重慶數(shù)字地震記錄人工爆破波形特征

黃世源， 魏紅梅， 高 見， 劉 云

(1.重慶市地震局，重慶 401147； 2.巫山縣地震局，重慶 404700)

重慶數(shù)字地震記錄人工爆破波形特征

黃世源1， 魏紅梅1， 高 見1， 劉 云2

(1.重慶市地震局，重慶 401147； 2.巫山縣地震局，重慶 404700)

分析了2016年1月至6月重慶地震臺網(wǎng)數(shù)字記錄的巫山機(jī)場人工爆破波形資料，認(rèn)為爆破事件的時(shí)空強(qiáng)具有明顯規(guī)律性，其P波初動震相、AS/AP振幅比、頻率譜等特征與天然地震具有明顯區(qū)別，為正確識別重慶地區(qū)人工爆破和天然地震具有參考價(jià)值。

人工爆破； 波形特征； 頻譜特征

0 引言

人工爆破與天然地震在地震記錄圖上均顯示為地面振動所產(chǎn)生的波動曲線，常常對地震監(jiān)測與資料處理帶來干擾。關(guān)于爆破事件與天然地震的識別，國內(nèi)外已經(jīng)開展了較為廣泛的研究，提出了多種識別方法。最為常見是直接判別爆破與地震的波形特征，比如P波初動方向、直達(dá)P波與S波震相幅值比、頻譜分析等方法[1-3]。此外，楊選輝等[4]運(yùn)用小波變換的方法分析了烏魯木齊臺記錄的地震與核爆破時(shí)間的判定依據(jù);包淑嫻[5]通過對瑞利波、面波和反射波等不同的波形震相分析了爆破事件與天然地震的區(qū)別等。

據(jù)重慶市地震臺網(wǎng)測定，2016年1月至6月重慶市巫山縣境內(nèi)連續(xù)發(fā)生ML≥1.0地震30余次，最大為ML1.9。經(jīng)實(shí)地調(diào)查發(fā)現(xiàn)，巫山縣曲尺鄉(xiāng)正在修建巫山民用機(jī)場，爆破活動較為頻繁(圖1)。在臺網(wǎng)記錄的波形中，部分爆破波形特征明顯，易于識別，具有典型爆破特征，有些爆破則較為復(fù)雜，增加了識別爆破與天然地震的難度。本文通過分析爆破事件的時(shí)空強(qiáng)、P波初動震相、AP/AS振幅比和頻率譜等特征，識別出爆破與天然地震間較為明顯的區(qū)別。

1 爆破資料選取

據(jù)王小龍[6]計(jì)算得到巫山地區(qū)地震監(jiān)控能力為ML≥1.2，故本次選取震級下限為1.2級，2016年1月至6月重慶巫山機(jī)場施工建設(shè)期間的爆破事件共計(jì)35次。經(jīng)調(diào)查，爆破地點(diǎn)主要集中在巫山縣曲尺鄉(xiāng)，周邊50 km范圍內(nèi)有雙龍地震臺和建坪地震臺,地震儀為短周期JC-V104型，頻帶范圍1～50 Hz，采樣率為100 Hz，信號記錄豐富，能夠清晰記錄到爆破事件和地方震波形。下面依次對人工爆破的時(shí)、空、強(qiáng)和震相波形等特征進(jìn)行分析。

圖1 巫山機(jī)場與爆破點(diǎn)震中分布圖

2 爆破事件的時(shí)空強(qiáng)特征

2.1 爆破事件波形特征

人工爆破是膨脹源，相當(dāng)于在包圍震源的彈性區(qū)球面上，作用著一個(gè)強(qiáng)大的瞬時(shí)壓力脈沖，無象限分布。通常情況下，爆破事件的P波與天然地震波形特征存在差異，其記錄的垂直分量波形的初動向上尖銳，縱波尤為發(fā)育。對雙龍臺記錄到的巫山機(jī)場爆破事件P波初動進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，除個(gè)別P波初動記錄不清晰外，均觀測到清晰向上的初動，未發(fā)現(xiàn)初動向下的事件。圖2為雙龍臺記錄的6月22日11時(shí)49分和12時(shí)08分巫山機(jī)場施工爆破波形。波形記錄顯示，2次爆破波形P波均較為發(fā)育，初動向上尖銳，周期單一，持時(shí)短，衰減快，具有爆破波形記錄的特征。

圖2 雙龍臺2016年6月22日記錄的爆破波形

2.2 時(shí)間分布特征

跟據(jù)實(shí)地走訪巫山機(jī)場建設(shè)指揮部，對收集的施工爆破作業(yè)時(shí)間記錄與巫山縣曲尺鄉(xiāng)地震發(fā)震時(shí)刻對比核實(shí)，兩者發(fā)生時(shí)間基本一致，巫山機(jī)場爆破建設(shè)工地與地震集中活動震中也較為吻合(圖1)。統(tǒng)計(jì)分析2016年1—6月巫山機(jī)場爆破事件均在白天，發(fā)生時(shí)間也極為規(guī)律，全部集中在白天10—19時(shí)，其它時(shí)段無爆破事件發(fā)生，尤以上午11—12時(shí)和下午18—19時(shí)爆破頻度最高，占總次數(shù)近一半(圖3)。

圖3 巫山機(jī)場爆破點(diǎn)小時(shí)頻次統(tǒng)計(jì)圖

2.3 空間分布特征

巫山機(jī)場的爆破點(diǎn)固定，重慶地震臺網(wǎng)記錄到的巫山機(jī)場爆破事件主要分布在巫山縣曲尺鄉(xiāng)金盆寺附近區(qū)域，距離巫山雙龍地震臺約十多公里。由于震級偏小，僅能夠被3～4個(gè)臺記錄到，部分事件僅能被1～2臺記錄到，所以定位精度不夠高，爆破位置有所分散。

2.4 強(qiáng)度分布特征

據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，巫山機(jī)場為深孔爆破。爆破施工采用深孔松動爆破，孔深約6～7 m，一次爆破當(dāng)量在450～3 000 kg，每天爆破量約4～5 t。巫山機(jī)場爆破震級均小于ML2.0，屬于小當(dāng)量爆破事件。通過爆破當(dāng)量與震級能量的換算關(guān)系[7]，巫山機(jī)場的爆破能量換算成震級基本集中在ML1.0～1.8(圖4)，與重慶地震臺網(wǎng)實(shí)際監(jiān)測到的爆破震級范圍基本一致。

圖4 巫山機(jī)場2016年1—6月爆破M-t圖

3 爆破事件波形特征分析

3.1 爆破與地震的AS/AP振幅比特征

振幅比表征了地震波動力學(xué)特性，它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)地震計(jì)的頻率特性在短周期區(qū)間較為平坦時(shí)，振幅比與地震計(jì)的放大倍數(shù)和頻率特性的關(guān)系很小[8]。振幅比直觀可靠，量取方便，誤差小，因此研究較為簡便。

本次選取了雙龍臺記錄的爆破事件和天然地震各35次，為了減少震中距對振幅比的影響，選取的人工爆破和天然地震均位于巫山地區(qū)，震中距△≤50 km,天然地震震級范圍為2.0≤ML≤2.9。選取的爆破和地震的數(shù)字地震儀記錄速度波形(未仿真)，直接量取每個(gè)事件的垂直分量直達(dá)P波和S波最大振幅AP、AS，計(jì)算振幅比值A(chǔ)S/AP。由圖5可知，重慶巫山地區(qū)天然地震明顯大于爆破的振幅比，爆破振幅比值較為穩(wěn)定，介于幅度1～2之間，天然地震受多種因素的影響振幅比值變化幅度大，約為爆破振幅比值的2倍以上。

圖5 爆破與地震振幅比圖

3.2 頻譜分析

不同振動波事件，因震源類型與傳播介質(zhì)的不同，波的頻譜亦不相同，因此可以通過頻譜分析來識別爆破與天然地震的區(qū)別[2]。此次，對爆破和天然地震的3個(gè)分量的頻率特征進(jìn)行分析。

圖6a顯示，爆破以低頻為主，頻域較窄，能量集中分布在1～10 Hz范圍內(nèi)。而巫山ML1.5地震的頻率較高，頻域較寬，能量較爆破“發(fā)散”，在1～20 Hz均有分布，尤其在1 Hz附近有明顯能量峰值。圖6b顯示，人工爆破在低頻的能量成分較天然地震更加豐富，天然地震在1 Hz附近也存在1個(gè)明顯的能量峰值。爆破與天然地震的能量在大于10 Hz以后頻譜相似，但天然地震的高頻成分更加豐富。因此，通過爆破與天然地震的不同頻譜特征，可以較好地識別兩者之間的差異。

2016年3月15日ML1.5爆破事件 2015年11月24日巫山ML1.5地震圖6 爆破與地震頻譜對比圖

4 結(jié)論

通過對重慶地震臺網(wǎng)數(shù)字記錄到的巫山地區(qū)爆破事件與天然地震記錄波形的對比分析認(rèn)為，兩者存在較為明顯區(qū)別：

1)巫山機(jī)場的爆破事件，發(fā)生時(shí)間規(guī)律性強(qiáng)，地點(diǎn)集中，震級??；

2)爆破具有能量釋放低，波形持續(xù)時(shí)間短、衰減快和P波初動尖銳向上等特征，因此在震中距離較近的臺站才能記錄到清晰的波形震相。

3)分析爆破與地震的直達(dá)P波與S波振幅比值，天然地震振幅比波動范圍較大，爆破振幅比較為穩(wěn)定，比值分布在1～2范圍內(nèi)，明顯小于的天然地震的振幅比值；

4)爆破以低頻為主，頻域較窄，能量集中分布在1～10 Hz范圍內(nèi)；地震的頻率較高，頻域較寬，能量較爆破“發(fā)散”，在1～20 Hz均有分布，尤其在1～2 Hz附近有明顯能量峰值。

爆破與天然地震的差異主要源于震源性質(zhì)及其傳播路徑的差異。在合理選取觀測臺站的情況下，通過對爆破時(shí)空強(qiáng)、波形震相和頻譜特征等信息的分析，才能更好地辨別爆破與天然地震兩者之間的不同之處。

[1] 狄莉莎. 三峽數(shù)字地震臺網(wǎng)中心記錄典型波形初步分析[J]. 大地測量與地球動力學(xué), 2004, 24(2): 52-57.

[2] 霍祝青, 王俊, 張金川, 等. 江蘇地區(qū)天然地震與人工爆破識別研究[J]. 地震工程學(xué)報(bào), 2015, 37(1): 228-231.

[3] 郭培蘭, 何嘉幸, 陳鑫, 等. 廣西地震臺網(wǎng)數(shù)字記錄爆破事件典型特征分析[J]. 華南地震, 2015, 35(1): 30-36.

[4] 楊選輝, 沈萍, 劉希強(qiáng), 等. 地震與核爆識別的小波包分量比方法[J]. 地球物理學(xué)報(bào), 2005, 48(1): 148-156.

[5] 包淑嫻. 天然地震和人工爆破波形特征對比分析[J]. 華北地震科學(xué), 2011, 29(1): 15-19.

[6] 王小龍. 三峽重慶庫區(qū)數(shù)字遙測臺網(wǎng)地震監(jiān)測能力評估[J]. 四川地震, 2007(3): 43-45.

[7] 劉斌. 地震學(xué)原理與應(yīng)用[M]. 合肥: 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社, 2009: 19-20.

[8] 包翠玲. 天然地震波形與工業(yè)化爆破波形振幅比對比的研究[J]. 內(nèi)陸地震, 2007, 21(3): 267-273.

Wave Characteristics of Blasting Events Recorded by the Chongqing Digital Seismic Network

HUANG Shi-yuan1, WEI Hong-mei1, GAO Jian1, LIU Yun2

(1.Earthquake Administration of Chongqing, Chongqing 401147, China; 2. Earthquake Administration of Wushan County, Chongqing 404700, China)

The paper analyzed wave data of blasting events recorded at Wushan airport by Chongqing seismological network between January and June 2016. The results show that the time-space-strength distributions of blasting events have obvious regularity, and the initial motion of p wave,AP/ASamplitude ratio, frequency spectrum etc. of blasting events is obviously different from natural seismic waveform. The results can provide some reference for the judgment of earthquake and explosions signal.

blasting; wave characteristic; spectral feature

2016-09-10

地震科技星火計(jì)劃項(xiàng)目(XH17026)；震情跟蹤青年課題(2013020108)

黃世源(1981—)，男，重慶南川人，工程師，主要從事地震活動性和數(shù)字地震波分析工作.E-mail:hsy_email@126.com

P315.7

A

1003-1375(2017)02-0030-04

10.3969/j.issn.1003-1375.2017.02.005

黃世源，魏紅梅，高見，等. 重慶數(shù)字地震記錄人工爆破波形特征[J]．華北地震科學(xué)，2017，35(2):30-33.