曾宪伟 罗恒之 朱鹏涛 崔瑾

摘要：计算宁夏及邻区一些中小“地震事件”视应力，发现与同震级事件相比，视应力成倍降低。结合这些异常事件的发生时刻和所在位置等，初步判定其為疑似爆破事件。进一步利用P波初动方向、波形互相关特征和不同频带能量比值等方法，发现异常事件P波垂直向初动均向上，同一台站记录的同一区域的不同异常事件波形相关系数较大，异常事件波形低频信号比较发育，应该是爆破事件。

关键词：视应力;爆破事件;波形互相关;小波包分量比

中图分类号：P315.727文献标识码：A文章编号：1000-0666（2019）01-0011-09

0引言

地震学中，视应力一般可作为应力水平的下限估计（吴忠良等，2002）。地震视应力的大小可以通过地震波辐射能量和地震矩的测定结果进行估算，它表示了单位位错辐射的地震波的能量（Wyss，Brune，1968）。实现地震视应力大小的计算，使得区域绝对应力水平的间接估计成为可能。国内外很多学者通过视应力开展了区域应力水平估计方面的诸多研究工作（Wyss，1970;Mayeda，Walter，1996;Choy，McGarr，2002;吴忠良等，2002;郑建常等，2006;李艳娥等，2015;彭关灵等，2018），并取得了很多认识。随着数字地震观测时代的到来，以及越来越多的数字测震台站的架设，可计算的视应力地震震级越来越小，一些中小地震视应力的应用研究也得到了进一步拓宽，比如将视应力应用于震前应力异常研究（陈学忠等，2007，2011;李艳娥等，2012;陈丽娟等，2017）、震后趋势判定（陈学忠等，2003;王生文等，2014;康建红等，2016）和地震危险性分析（乔慧珍等，2006;阮祥等，2010;易桂喜等，2013）等方面，都取得了丰硕的成果。

近些年，宁夏也开展了一些中小地震视应力的计算分析工作。然而，在计算过程中发现，有些事件的视应力值异常低，较同等震级的其他地震事件成倍降低，即使改变参与计算的台站波形进行多次计算，视应力值依然为低值。经初步分析发现，这些事件的发生时刻基本发生于中午12时左右或下午6时左右，与爆破事件发生时刻具有一定相关性。如果把爆破作为天然地震进行区域视应力的分析研究工作，将给区域应力水平的判定带来偏差。因此，有必要对这些异常低视应力事件（简称异常事件）进行深入分析。本文拟从异常事件的波形特征方面开展研究，判定事件性质，分析低视应力产生的原因。

1数据与方法

1.1视应力计算方法

地震视应力定义为单位地震矩辐射出的地震波能量与震源区介质的剪切模量的积（Wyss，Brune，1968）：

式中：ES为地震辐射能量;M0为标量地震矩;μ为剪切模量;对于地壳介质，μ可取3.0×104MPa（Wyss，Brune，1968）。ES和M0的计算方法分别参考Snoke（1987）和Jiménez等（2005）的文献。

1.2数据选取与处理

本文选取了2009—2016年宁夏及邻区发生的ML2.5～5.0地震事件（表1），截取了震中距小于100km的记录清晰的固定测震台站（图1）的波形数据，并收集相应台站的仪器响应参数。由于地震能量主要由S波携带，所以本文只处理S波段的数据。首先将事件波形数据转换为SAC（SeismicAnalysisCode）格式数据，然后进行去倾处理、扣除仪器响应和滤波后，通过傅式变换得到S波段

位移振幅谱，接着计算震源谱零频极限值、拐角频率、地震辐射能量和标量地震矩，代入式（1）得到视应力。

计算视应力时，每次事件至少有5个台站的波形数据参与计算。为了得到更加可靠的视应力计算结果，本文对每次事件均通过增减台站波形数据的方式进行多次视应力的计算，结果显示，视应力大小并未发生大的改变。

异常事件的震中分布图（图1）显示，异常事件主要分布在4个区域，由北向南分别称为大峰矿区、新井矿区、中卫—中宁矿区（中卫矿区和中宁矿区的合称）和三关口矿区（田小慧等，2015），震级主要集中在ML2.5～2.8（表1中1～10号事件），时间范围为2009—2012年。为了科学合理地判定这些异常事件的性质，本文选取了以上4个区域及附近地区发生的天然地震（图1中黑色五角星，表1中11～29号事件）与相应区域的异常事件做对比分析，选取的天然地震震级与异常事件相当。

2计算结果

由表1可见，异常事件的视应力明显偏小，最小值为0.059bar，最大值为0.283bar;而地震事件的视应力值明显偏大。绘制4个不同区域的异常事件与地震事件的视应力对比图（图2），结果显示地震事件的视应力值均较异常事件大。由于异常事件的震级为ML2.5，ML2.6和ML2.8，同样选取这3个震级的地震事件，求取相同震级的视应力平均值（图3）。由图3可见：①异常事件的视应力与震级无关，数值较小且比较稳定;②地震事件的视应力随着震级增大而增大，与震级之间存在正相关关系，这一点与已有研究一致性较好（Mayeda，Walter，1996;Izutani，Kanamori，2001;陈学忠等，2011;李艳娥等，2015）;③随着震级增大，地震事件与异常事件的视应力比值由4倍增加到7倍，显示出异常事件明显的低视应力特征。

3异常事件分析与讨论

3.1发生时刻与位置

统计发现，本文异常事件发生时刻较集中，具有爆破事件发生时间较固定的特点。相反，地震事件的发生时刻相对分散，具有明显的随机性。异常事件震中分布图（图1）显示，不同区域的事件分布均比较集中，显示出发生地点的固定性特点。将异常事件震中投影到谷歌地图上，这些异常事件的震中均位于采煤区或采矿区附近（距离<5km），并且与矿区的距离均在定位误差范围内。由此初步判定异常事件可能为爆破事件。

3.2P波初动方向

分析异常事件和地震事件的P波垂直分量初动方向，发现前者的初动方向全部向上，后者的初动方向有上有下。分析原因如下：爆破是膨胀源，产生的压缩波无象限分布，P波垂直分量初动应都为向上;地震是岩石的破裂或错动，产生的压缩波有象限分布，P波垂直分量初动方向有向上也有向下（中国科学院地球物理研究所，1977）。因此，异常事件的P波垂直分量初动方向一致向上是符合膨胀源爆破特征的。

爆破过程中岩石直接受到的力是正压力，没有剪切力，因此爆破直接产生的波只有P波没有S波，但由于岩石的不均匀性，破裂过程不能沿着初始力的方向破裂从而发生切变，产生S波，因此爆破有较强的P波群，S波相对偏弱（赵永等，1995;王婷婷，边银菊，2011）。本文分析了异常事件的波形特征，发现多数台站记录波形存在P波相对S波更加发育或发育相当的现象。该现象与爆破产生的波形特征吻合。由于篇幅有限，仅给出表1中4号异常事件和28号地震事件的NSS（牛首山）台记录的垂直向波形（图4）。图4显示前者P波比较发育，后者S波比较发育。

3.3波形互相关

爆破具有发生地点固定的特点，因此发生于同一矿区的爆破应属于重复记录事件，同一台站记录的不同事件的波形相似度应该非常高。本文选取了三关口矿区和新井矿区同一台站记录的所有异常事件的P波垂直向波形，分别计算了同一

矿区不同事件的波形相关系数（图5，6）。结果表明：①三关口矿区4次异常事件的波形相关系数最小值为0.3886，最大值为0.7649，平均为0.6271（图5c），表明4次事件波形存在较好的相关性;如果仅分析其中3次相似度较高的波形事件（图5b），得到相关系数的最小值和最大值分别

为0.6446和0.9492，平均值为0.8524，显示出波形的高度相似性;分析认为三关口矿区4次异常事件中至少3次发生于同一个矿区，另外一次很可能发生于邻近的矿区。②新井矿区3次异常事件原始波形（图6a）的相关系数偏小，并且相关系数随着时间变化逐渐变小（图6c）;对3次事件的原始波形进行3～4Hz的带通滤波（图6b），再次计算其相关系数（图6d），平均值为0.9048，说明波形相似度非常高。因此我们判定新井矿区3次异常事件也是发生于同一矿区的。综上所述，通过波形互相关分析，充分印证了多次事件发生于同一地点的可能性非常大，明显符合爆破发生地点固定的特点。虽然重复地震也存在波形相关性较高的可能，但本文异常事件并不是重复地震。

3.4小波包分量比

已有研究表明（杨选辉等，2005;曾宪伟等，2008a，b），利用小波包分量比方法可以实现地震与爆破的识别。本文选取的事件波形数据采样率为100Hz，根据Nyquist采样定理，可检测信号频带为0～50Hz。选取P波垂直向记录的512个数据点，每个事件的记录台站如表1所示，采用11阶Daubechies小波基对数据段进行尺度j=3的小波包分解，频带（0～50Hz）被均匀分成23个，分别以E0，E1，E2和E3表示频带0～6.25Hz，6.25～12.5Hz，12.5～18.75Hz和18.75～25Hz内的信号能量。根据能量计算公式（曾宪伟等，2008a），可以得到每个事件不同频带内的能量比E0/E1，E0/E2和E0/E3。

由图7可见：①异常事件与地震事件的能量比之间存在明显分界线，前者均大于后者，说明异常事件很可能是非天然地震事件;②异常事件的能量比随着频率增加而快速增大，即异常事件低频端能量较高，高频端能量较低，且频率越高能量越低，说明异常事件波形具有爆破波形低频成分较发育的特征。以上分析结果表明异常事件应为爆破事件。因为爆破往往发生于地表，波形在传播过程中有较长的路程在浅层，频率越高衰减越快，显示出低频成分

3.5讨论

地震与爆破发生模式的不同主要是二者在视应力方面存在差异。地震主要受控于区域构造应力的高低，区域应力积累到一定程度，达到断层发生错动所需的临界应力值，积累的应力往往以地震的方式释放出来，并且很难一次性释放完全，往往以余震的形式逐步释放掉剩余的应力。而震源区应力释放是否完全可以通过主震与余震视应力的高低给出估计（盛书中，万永革，2008）。地震的发生是断层错动的结果，伴随着应力释放往往表现为一个或快或慢的过程;爆破则是一个爆炸源的瞬時能量释放，与地震的发生模式显然不同。另外，地震与爆破的发生深度也存在明显的差异。因此，地震与爆破的能量释放造成的地面振动势必存在差异，记录波形高低频成分的差异即是一种表现形式。研究表明（Zunigaetal，1987;Baltayetal，2011），视应力高的地震具有相对多的高频能量，相反，视应力低的地震则具有相对多的低频能量。由此可以解释低频成分比较发育的爆破事件往往是低视应力事件的原因。

4结论

本文通过分析宁夏及邻区异常低视应力事件的发生时间和震中位置等，初步判定异常事件为疑似爆破事件。利用P波初动方向、波形互相关特征和不同频带能量比值等方法分析异常事件的波形特征，得出主要结论为：异常事件发生时刻较固定，发生地点较集中，并且P波垂直向初动均向上;同一台站记录的同一区域的不同异常事件波形相关系数较大;小波包分量比方法表明异常事件波形低频信号比较发育。以上分析结果均表明这些异常低视应力事件应为爆破事件。分析异常事件视应力较低的原因，认为爆破事件低频成分比较发育，波形低频能量较高造成了视应力的低值异常。

爆破事件的视应力一般较地震事件低得多，且与震级大小无关，而地震事件的视应力随着震级增大而增大。因此，视应力作为地震与爆破识别的一项手段或许是可行的。对于视应力值异常低的事件，应首先判定其是否为天然地震事件，不宜直接应用于分析研究工作;如果事件的性质判定有误，把爆破作为天然地震进行区域视应力的分析研究工作，将给区域应力水平的判定带来偏差。本文认为地震与爆破在视应力方面存在差异，但仍需要更加深入的研究分析。一方面，虽然目前视应力计算方法较为成熟，多数研究结果表明天然地震视应力与震级存在一定正相关关系，但视应力计算结果还是受多方面因素影响，部分地震的视应力计算结果存在一定偏差也是十分常见的。另一方面，计算视应力时没有考虑刚度系数μ的不同，使用了同一个值，所以视应力更准确的计算需要考虑μ的不均匀性（盛书中，万永革，2008）。同时，由于本文计算视应力的样本量有限，视应力计算结果是否可以明确作为地震与爆破的识别手段尚需要根据后续不断积累的大样本计算结果进行更加深入的研究。

中國地震局地球物理研究所李艳娥副研究员提供了视应力计算程序，审稿专家对文章提出了建设性修改意见，在此一并致谢。

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

Keywords：apparentstress;blastingevents;waveformcrosscorrelation;spectralcomponentratioofwaveletpacket