］.BullSeismSoc Amer，84（2）：324－－342.

Yao Z X，Harkrider D G.1983.A generalized reflection－transmission coeffici ent matrix and discrete wavenumber method for synthetic seismograms［J］.BullSeismSocAmer，73（6）：1685－－1699.

Analysis on discriminants based on Lg wave

He Yongfeng1），Zhao Kechang2）Yao Guozheng1）
Zhang Xianbing2）Ma Yuran1）
1）AcademyofArmoredForcesEngineering，Beijing100072，China
2）SchoolofEarthandSpaceSciences，PekingUniversity，Beijing100871，China

Lg wave characteristic is widely used to discriminate underground nuclear explosions from earthquakes.In contrast，the high－frequency Lg/Pg discriminant appears to perform very well，but fails around 1Hz.This phenomenon can not be explained by pure explosion source model，but the CLVD source appears to take a key role to explain it.In this paper，the effect of CLVD source on the performance of the discriminants based on Lg wave is studied by means of theoretical seismogram analysis.Considering the spall as an input of disturbance with special frequency，we proposed a physical mechanism of the performance of Lg/Pg based on the normal mode method.An understanding of the effect on Lg caused by CLVD source can be useful not only for improving the performance of existing regional discriminants，but also for exploring new discriminants.

underground nuclear explosion；Lg wave；discriminant；CLVD

10.3969/j.issn.0253－3782.2011.06.002

P315.02

A

何永鋒，趙克常，姚國正，張獻兵，馬裕然.2011.基于Lg波識別判據(jù)的特性分析.地震學報，33（6）：715－－722.

He Yongfeng，Zhao Kechang，Yao Guozheng，Zhang Xianbing，Ma Yuran.2011.Analysis on discriminants based on Lg wave.ActaSeismologicaSinica，33（6）：715－－722.

國家自然科學基金項目（40874023）資助.

2011－01－13收到初稿，2011－05－23決定采用修改稿.

e－mail：heyfeng＠sina.com.cn