曾憲偉 羅恒之 朱鵬濤 崔瑾

摘要：計算寧夏及鄰區(qū)一些中小“地震事件”視應(yīng)力，發(fā)現(xiàn)與同震級事件相比，視應(yīng)力成倍降低。結(jié)合這些異常事件的發(fā)生時刻和所在位置等，初步判定其為疑似爆破事件。進(jìn)一步利用P波初動方向、波形互相關(guān)特征和不同頻帶能量比值等方法，發(fā)現(xiàn)異常事件P波垂直向初動均向上，同一臺站記錄的同一區(qū)域的不同異常事件波形相關(guān)系數(shù)較大，異常事件波形低頻信號比較發(fā)育，應(yīng)該是爆破事件。

關(guān)鍵詞：視應(yīng)力;爆破事件;波形互相關(guān);小波包分量比

中圖分類號：P315.727文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1000-0666（2019）01-0011-09

0引言

地震學(xué)中，視應(yīng)力一般可作為應(yīng)力水平的下限估計（吳忠良等，2002）。地震視應(yīng)力的大小可以通過地震波輻射能量和地震矩的測定結(jié)果進(jìn)行估算，它表示了單位位錯輻射的地震波的能量（Wyss，Brune，1968）。實(shí)現(xiàn)地震視應(yīng)力大小的計算，使得區(qū)域絕對應(yīng)力水平的間接估計成為可能。國內(nèi)外很多學(xué)者通過視應(yīng)力開展了區(qū)域應(yīng)力水平估計方面的諸多研究工作（Wyss，1970;Mayeda，Walter，1996;Choy，McGarr，2002;吳忠良等，2002;鄭建常等，2006;李艷娥等，2015;彭關(guān)靈等，2018），并取得了很多認(rèn)識。隨著數(shù)字地震觀測時代的到來，以及越來越多的數(shù)字測震臺站的架設(shè)，可計算的視應(yīng)力地震震級越來越小，一些中小地震視應(yīng)力的應(yīng)用研究也得到了進(jìn)一步拓寬，比如將視應(yīng)力應(yīng)用于震前應(yīng)力異常研究（陳學(xué)忠等，2007，2011;李艷娥等，2012;陳麗娟等，2017）、震后趨勢判定（陳學(xué)忠等，2003;王生文等，2014;康建紅等，2016）和地震危險性分析（喬慧珍等，2006;阮祥等，2010;易桂喜等，2013）等方面，都取得了豐碩的成果。

近些年，寧夏也開展了一些中小地震視應(yīng)力的計算分析工作。然而，在計算過程中發(fā)現(xiàn)，有些事件的視應(yīng)力值異常低，較同等震級的其他地震事件成倍降低，即使改變參與計算的臺站波形進(jìn)行多次計算，視應(yīng)力值依然為低值。經(jīng)初步分析發(fā)現(xiàn)，這些事件的發(fā)生時刻基本發(fā)生于中午12時左右或下午6時左右，與爆破事件發(fā)生時刻具有一定相關(guān)性。如果把爆破作為天然地震進(jìn)行區(qū)域視應(yīng)力的分析研究工作，將給區(qū)域應(yīng)力水平的判定帶來偏差。因此，有必要對這些異常低視應(yīng)力事件（簡稱異常事件）進(jìn)行深入分析。本文擬從異常事件的波形特征方面開展研究，判定事件性質(zhì)，分析低視應(yīng)力產(chǎn)生的原因。

1數(shù)據(jù)與方法

1.1視應(yīng)力計算方法

地震視應(yīng)力定義為單位地震矩輻射出的地震波能量與震源區(qū)介質(zhì)的剪切模量的積（Wyss，Brune，1968）：

式中：ES為地震輻射能量;M0為標(biāo)量地震矩;μ為剪切模量;對于地殼介質(zhì)，μ可取3.0×104MPa（Wyss，Brune，1968）。ES和M0的計算方法分別參考Snoke（1987）和Jiménez等（2005）的文獻(xiàn)。

1.2數(shù)據(jù)選取與處理

本文選取了2009—2016年寧夏及鄰區(qū)發(fā)生的ML2.5～5.0地震事件（表1），截取了震中距小于100km的記錄清晰的固定測震臺站（圖1）的波形數(shù)據(jù)，并收集相應(yīng)臺站的儀器響應(yīng)參數(shù)。由于地震能量主要由S波攜帶，所以本文只處理S波段的數(shù)據(jù)。首先將事件波形數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為SAC（SeismicAnalysisCode）格式數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行去傾處理、扣除儀器響應(yīng)和濾波后，通過傅式變換得到S波段

位移振幅譜，接著計算震源譜零頻極限值、拐角頻率、地震輻射能量和標(biāo)量地震矩，代入式（1）得到視應(yīng)力。

計算視應(yīng)力時，每次事件至少有5個臺站的波形數(shù)據(jù)參與計算。為了得到更加可靠的視應(yīng)力計算結(jié)果，本文對每次事件均通過增減臺站波形數(shù)據(jù)的方式進(jìn)行多次視應(yīng)力的計算，結(jié)果顯示，視應(yīng)力大小并未發(fā)生大的改變。

異常事件的震中分布圖（圖1）顯示，異常事件主要分布在4個區(qū)域，由北向南分別稱為大峰礦區(qū)、新井礦區(qū)、中衛(wèi)—中寧礦區(qū)（中衛(wèi)礦區(qū)和中寧礦區(qū)的合稱）和三關(guān)口礦區(qū)（田小慧等，2015），震級主要集中在ML2.5～2.8（表1中1～10號事件），時間范圍為2009—2012年。為了科學(xué)合理地判定這些異常事件的性質(zhì)，本文選取了以上4個區(qū)域及附近地區(qū)發(fā)生的天然地震（圖1中黑色五角星，表1中11～29號事件）與相應(yīng)區(qū)域的異常事件做對比分析，選取的天然地震震級與異常事件相當(dāng)。

2計算結(jié)果

由表1可見，異常事件的視應(yīng)力明顯偏小，最小值為0.059bar，最大值為0.283bar;而地震事件的視應(yīng)力值明顯偏大。繪制4個不同區(qū)域的異常事件與地震事件的視應(yīng)力對比圖（圖2），結(jié)果顯示地震事件的視應(yīng)力值均較異常事件大。由于異常事件的震級為ML2.5，ML2.6和ML2.8，同樣選取這3個震級的地震事件，求取相同震級的視應(yīng)力平均值（圖3）。由圖3可見：①異常事件的視應(yīng)力與震級無關(guān)，數(shù)值較小且比較穩(wěn)定;②地震事件的視應(yīng)力隨著震級增大而增大，與震級之間存在正相關(guān)關(guān)系，這一點(diǎn)與已有研究一致性較好（Mayeda，Walter，1996;Izutani，Kanamori，2001;陳學(xué)忠等，2011;李艷娥等，2015）;③隨著震級增大，地震事件與異常事件的視應(yīng)力比值由4倍增加到7倍，顯示出異常事件明顯的低視應(yīng)力特征。

3異常事件分析與討論

3.1發(fā)生時刻與位置

統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，本文異常事件發(fā)生時刻較集中，具有爆破事件發(fā)生時間較固定的特點(diǎn)。相反，地震事件的發(fā)生時刻相對分散，具有明顯的隨機(jī)性。異常事件震中分布圖（圖1）顯示，不同區(qū)域的事件分布均比較集中，顯示出發(fā)生地點(diǎn)的固定性特點(diǎn)。將異常事件震中投影到谷歌地圖上，這些異常事件的震中均位于采煤區(qū)或采礦區(qū)附近（距離<5km），并且與礦區(qū)的距離均在定位誤差范圍內(nèi)。由此初步判定異常事件可能為爆破事件。

3.2P波初動方向

分析異常事件和地震事件的P波垂直分量初動方向，發(fā)現(xiàn)前者的初動方向全部向上，后者的初動方向有上有下。分析原因如下：爆破是膨脹源，產(chǎn)生的壓縮波無象限分布，P波垂直分量初動應(yīng)都為向上;地震是巖石的破裂或錯動，產(chǎn)生的壓縮波有象限分布，P波垂直分量初動方向有向上也有向下（中國科學(xué)院地球物理研究所，1977）。因此，異常事件的P波垂直分量初動方向一致向上是符合膨脹源爆破特征的。

爆破過程中巖石直接受到的力是正壓力，沒有剪切力，因此爆破直接產(chǎn)生的波只有P波沒有S波，但由于巖石的不均勻性，破裂過程不能沿著初始力的方向破裂從而發(fā)生切變，產(chǎn)生S波，因此爆破有較強(qiáng)的P波群，S波相對偏弱（趙永等，1995;王婷婷，邊銀菊，2011）。本文分析了異常事件的波形特征，發(fā)現(xiàn)多數(shù)臺站記錄波形存在P波相對S波更加發(fā)育或發(fā)育相當(dāng)?shù)默F(xiàn)象。該現(xiàn)象與爆破產(chǎn)生的波形特征吻合。由于篇幅有限，僅給出表1中4號異常事件和28號地震事件的NSS（牛首山）臺記錄的垂直向波形（圖4）。圖4顯示前者P波比較發(fā)育，后者S波比較發(fā)育。

3.3波形互相關(guān)

爆破具有發(fā)生地點(diǎn)固定的特點(diǎn)，因此發(fā)生于同一礦區(qū)的爆破應(yīng)屬于重復(fù)記錄事件，同一臺站記錄的不同事件的波形相似度應(yīng)該非常高。本文選取了三關(guān)口礦區(qū)和新井礦區(qū)同一臺站記錄的所有異常事件的P波垂直向波形，分別計算了同一

礦區(qū)不同事件的波形相關(guān)系數(shù)（圖5，6）。結(jié)果表明：①三關(guān)口礦區(qū)4次異常事件的波形相關(guān)系數(shù)最小值為0.3886，最大值為0.7649，平均為0.6271（圖5c），表明4次事件波形存在較好的相關(guān)性;如果僅分析其中3次相似度較高的波形事件（圖5b），得到相關(guān)系數(shù)的最小值和最大值分別

為0.6446和0.9492，平均值為0.8524，顯示出波形的高度相似性;分析認(rèn)為三關(guān)口礦區(qū)4次異常事件中至少3次發(fā)生于同一個礦區(qū)，另外一次很可能發(fā)生于鄰近的礦區(qū)。②新井礦區(qū)3次異常事件原始波形（圖6a）的相關(guān)系數(shù)偏小，并且相關(guān)系數(shù)隨著時間變化逐漸變?。▓D6c）;對3次事件的原始波形進(jìn)行3～4Hz的帶通濾波（圖6b），再次計算其相關(guān)系數(shù)（圖6d），平均值為0.9048，說明波形相似度非常高。因此我們判定新井礦區(qū)3次異常事件也是發(fā)生于同一礦區(qū)的。綜上所述，通過波形互相關(guān)分析，充分印證了多次事件發(fā)生于同一地點(diǎn)的可能性非常大，明顯符合爆破發(fā)生地點(diǎn)固定的特點(diǎn)。雖然重復(fù)地震也存在波形相關(guān)性較高的可能，但本文異常事件并不是重復(fù)地震。

3.4小波包分量比

已有研究表明（楊選輝等，2005;曾憲偉等，2008a，b），利用小波包分量比方法可以實(shí)現(xiàn)地震與爆破的識別。本文選取的事件波形數(shù)據(jù)采樣率為100Hz，根據(jù)Nyquist采樣定理，可檢測信號頻帶為0～50Hz。選取P波垂直向記錄的512個數(shù)據(jù)點(diǎn)，每個事件的記錄臺站如表1所示，采用11階Daubechies小波基對數(shù)據(jù)段進(jìn)行尺度j=3的小波包分解，頻帶（0～50Hz）被均勻分成23個，分別以E0，E1，E2和E3表示頻帶0～6.25Hz，6.25～12.5Hz，12.5～18.75Hz和18.75～25Hz內(nèi)的信號能量。根據(jù)能量計算公式（曾憲偉等，2008a），可以得到每個事件不同頻帶內(nèi)的能量比E0/E1，E0/E2和E0/E3。

由圖7可見：①異常事件與地震事件的能量比之間存在明顯分界線，前者均大于后者，說明異常事件很可能是非天然地震事件;②異常事件的能量比隨著頻率增加而快速增大，即異常事件低頻端能量較高，高頻端能量較低，且頻率越高能量越低，說明異常事件波形具有爆破波形低頻成分較發(fā)育的特征。以上分析結(jié)果表明異常事件應(yīng)為爆破事件。因為爆破往往發(fā)生于地表，波形在傳播過程中有較長的路程在淺層，頻率越高衰減越快，顯示出低頻成分

3.5討論

地震與爆破發(fā)生模式的不同主要是二者在視應(yīng)力方面存在差異。地震主要受控于區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力的高低，區(qū)域應(yīng)力積累到一定程度，達(dá)到斷層發(fā)生錯動所需的臨界應(yīng)力值，積累的應(yīng)力往往以地震的方式釋放出來，并且很難一次性釋放完全，往往以余震的形式逐步釋放掉剩余的應(yīng)力。而震源區(qū)應(yīng)力釋放是否完全可以通過主震與余震視應(yīng)力的高低給出估計（盛書中，萬永革，2008）。地震的發(fā)生是斷層錯動的結(jié)果，伴隨著應(yīng)力釋放往往表現(xiàn)為一個或快或慢的過程;爆破則是一個爆炸源的瞬時能量釋放，與地震的發(fā)生模式顯然不同。另外，地震與爆破的發(fā)生深度也存在明顯的差異。因此，地震與爆破的能量釋放造成的地面振動勢必存在差異，記錄波形高低頻成分的差異即是一種表現(xiàn)形式。研究表明（Zunigaetal，1987;Baltayetal，2011），視應(yīng)力高的地震具有相對多的高頻能量，相反，視應(yīng)力低的地震則具有相對多的低頻能量。由此可以解釋低頻成分比較發(fā)育的爆破事件往往是低視應(yīng)力事件的原因。

4結(jié)論

本文通過分析寧夏及鄰區(qū)異常低視應(yīng)力事件的發(fā)生時間和震中位置等，初步判定異常事件為疑似爆破事件。利用P波初動方向、波形互相關(guān)特征和不同頻帶能量比值等方法分析異常事件的波形特征，得出主要結(jié)論為：異常事件發(fā)生時刻較固定，發(fā)生地點(diǎn)較集中，并且P波垂直向初動均向上;同一臺站記錄的同一區(qū)域的不同異常事件波形相關(guān)系數(shù)較大;小波包分量比方法表明異常事件波形低頻信號比較發(fā)育。以上分析結(jié)果均表明這些異常低視應(yīng)力事件應(yīng)為爆破事件。分析異常事件視應(yīng)力較低的原因，認(rèn)為爆破事件低頻成分比較發(fā)育，波形低頻能量較高造成了視應(yīng)力的低值異常。

爆破事件的視應(yīng)力一般較地震事件低得多，且與震級大小無關(guān)，而地震事件的視應(yīng)力隨著震級增大而增大。因此，視應(yīng)力作為地震與爆破識別的一項手段或許是可行的。對于視應(yīng)力值異常低的事件，應(yīng)首先判定其是否為天然地震事件，不宜直接應(yīng)用于分析研究工作;如果事件的性質(zhì)判定有誤，把爆破作為天然地震進(jìn)行區(qū)域視應(yīng)力的分析研究工作，將給區(qū)域應(yīng)力水平的判定帶來偏差。本文認(rèn)為地震與爆破在視應(yīng)力方面存在差異，但仍需要更加深入的研究分析。一方面，雖然目前視應(yīng)力計算方法較為成熟，多數(shù)研究結(jié)果表明天然地震視應(yīng)力與震級存在一定正相關(guān)關(guān)系，但視應(yīng)力計算結(jié)果還是受多方面因素影響，部分地震的視應(yīng)力計算結(jié)果存在一定偏差也是十分常見的。另一方面，計算視應(yīng)力時沒有考慮剛度系數(shù)μ的不同，使用了同一個值，所以視應(yīng)力更準(zhǔn)確的計算需要考慮μ的不均勻性（盛書中，萬永革，2008）。同時，由于本文計算視應(yīng)力的樣本量有限，視應(yīng)力計算結(jié)果是否可以明確作為地震與爆破的識別手段尚需要根據(jù)后續(xù)不斷積累的大樣本計算結(jié)果進(jìn)行更加深入的研究。

中國地震局地球物理研究所李艷娥副研究員提供了視應(yīng)力計算程序，審稿專家對文章提出了建設(shè)性修改意見，在此一并致謝。

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AbstractWecalculatetheapparentstressofmoderateandsmallearthquakesinNingxiaareaandfindthattheapparentstressvaluesofsomeeventsdecreasemultiplyrelativetoothereventsofthesamemagnitude.Combinedwiththeoccurrencetimeandepicenteroftheevents，weinitiallyidentifiedtheseabnormaleventsasdoubtfulblastingevents.Then，byanalyzingthePwaveinitialmovingdirection，waveformcrosscorrelationandenergyratioofdifferentfrequencybandsetc.，wefindthattheseabnormaleventshavesomecommonfeatures，suchastheverticalinitialmotionofPwaveisupward，thecorrelationcoefficientsofwaveformsinthesameregionrecordedbythesamestationarelarger，andthelowfrequencysignalsofwaveformsaremoredeveloped.Basisonit，weconfirmthattheseabnormaleventsshouldbeblastingevents.

Keywords：apparentstress;blastingevents;waveformcrosscorrelation;spectralcomponentratioofwaveletpacket