廣西地震臺網(wǎng)數(shù)字記錄爆破事件典型特征分析

郭培蘭， 何嘉幸， 陳 鑫， 陳保成

（廣西壯族自治區(qū)地震局， 南寧 530022）

0 引言

對爆破事件、 天然地震波形的識別， 國內(nèi)外已進行了比較充分的研究， 楊選輝等[1]將小波變換理論用于烏魯木齊臺記錄的地震與核爆事件的分析， 并提出了識別核爆和天然地震的小波包分量比判據(jù)。 楊桂芬[2 通過]對大震前后P 波、 S 波最大振幅比值分布和S 波偏振角空間分布研究， 確定了瀾滄、 耿馬兩地區(qū)介質(zhì)差異的分界面。 包翠玲[3]選取烏魯木齊遙測地震臺記錄的部分天然地震與新疆工業(yè)化爆破項目中的部分爆破資料， 通過波形振幅比As／Ap以及記錄在P 波垂直向的初動符號的對比， 總結(jié)出了識別爆破與地震的依據(jù)。 包淑嫻[4]從反射波、 面波、 瑞利波等不同的角度， 從波形上分析了人工爆破和天然地震的區(qū)別。 在廣西地區(qū)已開展了部分研究工作， 本文對廣西地震臺網(wǎng)數(shù)字記錄爆破事件典型特征進行分析、 歸納總結(jié)。

廣西數(shù)字地震臺網(wǎng)2007年6月開始運行，2007年10月通過驗收。 2008年又與柳州市臺網(wǎng)、南寧市臺網(wǎng)進行了聯(lián)網(wǎng)， 全區(qū)監(jiān)控能力有了大幅度提高， 南寧市周圍地震監(jiān)測能力達到1.5[5]， 龍灘水庫地震監(jiān)測能力達到0.5①龍安明， 姚宏， 陳鑫， 等. 龍灘水電站水庫誘發(fā)地震監(jiān)測預(yù)測系統(tǒng)設(shè)計報告， 廣西地震局， 2003.。 因此臺網(wǎng)每天記錄到的許多觸發(fā)事件中的相當(dāng)一部分不是地震事件， 而是爆破事件， 需要加以排除。 在地震編目工作中， 經(jīng)過實地調(diào)查， 編目人員已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了三個爆破點， 分別為龍灘水庫、 扶綏昌平、 南寧雙定， 是否所有發(fā)生在爆破點的事件均是爆破事件，有沒有地震事件？ 兩者如何區(qū)分？ 是我們需要解決的問題。 找出正確識別爆破的波形特征， 一是可以用于日常的地震編目工作中， 為地震編目工作者提供參考資料； 二是為地震活動性分析提供正確的地震目錄， 正確的地震目錄能讓分析預(yù)報工作者了解當(dāng)前的地震活動水平、 增強還是平靜，對未來的地震趨勢判斷工作具有極其重要的作用；三是同時正確識別地震還是爆破， 有利于開展地震應(yīng)急工作。

1 基本原理及研究方法

爆破的記錄特征取決于爆破源的性質(zhì)、 爆破源處的介質(zhì)條件和波的傳播路徑、 介質(zhì)條件以及記錄儀器特性， 所以在識別爆破時， 必須緊密結(jié)合以上幾個要素。 爆破是瞬時發(fā)生的， 在爆破點最近處的巖石產(chǎn)生汽化， 稍遠便是熔化， 其次是形變區(qū)， 再往外到達彈性區(qū)， 因此相當(dāng)于在彈性區(qū)開始的包圍爆破源的球面上作用著一個強大的瞬時壓力脈沖， 人工爆破為膨脹源。 爆破一般發(fā)生在地表淺層、 周圍介質(zhì)比較松散、 鋼性強度較低； 從傳播路徑上來看， 爆破源發(fā)生在地表， 在傳播過程中， 有比較長的路徑在淺層（較為松散的土層）， 因而能量損失較大， 高頻成份衰減較快、被吸收得多。 天然地震產(chǎn)生在應(yīng)力集中區(qū)， 當(dāng)應(yīng)力超過介質(zhì)彈性限度時， 巖石破裂， 巖層錯動，而巖層錯動有一個過程， 一般為幾秒至十幾秒。天然地震一般發(fā)生在地表以下并有一定深度， 多在花崗巖層和玄武巖層， 周圍的介質(zhì)密度高， 鋼性強度一般大于爆破源附近介質(zhì)[6]。

爆破記錄特征主要有如下特點[7-8]： 一是爆破產(chǎn)生的初動方向一般向上， 庫區(qū)地震產(chǎn)生的初動方向呈四象限分布。 二是爆破持續(xù)時間短、 衰減快， 地震波形持續(xù)時間較長、 衰減慢。 三是爆破瑞利面波出現(xiàn)且發(fā)育較好。 四是爆破波周期變化不大， 其橫波與縱波的振幅比較小。 五是爆破的發(fā)生時間、 空間有較強的規(guī)律性。

根據(jù)爆破的成因機理及記錄特征， 分析廣西地震臺網(wǎng)數(shù)字記錄爆破事件在震相圖上的特征、縱波初動方向、 波形持續(xù)時間、 S 波及P 波振幅比、 爆破時間空間強度方面的特征是否具有以上典型特征。

2 爆破資料的選取

選取2005年12月至2010年2月龍灘水庫典型爆破事件的波形進行分析， 共計212 次， 經(jīng)過調(diào)查分析， 龍灘水庫（廣西天峨縣城以西10 km）爆破地點主要有龍灘水電站的兩處采石場， 分別距仁頂臺站及甲龍臺站較近。 根據(jù)廣西地震監(jiān)控能力， 選取2008—2012年廣西扶綏縣昌平鎮(zhèn)水泥廠、 南寧市雙定鎮(zhèn)水泥廠附近的采石場爆破事件分別為44 次、 44 次， 分析爆破在時間空間強度方面的特征及波形特征， 圖1 是3個爆破點位置圖。

圖1 3個爆破點震中分布圖Fig.1 The distribution map of epicenter of each blasting place

3 廣西地震臺網(wǎng)數(shù)字記錄爆破時空強分布特征

3.1 爆破的時間特征

龍灘水庫爆破時間與廣西大廠礦區(qū)爆破一樣，全部發(fā)生在白天[9]， 爆破時間主要集中在白天11時至13 時及17 時至18 時， 在時間段00 時至5時及20 時至24 時幾乎無爆破事件發(fā)生， 爆破發(fā)生的時間有較強的規(guī)律性（圖2）。 扶綏昌平爆破時間主要集中在白天12 時及20 時， 優(yōu)勢分布時間為15 時至16 時， 21 時至12 時無爆破發(fā)生（圖3）。 南寧雙定爆破時間主要集中在白天12 時及20時， 優(yōu)勢分布時間為12 時至13 時及15 時至16時， 20 時至12 時無爆破發(fā)生（圖4）， 廣西地震臺網(wǎng)數(shù)字記錄爆破的發(fā)生時間較定時。

圖2 龍灘水庫爆破按小時統(tǒng)計頻次圖Fig.2 The frequency chart of blasting hourly counted in Longtan reservoir area

圖3 扶綏昌平爆破按小時統(tǒng)計頻次圖Fig.3 The frequency chart of blasting hourly counted in Changping town of Fusui coantry

圖4 南寧雙定爆破按小時統(tǒng)計頻次圖Fig.4 The frequency chart of blasting hourly counted in Shuangding town of Nanning city

3.2 爆破的空間特征

廣西地震臺網(wǎng)數(shù)字記錄爆破事件位置固定。根據(jù)龍灘數(shù)字遙測地震臺網(wǎng)地震觀測報告， 龍灘水庫的爆破， 發(fā)生在龍灘水電站的兩處采石場，分別距仁頂臺站及甲龍臺站較近， 仁頂臺站附近的爆破， 能被至少5個以上臺站記錄到， 由于定位精度不夠， 爆破位置有所分散， 甲龍臺站較近的爆破， 只有甲龍臺站記錄。 根據(jù)廣西地震觀測報告， 爆破主要發(fā)生在扶綏昌平、 南寧雙定的水泥廠采石場， 爆破地點比較固定， 能被多臺記錄。

3.3 爆破的震級分布特征

龍灘水庫、 扶綏昌平、 南寧雙定的爆破震級均小于2.5 級以下（圖5）， 屬于小當(dāng)量爆破事件。龍灘水庫爆破震級主要分布在0.0～0.9， 占65.1%，扶綏昌平、 南寧雙定爆破點2.0 級以上的爆破較少， 主要分布在1.0～1.9， 分別占63.6%、 68.2%。龍灘水庫2007年6月后， 爆破震級基本上小于1.0 級， 爆破震級逐年下降， 強度降低， 表1 是不同震級檔爆破頻次表。

4 數(shù)字記錄爆破事件波形特征分析

4.1 龍灘水庫爆破波形急促

龍灘水庫臺網(wǎng)子臺甲龍臺記錄到的爆破波形易于識別， 與全國各地的爆破波形特征基本一致[10]，主要有如下特征： 爆破在震相圖上成組出現(xiàn)， 爆破產(chǎn)生的縱波方向一般向上， 爆破持續(xù)時間短、衰減快， 瑞利面波出現(xiàn)且發(fā)育較好。 每次爆破之間的間隔時間較短而且間隔時間相等或接近， 整體上看， 即可確定是爆破， 而且各震相急促短暫清晰明了， 衰減快， 持續(xù)時間約1 s 左右， 如甲龍臺2006年1月10日記錄到的一組爆破（圖6）， 各爆破之間的間隔時間約6 s 左右， 爆破點離甲龍臺很近， 約2 km， 是臨時作業(yè)， 這組爆破容易識別。

圖5 爆破M-T 圖Fig.5 M-T chart of blasting

表1 不同震級檔爆破頻次表Table 1 The frequency table of blasting with different earthquake magnitud

圖6 甲龍臺2006年1月10日記錄到的一組爆破Fig.6 A group of blasting recorded by Jialong station in January 10th, 2006

4.2 P 波初動方向向上

爆破是瞬間發(fā)生的， 爆炸力向四周擴張產(chǎn)生的縱波為壓縮波， 初動方向均向上， 縱波特別發(fā)育， 爆破源深度較淺， 一般為零到幾十米。 分別對龍灘水庫、 扶綏昌平、 南寧雙定的爆破P 波初動進行了統(tǒng)計， 龍灘水庫各子臺記錄清晰的P 波初動方向全部向上， 未發(fā)現(xiàn)初動向下的例子。 扶綏昌平爆破記錄的臺站主要有崇左臺、 大新臺、平果臺、 大化臺、 南寧臺， 崇左臺、 大化臺、 平果臺初動向上， 其余各臺初動不清。 南寧雙定爆破記錄的臺站主要有南寧臺、 太平臺、 山圩臺、覃排臺， 南寧臺、 太平臺、 山圩臺初動清晰， 初動均向上， 其余臺站初動不清晰。 圖7（a）是2006年8月19日12 時22 分龍灘水庫1.7 級爆破的甲龍臺、 天峨臺初動向上， 圖7（b）是2008年3月6日19 時18 分扶綏昌平2.0 級爆破崇左臺、南寧臺初動向上。

4.3 S 波周期較大

圖7 爆破P 波初動Fig.7 First motion diagram of P wave recorded by stations

從爆破源特征和傳播路徑上來看， 爆破源發(fā)生在地表， 在其傳播過程中， 有比較長的路程在較為松散的地表淺層， 高頻成分被吸收得多， 能量損失大， 持續(xù)時間較短， 其衰減速度很快。 因此表現(xiàn)在波形上的特征為： 爆破源產(chǎn)生的波周期比地震波周期大， 整個周期看起來比較單調(diào)， 衰減較快， 高頻成分較少， P 波和S 波振動類似正弦波， 且往往形成振幅與周期均變化很小的波列。如甲龍臺2005年12月31日記錄到的龍灘水庫爆破S 波周期較大（圖8a）、 崇左臺2012年7月3日15 時28 分記錄到的扶綏昌平爆破S 波周期較大（圖8b）、 南圩臺2009年4月4日16 時48 分記錄的南寧雙定1.8 級爆破S 波周期較大（圖8c）、 覃排臺2009年9月17日13 時16 分記錄的南寧雙定1.8 級爆破（圖8d）。

圖8 爆破S 波周期Fig.8 Seismic phase diagram of S wave recored by stations

4.4 爆破與地震的振幅比值A(chǔ)s ／Ap 特征

作為地震波動力學(xué)特征之一的地震波振幅比，量取方便， 誤差小， 可靠， 直觀， 是我們了解介質(zhì)變化狀況的有效手段之一。 振幅比不取決于地震波振幅的絕對值， 基本上與震級無關(guān)， 當(dāng)區(qū)域臺網(wǎng)地震儀的頻率特性在短周期區(qū)間較為平坦時，振幅比與地震儀的放大倍數(shù)和頻率特性的關(guān)系甚小， 因而研究方法較為簡便。 選取廣西地區(qū)爆破、塌陷地震、 構(gòu)造地震的數(shù)字地震儀所記錄的速度波形（未仿真）， 量取每次記錄波形的垂直方向直達P波和S 波最大振幅Ap、 As， 計算振幅比值A(chǔ)s／Ap。分別計算2008 至2011年爆破與地震的S 波及P波的振幅比， 72個爆破的振幅比小于2.5、 32個塌陷地震的振幅比3～4， 50個構(gòu)造地震的振幅比大于5， 廣西地區(qū)天然地震的振幅比值明顯大于爆破的振幅比值， 天然地震波振幅的比值大約是爆破波形振幅比值的2 倍。

5 結(jié)語

在地震編目工作中， 發(fā)現(xiàn)廣西地區(qū)主要爆破源在三處地點， 位置固定在龍灘水庫、 扶綏昌平、南寧雙定的采石場， 爆破的時間分布具有明顯規(guī)律性， 優(yōu)勢分布在中午與下午下班時間， 晚上基本上不進行爆破作業(yè)， 震級分布主要在1.0～2.3 之間， 強度較低。

龍灘水庫甲龍臺記錄的爆破波形易于識別，在震相圖上成組出現(xiàn)， 爆破持續(xù)時間短、 衰減快，但龍灘水庫仁頂臺附近、 扶綏昌平、 南寧雙定爆破能被多臺記錄。 龍灘水庫、 扶綏昌平、 南寧雙定爆破產(chǎn)生的P 波初動方向向上， 扶綏昌平爆破記錄的臺站主要有崇左臺、 大新臺、 平果臺、 大化臺、 南寧臺， 其中崇左臺、 大化臺、 平果臺初動向上， 其余各臺初動不清。 南寧雙定爆破記錄的臺站主要有南寧臺、 太平臺、 山圩臺、 覃排臺，其中南寧臺、 太平臺、 山圩臺初動清晰， 初動均向上。

龍灘水庫、 扶綏昌平、 南寧雙定S 波振動類似正弦波， S 波周期與P 波周期相比， S 波周期較大。 計算爆破與地震的S 波及P 波的振幅比， 爆破的振幅比小于2.5、 塌陷地震的振幅比3～4， 構(gòu)造地震的振幅比大于5， 天然地震的振幅比值明顯大于爆破的振幅比值， 天然地震波振幅的比值大約是爆破波形振幅比值的2 倍。

較多臺站能記錄到龍灘水庫仁頂臺附近、 扶綏昌平、 南寧雙定的爆破， 較遠的臺站記錄的爆破波形與天然地震較相似， 難于識別， 正確識別爆破的典型特征， 利于正確識別同一地區(qū)的地震與爆破事件。

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