河南平頂山平煤礦區(qū)天然地震和人工爆破的波形特征及識(shí)別判據(jù)

陳 夢(mèng) 楊龍翔 高家乙 鄭培玲

（中國(guó)鄭州 450016 河南省地震局）

0 引言

2019年8月起，河南平頂山平煤礦區(qū)及周邊小震持續(xù)活躍，尤其是2020年2月，礦區(qū)及周邊地震頻次明顯增加，震級(jí)多為ML1.0—2.5，形成了一個(gè)微震震群。《新的國(guó)家地震區(qū)劃圖》（高孟潭，2003）顯示，平頂山市位于地震烈度Ⅵ度區(qū)，該區(qū)屬抗震設(shè)防區(qū)。平煤礦區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造環(huán)境復(fù)雜，井下爆破施工頻繁，存在大量采空區(qū)，此次微震震群活動(dòng)即集中分布在礦區(qū)及其周邊地區(qū)。

在地震日常監(jiān)測(cè)工作中，分析人員需要對(duì)實(shí)時(shí)記錄的地震事件進(jìn)行分類。不同人員對(duì)震相的理解和分析存在主觀上的差異，這會(huì)導(dǎo)致事件類型混淆，并直接影響到日后的震情研判工作。因此，如何正確識(shí)別地震事件類型，保證產(chǎn)出地震目錄的準(zhǔn)確性，對(duì)分析該地區(qū)構(gòu)造應(yīng)力背景和此次震群的活動(dòng)性質(zhì)較重要，這不僅關(guān)系到礦產(chǎn)企業(yè)的生產(chǎn)安全，也是目前平煤礦區(qū)所面臨的主要問題之一。

本文擬對(duì)河南測(cè)震臺(tái)網(wǎng)記錄的平頂山平煤礦區(qū)及周邊地區(qū)的天然地震和人工爆破進(jìn)行波形特征提取并對(duì)比分析，以期得到快速識(shí)別該地區(qū)地震事件類型的判據(jù)方法。

1 識(shí)別方法簡(jiǎn)述和震例選取

自20世紀(jì)50年代開始，國(guó)內(nèi)外科研人員對(duì)天然地震與人工爆破的識(shí)別進(jìn)行了廣泛和深入的研究，并提出多種識(shí)別判據(jù)。林偉等（2004）、袁芬等（2004）、趙永等（1995）、汪貴章等（2010）等使用發(fā)震時(shí)間規(guī)律、波形特征、衰減時(shí)間等方法對(duì)非天然地震進(jìn)行研究，得到了非天然地震的一些基本特征和普適性的識(shí)別方式；邊銀菊等（2010）、王婷婷等（2011）、王惠琳等（2017）利用前人得到的非天然地震基本特征和規(guī)律，應(yīng)用不同的方法（如發(fā)震規(guī)律、P波初動(dòng)方向、振幅比、振幅與尾波持續(xù)時(shí)間比等），對(duì)天然地震和人工爆破作進(jìn)一步對(duì)比，提出了更加具有針對(duì)性和適宜性的識(shí)別判據(jù)。

根據(jù)河南測(cè)震臺(tái)網(wǎng)記錄可知，平頂山平煤礦區(qū)及周邊（33.65°—33.95° N，113.03°—113.34°E）地震事件震級(jí)普遍較小，多數(shù)為ML1.0—1.9，其占所有事件總數(shù)的85%以上。因此，選擇將該震級(jí)范圍內(nèi)的地震作為主要研究對(duì)象。選取2019年8月—2020年3月共計(jì)92個(gè)事件（表1），其中，天然地震（EQ）71個(gè)、人工爆破（EP）21個(gè)（圖1）。

圖1 平煤礦區(qū)及周邊地區(qū)構(gòu)造斷裂和事件震中分布Fig.1 The distribution of faults,earthquakes,and explosions in the Pingmei mining area

表1 本研究所選平煤礦區(qū)震例參數(shù)Table 1 The parameters of earthquakes and explosions analyzed in this study

2 識(shí)別判據(jù)和分析

2.1 發(fā)震時(shí)間

通常認(rèn)為，天然地震的發(fā)震時(shí)間較隨機(jī)，而人工爆破的發(fā)震時(shí)間較規(guī)律（為減少對(duì)附近居民的影響，礦區(qū)內(nèi)施工一般將施工爆破作業(yè)計(jì)劃安排在凌晨前后）。對(duì)21個(gè)人工爆破的發(fā)震時(shí)刻作初步統(tǒng)計(jì)后發(fā)現(xiàn)（圖2），14個(gè)（67%）的發(fā)震時(shí)刻集中在晚上22點(diǎn)以后至第2天凌晨5點(diǎn)前后。但總的來說，沒有明顯的規(guī)律性特征，因此，發(fā)震時(shí)間特征不能作為區(qū)分該地區(qū)天然地震和人工爆破的依據(jù)。

圖2 人工爆破的發(fā)震時(shí)間Fig.2 The occurrence time of the explosions

2.2 P波初動(dòng)方向

爆破為膨脹源，其產(chǎn)生的壓縮波無象限分布，因此P波垂直分量初動(dòng)方向應(yīng)全部向上；天然地震為巖石的破裂或錯(cuò)動(dòng)，其產(chǎn)生的壓縮波和膨脹波有象限分布（楊成榮等，2001）。P波初動(dòng)方向的判定標(biāo)準(zhǔn)為（王婷婷等，2011）：在1個(gè)事件的所有波形記錄中，若P波初動(dòng)方向向上的波形占初動(dòng)清楚的臺(tái)站總數(shù)的80%以上，則認(rèn)為此事件的P波初動(dòng)方向?yàn)樯?；反之，若P波初動(dòng)方向向下的波形占總數(shù)的50%以上，則認(rèn)為此事件的P波初動(dòng)方向?yàn)橄?；不滿足以上2種情況時(shí)，則認(rèn)為無法通過初動(dòng)方向來判斷是天然地震還是人工爆破。

統(tǒng)計(jì)了92個(gè)震例的波形記錄，其中，能夠清晰識(shí)別P波初動(dòng)方向的僅有306條，平均1個(gè)事件不足4條。通常，使用P波初動(dòng)方向的方法識(shí)別地震事件類型時(shí)，需要綜合考慮可包圍事件的多個(gè)臺(tái)站P波初動(dòng)方向結(jié)果。而若研究區(qū)域及周邊地區(qū)測(cè)震臺(tái)站數(shù)量較少，波形記錄包圍性不好，對(duì)部分事件或因震級(jí)較小、干擾疊加和信噪比等因素的影響無法準(zhǔn)確判斷P波初動(dòng)方向，因此采用上述P波初動(dòng)方向作為判定標(biāo)準(zhǔn)（王婷婷等，2011）存在局限性。但考慮到P波初動(dòng)符號(hào)目前仍是識(shí)別人工爆破和天然地震的最快速直觀的方法，因此，我們對(duì)研究區(qū)92個(gè)震例的PDS臺(tái)記錄的P波初動(dòng)方向進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，向上的記為1，向下的記為-1，初動(dòng)方向無法判斷的記為0（圖3）。

圖3 P波初動(dòng)方向Fig.3 The P-wave first-motion polarity

21個(gè)人工爆破事件中，2個(gè)初動(dòng)不清，1個(gè)初動(dòng)向下，18個(gè)初動(dòng)向上；71個(gè)天然地震事件中，10個(gè)初動(dòng)不清，35個(gè)初動(dòng)向下，26個(gè)初動(dòng)向上。結(jié)果顯示，人工爆破事件的 P波初動(dòng)方向向上的占多數(shù)（95%），天然地震P波初動(dòng)無明顯的方向特征。

2.3 振幅比

人工爆破波形有較強(qiáng)的P波群，S波相對(duì)較弱；而天然地震發(fā)生時(shí)，巖石剪切錯(cuò)動(dòng)，會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的S波（趙永等，1995；Yildinm E et al，2011）。因此，P、S波的振幅比可以反映此特點(diǎn)，而且利用振幅比的方法可以有效降低震級(jí)、地震計(jì)放大倍數(shù)和頻率的影響（王婷婷等，2011）。選用PDS臺(tái)的波形記錄，分別量取P波初動(dòng)振幅與S波最大振幅之比Pc/Sm[圖4（a）]和P波最大振幅與S波最大振幅之比Pm/Sm[圖4（b）]。

圖4 P波振幅與S波最大振幅的比值（a）P波初動(dòng)振幅與S波最大振幅之比Pc/Sm；（b）P波最大振幅與S波最大振幅之比Pm/SmFig.4 P-wave amplitude to S-wave maximum amplitude ratio

由圖4可見，人工爆破的P波初動(dòng)振幅與S波最大振幅之比Pc/Sm為0.4—1.3，其中，20個(gè)事件的大于0.5，占總數(shù)的95%；天然地震的則普遍較小，為0—0.7，其中，小于0.5的有64個(gè)事件，占總數(shù)的90%。因此，選取Pc/Sm=0.5作為閾值即可區(qū)分大部分天然地震和人工爆破。

人工爆破的P波最大振幅與S波最大振幅之比Pm/Sm為0.7—2.1，其中，20個(gè)事件的大于0.94，占總數(shù)的95%；而天然地震的為0—1.0，其中，70個(gè)事件的小于0.94，占總數(shù)的98.6%。因此，選擇Pm/Sm=0.94作為閾值可區(qū)分大部分天然地震和人工爆破。

2.4 振幅與尾波持續(xù)時(shí)間比

人工爆破一般發(fā)生在地表淺源，傳播路徑在地表淺層，能量損失較大，衰減較快。而從理論上來講，相同震級(jí)的天然地震較人工爆破波形持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，因此可以利用波形持續(xù)時(shí)間這一特性來對(duì)事件進(jìn)行分類。本研究利用PDS臺(tái)的波形記錄量取了事件尾波持續(xù)時(shí)間，此處對(duì)尾波持續(xù)時(shí)間的定義為從S波初動(dòng)到噪聲水平的時(shí)間，分別統(tǒng)計(jì)了P波初動(dòng)振幅與尾波持續(xù)時(shí)間之比Pc/T[圖5（a）]、P波最大振幅與尾波持續(xù)時(shí)間之比Pm/T[圖5（b）]和S波最大振幅與尾波持續(xù)時(shí)間之比Sm/T（圖6）。

圖5 P波振幅與尾波持續(xù)時(shí)間的比值（a）P波初動(dòng)振幅與尾波持續(xù)時(shí)間之比Pc/T；（b）P波最大振幅與尾波持續(xù)時(shí)間之比Pm/TFig.5 The ratios of the P-wave amplitudes to coda durations

圖6 S波最大振幅與尾波持續(xù)時(shí)間的比值Fig.6 S-wave maximum amplitude to coda wave duration ratio (Sm/T)

由圖5、6可見，2種類型事件的P波初動(dòng)振幅、最大振幅與尾波持續(xù)時(shí)間的比值分布疏散且跨度較大，無法提取出有效的閾值來區(qū)分事件類型。而人工爆破的S波最大振幅與尾波持續(xù)時(shí)間的比值有一定規(guī)律可尋，其值為0—0.3，其中，小于0.2的有20個(gè)事件，占爆破事件總數(shù)的95%；天然地震的值為0.06—1.70，分布范圍較大且數(shù)值沒有較集中的區(qū)域。如果設(shè)定Sm/T=0.2作為閾值，則人工爆破事件可被有效地識(shí)別出來，但對(duì)天然地震的識(shí)別效果并不理想。

3 判據(jù)識(shí)別能力

許紹燮（1989）提出的預(yù)報(bào)能力評(píng)分R值，除可用于地震預(yù)報(bào)效能評(píng)價(jià)之外，還可用于判斷物理量的聚集程度和關(guān)聯(lián)信息評(píng)價(jià)。邊銀菊（2005）將之引入到爆炸地震學(xué)中，提出了識(shí)別地震與爆炸的能力評(píng)定指標(biāo)dr。dr值（真威脅率）的定義為

其中，D為爆破識(shí)別正確率；F為天然地震識(shí)別為爆炸的概率（即天然地震的誤識(shí)率）。這里定義dr時(shí)既考慮了爆破識(shí)別的正確率，又考慮到了天然地震的誤識(shí)率，因此，我們可以將dr定義為研究區(qū)內(nèi)地震類型的最小正確識(shí)別率，并以此來評(píng)估區(qū)域地震事件類型識(shí)別判據(jù)的有效程度。

將對(duì)前述識(shí)別判據(jù)綜合計(jì)算后的結(jié)果設(shè)定閾值并進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)（表2）。由表2可見，P波最大振幅與S波最大振幅之比Pm/Sm的dr值最大為0.94，將其作為研究區(qū)域天然地震和人工爆破的識(shí)別判據(jù)較可靠；Pc/Sm和Sm/T在一定程度上可以結(jié)合Pm/Sm加以使用，以提高地震事件分類的準(zhǔn)確性；而P波初動(dòng)方向特征的方法在研究區(qū)域內(nèi)僅可作為識(shí)別爆破的輔助判據(jù)，并不具有實(shí)際意義。

表2 各判據(jù)的識(shí)別結(jié)果和效能Table 2 The identification results and efficacy for different criteria

4 結(jié)論

（1）針對(duì)于平頂山平煤礦區(qū)及周邊地區(qū)的地震事件，總結(jié)并歸納了4種直觀快速的事件類型識(shí)別方法，并提出可用真威脅率dr值來評(píng)定識(shí)別判據(jù)的有效程度。研究結(jié)果表明，利用P波最大振幅與S波最大振幅之比Pm/Sm的識(shí)別效果最好，可以作為識(shí)別本區(qū)域地震事件類型的主要判據(jù)；P波初動(dòng)振幅與S波最大振幅之比Pc/Sm和S波最大振幅與尾波持續(xù)時(shí)間之比Sm/T這2種方法可以結(jié)合Pm/Sm加以使用，以提高事件分類的準(zhǔn)確性；P波初動(dòng)方向特征的方法在該研究區(qū)域內(nèi)僅可作為識(shí)別爆破的輔助判據(jù)。

（2）研究中發(fā)現(xiàn)，一些事件利用多種判據(jù)方法得到的類型與真實(shí)類型相悖，如2019年10月22日ML1.0、2020年2月7日ML1.1、3月3日ML1.9等地震事件。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，這些事件震中普遍集中分布在研究區(qū)邊緣，對(duì)于ML1.0左右的小震級(jí)事件，可能受信噪比、衰減路徑等因素的影響，在波形識(shí)別中存在一定的困難。同時(shí)，本研究選取的PDS臺(tái)站距震群震中較近，對(duì)于震級(jí)稍大的事件在量取波形特征時(shí)可能應(yīng)選取更多距離稍遠(yuǎn)的臺(tái)站進(jìn)行綜合分析。此外，礦區(qū)內(nèi)煤層大面積開采，地下淺層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，也給多數(shù)地震事件的識(shí)別增加了難度，因而造成了對(duì)部分地震事件利用以上判據(jù)方法未能正確地判定其真實(shí)類型。今后，需要進(jìn)一步結(jié)合模式識(shí)別、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、運(yùn)籌學(xué)等方法進(jìn)行多判據(jù)的綜合識(shí)別研究。

（3）本研究基于快速識(shí)別事件類型的要求，只提出了4種針對(duì)于平頂山平煤礦區(qū)及周邊地區(qū)ML1.0—1.9天然地震和人工爆破的識(shí)別判據(jù)。今后，通過進(jìn)一步積累該區(qū)域的震例并通過不斷修正閾值，有望提高該區(qū)域所有震級(jí)地震的識(shí)別正確率。

（4）受河南省各地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造的差異、不同礦區(qū)井下巖性結(jié)構(gòu)和人工爆破方式的多樣性等因素的影響，不同地區(qū)地震波形記錄的特征也各不相同，本研究所提出的天然地震和人工爆破的識(shí)別判據(jù)在其他地區(qū)未必適用。但可以參考本文研究方法，提取出不同地區(qū)的地震類型識(shí)別判據(jù)，并將研究結(jié)果運(yùn)用在“河南省非天然地震識(shí)別系統(tǒng)”，以實(shí)現(xiàn)在河南地震監(jiān)測(cè)工作中對(duì)非天然地震的自動(dòng)化識(shí)別。