潘常周 靳 平 徐 雄 王紅春 徐恒壘

（中國(guó)西安710024西北核技術(shù)研究所）

引言

區(qū)分地下爆炸與天然地震事件的識(shí)別技術(shù)是核爆炸地震監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的重點(diǎn)研究方向之一.早期的識(shí)別技術(shù)側(cè)重于遠(yuǎn)震記錄分析，并發(fā)展了重要的識(shí)別判據(jù)，如震級(jí)差mb／MS判據(jù)（Marshall，Basham，1972）.利用遠(yuǎn)震記錄判據(jù)的最大不足是難以用來(lái)識(shí)別中小震級(jí)事件.因?yàn)橥ǔＧ闆r下中小震級(jí)事件僅在區(qū)域記錄上有較清晰的信號(hào)，而遠(yuǎn)震臺(tái)站記錄的信號(hào)則很弱，導(dǎo)致難以利用遠(yuǎn)震記錄可靠地測(cè)量信號(hào)的特征參數(shù).以mb／MS判據(jù)為例，mb＜4.0的絕大多數(shù)地震事件在遠(yuǎn)震記錄的面波信號(hào)都不發(fā)育，從而難以估算面波震級(jí)MS.

為了提高對(duì)中小震級(jí)事件的識(shí)別能力，地震事件識(shí)別技術(shù)研究從20世紀(jì)70年代末開(kāi)始側(cè)重于分析區(qū)域記錄.例如：Blandford（1982）和Pomeroy等（1982）基于有限的數(shù)據(jù)歸納了具有較好識(shí)別能力的多種區(qū)域性識(shí)別判據(jù)；Taylor等（1989）利用更多地震事件驗(yàn)證了其中部分判據(jù)的識(shí)別能力，如P／S震相幅值比、震相譜比值等判據(jù).這些區(qū)域性識(shí)別判據(jù)以通常具有較高信噪比的區(qū)域震相的特征參數(shù)，如不同頻帶內(nèi)P波與S波的幅值比、相同震相的不同頻帶幅值比等為區(qū)分事件的特征值.其主要優(yōu)點(diǎn)在于，即使對(duì)低震級(jí)事件判據(jù)的特征值也容易測(cè)量.

由于區(qū)域震相的傳播路徑主要是介質(zhì)橫向不均勻性很強(qiáng)的地殼和上地幔，區(qū)域性判據(jù)的特征值容易受震相傳播路徑的影響.因此，針對(duì)特定地區(qū)的標(biāo)定和校正判據(jù)特征值，是提高判據(jù)識(shí)別正確率的關(guān)鍵.常用的標(biāo)定和校正方法是通過(guò)擬合特征值與震中距的關(guān)系（Patton，Taylor，1995；Walter et al，1995；Hartse et al，1997；Pan et al，2007a），建立一維的校正曲線.而這無(wú)法考慮不同方向路徑差異的影響，因此一些研究人員（Taylor，Hartse，1998；Fisk，Bottone，2000；Pan et al，2007b）在此基礎(chǔ)上利用Kriging（Schultz et al，1998）等技術(shù)建立二維的校正曲面，有效地提高了事件識(shí)別的正確率.近年來(lái)，一些研究（Taylor et al，2002；Fisk et al，2007，2008；Anderson et al，2009；Leidig et al，2010）根據(jù)介質(zhì)品質(zhì)因子Q值結(jié)構(gòu)模型和地震事件源頻譜模型來(lái)校正區(qū)域震相的頻譜，即MDAC（magnitude and distance amplitude correct）方法，進(jìn)而據(jù)此計(jì)算判據(jù)特征值，取得了更好的識(shí)別效果.

盡管如此，判據(jù)特征值標(biāo)定模型的誤差仍然是導(dǎo)致上述區(qū)域性判據(jù)識(shí)別錯(cuò)誤的重要原因之一.近年來(lái)一些研究（Gibbons，Ringdal，2004，2006；Schaff，Waldhauser，2010；王紅春等，2012）利用波形互相關(guān)方法識(shí)別特定場(chǎng)地爆炸事件，避免了識(shí)別判據(jù)特征參數(shù)標(biāo)定建模和校正的問(wèn)題，其錯(cuò)誤識(shí)別率接近于零.雖然這種方法僅僅適用于識(shí)別特定場(chǎng)地的爆炸事件，但多數(shù)地下核爆炸實(shí)際上也是在特定試驗(yàn)場(chǎng)反復(fù)多次實(shí)施的，因此這種方法也有著重要的應(yīng)用價(jià)值.不過(guò)，基于波形互相關(guān)的識(shí)別方法能夠應(yīng)用的特定場(chǎng)地的空間范圍太小，主要原因是波形相關(guān)系數(shù)隨事件間距的增加呈指數(shù)衰減（Menke et al，1990；Hough，F(xiàn)ield，1996），當(dāng)事件間距超過(guò)1／4波長(zhǎng)時(shí)波形相關(guān)系數(shù)一般比較低（Geller，Mueller，1980）.根據(jù)Schaff和 Waldhauser（2010）以及王紅春等（2012）的研究結(jié)果，利用波形互相關(guān)法只能識(shí)別距離已知爆炸3km以內(nèi)的事件.然而，目前已知的主要核試驗(yàn)場(chǎng)的面積都比較大，同一試驗(yàn)場(chǎng)很多歷史爆炸試驗(yàn)的間距都遠(yuǎn)大于該距離，達(dá)到十幾千米甚至數(shù)十千米.因此，進(jìn)一步擴(kuò)大這種識(shí)別方法的適用空間范圍，對(duì)于提高其在核爆炸監(jiān)測(cè)識(shí)別中的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值具有重要意義.

包絡(luò)線是信號(hào)的重要特征之一，在地震信號(hào)自動(dòng)檢測(cè)與關(guān)聯(lián)、介質(zhì)結(jié)構(gòu)反演等研究（Ryzhikov et al，1996；王勤彩等，2009）中均有較好的應(yīng)用.作者在地下爆炸的分析研究中發(fā)現(xiàn)，一些爆炸在間距達(dá)到十余千米、波形相似性很弱的情況下，其包絡(luò)線仍然保持著較高的相似性.因此，本文搜集分析了更多的相關(guān)事件，研究基于信號(hào)包絡(luò)線相似性的特定場(chǎng)地的爆炸識(shí)別方法，以期更好地應(yīng)用于地下核爆炸的監(jiān)測(cè)識(shí)別.

1 原理方法

一般情況下，特定場(chǎng)地地震事件到相同臺(tái)站的傳播路徑大致相同，同一震相的能量衰減及走時(shí)都基本一致；當(dāng)震源機(jī)制相同或相近時(shí)，在任何空間方位激發(fā)的主要震相（P波、S波）的能量相對(duì)大小也是基本一致的，因此它們?cè)谙嗤_(tái)站上主要震相整體發(fā)育特征比較相似.與原始波形相比，波形的能量包絡(luò)線忽略了局部細(xì)微的特征而主要反映更宏觀的震相整體發(fā)育特征.集中式地下爆炸可以近似認(rèn)為是膨脹體積源.因此，對(duì)于特定場(chǎng)地的地下爆炸，隨著爆心距的增大，當(dāng)它們?cè)谙嗤_(tái)站的波形因傳播路徑局部差異導(dǎo)致相關(guān)系數(shù)較低的時(shí)候，其信號(hào)包絡(luò)線很可能仍然具有較高的相關(guān)系數(shù).而天然地震一般是變化復(fù)雜的剪切位錯(cuò)源，與地下爆炸有很大差別.其激發(fā)主要震相能量的相對(duì)大小可能會(huì)在個(gè)別方位上比較接近，但是在絕大部分方位上均存在較大差異.因此，對(duì)于特定場(chǎng)地的地下爆炸與天然地震的波形包絡(luò)線，有可能在少數(shù)臺(tái)站上具有較強(qiáng)相似性，但在大多數(shù)臺(tái)站上其相似性應(yīng)該是比較弱的.因此，本文擬利用臺(tái)網(wǎng)平均信號(hào)包絡(luò)線的相關(guān)系數(shù)來(lái)識(shí)別特定場(chǎng)地地下爆炸，具體識(shí)別方法如下.

首先，計(jì)算事件的信號(hào)包絡(luò)線.信號(hào)包絡(luò)線在許多針對(duì)不同應(yīng)用目的的研究中，其計(jì)算方法并不完全相同.針對(duì)本文研究目的，需要計(jì)算的是反映信號(hào)能量的包絡(luò)線.其計(jì)算方法為：對(duì)波形序列x（t），分別采用適當(dāng)帶通濾波器濾波后進(jìn)行希爾伯特變換得到h（t），對(duì)h（t）取虛部得到序列y（t），然后按下式計(jì)算x（t）的包絡(luò)線：

并對(duì)其進(jìn)行光滑處理：取長(zhǎng)度為1s的滑動(dòng)漢寧窗，計(jì)算窗口內(nèi)信號(hào)的方均根幅值.信號(hào)窗口取為從P波開(kāi)始至Lg波結(jié)束（Lg波取2.8—3.7km／s的速度窗口），包含了主要區(qū)域震相.記垂直向、東西向、南北向的包絡(luò)線分別為eZ（t）、eE（t）、eN（t），分別按式（2）和式（3）計(jì)算水平向和三分向的包絡(luò)線為

然后，按相應(yīng)分向計(jì)算已知爆炸與待識(shí)別事件在相同臺(tái)站的信號(hào)包絡(luò)線的相關(guān)系數(shù).當(dāng)兩個(gè)事件在某臺(tái)站的第i個(gè)頻帶的信號(hào)包絡(luò)線（分別記為ei1（t）和ei2（t））同時(shí)滿足一定信噪比要求時(shí)，其相關(guān)系數(shù)為

式中，ˉei1（t）和ˉei2（t）分別為ei1（t）和ei2（t）的平均值.考慮到估算震相到時(shí)的誤差，我們把已知爆炸信號(hào)包絡(luò)線當(dāng)作模板，通過(guò)在時(shí)間域內(nèi)逐點(diǎn)滑動(dòng)的方式，在兩個(gè)事件P波到時(shí)對(duì)齊前后1s時(shí)間范圍內(nèi)滑動(dòng)計(jì)算相關(guān)系數(shù)，再取該范圍內(nèi)相關(guān)系數(shù)的最大值.如果選用多個(gè)頻帶分析，則按下式計(jì)算不同頻帶相關(guān)系數(shù)的平均值：

最后，根據(jù)已知爆炸與待識(shí)別事件在不同臺(tái)站的信號(hào)包絡(luò)線的相關(guān)系數(shù)，按式（5）計(jì)算信號(hào)包絡(luò)線相關(guān)系數(shù)臺(tái)網(wǎng)平均值，并以此作為篩選識(shí)別事件的特征參數(shù)，即臺(tái)網(wǎng)平均信號(hào)包絡(luò)線相關(guān)系數(shù)大于一定閾值時(shí)判別事件為地下爆炸，否則為天然地震.

圖1為間距約30km的兩次地下爆炸的波形及其包絡(luò)線以及波形的相關(guān)系數(shù)和包絡(luò)線的相關(guān)系數(shù)，圖2為其中一次爆炸與天然地震（間距約18km）的波形及其包絡(luò)線以及波形的相關(guān)系數(shù)和包絡(luò)線的相關(guān)系數(shù).可以看出，雖然兩次爆炸的間距更大，但它們?cè)诓ㄐ蜗嗨菩院苋醯那闆r下，信號(hào)包絡(luò)線相關(guān)系數(shù)仍然較高，在0.6—0.9之間；而一次爆炸與天然地震的信號(hào)包絡(luò)線相關(guān)系數(shù)則較低，僅在個(gè)別臺(tái)站接近0.5，多數(shù)臺(tái)站低于0.2.因此，根據(jù)與已知爆炸包絡(luò)線的臺(tái)網(wǎng)平均相關(guān)系數(shù)，有望能夠有效地區(qū)分未知的地下爆炸與天然地震.

圖1 兩次地下爆炸的波形及其包絡(luò)線相似性比較（a）2010-01-28爆炸波形及其包絡(luò)線；（b）2009-04-09爆炸波形及其包絡(luò)線；（c）波形相關(guān)系數(shù)；（d）包絡(luò)線相關(guān)系數(shù)Fig.1 Comparison of waveforms of two explosions，as well as correlation between their envelopes（a）Waveforms and envelopes of the explosion on 28January 2010；（b）Waveforms and envelopes of the explosion on 9April 2009；（c）Correlations between pairs of waveforms；（d）Correlations between pairs of envelopes

2 應(yīng)用效果分析

新疆維吾爾自治區(qū)托克遜縣及其附近地區(qū)有多個(gè)采礦爆破場(chǎng)，同時(shí)該地區(qū)的地震活動(dòng)性也較強(qiáng)，有較多位置相近的地下爆炸與天然地震.徐雄（2011）曾對(duì)該地區(qū)2009—2010年ML≥1.5事件進(jìn)行聚類分析，并確定了部分人工爆炸.我們利用該地區(qū)地震事件來(lái)評(píng)估本文提出方法的識(shí)別效果.本文選用新疆地震局2009—2010年地震目錄中以2010-04-15爆炸震中為中心、45km為半徑、ML≥1.5的事件，共527個(gè)（圖3）.根據(jù)徐雄（2011）的分析結(jié)果，這些事件中有418個(gè)被確認(rèn)為地下爆炸（最大震級(jí)ML2.9），另外有109個(gè)為未經(jīng)核實(shí)分析的未知事件（最大震級(jí)為ML3.5）.本文選取2010-04-15爆炸作為已知爆炸，分別按垂直向、水平向和三分向計(jì)算它與其余526個(gè)事件的信號(hào)包絡(luò)線相關(guān)系數(shù)，對(duì)這些事件進(jìn)行識(shí)別，并統(tǒng)計(jì)誤識(shí)別率.

為了盡量準(zhǔn)確地評(píng)估有效識(shí)別事件的間距范圍，我們利用雙差定位法（Waldhauser，Ellswort，2000）對(duì)上述418次地下爆炸進(jìn)行了相對(duì)定位，結(jié)果如圖4所示.待識(shí)別分析的爆炸事件與2010-04-15爆炸的最大間距約為30km.識(shí)別分析所用的臺(tái)站共17個(gè)（圖3）.這些臺(tái)站對(duì)事件形成了較好的包圍效果，震中距（相對(duì)于2010-04-15爆炸）約為70—350km.事件和臺(tái)站分布總體上滿足本文所提出的識(shí)別方法的基本要求，即監(jiān)測(cè)臺(tái)站震中距應(yīng)遠(yuǎn)大于事件間距，而且對(duì)事件形成較好的包圍效果.不過(guò)對(duì)于具體事件而言，能夠記錄到信號(hào)的臺(tái)站未必滿足上述基本要求.為此，本文要求進(jìn)行篩選識(shí)別的事件需滿足以下條件：①包絡(luò)線P波信噪比大于2；②震中距為事件間距的5倍以上；③符合前兩條要求的臺(tái)站在3個(gè)以上并且能夠?qū)κ录纬奢^好包圍效果 （這里采用反映臺(tái)站缺失最大方位范圍的最大間隙角作為限定，要求最大間隙角小于240°）.

圖3 識(shí)別分析的地震事件及臺(tái)站分布Fig.3 Distribution of seismic events for identification and stations Triangles denote stations，asterisk denotes the explosion on 15April 2010，red dots denote other explosions，and blue dots denote unknown events

圖4 地下爆炸事件的相對(duì)位置Fig.4 Relative location of known explosions The asterisk denotes the explosion on 15April 2010，and blue dots denote other explosions to be identified

根據(jù)上述要求，符合篩選識(shí)別條件的事件共有317個(gè)，約占事件總數(shù)的60%；未達(dá)到識(shí)別條件的主要是震級(jí)較小的事件，約87%為ML＜2.0的事件.識(shí)別結(jié)果如圖5所示，可以看出：垂直向的識(shí)別效果最好，絕大部分爆炸事件與2010-04-15爆炸的包絡(luò)線相關(guān)系數(shù)較高，特別是事件間距在15km以內(nèi)的爆炸，多數(shù)的相關(guān)系數(shù)大于0.5；同時(shí)大多數(shù)未知事件與2010-04-15爆炸的相關(guān)系數(shù)均較低.圖5中相關(guān)系數(shù)較高的兩個(gè)異常未知事件，很有可能確實(shí)是地下爆炸.原因有兩方面：一是其波形主要震相發(fā)育特征與2010-04-15爆炸比較相似，具有P波較強(qiáng)S波較弱的爆炸波形特征（圖6）；二是這兩個(gè)事件所屬的重復(fù)事件群（總共12個(gè)事件，最大震級(jí)為ML1.8，其它事件信號(hào)未達(dá)到識(shí)別條件）中所有事件的發(fā)震時(shí)間都集中在新建地區(qū)經(jīng)常進(jìn)行工業(yè)爆破的時(shí)段內(nèi)（北京時(shí)間16—21時(shí)），說(shuō)明不大可能是天然地震.不過(guò)，要確認(rèn)這兩個(gè)事件為地下爆炸，還需要更多的證據(jù)支持.

圖5 臺(tái)網(wǎng)平均信號(hào)包絡(luò)線相關(guān)系數(shù)與事件間距的關(guān)系Fig.5 Relationship between envelope correlation coefficient of net average and inter-distance of corresponding event-pair.The dots denote known explosions，and the squares denote unknown events

圖6 異常的未知事件與已知爆炸波形（4—8Hz）的對(duì)比Fig.6 Comparison of waveforms of known explosion with those of abnormal unknown events（4—8Hz band-pass filtered）

本文從保守評(píng)估判據(jù)識(shí)別能力的角度考慮，把所有未知事件都當(dāng)作天然地震.根據(jù)垂直向的結(jié)果統(tǒng)計(jì)不同相關(guān)系數(shù)判別該閾值條件下的誤警率（天然地震中被識(shí)別為爆炸的比例）和漏檢率（地下爆炸中未能正確識(shí)別的比例）.假設(shè)以臺(tái)網(wǎng)平均的包絡(luò)線相關(guān)系數(shù)c作為判別閾值，即相關(guān)系數(shù)大于c的事件判別為地下爆炸，小于c的事件判別為天然地震，則可分別根據(jù)式（6）和（7）統(tǒng)計(jì)誤警率Rf和漏檢率Rm.式中，Ne和Nx分別為天然地震和地下爆炸的總數(shù)，Nxe為被識(shí)別為地下爆炸的天然地震數(shù)，Nex為被識(shí)別為天然地震的地下爆炸數(shù).結(jié)果如圖7所示，可以看出：當(dāng)相關(guān)系數(shù)閾值約為0.38時(shí)，誤警率約為6.3%；間距在15km以內(nèi)爆炸漏檢率僅為0.5%，間距在15—30 km之間的爆炸漏檢率約為5.0%.

圖7 誤警率和漏檢率與識(shí)別閾值的關(guān)系Fig.7 Relationship between wrong alert rate／missing rate and correlation threshold

3 結(jié)論與討論

本文分析結(jié)果表明，利用信號(hào)包絡(luò)線相似性能夠較好地識(shí)別特定場(chǎng)地的地下爆炸.以1次已知?dú)v史地下爆炸為模板，根據(jù)它與其它事件信號(hào)包絡(luò)線的臺(tái)網(wǎng)平均相關(guān)系數(shù)對(duì)事件進(jìn)行識(shí)別.對(duì)于距離模板事件15km以內(nèi)的地下爆炸，僅有1次被錯(cuò)誤識(shí)別，漏檢率約為0.5%；對(duì)于距離模板事件15—30km的地下爆炸，有5次被錯(cuò)誤識(shí)別，漏檢率約為5.0%.所有未經(jīng)核實(shí)性質(zhì)的事件中，有2個(gè)被識(shí)別為爆炸.根據(jù)波形特征和發(fā)震時(shí)間等特點(diǎn)分析，這兩個(gè)事件很有可能確實(shí)屬于地下爆炸.即使這兩個(gè)事件是屬于被錯(cuò)誤識(shí)別的天然地震，其誤警率也僅為6.3%.而P／S幅值比等判據(jù)的誤警率和漏檢率分別約為10%和5%（Pan et al，2007a）.波形互相關(guān)識(shí)別方法的誤警率雖然低至接近于零，但其只能識(shí)別事件間距小于3km的爆炸（Schaff，Waldhauser，2010；王紅春等，2012）.因此，與波形互相關(guān)方法相比，本文識(shí)別方法大幅提高了有效識(shí)別特別場(chǎng)地爆炸事件的空間范圍，對(duì)實(shí)際應(yīng)用具有重要意義.雖然本文方法錯(cuò)誤識(shí)別率略為偏高，但仍然低于P／S幅值比等常用識(shí)別判據(jù).

同時(shí)，在上述研究中也發(fā)現(xiàn)了一些值得討論的問(wèn)題.第一個(gè)問(wèn)題是關(guān)于利用信號(hào)包絡(luò)線相似性識(shí)別特定場(chǎng)地爆炸事件的有效空間范圍.本文分析結(jié)果表明，30km以內(nèi)識(shí)別效果是比較好的，但對(duì)更大間距事件的識(shí)別效果尚不清楚.因?yàn)楸疚乃治龅谋ㄕ鸺?jí)都很小，震中距較大的臺(tái)站一般沒(méi)有記錄信號(hào)，只能利用震中距較小的臺(tái)站，不適合分析間距更大的事件.而且，本文只針對(duì)一個(gè)場(chǎng)地進(jìn)行了分析.而對(duì)于不同場(chǎng)地，有效識(shí)別空間范圍可能受地質(zhì)條件（如地形起伏等）的影響.另外，本文分析的是只有1個(gè)已知爆炸的情況，在實(shí)際監(jiān)測(cè)中，敏感場(chǎng)地可能有多個(gè)分散的已知爆炸.在這種情況下，綜合利用這些已知爆炸，可以對(duì)特定場(chǎng)地內(nèi)較大區(qū)域范圍的事件進(jìn)行篩選識(shí)別，而且可能會(huì)取得更好的識(shí)別效果.

第二個(gè)問(wèn)題是關(guān)于利用信號(hào)包絡(luò)線相似性是否能夠約束天然地震的震源機(jī)制.上述分析結(jié)果表明：由于震源機(jī)制相同，多次地下爆炸之間信號(hào)包絡(luò)線具有較好的相似性；而由于震源機(jī)制不同，則地下爆炸與天然地震之間信號(hào)包絡(luò)線相似性較差.那么，震源機(jī)制相同或相近的天然地震之間信號(hào)包絡(luò)線是否也具有較好相似性，而震源機(jī)制不同的天然地震之間信號(hào)包絡(luò)線相似性也較差呢？如果答案是肯定的，說(shuō)明信號(hào)包絡(luò)線相似性對(duì)震源機(jī)制有較強(qiáng)的約束力，則可以利用信號(hào)包絡(luò)線反演震源機(jī)制.這對(duì)于中小震級(jí)地震來(lái)說(shuō)非常重要，因?yàn)橹行≌鸺?jí)地震信號(hào)的優(yōu)勢(shì)頻率相對(duì)比較高，利用波形反演震源機(jī)制就需要高精度介質(zhì)結(jié)構(gòu)模型來(lái)支持計(jì)算高頻理論地震圖.而目前甚至在將來(lái)很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，介質(zhì)結(jié)構(gòu)模型的精度都很難滿足這樣的需求.如果關(guān)注的是反映主要震相整體發(fā)育特征的包絡(luò)線，則計(jì)算理論地震圖對(duì)介質(zhì)結(jié)構(gòu)模型精度要求就沒(méi)那么高.當(dāng)然，與地下爆炸相比，天然地震情況要復(fù)雜得多.除了震源機(jī)制外，地震信號(hào)包絡(luò)線相似性還可能受其它因素的影響，如震源深度、斷層破裂方向等.因此，能否利用信號(hào)包絡(luò)線反演震源機(jī)制，還需要開(kāi)展更深入的研究.

王勤彩，陳章立，Asano Y，鄭斯華，Hasegawa A.2009.利用尾波包絡(luò)線反演方法研究伽師強(qiáng)震群區(qū)地殼的非均勻結(jié)構(gòu)［J］.地球物理學(xué)報(bào)，52（1）：90-98.

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