0 引言

近年来，随着人工爆破作业在经济、生活中广泛应用，快速、准确地识别人工爆破事件成为地震速报的一项重要工作。人工爆破与天然地震在波形特征、频谱分析方面取得一定进展（袁芬等，2004；刘莎等，2012；蔡杏辉等，2013；王婷婷等，2014），但多数研究中使用的爆破资料是地震速报中人工挑选而来，大多未经现场调查核实，不排除参杂少量难以区分的疑爆事件的可能，对识别判据的准确性造成一定影响。琼北地区是海南岛地震、火山的活跃地区，区域地质条件复杂，地壳构造、火山和地震活动均较强烈。1605年海口琼山7½级大地震，使琼北成为研究热点地区之一。2006年中国地震局地球物理勘探中心开展“海口市活断层探测与地震危险性评价”项目野外地震测深剖面资料采集工作，获得确定可靠的井下人工爆破数据资料。

本文搜集“海口市活断层探测与地震危险性评价”项目中琼北地区确定性井下人工爆破事件，选取该地区天然地震事件，从P波初动方向、振幅比、周期比、发震时间、尾波持续时间、最大振幅与尾波持续时间比等波形特征参数进行分析，梳理该地区确定性人工爆破与天然地震的波形特征，以便为日常提取并分析地震事件类型提供有效依据，有助于提高日常地震事件类型判定的准确性。

1 资料选取

“海口市活断层探测与地震危险性评价”项目在琼北地区布设了1条长度为190 km的浅层地震探测剖面，实施人工爆破激发地震波，采用井下钻孔爆破源，沿剖面分别在20个炮点实施20次200—1 305 kg级炸药量的爆破，测线方位72°，呈SW—NE方向展布，最小炮距一般3—8 km，最大炮距约15 km。海南省地震监测台网及广东、广西测震台网共享子台共记录到此次人工爆破事件20次，震级为M_L 2.0—3.0。以20次井下人工爆破资料为基础，选取琼北地区2000—2015年M_L 2.0—3.0天然地震事件29个。对20次人工爆破和29次天然地震事件（表 1），挑选454组记录进行波形特征分析，其中人工爆破记录132组，天然地震记录322组。

海南地震监测台网与广东、广西测震台网共享子台有33个测震台，陆地台站间距平均50 km，覆盖整个雷琼地区（图 1）。地震台站观测仪器主要使用BBVS-60型、CMG-C3ESPC型、KS-2000M-60（120）型地震计，配备EDAS-24L型24位数据采集器，采样率为100 bps，采用GPS统一授时和定位系统，数据采集的时间服务精度优于l ms。琼北地区大地构造上隶属于东南沿海褶皱系，区内以差异性断块升降、第四纪基性岩浆活动频繁、活动断裂发育为特征，是雷琼地区重要的地震活动区（谢振福等，2006）。此次人工爆破探测剖面与天然地震将琼北地区的马袅—铺前断裂(F₁)、王五—文教断裂（F₂）、铺前—清澜断裂(F₃)、海口—云龙断裂(F₄)、长流—仙沟断裂(F₅)等构造带控制在其中（图 2）。

2 判据特征分析 2.1 P波初动方向

对琼北人工爆破132个记录P波初动进行读取，能清晰读出初动方向105个，其中初动向上95个，占90.5%，初动向下10个，占9.5%，初动向上与初动向下比9.5:1。人工爆破清晰P波初动方向见图 3(a)，初动向上用+1表示，初动向下用-1表示。可见，人工爆破记录中，90%以上的P波初动向上。

对天然地震322个记录的P波初动进行读取，能清晰读出初动方向267个，见图 3(b)，其中初动向上149个，占55.8 %，初动向下118个，占44.2%，初动向上与向下比为1.3:1。可见，天然地震P波初动向上与向下的数量基本持平。在理想情况下，地震台站均匀分布于地震四象限时，P波初动向上和向下的数量应相同，若地震台站分布不均匀，如琼北地区周边海域无地震台站分布，则会出现P波初动向上与向下比值不等于1而是接近1的情况。

图 3是对人工爆破和天然地震事件记录进行总体分析，反映P波初动方向总体特征。统计单个爆破和地震事件的P波初动向上符号，单独计算每个爆破和地震的初动向上占全部初动符号的比例，统计结果见图 4，图中红五角星表示爆破，实心圆表示地震。

由图 4可见，每个人工爆破事件的P波初动向上比例介于75%—100%，平均值为93%；每个天然地震P波初动向上的比例介于20—75%，平均值为56%。

以上分析表明，人工爆破是膨胀源，P波初动以向上为主，但即使是确定的人工爆破源，仍可能存在≤10%的P波初动向下，可能与地下介质、仪器极性、波形干扰、人工读取误差等有关；天然地震在地震台站均匀分布于地震四象限时，P波初动向下与向上的比例基本一致。由此可知，P波初动方向可作为区分人工爆破和天然地震的主要判据。

2.2 振幅比

理论上人工爆破主要产生P波，但由于爆破方式、传播路径等影响，也可能派生出S波，因此爆破有较强的P波群，S波则相对较弱。地震发生过程中，岩石发生剪切错动，大多数地震会产生较强的S波（赵永等，1995）。选取49个事件的垂直向P波初动振幅与S波最大振幅比P_c/S_m及P波最大振幅与S波最大振幅比P_m/S_m进行计算。每个事件各记录台站振幅比结果平均值为振幅比值，从而去除因台站方位及震中距而引起的差异。

统计琼北地区P波初动振幅与S波最大振幅比P_c/S_m值及P波最大振幅与S波最大振幅比P_m/S_m值，见图 5（图中红五角星表示爆破，实心圆表示地震）。由图 5可见，本研究的计算结果与王婷婷等（2011）对首都圈地区的研究结果一致，具体体现在：人工爆破的P_c/S_m值大多大于0.5，平均值为1，而天然地震的P_c/S_m值大多小于0.5，平均值为0.3，振幅比P_c/S_m的识别阈值可取0.5；人工爆破P_m/S_m值基本大于1，平均值为2.2，而天然地震的P_m/S_m值大多小于1，平均值为0.6，振幅比P_m/S_m的识别阈值可取1。

以上振幅比计算数据表明，P波初动振幅与S波最大振幅比（P_c/S_m）、P波最大振幅与S波最大振幅比（P_m/S_m），能清晰反映人工爆破与天然地震的振幅差异，可作为区分二者的主要判据。

2.3 尾波持续时间

人工爆破发生在地表，传播路径主要为地表浅层（土层），介质密度较低，能量损失较大，随距离衰减快。天然地震通常发生在地下几到几十千米，波的传播路径主要在岩层，能量损失较小，衰减较慢，波形持续时间长。读取人工爆破和天然地震的尾波时间，量取长度为从最大S波振幅开始到接近噪声水平的时间段。统计所选取的人工爆破和天然地震尾波持续时间，发现人工爆破尾波持续时间平均14 s，而地震尾波持续时间平均21 s，可见爆破尾波持续时间普遍较短，见图 6（图中红五角星表示爆破，实心圆表示地震）。由此可知，尾波持续时间可作为区分人工爆破与天然地震的判据之一。

2.4 最大振幅与尾波持续时间比

计算49个事件的P波最大振幅与尾波持续时间比P_m/T_c值及S波最大振幅与尾波持续时间的比S_m/T_c值，统计结果见图 7（图中红五角星表示爆破，实心圆表示地震）。由图 7可见：大多数人工爆破和天然地震的P_m/T_c值基本相同，难以区分，爆破的P_m/T_c平均值为0.4，而地震P_m/T_c平均值为1.1；人工爆破S_m/T_c比值偏小，平均值为0.3，而天然地震的S_m/T_c比值普遍大于人工爆破比值，平均值为2.6。因此，S波最大振幅与尾波持续时间的比S_m/T_c值可作为区分人工爆破与天然地震的判据之一。

2.5 周期比

图 8（图中红五角星表示爆破，实心圆表示地震）为P、S波最大振幅周期比值，人工爆破与天然地震的最大振幅周期比T_S/T_P值基本相同，人工爆破的T_S/T_P平均值为1.3，天然地震T_S/T_P平均值为1.5。由此看来，利用琼北P、S波最大振幅周期比值T_S/T_P，不能明显区分人工爆破和天然地震。

2.6 事件发生时间

研究显示，人工爆破时间分布具有明显规律性，天然地震事件则无明显的时间规律。郭培兰等（2015）研究发现，广西地区爆破时间主要发生在白天，优势分布在中午11—13时与下午17—18时，晚上基本不进行爆破作业。蔡杏辉等（2013）对福建地区人工爆破研究发现，爆破事件多发生在中午和下午，占73%。

由于爆破是人工作业，发生时间一般较为规律，而天然地震发生的时间则是随机的，没有规律。统计所选取的琼北地区人工爆破和天然地震的发震时间，见图 9，可见琼北天然地震随机发生，人工爆破则发生在凌晨1时—4时。为了最大限度地减少车辆、人为活动等干扰，“海口市活断层探测与地震危险性评价”项目野外爆破在夜间进行作业，且主要在夜间进行3次爆破，时间间隔10 min。不同需求的爆破作业时间不同，且对于单个事件而言，发震时间难以作为识别爆破和地震的有效判据，仅可根据事件发生的强度、规律性，并结合其他判据，作为二者识别的参考因素。

3 结论

通过对琼北地区确定性井下人工爆破和天然地震波形特征参数的综合分析，认为：P波初动方向、振幅比可作为识别人工爆破和天然地震的主要判据，尾波持续时间、最大振幅与尾波持续时间比可作为识别判据之一，事件发生时间只能作为参考因素，周期比则不能区分二者。

（1）P波初动方向。琼北井下人工爆破P波初动向上与向下的比例为9.5:1，而天然地震的比例则为1.3:1。理论上，人工爆破是膨胀源，产生压缩波，P波初动以向上为主，而天然地震在台站均匀分布于四周时，初动向下与向上的比例基本一致，且呈四象限分布。

（2）振幅比。琼北井下人工爆破P_c/S_m值大多大于0.5，均值为1，而天然地震P_c/S_m值大多小于0.5，均值为0.3，识别阈值取0.5。琼北人工爆破P_m/S_m值大多大于1，天然地震P_m/S_m值大多小于1，识别阈值取1。理论上，人工爆破主要产生纵波，有较强的P波群，S波相对较弱；天然地震主要以岩石发生剪切错动为主，大多数地震会产生较强的S波。琼北井下人工爆破和天然地震的P_c/S_m、P_m/S_m结果较好的显示了这种特点。

（3）尾波持续时间。琼北人工爆破尾波持续时间平均14 s，而地震则为21 s。人工爆破发生在地表，能量损失较大，尾波持续时间较短。而天然地震通常发生在地下几到几十千米，能量损失较小，尾波持续时间较长。

（4）S波最大振幅与持续时间比。人工爆破S_m/T_c值偏小，平均值为0.3，而天然地震的S_m/T_c值普遍较大，平均值为2.6。

（5）发震时间。人工爆破时间一般比较规律，通常发生在白天或晚上的特定时间段，而天然地震的发生时间随机，无规律可言。