1、福建地区爆破与地震的波谱差异蔡杏辉 1) 曹轶 1)许振栋 2) 陈惠芳 1)1）中国福州 350003 福建省地震局 2）中国平潭 350400 福建省地震局平潭地震台摘要：应用福建地震台网记录的爆破与地震的数字资料，采用波谱分析的方法分析发生在同一区域的爆破与地震波谱特征。结果表明，爆破与地震的拐角频率存在差异，据此得出本区域爆破识别的定量识别判据，为今后爆破的识别提供依据。关键词：爆破；波谱分析；拐角频率；评定阈值；0 引言随着社会经济的发展，爆破作业频繁，人工爆破和地震的识别贯穿于地震台网日常工作，有的爆破的爆破特征明显，较容易识别，有的爆破波形复杂，不具有常见的一些爆破特征，并且在同
2、一区域时有微震发生，分析不当而产生的地震目录资料会为使用者带来一定的伪信息，对地震活动性分析研究有可能产生影响。目前福建台网在爆破与地震的识别上主要依靠分析人员的经验，均属于定性分析阶段，缺少定量判据。随着数字台网建立，产出了丰富的数字地震波形数据为定量识别爆破与天然地震创造良好条件。地震波频谱分析方法被认为是识别天然地震和人工地震最有希望的方法（吴忠良，1994） ，已有作者（张萍等，2005 ）利用波谱分析方法进行爆破的识别研究。本文对福建台网记录的爆破与地震资料进行波谱分析，了解本地区爆破与地震波谱差异情况，为爆破的识别提供定量的识别判据。1 地震波谱计算方法地震波记录图的波谱特征受震源
3、和射线路径传播介质的影响，各频段内能量的衰减也不相同。把一个时间域的函数，经过一定的变换，转换到频率上所得到图形称为谱。把一个记录放到频率域中进行分析和处理就是所谓的谱分析。频率域方法把记录的地震波 f(t)进行傅里叶变换()()itFwfed根据振幅谱（巴特，1978） 121()上式中 为实数， 为频率。对于类型不同的震源取不同的时间常数 1/ 。 采用布龙圆盘位错模式给出地震事件的高低频谱值、拐角频率等震源参数，得出远场地震 P、S 波位移振幅谱表达式（郑治真，1983）3241()7().4rRV在低频端 (0) 0M作者简介：蔡杏辉(1976)，男，福建永安人，本科学历，工程师.主要
4、从事地震监测工作.E-mail：.课题项目：福建省地震局科研基金项目（SF201105）拐角频率值为 (,)2.34cPSVfr其中 (表示振幅谱， (0) 为低频谱值， 为剪切模量，R 为震源距， 为应力降，)r 为震源的等效圆位错半径， 为地震矩，V 为 P 波或 S 波速度， 为波谱的拐角0M(,)cpsf频率。按照上式处理地震和爆破事件的位移振幅谱方法，计算拐角频率值。2 资料选取与处理2.1 资料选取地震波的频谱特性与震源到接收台站间的射线路径有关，因此研究选取地震与爆破事件地点要相近。从福建数字台网运行期间记录的爆破事件和地震事件中，选取 64 个爆破、64 个地震作为研究样本进行
5、分区研究，其中安溪地区 20 个，清流地区 20 个，永泰地区20 个，古田地区 24 个，仙游地区 24 个，龙岩地区 20 个。爆破事件的震级范围为 ML1.0-2.0, 地震事件的震级范围为 ML1.0-2.5。2.2 波谱计算过程采用 PITSA 软件进行波谱分析，该软件是用于数字地震波形分析的实用软件，并且功能较强。PITSA 软件可以处理 ISAM,SUDS,ASCII 格式的数据文件，而目前台网波形事件都是以 seed 格式存储，因此在波谱分析前要先将选取事件进行格式转换，转换成 ASCII 格式文件。S 波数据资料取爆破和地震都共有且记录较好台的南北向和东西向，窗长取 S 波初
6、始震相到最大振幅间一定长度的波形数据，拐角频率取两水平向平均结果。波形资料处理步骤：对原始速度记录进行去倾斜及水平基线校正后，做积分处理；积分运算后，采用 4 阶巴特沃斯带通滤波器进行数字滤波处理，最后对数据取余弦窗。得出位移谱图后，采用人工拟合的方法得到 S 波拐角频率值。S 波拐角频率的确定原则：波谱高频段与低频段的趋势渐近线交点处的频率值（陈运泰等，2000） ，也就是说振幅有明显衰减变化时所对应的频率。图 1 为波谱主要参数示意图。图 1 波谱主要参数Fig.1 Spectrum of option legend3 计算结果及分析3.1 计算结果运用上述方法，对各区域爆破和地震事件的
7、S 波波谱特征进行分析，得到各区域爆破和地震平均 S 波拐角频率值，分析结果见表 1。表 1 的 S 波拐角频率值取爆破与地震都有记录的 2 个近台水平向的平均结果。表 1 各区域爆破与地震 S 波拐角频率计算结果Table 1 Vary area explosion and earthquake of S waveform corner frequency computed result地区 事件类型 事件数 平均 fc/Hz fc/Hz安溪 爆破 10 8.7 0.2地震 10 8.9清流 爆破 10 7.7 4.8地震 10 12.5永泰 爆破 10 6.8 2.7地震 10 9.5古田
8、 爆破 12 6.6 2.8地震 12 9.4仙游 爆破 12 5.8 6.4地震 12 12.2龙岩 爆破 10 6.5 3.2地震 10 9.7注：fc/Hz 为地震与爆破平均差值3.2 波谱图比较图 2（a）是 2011 年 1 月 21 日 18 时 39 分仙游爆破（莆田荔城台 E-W 向）波谱图，S波的拐角频率为 6.2Hz，图 2（b）是 2011 年 1 月 29 日 14 时 59 分仙游地震（莆田荔城台E-W 向）波谱图，S 波的拐角频率为 12.3Hz。通过两者的波谱图对比分析，震级大致相同的同一区域爆破和地震的波谱图存在明显差异，天然地震的频率较为丰富，高频能量衰减慢，
9、人工爆破则相对单调，高频能量衰减快。这与其它研究者的结论基本一致（刘莎，2012） 。ab图 2 爆破与地震的 S 波波谱（a）2011 年 1 月 21 日 18 时 39 分仙游爆破（莆田荔城台 E-W 向）（b）2011 年 1 月 29 日 14 时 59 分仙游地震（莆田荔城台 E-W 向）Fig.2 The S wave spectrum for explosions and earthquakes3.3 S 波拐角频率的比较地震波谱理论认为波谱的拐角频率主要与震源断层的大小有关，它反映了地震波高低频能量的分布特征。爆破与地震的震源特性差异使得波谱具有各自特征，通常天然地震的震源线
10、度比同震级的人工爆破大得多，在地震波谱图的表现是，地震比爆破有更高的拐角频率（许健生，1999） 。根据各区域每个爆破与地震的 S 波拐角频率结果得出拐角频率分布图（图 3） 。图 3 爆破与地震的 S 波拐角频率分布Fig.3 The s wave Corner frequency versus epicenter distance for explosions and earthquakes从本文的计算结果来看（表 1 及图 3） ，大多数地震的 S 波拐角频率明显大于爆破的 S波拐角频率，各地区爆破的平均拐角频率为 5.8-8.7Hz 间，综合平均为 7.0Hz，各区域地震的平均拐角频率
11、为 8.9-12.5Hz 间，综合平均为 10.4Hz;但不同区域的差异情况不同，安溪地区的差别较小，平均相差约 0.2Hz；清流和仙游差异较大，分别平均相差为 4.8Hz 和6.4Hz；说明两者拐角频率差异情况与具体地区有一定的经验性关系。张萍等应用辽宁台网的资料所得的研究结果为地震 S 波拐角频率平均为 9.2-9.31Hz,爆破 S 波拐角频率平均为7.70-8.1Hz，虽然拐角频率值区间范围不一样，但同样显示地震比爆破的拐角频率要大。因此，爆破与地震拐角频率的存在一定的差异，可以用来作为爆破与地震的定量识别判据。3.4 利用 S 波拐角频率评定爆破阈值的确定识别地震与爆破的能力评定指标
12、为 dr（真威胁率） ，其定义为：dr=D-F。其中，D 为爆破识率;F 为地震识别为爆破的百分比。dr 考虑了爆破的识别率，还考虑将地震误识为爆破的比率，可作为评定爆破识别效能的指标（许绍燮，1989 ） 。根据爆破与地震拐角频率的数值分布，初步给 7.5Hz，8.0Hz,8.5Hz,9.0Hz,9.5Hz 共 5 个拐角频率评定爆破阈值。求出每个阈值的 dr，其结果见表 2。从表 2 结果可以看出评定阈值选取 8.5Hz 的真威胁率最大（为 75.5%） ，识别效果最好 ,作为本地区识别地震与爆破的定量识别指标比较可靠。表 2 各阈值识别效能结果Table 2 the recognitio
13、n result of threshold判据 事件类别总数 正确识别数误识数 正确识别率(%)误识率(%)视威胁率(%)真威胁率(%)阈值爆破地震6464435677.3 22.6 67.2 54.7 7.5爆破地震6464475721817781.3 18.8 73.4 62.4 8.0爆破地震64645253121182.0 18.0 81.3 75.5 8.5爆破地震6464564382177.3 22.7 87.5 54.7 9.0S 波拐角频率值爆破地震6464563682871.9 28.1 87.5 43.8 9.54 结论由于波谱特性与震源和接收台站的路径有关，本文在研究时选
14、用多组同一区域、同一台站的数据进行对比研究，尽可能排除上述因素的影响，使研究结果能够真实反映出爆破与地震的震源特性差异使两者波谱特征具有各自特征。一般来说震级越大，拐角频率越小，本文选用的都是小震级事件，研究结果只能反映该震级区间两者波谱特征的差异情况。通过对福建台网资料的研究可以得到，在震级相近的条件下，地震 S 波拐角频率大于爆破 S 波拐角频率；不同区域的地震与爆破的差异有所不同, 拐角频率差异情况与具体地区有一定的经验性关系，反映出射线路径传播介质对拐角频率的影响；对于福建地区评定阈值可选取 8.5Hz 为本地区识别地震与爆破的定量识别指标，对于爆破与地震的识别具有较好效果，可作为波谱
15、方法识别本地区爆破与地震的主要依据。参考文献：吴忠良，陈运泰等.核爆炸地震学概要M.北京：地震出版社，1994.张萍，蒋秀琴，苗春兰等.爆破、矿震与地震的波谱差异J.地震地磁观测与研究,2005, 26(3):24-34.郑治真.波谱分析基础M.北京：地震出版社，1983.陈运泰，吴忠良，王培德等.数字地震学M.北京：地震出版社，2000.刘莎，杨建思，田宝峰等.首都圈地区、矿震与天然地震的识别研究J.地震学报,2012, 34(2):202-214.许健生，伊志文.爆破与地震的波谱差异J.地震地磁观测与研究,1999, 20(3):17-22.许绍燮.地震预报能力评分.地震预报方法实用化研究
16、文集地震学专辑R.北京:学术书刊出版社,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，Fuzhou 35003，China2） The Pingtan station of Fujian Seismologic
17、al 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 freq
18、uency between explosion and earthquake records.Based on these features,we gave the the explsion identical criterion, the results provide the basis for explosion identical. Key words: explosion, spectrum analysis, corner frequency, evaluate threshold作者通讯地址：福建省福州市华鸿路 7 号省地震局监测中心 350003联系电话：0591-87807719 ，13515000600
