福建地區(qū)爆破與地震的波譜差異

1、福建地區(qū)爆破與地震的波譜差異蔡杏輝1) 曹軼1)許振棟2) 陳惠芳1)1）中國福州 350003 福建省地震局 2）中國平潭 350400 福建省地震局平潭地震臺摘要：應(yīng)用福建地震臺網(wǎng)記錄的爆破與地震的數(shù)字資料，采用波譜分析的方法分析發(fā)生在同一區(qū)域的爆破與地震波譜特征。結(jié)果表明，爆破與地震的拐角頻率存在差異，據(jù)此得出本區(qū)域爆破識別的定量識別判據(jù)，為今后爆破的識別提供依據(jù)。關(guān)鍵詞：爆破；波譜分析；拐角頻率；評定閾值；0 引言隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，爆破作業(yè)頻繁，人工爆破和地震的識別貫穿于地震臺網(wǎng)日常工作，有的爆破的爆破特征明顯，較容易識別，有的爆破波形復(fù)雜，不具有常見的一些爆破特征，并且在同一區(qū)域時

2、有微震發(fā)生，分析不當(dāng)而產(chǎn)生的地震目錄資料會為使用者帶來一定的偽信息，對地震活動性分析研究有可能產(chǎn)生影響。目前福建臺網(wǎng)在爆破與地震的識別上主要依靠分析人員的經(jīng)驗，均屬于定性分析階段，缺少定量判據(jù)。隨著數(shù)字臺網(wǎng)建立，產(chǎn)出了豐富的數(shù)字地震波形數(shù)據(jù)為定量識別爆破與天然地震創(chuàng)造良好條件。地震波頻譜分析方法被認(rèn)為是識別天然地震和人工地震最有希望的方法（吳忠良，1994），已有作者（張萍等，2005）利用波譜分析方法進(jìn)行爆破的識別研究。本文對福建臺網(wǎng)記錄的爆破與地震資料進(jìn)行波譜分析，了解本地區(qū)爆破與地震波譜差異情況，為爆破的識別提供定量的識別判據(jù)。1 地震波譜計算方法 地震波記錄圖的波譜特征受震源和射線路徑

3、傳播介質(zhì)的影響，各頻段內(nèi)能量的衰減也不相同。把一個時間域的函數(shù)，經(jīng)過一定的變換，轉(zhuǎn)換到頻率上所得到圖形稱為譜。把一個記錄放到頻率域中進(jìn)行分析和處理就是所謂的譜分析。 頻率域方法把記錄的地震波f(t)進(jìn)行傅里葉變換 根據(jù)振幅譜（巴特，1978） 上式中為實數(shù)，為頻率。對于類型不同的震源取不同的時間常數(shù)1/。 采用布龍圓盤位錯模式給出地震事件的高低頻譜值、拐角頻率等震源參數(shù)，得出遠(yuǎn)場地震P、S波位移振幅譜表達(dá)式（鄭治真，1983）在低頻端 (0)作者簡介：蔡杏輝(1976)，男，福建永安人，本科學(xué)歷，工程師.主要從事地震監(jiān)測工作.E-mail：13870511.課題項目：福建省地震局科研基金項目（

4、SF201105）拐角頻率值為 其中(表示振幅譜，(0)為低頻譜值，為剪切模量，R為震源距，為應(yīng)力降，r為震源的等效圓位錯半徑，為地震矩，V為P波或S波速度，為波譜的拐角頻率。按照上式處理地震和爆破事件的位移振幅譜方法，計算拐角頻率值。2 資料選取與處理2.1 資料選取地震波的頻譜特性與震源到接收臺站間的射線路徑有關(guān)，因此研究選取地震與爆破事件地點要相近。從福建數(shù)字臺網(wǎng)運行期間記錄的爆破事件和地震事件中，選取64個爆破、64個地震作為研究樣本進(jìn)行分區(qū)研究，其中安溪地區(qū)20個，清流地區(qū)20個，永泰地區(qū)20個，古田地區(qū)24個，仙游地區(qū)24個，龍巖地區(qū)20個。爆破事件的震級范圍為ML1.0-2.0,

5、 地震事件的震級范圍為ML1.0-2.5。2.2波譜計算過程采用PITSA軟件進(jìn)行波譜分析，該軟件是用于數(shù)字地震波形分析的實用軟件，并且功能較強(qiáng)。PITSA軟件可以處理ISAM,SUDS,ASCII格式的數(shù)據(jù)文件，而目前臺網(wǎng)波形事件都是以seed格式存儲，因此在波譜分析前要先將選取事件進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換成ASCII格式文件。S波數(shù)據(jù)資料取爆破和地震都共有且記錄較好臺的南北向和東西向，窗長取S波初始震相到最大振幅間一定長度的波形數(shù)據(jù)，拐角頻率取兩水平向平均結(jié)果。波形資料處理步驟：對原始速度記錄進(jìn)行去傾斜及水平基線校正后，做積分處理；積分運算后，采用4階巴特沃斯帶通濾波器進(jìn)行數(shù)字濾波處理，最后對數(shù)

6、據(jù)取余弦窗。得出位移譜圖后，采用人工擬合的方法得到S波拐角頻率值。S波拐角頻率的確定原則：波譜高頻段與低頻段的趨勢漸近線交點處的頻率值（陳運泰等，2000），也就是說振幅有明顯衰減變化時所對應(yīng)的頻率。圖1為波譜主要參數(shù)示意圖。圖1 波譜主要參數(shù)Fig.1 Spectrum of option legend3 計算結(jié)果及分析3.1計算結(jié)果運用上述方法，對各區(qū)域爆破和地震事件的S波波譜特征進(jìn)行分析，得到各區(qū)域爆破和地震平均S波拐角頻率值，分析結(jié)果見表1。表1的S波拐角頻率值取爆破與地震都有記錄的2個近臺水平向的平均結(jié)果。表1 各區(qū)域爆破與地震S波拐角頻率計算結(jié)果Table 1 Vary area

7、explosion and earthquake of S waveform corner frequency computed result地區(qū)事件類型事件數(shù)平均fc/Hz fc/Hz安溪爆破108.7 0.2地震108.9清流爆破107.7 4.8地震1012.5永泰爆破106.8 2.7地震109.5古田爆破126.6 2.8地震129.4仙游爆破125.8 6.4地震1212.2龍巖爆破106.5 3.2地震109.7注：fc/Hz為地震與爆破平均差值3.2 波譜圖比較圖2（a）是2011年1月21日18時39分仙游爆破（莆田荔城臺E-W向）波譜圖，S波的拐角頻率為6.2Hz，圖2（b

8、）是2011年1月29日14時59分仙游地震（莆田荔城臺E-W向）波譜圖，S波的拐角頻率為12.3Hz。通過兩者的波譜圖對比分析，震級大致相同的同一區(qū)域爆破和地震的波譜圖存在明顯差異，天然地震的頻率較為豐富，高頻能量衰減慢，人工爆破則相對單調(diào)，高頻能量衰減快。這與其它研究者的結(jié)論基本一致（劉莎，2012）。ab圖2 爆破與地震的S波波譜（a）2011年1月21日18時39分仙游爆破（莆田荔城臺E-W向）（b）2011年1月29日14時59分仙游地震（莆田荔城臺E-W向）Fig.2 The S wave spectrum for explosions and earthquakes3.3 S波拐

9、角頻率的比較地震波譜理論認(rèn)為波譜的拐角頻率主要與震源斷層的大小有關(guān)，它反映了地震波高低頻能量的分布特征。爆破與地震的震源特性差異使得波譜具有各自特征，通常天然地震的震源線度比同震級的人工爆破大得多，在地震波譜圖的表現(xiàn)是，地震比爆破有更高的拐角頻率（許健生，1999）。根據(jù)各區(qū)域每個爆破與地震的S波拐角頻率結(jié)果得出拐角頻率分布圖（圖3）。圖3 爆破與地震的S波拐角頻率分布Fig.3 The s wave Corner frequency versus epicenter distance for explosions and earthquakes從本文的計算結(jié)果來看（表1及圖3），大多數(shù)地震的

10、S波拐角頻率明顯大于爆破的S波拐角頻率，各地區(qū)爆破的平均拐角頻率為5.8-8.7Hz間，綜合平均為7.0Hz，各區(qū)域地震的平均拐角頻率為8.9-12.5Hz間，綜合平均為10.4Hz;但不同區(qū)域的差異情況不同，安溪地區(qū)的差別較小，平均相差約0.2Hz；清流和仙游差異較大，分別平均相差為4.8Hz和6.4Hz；說明兩者拐角頻率差異情況與具體地區(qū)有一定的經(jīng)驗性關(guān)系。張萍等應(yīng)用遼寧臺網(wǎng)的資料所得的研究結(jié)果為地震S波拐角頻率平均為9.2-9.31Hz,爆破S波拐角頻率平均為7.70-8.1Hz，雖然拐角頻率值區(qū)間范圍不一樣，但同樣顯示地震比爆破的拐角頻率要大。因此，爆破與地震拐角頻率的存在一定的差異，

11、可以用來作為爆破與地震的定量識別判據(jù)。3.4 利用S波拐角頻率評定爆破閾值的確定識別地震與爆破的能力評定指標(biāo)為dr（真威脅率），其定義為：dr=D-F。其中，D為爆破識率;F為地震識別為爆破的百分比。dr考慮了爆破的識別率，還考慮將地震誤識為爆破的比率，可作為評定爆破識別效能的指標(biāo)（許紹燮，1989）。根據(jù)爆破與地震拐角頻率的數(shù)值分布，初步給7.5Hz，8.0Hz,8.5Hz,9.0Hz,9.5Hz共5個拐角頻率評定爆破閾值。求出每個閾值的dr，其結(jié)果見表2。從表2結(jié)果可以看出評定閾值選取8.5Hz的真威脅率最大（為75.5%），識別效果最好,作為本地區(qū)識別地震與爆破的定量識別指標(biāo)比較可靠。表

12、2 各閾值識別效能結(jié)果Table 2 the recognition result of threshold判據(jù)事件類別總數(shù)正確識別數(shù)誤識數(shù)正確識別率(%)誤識率(%)視威脅率(%)真威脅率(%)閾值S波拐角頻率值爆破地震6464435621817777.322.667.254.77.5爆破地震6464475781.318.873.462.48.0爆破地震64645253121182.018.081.375.58.5爆破地震6464564382177.322.787.554.79.0爆破地震6464563682871.928.187.543.89.5 4 結(jié)論 由于波譜特性與震源和接收臺站的路

13、徑有關(guān)，本文在研究時選用多組同一區(qū)域、同一臺站的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比研究，盡可能排除上述因素的影響，使研究結(jié)果能夠真實反映出爆破與地震的震源特性差異使兩者波譜特征具有各自特征。一般來說震級越大，拐角頻率越小，本文選用的都是小震級事件，研究結(jié)果只能反映該震級區(qū)間兩者波譜特征的差異情況。通過對福建臺網(wǎng)資料的研究可以得到，在震級相近的條件下，地震S波拐角頻率大于爆破S波拐角頻率；不同區(qū)域的地震與爆破的差異有所不同, 拐角頻率差異情況與具體地區(qū)有一定的經(jīng)驗性關(guān)系，反映出射線路徑傳播介質(zhì)對拐角頻率的影響；對于福建地區(qū)評定閾值可選取8.5Hz為本地區(qū)識別地震與爆破的定量識別指標(biāo)，對于爆破與地震的識別具有較好效果，

14、可作為波譜方法識別本地區(qū)爆破與地震的主要依據(jù)。參考文獻(xiàn)：吳忠良，陳運泰等.核爆炸地震學(xué)概要M.北京：地震出版社，1994.張萍，蔣秀琴，苗春蘭等.爆破、礦震與地震的波譜差異J.地震地磁觀測與研究,2005, 26(3):24-34.鄭治真.波譜分析基礎(chǔ)M.北京：地震出版社，1983.陳運泰，吳忠良，王培德等.數(shù)字地震學(xué)M.北京：地震出版社，2000.劉莎，楊建思，田寶峰等.首都圈地區(qū)、礦震與天然地震的識別研究J.地震學(xué)報,2012, 34(2):202-214.許健生，伊志文.爆破與地震的波譜差異J.地震地磁觀測與研究,1999, 20(3):17-22.許紹燮.地震預(yù)報能力評分.地震預(yù)報方法

15、實用化研究文集地震學(xué)專輯R.北京:學(xué)術(shù)書刊出版社,1989:554-575.The Differences of Spectral Analysis between explosions and earthquakes recorded in Fujian area Cai Xinghui1）, Caoyi1），Xu Zhendon2），Cheng Huifang1）1）The monitoring center of Fujian Seismological bureau，F(xiàn)uzhou 35003，China2）The Pingtan station of Fujian Seismologi

16、cal bureau,Pingtan 350400, ChinaAbstract:Using the digital waveform data of explosion and earthquake by Fujian seismic network, we analyzed the artificial explosion and natural spectrum characteristics of same area by spectrum analysis. It is found out that there are different features in corner frequency between explosion and earthquake records.Based on t