寧夏及鄰區異常低視應力“地震事件”的發現及研究

曾憲偉 羅恒之 朱鵬濤 崔瑾

摘要：計算寧夏及鄰區一些中小“地震事件”視應力，發現與同震級事件相比，視應力成倍降低。結合這些異常事件的發生時刻和所在位置等，初步判定其為疑似爆破事件。進一步利用P波初動方向、波形互相關特征和不同頻帶能量比值等方法，發現異常事件P波垂直向初動均向上，同一臺站記錄的同一區域的不同異常事件波形相關系數較大，異常事件波形低頻信號比較發育，應該是爆破事件。

關鍵詞：視應力;爆破事件;波形互相關;小波包分量比

中圖分類號：P315.727文獻標識碼：A文章編號：1000-0666（2019）01-0011-09

0引言

地震學中，視應力一般可作為應力水平的下限估計（吳忠良等，2002）。地震視應力的大小可以通過地震波輻射能量和地震矩的測定結果進行估算，它表示了單位位錯輻射的地震波的能量（Wyss，Brune，1968）。實現地震視應力大小的計算，使得區域絕對應力水平的間接估計成為可能。國內外很多學者通過視應力開展了區域應力水平估計方面的諸多研究工作（Wyss，1970;Mayeda，Walter，1996;Choy，McGarr，2002;吳忠良等，2002;鄭建常等，2006;李艷娥等，2015;彭關靈等，2018），并取得了很多認識。隨著數字地震觀測時代的到來，以及越來越多的數字測震臺站的架設，可計算的視應力地震震級越來越小，一些中小地震視應力的應用研究也得到了進一步拓寬，比如將視應力應用于震前應力異常研究（陳學忠等，2007，2011;李艷娥等，2012;陳麗娟等，2017）、震后趨勢判定（陳學忠等，2003;王生文等，2014;康建紅等，2016）和地震危險性分析（喬慧珍等，2006;阮祥等，2010;易桂喜等，2013）等方面，都取得了豐碩的成果。

近些年，寧夏也開展了一些中小地震視應力的計算分析工作。然而，在計算過程中發現，有些事件的視應力值異常低，較同等震級的其他地震事件成倍降低，即使改變參與計算的臺站波形進行多次計算，視應力值依然為低值。經初步分析發現，這些事件的發生時刻基本發生于中午12時左右或下午6時左右，與爆破事件發生時刻具有一定相關性。如果把爆破作為天然地震進行區域視應力的分析研究工作，將給區域應力水平的判定帶來偏差。因此，有必要對這些異常低視應力事件（簡稱異常事件）進行深入分析。本文擬從異常事件的波形特征方面開展研究，判定事件性質，分析低視應力產生的原因。

1數據與方法

1.1視應力計算方法

地震視應力定義為單位地震矩輻射出的地震波能量與震源區介質的剪切模量的積（Wyss，Brune，1968）：

式中：ES為地震輻射能量;M0為標量地震矩;μ為剪切模量;對于地殼介質，μ可取3.0×104MPa（Wyss，Brune，1968）。ES和M0的計算方法分別參考Snoke（1987）和Jiménez等（2005）的文獻。

1.2數據選取與處理

本文選取了2009—2016年寧夏及鄰區發生的ML2.5～5.0地震事件（表1），截取了震中距小于100km的記錄清晰的固定測震臺站（圖1）的波形數據，并收集相應臺站的儀器響應參數。由于地震能量主要由S波攜帶，所以本文只處理S波段的數據。首先將事件波形數據轉換為SAC（SeismicAnalysisCode）格式數據，然后進行去傾處理、扣除儀器響應和濾波后，通過傅式變換得到S波段

位移振幅譜，接著計算震源譜零頻極限值、拐角頻率、地震輻射能量和標量地震矩，代入式（1）得到視應力。

計算視應力時，每次事件至少有5個臺站的波形數據參與計算。為了得到更加可靠的視應力計算結果，本文對每次事件均通過增減臺站波形數據的方式進行多次視應力的計算，結果顯示，視應力大小并未發生大的改變。

異常事件的震中分布圖（圖1）顯示，異常事件主要分布在4個區域，由北向南分別稱為大峰礦區、新井礦區、中衛—中寧礦區（中衛礦區和中寧礦區的合稱）和三關口礦區（田小慧等，2015），震級主要集中在ML2.5～2.8（表1中1～10號事件），時間范圍為2009—2012年。為了科學合理地判定這些異常事件的性質，本文選取了以上4個區域及附近地區發生的天然地震（圖1中黑色五角星，表1中11～29號事件）與相應區域的異常事件做對比分析，選取的天然地震震級與異常事件相當。

2計算結果

由表1可見，異常事件的視應力明顯偏小，最小值為0.059bar，最大值為0.283bar;而地震事件的視應力值明顯偏大。繪制4個不同區域的異常事件與地震事件的視應力對比圖（圖2），結果顯示地震事件的視應力值均較異常事件大。由于異常事件的震級為ML2.5，ML2.6和ML2.8，同樣選取這3個震級的地震事件，求取相同震級的視應力平均值（圖3）。由圖3可見：①異常事件的視應力與震級無關，數值較小且比較穩定;②地震事件的視應力隨著震級增大而增大，與震級之間存在正相關關系，這一點與已有研究一致性較好（Mayeda，Walter，1996;Izutani，Kanamori，2001;陳學忠等，2011;李艷娥等，2015）;③隨著震級增大，地震事件與異常事件的視應力比值由4倍增加到7倍，顯示出異常事件明顯的低視應力特征。

3異常事件分析與討論

3.1發生時刻與位置

統計發現，本文異常事件發生時刻較集中，具有爆破事件發生時間較固定的特點。相反，地震事件的發生時刻相對分散，具有明顯的隨機性。異常事件震中分布圖（圖1）顯示，不同區域的事件分布均比較集中，顯示出發生地點的固定性特點。將異常事件震中投影到谷歌地圖上，這些異常事件的震中均位于采煤區或采礦區附近（距離<5km），并且與礦區的距離均在定位誤差范圍內。由此初步判定異常事件可能為爆破事件。

3.2P波初動方向

分析異常事件和地震事件的P波垂直分量初動方向，發現前者的初動方向全部向上，后者的初動方向有上有下。分析原因如下：爆破是膨脹源，產生的壓縮波無象限分布，P波垂直分量初動應都為向上;地震是巖石的破裂或錯動，產生的壓縮波有象限分布，P波垂直分量初動方向有向上也有向下（中國科學院地球物理研究所，1977）。因此，異常事件的P波垂直分量初動方向一致向上是符合膨脹源爆破特征的。

爆破過程中巖石直接受到的力是正壓力，沒有剪切力，因此爆破直接產生的波只有P波沒有S波，但由于巖石的不均勻性，破裂過程不能沿著初始力的方向破裂從而發生切變，產生S波，因此爆破有較強的P波群，S波相對偏弱（趙永等，1995;王婷婷，邊銀菊，2011）。本文分析了異常事件的波形特征，發現多數臺站記錄波形存在P波相對S波更加發育或發育相當的現象。該現象與爆破產生的波形特征吻合。由于篇幅有限，僅給出表1中4號異常事件和28號地震事件的NSS（牛首山）臺記錄的垂直向波形（圖4）。圖4顯示前者P波比較發育，后者S波比較發育。

3.3波形互相關

爆破具有發生地點固定的特點，因此發生于同一礦區的爆破應屬于重復記錄事件，同一臺站記錄的不同事件的波形相似度應該非常高。本文選取了三關口礦區和新井礦區同一臺站記錄的所有異常事件的P波垂直向波形，分別計算了同一

礦區不同事件的波形相關系數（圖5，6）。結果表明：①三關口礦區4次異常事件的波形相關系數最小值為0.3886，最大值為0.7649，平均為0.6271（圖5c），表明4次事件波形存在較好的相關性;如果僅分析其中3次相似度較高的波形事件（圖5b），得到相關系數的最小值和最大值分別

為0.6446和0.9492，平均值為0.8524，顯示出波形的高度相似性;分析認為三關口礦區4次異常事件中至少3次發生于同一個礦區，另外一次很可能發生于鄰近的礦區。②新井礦區3次異常事件原始波形（圖6a）的相關系數偏小，并且相關系數隨著時間變化逐漸變小（圖6c）;對3次事件的原始波形進行3～4Hz的帶通濾波（圖6b），再次計算其相關系數（圖6d），平均值為0.9048，說明波形相似度非常高。因此我們判定新井礦區3次異常事件也是發生于同一礦區的。綜上所述，通過波形互相關分析，充分印證了多次事件發生于同一地點的可能性非常大，明顯符合爆破發生地點固定的特點。雖然重復地震也存在波形相關性較高的可能，但本文異常事件并不是重復地震。

3.4小波包分量比

已有研究表明（楊選輝等，2005;曾憲偉等，2008a，b），利用小波包分量比方法可以實現地震與爆破的識別。本文選取的事件波形數據采樣率為100Hz，根據Nyquist采樣定理，可檢測信號頻帶為0～50Hz。選取P波垂直向記錄的512個數據點，每個事件的記錄臺站如表1所示，采用11階Daubechies小波基對數據段進行尺度j=3的小波包分解，頻帶（0～50Hz）被均勻分成23個，分別以E0，E1，E2和E3表示頻帶0～6.25Hz，6.25～12.5Hz，12.5～18.75Hz和18.75～25Hz內的信號能量。根據能量計算公式（曾憲偉等，2008a），可以得到每個事件不同頻帶內的能量比E0/E1，E0/E2和E0/E3。

由圖7可見：①異常事件與地震事件的能量比之間存在明顯分界線，前者均大于后者，說明異常事件很可能是非天然地震事件;②異常事件的能量比隨著頻率增加而快速增大，即異常事件低頻端能量較高，高頻端能量較低，且頻率越高能量越低，說明異常事件波形具有爆破波形低頻成分較發育的特征。以上分析結果表明異常事件應為爆破事件。因為爆破往往發生于地表，波形在傳播過程中有較長的路程在淺層，頻率越高衰減越快，顯示出低頻成分

3.5討論

地震與爆破發生模式的不同主要是二者在視應力方面存在差異。地震主要受控于區域構造應力的高低，區域應力積累到一定程度，達到斷層發生錯動所需的臨界應力值，積累的應力往往以地震的方式釋放出來，并且很難一次性釋放完全，往往以余震的形式逐步釋放掉剩余的應力。而震源區應力釋放是否完全可以通過主震與余震視應力的高低給出估計（盛書中，萬永革，2008）。地震的發生是斷層錯動的結果，伴隨著應力釋放往往表現為一個或快或慢的過程;爆破則是一個爆炸源的瞬時能量釋放，與地震的發生模式顯然不同。另外，地震與爆破的發生深度也存在明顯的差異。因此，地震與爆破的能量釋放造成的地面振動勢必存在差異，記錄波形高低頻成分的差異即是一種表現形式。研究表明（Zunigaetal，1987;Baltayetal，2011），視應力高的地震具有相對多的高頻能量，相反，視應力低的地震則具有相對多的低頻能量。由此可以解釋低頻成分比較發育的爆破事件往往是低視應力事件的原因。

4結論

本文通過分析寧夏及鄰區異常低視應力事件的發生時間和震中位置等，初步判定異常事件為疑似爆破事件。利用P波初動方向、波形互相關特征和不同頻帶能量比值等方法分析異常事件的波形特征，得出主要結論為：異常事件發生時刻較固定，發生地點較集中，并且P波垂直向初動均向上;同一臺站記錄的同一區域的不同異常事件波形相關系數較大;小波包分量比方法表明異常事件波形低頻信號比較發育。以上分析結果均表明這些異常低視應力事件應為爆破事件。分析異常事件視應力較低的原因，認為爆破事件低頻成分比較發育，波形低頻能量較高造成了視應力的低值異常。

爆破事件的視應力一般較地震事件低得多，且與震級大小無關，而地震事件的視應力隨著震級增大而增大。因此，視應力作為地震與爆破識別的一項手段或許是可行的。對于視應力值異常低的事件，應首先判定其是否為天然地震事件，不宜直接應用于分析研究工作;如果事件的性質判定有誤，把爆破作為天然地震進行區域視應力的分析研究工作，將給區域應力水平的判定帶來偏差。本文認為地震與爆破在視應力方面存在差異，但仍需要更加深入的研究分析。一方面，雖然目前視應力計算方法較為成熟，多數研究結果表明天然地震視應力與震級存在一定正相關關系，但視應力計算結果還是受多方面因素影響，部分地震的視應力計算結果存在一定偏差也是十分常見的。另一方面，計算視應力時沒有考慮剛度系數μ的不同，使用了同一個值，所以視應力更準確的計算需要考慮μ的不均勻性（盛書中，萬永革，2008）。同時，由于本文計算視應力的樣本量有限，視應力計算結果是否可以明確作為地震與爆破的識別手段尚需要根據后續不斷積累的大樣本計算結果進行更加深入的研究。

中國地震局地球物理研究所李艷娥副研究員提供了視應力計算程序，審稿專家對文章提出了建設性修改意見，在此一并致謝。

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

Keywords：apparentstress;blastingevents;waveformcrosscorrelation;spectralcomponentratioofwaveletpacket