安徽地區(qū)天然地震與人工爆破特征與識(shí)別

郁建芳 謝石文 王瑣琛

摘??要：以安徽地震臺(tái)網(wǎng)記錄的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，選取震中距相近、震級(jí)相當(dāng)?shù)娜斯け坪吞烊坏卣鹗录M(jìn)行對(duì)比，獲取兩者在時(shí)間域和時(shí)頻域的特征差異。安徽地區(qū)人工爆破的發(fā)震時(shí)刻與發(fā)震位置相對(duì)固定和集中，能量釋放低，波形持續(xù)時(shí)間短，衰減較快。同時(shí)，人工爆破的時(shí)頻譜圖相對(duì)單調(diào)，頻帶較窄，基本只存在一個(gè)頻率聚集點(diǎn)，集中分布在1～10?Hz范圍內(nèi)。

關(guān)鍵詞：天然地震??人工爆破??特征識(shí)別??時(shí)頻分析

中圖分類號(hào)：P315?????????????文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Characteristics?and?Identification?of?Natural?Earthquakes?and?Artificial?Explosions?in?the?Anhui?Area

YU?Jianfang???XIE?Shiwen???WANG?Suochen

（Anhui?Earthquake?Agency，?Hefei，?Anhui?Province，?230031?China）

Abstract：?Based?on?the?data?recorded?by?Anhui?Earthquake?Network，?the?artificial?explosions?and?natural?earthquake?events?with?the?similar?epicenter?distance?and?similar?magnitude?are?selected?for?comparison，?and?the?characteristic?differences?between?the?two?in?the?time?domain?and?time-frequency?domain?are?obtained.?The?seismogenic?time?and?seismogenic?position?of?artificial?blasting?in?the?Anhui?area?are?relatively?fixed?and?concentrated，?the?energy?release?is?low，?the?waveform?duration?is?short，?and?the?attenuation?is?fast.?Meanwhile，?the?time-frequency?spectrogram?of?artificial?blasting?is?relatively?monotonous?with?the?narrow?frequency?band，?and?there?is?basically?only?one?frequency?gathering?point，?which?is?mainly?distributed?in?the?range?of?1～10Hz.

Key?Words：?Natural?earthquake;?Artificial?explosion;?Feature?identification;?Time-frequency?analysis

地震，既包含構(gòu)造地震、火山地震等天然地震，還包括由于各種人為活動(dòng)引發(fā)的非天然地震，諸如爆破、塌陷、礦震等，其中人工爆破是非天然地震事件中記錄最多的類型[1]。近年來(lái)，隨著資源不斷開發(fā)，人工爆破造成的非天然地震事件呈現(xiàn)多發(fā)態(tài)勢(shì)，給開采企業(yè)安全生產(chǎn)、人民群眾財(cái)產(chǎn)安全造成了重大影響[2]。與此同時(shí)，我國(guó)數(shù)字地震觀測(cè)系統(tǒng)和觀測(cè)技術(shù)也飛速發(fā)展，臺(tái)網(wǎng)監(jiān)測(cè)能力大幅度提高，記錄到了大量的非天然事件波形[3]。然而小震級(jí)天然地震事件與小當(dāng)量人工爆破事件的波形記錄相似[4，5]，容易產(chǎn)生誤報(bào)現(xiàn)象，進(jìn)而影響速報(bào)時(shí)間和精度以及后續(xù)應(yīng)急處置工作的開展。因此，在當(dāng)前大應(yīng)急管理模式下，通過(guò)實(shí)時(shí)波形記錄快速識(shí)別并區(qū)分天然和非天然地震已經(jīng)成為各省級(jí)區(qū)域地震臺(tái)網(wǎng)的一項(xiàng)重要工作[6]。

1?資料選取與處理

自中國(guó)地震局發(fā)文正式開展非天然地震專報(bào)工作以來(lái)，安徽臺(tái)網(wǎng)已建立了非天然地震數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)非天然地震事件實(shí)時(shí)入庫(kù)。當(dāng)前，安徽省天然地震事件總體以爆破（爆炸）為主，自2020年4月至2022年9月，安徽省已發(fā)生M0.0級(jí)以上非天然事件4?000余次，這些事件總體為礦山開礦或工程建設(shè)備案的定點(diǎn)爆破，其影響和損害基本在可控范圍內(nèi)。然而，安徽省也發(fā)生了不少未經(jīng)批準(zhǔn)的意外爆炸事件，均造成了一定災(zāi)害損失。

因礦山種類不同，爆破方式也不同。如銅陵銅礦以及淮南煤礦主要為巷道下的爆破，鳳陽(yáng)、馬鞍山地區(qū)的礦山爆破主要為地表或淺地表爆破，金寨地區(qū)因地形原因?qū)е掠涗洸ㄐ闻c地震十分類似。該文以安徽地震臺(tái)網(wǎng)記錄到的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，選取省內(nèi)不同地區(qū)M≥1.5級(jí)、至少8個(gè)臺(tái)記錄到的爆破波形進(jìn)行分析。首先進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，選取震中距200km以內(nèi)的臺(tái)站波形，剔除記錄不好或波形異常的臺(tái)站，對(duì)爆破進(jìn)行重新定位并精細(xì)分析震相，同時(shí)對(duì)兩者進(jìn)行時(shí)頻分析（文中時(shí)頻分析所使用的地震事件分類識(shí)別軟件（SERS）由中國(guó)地震局地球物理研究所研發(fā)），分別從時(shí)間域和頻率域歸納總結(jié)人工爆破與天然地震的特征差異。

2?特征分析

2.1?時(shí)間域波形特征

對(duì)選取的16個(gè)天然地震事件的267條波形記錄和17個(gè)人工爆破事件的181條波形記錄，分別從初動(dòng)、體波特征、面波特征、發(fā)震時(shí)刻等方面分析時(shí)間域特征。以2017年05月08日22時(shí)03分在安徽淮南（32.65°N，116.86°E）發(fā)生M1.9級(jí)爆破事件（見圖1）為例，該事件震中距200?km范圍內(nèi)共有20個(gè)臺(tái)站記錄清晰，可分析震相有38個(gè)。

為更好地科學(xué)分析人工爆破與天然地震的波形特征，選取與上述人工爆破事件震中位置相近、震級(jí)相當(dāng)?shù)奶烊坏卣鹗录c之對(duì)比。2018年01月06日03時(shí)00安徽淮南（32.56°N，116.92°E）發(fā)生的M2.0級(jí)天然地震（見圖2），這兩個(gè)事件震級(jí)相當(dāng)，震中位置相距11?km，具有較強(qiáng)的可對(duì)比性。

通過(guò)對(duì)比得到如下結(jié)論。

（1）地震波初動(dòng)。天然地震的縱波初動(dòng)較強(qiáng)且尖銳，絕大部分波形垂直向初動(dòng)方向清晰，上下方向均有分布；而人工爆破的181條波形記錄中，84%條即152條記錄的垂直向P波初動(dòng)向上，這與理論上人工爆破P波垂直向初動(dòng)方向均向上[7]基本相符。

（2）體波特征。P波震相較清晰，而S波相對(duì)不發(fā)育；而且爆破的頻率比同震中距地震波的頻率高，隨著震中距的加大，高頻成分逐漸被地表吸收，P波的周期逐漸變大。

（3）面波特征。人工爆破的面波較發(fā)育，當(dāng)量越大面波越發(fā)育，而震級(jí)相當(dāng)?shù)奶烊坏卣鹜划a(chǎn)生面波。

（4）發(fā)震時(shí)刻。對(duì)2020年4月至2022年9月發(fā)生的236個(gè)ML≥1.0級(jí)人工爆破事件的發(fā)震時(shí)刻進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，爆破發(fā)生的時(shí)間主要集中在24小時(shí)中的9點(diǎn)到14點(diǎn)（見圖3），具有較強(qiáng)的規(guī)律性。這是因?yàn)榘不諈^(qū)域的人工爆破事件大多為礦山開礦或工程建設(shè)備案的定點(diǎn)爆破，一般會(huì)選擇避免干擾正常工作和休息的時(shí)間段，而天然地震的發(fā)震時(shí)刻無(wú)規(guī)律可循。

2.2?時(shí)頻域特征

對(duì)于非平穩(wěn)信號(hào)x（t），時(shí)頻分析的基本思想是將待分析信號(hào)與指定窗函數(shù)相乘，截取小段信號(hào)進(jìn)行傅里葉變換[8]求取局部譜，窗函數(shù)沿著時(shí)間軸平移即可獲得信號(hào)頻率隨時(shí)間的變化規(guī)律，得到時(shí)頻譜[9]。圖4為不同震中距臺(tái)站（淮南臺(tái)、蚌埠臺(tái)、蒙城臺(tái)）記錄到的淮南爆破（2017-05-08?22：03?32.65°N?116.86°E?M1.9）和天然地震（2018-01-06?03：00?32.56°N?116.92°E?M2.0）的時(shí)頻譜分析圖。對(duì)比可知：

（1）地震屬于破裂源，震源機(jī)制較為復(fù)雜，高頻能量豐富，在時(shí)頻譜中表現(xiàn)出更寬廣的頻帶范圍以及“多峰”特征；爆炸的時(shí)頻譜圖頻帶較窄，主能量限于10?Hz以下，隨著震中距的增加，圖中“亮點(diǎn)”所占比重減小。

（2）爆炸震源較簡(jiǎn)單，發(fā)生在地表，更容易激發(fā)面波，時(shí)頻圖中主能量集中在低頻。

（3）受震源影響，天然地震在時(shí)頻譜圖中表現(xiàn)出更多的高頻背景噪聲，圖像復(fù)雜度更高，而爆炸的頻譜圖相對(duì)單調(diào)。

3?結(jié)論

文章通過(guò)對(duì)比分析安徽地區(qū)人工爆破與天然地震在時(shí)間域、時(shí)頻域的特征，得到安徽爆破記錄的區(qū)域特征如下。

（1）地震三要素：人工爆破的發(fā)震時(shí)刻較規(guī)律，基本集中在9點(diǎn)至14點(diǎn)；震中位置相對(duì)固定，主要集中在安徽淮南、池州、銅陵、蚌埠等地；受起爆當(dāng)量的限制，人工爆破的震級(jí)均不大，M震級(jí)多集中在0.0～2.0范圍內(nèi)。

（2）時(shí)間域特征：人工爆破的P波發(fā)育且初動(dòng)較清晰，垂直向P波初動(dòng)80%以上均為向上方向，隨著震中距的加大，高頻成分逐漸被地表吸收，P波的周期逐漸變大；S波相對(duì)不發(fā)育，面波發(fā)育，衰減較快。

（3）時(shí)頻域特征：人工爆破的時(shí)頻譜圖相對(duì)單調(diào)，頻帶較窄，主能量限于10?Hz以下。

參考文獻(xiàn)

[1]唐婷婷，余思，陳江貽.天然地震與人工爆破特征識(shí)別研究綜述[J].地震科學(xué)進(jìn)展，2021，51（9）：385-394.

[2]奚沖霄，李春連，辛雪俠.北京市地震局非天然地震事件信息發(fā)布服務(wù)[J].地震地磁觀測(cè)與研究，2021，42（1）：215-216.

[3]周少輝，蔣海昆，曲均浩，等.爆破、塌陷識(shí)別研究進(jìn)展綜述[J].中國(guó)地震，2021，27（2）：508-522.

[4]陳曉龍，陳繼鋒，蒲舉，等.蘭州市紅古區(qū)非天然地震記錄臺(tái)站分析[J].地震工程學(xué)報(bào)，2021，42（3）：545-550.

[5]段剛.基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的天然地震與人工爆破識(shí)別研究[J].地球物理學(xué)進(jìn)展，2021（4）：1379-1385.

[6]劉莎，楊建思，田寶峰，等.首都圈地區(qū)爆破、礦塌與天然地震的識(shí)別研究[J].地震學(xué)報(bào)，2012，?24（2）：202-214.

[7]劉瑞豐，陳翔，沈道康.寬頻帶數(shù)字地震記錄震相分析[M].北京：地震出版社，2014.

[8]盛立，徐西龍，王維波，等.基于時(shí)頻分析和卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的微地震事件檢測(cè)[J].中國(guó)石油大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2021，45（5）：54-63.

[9]畢明霞，黃漢明，邊銀菊，等.天然地震與人工爆破波形信號(hào)HHT特征提取和SVW識(shí)別研究[J].地球物理學(xué)進(jìn)展，2011，26（4）：1157-1164.