曾憲偉 羅恒之 朱鵬濤 崔瑾

摘要：計(jì)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(jí)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(shí)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(dòng)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(dòng)均向上，同一臺(tái)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(hào)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(hào)：P315.727文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：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(jì)（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(cè)定結(jié)果進(jìn)行估算，它表示了單位位錯(cuò)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(jì)算，使得區(qū)域絕對(duì)應(yīng)力水平的間接估計(jì)成為可能。國(guó)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(jì)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(shí)。隨著數(shù)字地震觀測(cè)時(shí)代的到來，以及越來越多的數(shù)字測(cè)震臺(tái)站的架設(shè)，可計(jì)算的視應(yīng)力地震震級(jí)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(shì)判定（陳學(xué)忠等，2003;王生文等，2014;康建紅等，2016）和地震危險(xiǎn)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(jì)算分析工作。然而，在計(jì)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(jí)的其他地震事件成倍降低，即使改變參與計(jì)算的臺(tái)站波形進(jìn)行多次計(jì)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(shí)刻基本發(fā)生于中午12時(shí)左右或下午6時(shí)左右，與爆破事件發(fā)生時(shí)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(duì)這些異常低視應(yīng)力事件（簡(jiǎn)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(jì)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(duì)于地殼介質(zhì)，μ可取3.0×104MPa（Wyss，Brune，1968）。ES和M0的計(jì)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(cè)震臺(tái)站（圖1）的波形數(shù)據(jù)，并收集相應(yīng)臺(tái)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(jì)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(jì)算視應(yīng)力時(shí)，每次事件至少有5個(gè)臺(tái)站的波形數(shù)據(jù)參與計(jì)算。為了得到更加可靠的視應(yīng)力計(jì)算結(jié)果，本文對(duì)每次事件均通過增減臺(tái)站波形數(shù)據(jù)的方式進(jìn)行多次視應(yīng)力的計(jì)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(gè)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(jí)主要集中在ML2.5～2.8（表1中1～10號(hào)事件），時(shí)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(gè)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(hào)事件）與相應(yīng)區(qū)域的異常事件做對(duì)比分析，選取的天然地震震級(jí)與異常事件相當(dāng)。

2計(jì)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(gè)不同區(qū)域的異常事件與地震事件的視應(yīng)力對(duì)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(jí)為ML2.5，ML2.6和ML2.8，同樣選取這3個(gè)震級(jí)的地震事件，求取相同震級(jí)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(jí)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(jí)增大而增大，與震級(jí)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(jí)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(shí)刻與位置

統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，本文異常事件發(fā)生時(shí)刻較集中，具有爆破事件發(fā)生時(shí)間較固定的特點(diǎn)。相反，地震事件的發(fā)生時(shí)刻相對(duì)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(dòng)方向

分析異常事件和地震事件的P波垂直分量初動(dòng)方向，發(fā)現(xiàn)前者的初動(dòng)方向全部向上，后者的初動(dòng)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(dòng)應(yīng)都為向上;地震是巖石的破裂或錯(cuò)動(dòng)，產(chǎn)生的壓縮波有象限分布，P波垂直分量初動(dòng)方向有向上也有向下（中國(guó)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(dòng)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(duì)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(tái)站記錄波形存在P波相對(duì)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(hào)異常事件和28號(hào)地震事件的NSS（牛首山）臺(tái)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(tái)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(tái)站記錄的所有異常事件的P波垂直向波形，分別計(jì)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(gè)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(shí)間變化逐漸變?。▓D6c）;對(duì)3次事件的原始波形進(jìn)行3～4Hz的帶通濾波（圖6b），再次計(jì)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(shí)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(cè)信號(hào)頻帶為0～50Hz。選取P波垂直向記錄的512個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，每個(gè)事件的記錄臺(tái)站如表1所示，采用11階Daubechies小波基對(duì)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(gè)，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(hào)能量。根據(jù)能量計(jì)算公式（曾憲偉等，2008a），可以得到每個(gè)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?yàn)楸仆l(fā)生于地表，波形在傳播過程中有較長(zhǎng)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(cuò)動(dòng)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(jì)（盛書中，萬永革，2008）。地震的發(fā)生是斷層錯(cuò)動(dòng)的結(jié)果，伴隨著應(yīng)力釋放往往表現(xiàn)為一個(gè)或快或慢的過程;爆破則是一個(gè)爆炸源的瞬時(shí)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(dòng)勢(shì)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(duì)多的高頻能量，相反，視應(yīng)力低的地震則具有相對(duì)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(shí)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(dòng)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(shí)刻較固定，發(fā)生地點(diǎn)較集中，并且P波垂直向初動(dòng)均向上;同一臺(tái)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(hào)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(jí)大小無關(guān)，而地震事件的視應(yīng)力隨著震級(jí)增大而增大。因此，視應(yīng)力作為地震與爆破識(shí)別的一項(xiàng)手段或許是可行的。對(duì)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(jì)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(jí)存在一定正相關(guān)關(guān)系，但視應(yīng)力計(jì)算結(jié)果還是受多方面因素影響，部分地震的視應(yīng)力計(jì)算結(jié)果存在一定偏差也是十分常見的。另一方面，計(jì)算視應(yīng)力時(shí)沒有考慮剛度系數(shù)μ的不同，使用了同一個(gè)值，所以視應(yīng)力更準(zhǔn)確的計(jì)算需要考慮μ的不均勻性（盛書中，萬永革，2008）。同時(shí)，由于本文計(jì)算視應(yīng)力的樣本量有限，視應(yīng)力計(jì)算結(jié)果是否可以明確作為地震與爆破的識(shí)別手段尚需要根據(jù)后續(xù)不斷積累的大樣本計(jì)算結(jié)果進(jìn)行更加深入的研究。

中國(guó)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(jì)算程序，審稿專家對(duì)文章提出了建設(shè)性修改意見，在此一并致謝。

參考文獻(xiàn)：

陳麗娟，陳繼鋒，龔麗文，等.2017.2017年8月8日四川九寨溝MS7.0地震前甘肅南部地區(qū)視應(yīng)力變化[J].中國(guó)地震，33（4）：521-531.

陳學(xué)忠，李艷娥，郭祥云.2011.河北文安MS5.1地震前首都圈及鄰區(qū)震源動(dòng)力學(xué)參數(shù)時(shí)空變化特征[J].地震，31（4）：15-25.

陳學(xué)忠，李艷娥.2007.2006年7月4日河北文安MS5.1地震前震中周圍地區(qū)小震視應(yīng)力隨時(shí)間的變化[J].中國(guó)地震，23（4）：327-336.

陳學(xué)忠，王小平，王林瑛，等.2003.地震視應(yīng)力用于震后趨勢(shì)快速判定的可能性[J].國(guó)際地震動(dòng)態(tài)，295（7）：1-4.

康建紅，張洪艷，張宇，等.2016.2013年吉林前郭強(qiáng)震群序列地震視應(yīng)力變化特征[J].地震地磁觀測(cè)與研究，37（1）：1-7.

李艷娥，陳麗娟，王生文，等.2015.山東地區(qū)地震視應(yīng)力時(shí)空變化特征研究[J].地震，35（2）：80-90.

李艷娥，陳學(xué)忠，付虹.2012.2007年云南寧洱MS6.4地震前滇西南地區(qū)震源動(dòng)力學(xué)參數(shù)時(shí)空變化特征[J].地震，32（1）：28-39.

彭關(guān)靈，趙小艷，劉自鳳，等.2018.2018年云南通海MS5.0地震前視應(yīng)力時(shí)空特征[J].地震研究，41（4）：487-493.

喬慧珍，程萬正，陳學(xué)忠.2006.安寧河—?jiǎng)t木河斷裂帶地震視應(yīng)力研究[J].地震研究，29（2）：125-130.

阮祥，程萬正，喬慧珍，等.2010.馬邊—大關(guān)構(gòu)造帶震源參數(shù)及應(yīng)力狀態(tài)研究[J].地震研究，33（4）：294-300.

盛書中，萬永革.2008.地震視應(yīng)力及其物理意義的探討[J].地震地磁觀測(cè)與研究，29（1）：36-43.

田小慧，金春華，何秋菊.2015.寧夏及周邊地區(qū)爆破的基本概括[J].防災(zāi)減災(zāi)學(xué)報(bào)，31（3）：61-66.

王生文，李艷娥，郭祥云，等.2014.1999年11月29日岫巖MS5.4地震序列視應(yīng)力的再研究[J].地震，34（3）：50-61.

王婷婷，邊銀菊.2011.識(shí)別天然地震和人工爆破的判據(jù)選擇[J].地震地磁觀測(cè)與研究，32（6）：62-67.

吳忠良，黃靜，林碧蒼.2002.中國(guó)西部地震視應(yīng)力的空間分布[J].地震學(xué)報(bào)，24（3）：293-301.

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

易桂喜，聞學(xué)澤，辛華，等.2013.龍門山斷裂帶南段應(yīng)力狀態(tài)與強(qiáng)震危險(xiǎn)性研究[J].地球物理學(xué)報(bào)，56（4）：1112-1120.

曾憲偉，趙衛(wèi)明，盛菊琴.2008a.小波包分解樹結(jié)點(diǎn)與信號(hào)子空間頻帶的對(duì)應(yīng)關(guān)系及其應(yīng)用[J].地震學(xué)報(bào)，30（1）：90-96.

曾憲偉，趙衛(wèi)明，盛菊琴，等.2008b.應(yīng)用小波包識(shí)別寧夏及鄰區(qū)的地震和爆破[J].地震研究，31（2）：142-148.

趙永，劉衛(wèi)紅，高艷玲.1995.北京地區(qū)地震、爆破和礦震的記錄圖識(shí)別[J].地震地磁觀測(cè)與研究，16（4）：48-54.

鄭建常，張永仙，潘元生，等.2006.青島嶗山地區(qū)環(huán)境應(yīng)力與視應(yīng)力變化分析[J].地震，26（3）：123-130.

中國(guó)科學(xué)院地球物理研究所.1977.近震分析[M].北京：地震出版社.

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

Keywords：apparentstress;blastingevents;waveformcrosscorrelation;spectralcomponentratioofwaveletpacket