0 引言

震相分析是微观地震学的核心工作，是提取数据的主要手段(赵荣国，1999)。震相在到时、波形、振幅、周期和质点运动方式等方面具有其自身特征。震相特征取决于震源、传播介质和接收仪器的特性(许玉红等，2014)。在天然地震与人工地震事件分类识别中，如何提取有效的识别震相特征是关键(靳玉贞，2015)。天然地震多发生在地壳深处，震源是非对称剪切源；爆破多位于地表附近，爆破源为对称膨胀源。由于天然地震与爆破的震源机制不同，低频段和高频段的表现特征存在明显区别。需要及时识别人工源引发的非天然地震与天然地震信号，避免地震目录混淆，顺利开展地震编目及研究工作(王婷婷，2011)。

曹妃甸地震台网位于渤海湾北部地区，该区属华北季风性暖温带滨海半湿润气候，大陆季风气候显著。春季干旱少雨；夏季多偏南风，炎热潮湿；秋季天气晴朗，昼暖夜凉；冬季盛行西北风，寒冷少雪(赵建明等，2015)。渤海湾北部地区地形较为平坦，地貌类型单一，基底构造较复杂，附近构造主要有西南庄断裂、高柳断裂、柏各庄断裂、渤中断裂、唐山断裂等，新构造运动强烈，地震活动频繁，曾发生1888年7.5级地震和1969年7.4级地震。唐山市矿产资源丰富，是进行各种矿产资源开采的主要地区之一，曹妃甸地震台网日常记录中包含许多人工爆破信号，如2015年8月12日天津滨海化学爆炸信号即被接收。对天然地震与爆破进行对比分析并做频谱分析处理，可以快速准确地判断识别各类地震事件，提高地震速报的准确性，为天然地震监测和短临预报提供基础研究素材，进而为研究地震发生机制奠定基础。

1 资料选取

曹妃甸地震台网始建于2010年，为河北省地震安全工程项目——曹妃甸近海海域地震观测台网建设工程，隶属于河北省地震局，2013年建成投入运行，主要负责环渤海地区地震活动观测，下辖南堡、甸头、月岛地震台3个子台，并通过网络实时接收临近地区34个地震台站波形数据(图 1)。

截取曹妃甸地震台网监测的0.8—4.2级天然地震及典型人工爆破波形进行分析，并对2015年8月12日天津爆炸、2015年9月14日河北昌黎4.2级地震及2015年10月5日河北迁安矿爆3个典型事件行重点分析，对比波形特征，并通过Matlab软件进行傅里叶变换，从而进一步识别天然地震与爆破信号，总结爆破波形判断依据。

2 数字记录特征

天然地震是地球内部活动引发的地震，主要指地下岩石受应力超出其弹性限度时，沿地质断层发生突然滑动而产生的构造地震。天然地震振动时间较长，多为几秒至几十秒，震源深度较深，一般几千米至几百千米，其波形成分复杂，具有衰减慢、波及面积大等特点。爆破是人工源，瞬间发生，作用时间短，震源体积小，振动时间短，其优势周期比天然地震小(闫俊岗等，2011)，主要由采矿等工程活动引发，一般发生在近地表至地下3 km范围内介质密度相对较低的地表岩层。统计2014年以来曹妃甸测震台网记录的天然地震和爆破，具体数据见表 1。

由表 1可知，曹妃甸测震台网几乎每天接收到爆破信号，一般集中在12时—18时，多发生在煤矿集中的河北迁西、迁安等地；而天然地震的发生时间是随机的，多发生在靠近断裂带的河北滦县等地。

2.1 天然地震

由表 1可见，天然地震P波初动方向不确定。这是因为，地震由岩石破裂或错动造成，产生的压缩波和膨胀波有象限分布(郑培玲，2014)。与爆破相比，天然地震的衰减时间一般较慢，持续时间较长。以2015年9月14日昌黎4.2级地震为例，分析天然地震记录波形特征。曹妃甸地震台接收到的该地震波形见图 2，使用MSDP软件观察波形特征，可知此次昌黎地震P波初动向下，开始时振幅较小，周期较小，S波到达后，振幅变大，周期变大，变化较为显著；P波、S波到达时间有一定间隔，且面波不发育、衰减慢，地震波形呈纺锤型。

2.2 爆破

由于爆破是膨胀源，产生的压缩波无象限分布(牟剑英，2015)。从表 1可知，爆破波形P波初动方向向上。爆破发生在地表，主要在地表浅层传播，能量损失较大，与天然地震相比，爆破的衰减时间一般较快。以2015年8月12日天津滨海新区爆炸波形及2016年10月5日河北迁安矿爆波形(图 3)为例，分析爆破波形特征。

由图 3可知，爆破波形P头较大，在垂直方向初动向上，且形状尖锐，P波振幅较大，周期较长，S波振幅相对较小，体波为瞬时脉冲型记录，头部发育，且地震台网波形记录中均可观测到明显的面波。

3 频谱特征分析 3.1 快速傅里叶变换

快速傅里叶变换方法是重要的数字信号处理方法之一，属于一种特殊线性积分变化，能够将难以直接分析处理的振动信号转化易于理解的频域信号，从而较为准确地表述该振动信号的频率特征。非周期性连续时间信号x(t)的傅里叶变换公式为

$X=\int\limits_{-\infty }^{\infty }{X\left( t \right){{\text{e}}^{-j\omega t}}\text{d}t}$

(1)

式中，X为信号x(t)的连续频谱，但在实际控制系统中只能得到连续信号x(t)的离散采样值x(n)，此时需要利用离散信号x(n)计算x(t)的频谱。设有限长离散信号x(n)的DFT定义为

$\begin{matrix} X\left( k \right)=\sum\limits_{n=0}^{N-1}{X\left( n \right)W_{N}^{kn}} & \left( k=0,1,\ldots ,N-1 \right) \\ \end{matrix}$

(2)

式中，x(n)为有限时间序列，N为有限时间序列采样点数，X(k)为x(n)的傅里叶变换(万永革，2007)，W_N= e^-2jπ/N。

3.2 幅频曲线分析

将2015年9月14日昌黎地震及天津滨海爆炸和迁安矿爆波形进行频谱分析，见图 4和图 5。由图 4可见，天然地震波形振幅较大，优势频率域相对较宽，多集中在0—20 Hz，而在图 5的爆破幅频曲线中，发现爆破波形振幅较小，优势频率域明显较窄，多集中在0—5 Hz。此规律可以作为天然地震与爆破的区别方法之一。

4 结论

综上所述，可知爆破与天然地震判断的依据有：① 天然地震P波的初动方向不确定，而爆破记录波形P波初动向上，且天然地震持续时间长；② 爆破初动波形强而尖锐，P波振幅较大，周期较长，且振幅较S波大，而天然地震P波振幅则比S波小；③ 从频谱分析上看，4.0级以上天然地震振幅远高于爆破，其释放能量比爆破高得多；④ 爆破的高频成分能量衰减较快，优势频率域集中在较窄频段；而天然地震高频能量衰减较慢，且频率较为丰富，优势频率域较宽；⑤ 时间及地点可作为环渤海地区爆破与天然地震的辅助判据之一，这是因为，爆破多发生在固定时间和地点，且数量有限，而地震由地球内部活动引发，时间地点不确定。

通过对曹妃甸地震台网记录的爆破与天然地震数字化资料进行分析，得出一种普遍适用且简单高效的判断依据，有利于减轻环渤海地区地震灾害影响，为京津冀防震减灾工作提供政策依据，从而更加有效地保障国家和人民生命财产安全。当然，并非所有地震或爆破事件具备上述典型特征，需经多台站、多途径综合判别分析(郑秀芬等，2006)。本文收集的地震事件资料有限，对判定天然地震与爆破性质尚有诸多不足，如：未进行地震与爆破的拐角频率分布、顶峰频率分布及卓越周期统计，在今后研究中将逐步完善。