郁建芳 謝石文 王瑣琛

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

關鍵詞：天然地震??人工爆破??特征識別??時頻分析

中圖分類號：P315?????????????文獻標識碼：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，既包含構造地震、火山地震等天然地震，還包括由于各種人為活動引發(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，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，給開采企業(yè)安全生產(chǎn)、人民群眾財產(chǎn)安全造成了重大影響[2]。與此同時，我國數(shù)字地震觀測系統(tǒng)和觀測技術也飛速發(fā)展，臺網(wǎng)監(jiān)測能力大幅度提高，記錄到了大量的非天然事件波形[3]。然而小震級天然地震事件與小當量人工爆破事件的波形記錄相似[4，5]，容易產(chǎn)生誤報現(xiàn)象，進而影響速報時間和精度以及后續(xù)應急處置工作的開展。因此，在當前大應急管理模式下，通過實時波形記錄快速識別并區(qū)分天然和非天然地震已經(jīng)成為各省級區(qū)域地震臺網(wǎng)的一項重要工作[6]。

1?資料選取與處理

自中國地震局發(fā)文正式開展非天然地震專報工作以來，安徽臺網(wǎng)已建立了非天然地震數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)非天然地震事件實時入庫。當前，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備案的定點爆破，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)批準的意外爆炸事件，均造成了一定災害損失。

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、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)因地形原因導致記錄波形與地震十分類似。該文以安徽地震臺網(wǎng)記錄到的數(shù)據(jù)為基礎，選取省內(nèi)不同地區(qū)M≥1.5級、至少8個臺記錄到的爆破波形進行分析。首先進行數(shù)據(jù)預處理，選取震中距200km以內(nèi)的臺站波形，剔除記錄不好或波形異常的臺站，對爆破進行重新定位并精細分析震相，同時對兩者進行時頻分析（文中時頻分析所使用的地震事件分類識別軟件（SERS）由中國地震局地球物理研究所研發(fā)），分別從時間域和頻率域歸納總結人工爆破與天然地震的特征差異。

2?特征分析

2.1?時間域波形特征

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

為更好地科學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、震級相當?shù)奶烊坏卣鹗录c之對比。2018年01月06日03時00安徽淮南（32.56°N，116.92°E）發(fā)生的M2.0級天然地震（見圖2），這兩個事件震級相當，震中位置相距11?km，具有較強的可對比性。

通過對比得到如下結論。

（1）地震波初動。天然地震的縱波初動較強且尖銳，絕大部分波形垂直向初動方向清晰，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波初動向上，這與理論上人工爆破P波垂直向初動方向均向上[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，當量越大面波越發(fā)育，而震級相當?shù)奶烊坏卣鹜划a(chǎn)生面波。

（4）發(fā)震時刻。對2020年4月至2022年9月發(fā)生的236個ML≥1.0級人工爆破事件的發(fā)震時刻進行統(tǒng)計，爆破發(fā)生的時間主要集中在24小時中的9點到14點（見圖3），具有較強的規(guī)律性。這是因為安徽區(qū)域的人工爆破事件大多為礦山開礦或工程建設備案的定點爆破，一般會選擇避免干擾正常工作和休息的時間段，而天然地震的發(fā)震時刻無規(guī)律可循。

2.2?時頻域特征

對于非平穩(wěn)信號x（t），時頻分析的基本思想是將待分析信號與指定窗函數(shù)相乘，截取小段信號進行傅里葉變換[8]求取局部譜，窗函數(shù)沿著時間軸平移即可獲得信號頻率隨時間的變化規(guī)律，得到時頻譜[9]。圖4為不同震中距臺站（淮南臺、蚌埠臺、蒙城臺）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）的時頻譜分析圖。對比可知：

（1）地震屬于破裂源，震源機制較為復雜，高頻能量豐富，在時頻譜中表現(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”所占比重減小。

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

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

3?結論

文章通過對比分析安徽地區(qū)人工爆破與天然地震在時間域、時頻域的特征，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)震時刻較規(guī)律，基本集中在9點至14點；震中位置相對固定，主要集中在安徽淮南、池州、銅陵、蚌埠等地；受起爆當量的限制，人工爆破的震級均不大，M震級多集中在0.0～2.0范圍內(nèi)。

（2）時間域特征：人工爆破的P波發(fā)育且初動較清晰，垂直向P波初動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波相對不發(fā)育，面波發(fā)育，衰減較快。

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

參考文獻

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