0 引言

天然地震与人工地下爆炸的一部分能量均会引起震源附近质点的振动，并向周围传播地震波。地震因岩层剪切变形产生显著的横波。人工埋深爆炸是爆心瞬间相变的巨大推力引起地球内部的质点振动，震源周围激发的弹性波主要为径向球对称压缩波，即P波。

地震核查已成为监视地下核爆炸的有效技术途径。地震学分析为快速判定核爆等可疑事件震源类别提供有效的识别方法和实用技术（斯德哥尔摩国际和平研究所，1968；陈运泰等，2000）。从时间域的振幅周期测量，到频率域利用整个震相的频谱特征，并进一步扩展到倒谱域的峰值判据（陈运泰等，2000；魏富胜，2000；魏富胜等, 2003, 2010；Wei et al，2003, 2009；郭祥云等，2010），为鉴别人工爆炸与天然地震的震源性质发挥了重要作用。地震直达纵、横波的振幅比、体波震级与面波震级之比等判据方法，被认为是早期识别天然地震与其他地震事件的有效方法。事实上，震源信息贯穿于整个震相及波列之中，充分利用震相波列携带的丰富信息，有利于提高震源类型鉴别的可靠性。

文中利用区域性近距离地震台站观测资料，通过同一地震波列上不同震相之间的能量释放特征对比，引进时间域的新判据参量a，以有效识别天然地震与爆炸。

1 地震与爆炸的记录图特征

地震与爆炸的物理机制不同，地震波能量在各波段上的分配也不同。大多数地震属于发生在地壳中的构造地震。地震破裂断层的取向和性质以及引起破裂的、作用于地球内的应力，直接决定着所激发的震源地震波形态。

矿山、采石场等工程实施的TNT“黄色炸药”爆破，制造塑胶炸弹的RDX“黑索金”高能炸药起爆，核裂变的原子弹、核裂变加核聚变的氢弹的地下核爆炸，均能引起地球介质的震动。爆炸对周围介质的作用是由冲击波完成的，与构造地震的力学过程不同（赵永等，1995；中国地震局监测预报司，2009）。当爆炸发生时，起爆点周围介质存在剧烈的压强突跃作用，爆轰冲击波向各个方向膨胀、施压，在爆炸源腔内形成汽化区、液化区、塑性区，再往外才到达弹性区，在弹性区里，最大应力已经降到介质的弹性极限之下。炸药爆炸在岩土介质中产生的地震波是一种复杂的瞬态波，且质点振动不是稳定的简谐振动。

人工爆炸是浅源事件，一般几米、十几米，达到百米的已不多见。与天然地震构造相比，更容易将其视为“点源”，在半无限均匀介质中，球对称爆破源引起的质点初动均为离源方向，理论上不产生S波，但经传播，在地面上可观察到较弱的S波。因此，在爆炸产生的地震波列中，P波与S波的最大振幅比值远大于天然地震波的比值。

相对于天然地震震源岩层的断裂错动，地下核爆炸（魏富胜等，2003；中国地震局监测预报司，2009）源体积小。在起爆后的瞬间，大部分能量以动能形式，从汽化的单个原子中释放出来，从爆心以高速抛射出来的原子“碎片”在周围岩石中向外扩散的强压脉冲形成冲击波。在爆心附近的巨大压力下，岩石的剪切性质可以忽略不计。地震仪记录的体波为瞬时尖脉冲，S波振幅比P波小得多，形似深震，且面波相对发育。

对于区域性近震事件，容易观察到具有较大振幅较早到达的直达纵、横波。不同类型震源激发的地震波，在不同震相的振幅比例和频率成分上有差异，即能量的震相分配方式存在差异。

综上可知：地震是地下岩石在超过破裂强度的巨大应力作用下发生的错断，因岩层剪切而产生显著横波；爆炸是爆心瞬间相变的巨大推力激发地球内部的质点振动，源周围激发的弹性波主要为球形压缩纵波，球对称的爆炸源引起的质点初动均为离源方向，S波较弱。

在此以2007年1月20日韩国5.1级地震、2001年10月5日朝鲜2.7级化爆和2009年5月25日朝鲜核爆为例，分别给出区域性天然地震、人工化学爆炸、核爆炸的垂直向地震记录波形，明确可见各波形特征的不同，见图 1、图 2、图 3，图中纵坐标为相对振幅A，下方横坐标为时间t（单位s），上方横坐标为数据点个数。

由图 1可见，地震横波幅度远比纵波大，横波承载着地震波能量的主要部分。由图 2可见，化学爆炸的纵波最大振幅明显比横波大。由图 3可见，核爆炸初至Pn最大振幅甚至比Pg大，纵波振幅均比横波大，之后的瑞利面波比地震发育。

天然地震与人工爆炸间震源机理的不同，导致了地震波列能量在震相分配上的差异，呈现为地震记录图上各震相波段上的分布差异。为了标示事件震源物理性质的类属关系，引进一个新参量a，以定量描述地震记录的震源类型。

2 判据参量a

依据地震事件的震源物理机制及其地震波震相的动力学特征，借鉴倒谱域峰值判据c的数值分布规律（Kelly，1968；斯德哥尔摩国际和平研究所，1968；Anglin，1971；Woods et al，1997；魏富胜，2000；魏富胜等, 2003, 2010），利用事件震源激发地震波列的纵、横波能量释放分配差异对比，经过各类震源事件大量记录波形的特征分析和数值分布统计，在时间域定义新的对比参量a，公式如下

$ a = \lg \left[ {\frac{1}{k} \cdot \frac{{\int {_{{t_{{\rm{S0}}}}}^{{t_{{\rm{S1}}}}}{S^2}\left( t \right){\rm{d}}t} }}{{\int {_{{t_{{\rm{P0}}}}}^{{t_{{\rm{P1}}}}}{S^2}\left( t \right){\rm{d}}t} }}} \right] $

(1)

式中，S(t)为速度型垂直向地震波记录信号，携带震源信息，与传播路径的介质结构及台站记录仪器有关；对于区域性地震事件，t_S0、t_P0分别为直达横波Sg、直达纵波Pg的到时；t_S1= t_S0 +Δt，t_P1 = t_P0+Δt；Δt为积分限的时间窗宽度，根据震相波速及震中距或震相间走时差选取；k为与地区有关的经验性常量，且k≥1。

在定义式（1）中，对应震相到时触发信号时间窗的开启，时间窗的宽度即关闭时刻，兼顾以下原则：分析信号的震相独立性，震相幅度衰减的相对阈值控制，震相波速与震中距的协调关系，读图的经验性等。式（1）还选择了Δt_S = Δt_P的纵、横波同宽，且随每个记录台站而不同时长的时间窗。将分子、分母的积分下限设定为积分表达式的纵横波震相波列的到达时刻，实现时间窗分别依附对应震相的同步关联，体现了震相能量释放的物理依据，使参量a的物理基础明确牢固。

包含不同震相的同一地震波列，所经受的观测仪器、传播路径的滤波效应是相同的。通常，基于实测或经验的模型将观测信号在时间或频率域扣除介质与仪器的影响，以获得震源信息。这种反演过程强烈依赖于介质和仪器的数学模型。为了突显纵横波激发机理的差异，最大限度地提取震源物理信息，消除路径介质、仪器频带的共同影响因素，并简化计算，参量a采用纵横波震相的分式定义形式，试图通过分式的对比功能，在一定程度上消除或降低纵横波传播和记录过程中的共性因素，凸显机理迥异的震源主体因素，使震源信息获取变得简洁有效，更具实用化。

式（1）右侧，对于采用双力偶机制描述的构造地震的地震图，分子的横波能量积分显然大于分母纵波，分式数值应大于1；而对于球对称爆炸机制的人工地震，则a值应小于1。

利用同一记录上不同波段的特征量，对比反映事件震源差异的参量有：时间域波形复杂度c（Anglin，1971；Arora et al，1984），频率域基于高、低频的谱值比SR（Kelly，1968）以及三阶矩TMF等。Willis等（1963）、Woods等（1997）等分别考察了短周期体波、长周期面波、面波尾波波列的波形特征及其能量释放对比，认为短周期、垂直向P波与S波能量比（E_SpPz : E_SpSz），在内华达试验场区域3级以上地下核爆炸与地震的统计中存在趋势性分布，当高频段（f ≥ 4.0 Hz）时判据较为有效。然而，波形复杂度c方法无视事件大小、距离远近的预设固定值时间窗，易造成波形震相的截断丢失或异类叠加，失去作为立论依据的物理基础。至多只能说，c适用于事件震级适中、观测距离适宜的观测台站，缺乏普适性。Bradley等（1997）统计内华达试验场区各类震相的能量，仅呈现3级以上地震与爆炸的体波能量比E_SpPz : E_SpSz的分布趋势，这些参量离散的数值分布降低了事件标志的实用价值。

3 实例

为了观察a值对震源类型的依附效应，考察起始于区域性近震事件的记录资料，其震中距分布均小于1 000 km。针对同一地区（朝鲜半岛），搜集到2000年以来震级较大且范围在1.7—5.1、不同震源类型的24个事件，其中核爆事件3次，化学爆炸9次，天然地震事件12次，且所能搜集到的最大化学爆炸震级均较低，得到182个台站宽频带地震仪数字记录，计算速度型、垂直向波形的a值，得到每个台站记录波形的a值及每个事件的多台站算术平均a值分布。数据显示，与预期相符，a零值，即a = 0的直线，基本能够将天然地震与核爆、化爆等人工爆炸事件区分开来，见图 4、图 5。

将182个台站记录的24个各类事件垂直向波形a值与事件类型关系列于表 1，可见化学爆炸事件的误识率最高，达15%，但较大事件均能正确识别出来，主要原因之一是，化爆震级较小，台站记录波形质量较差，传播过程中的局部非均匀介质滤波效应混淆了较弱的震源信息。由图 4可见，台站a值对天然地震或人工爆炸事件的正确区分率为94%以上。如果采用每个事件的多台算术均值统计，则24个事件的a值均能按震源类型区分开来，见图 5，其中天然地震的a值大于零，人工爆炸的a值为负值，具体计算结果见表 2。

以34个台站记录的2013年2月12日朝鲜核爆炸波形a值分布为例，检验地下核试验爆炸单一事件的a值功效，其中a均值为-0.60，结果见图 6，可见该事件及各台站的a值同样落入上述a值值域随事件类型的分布区间，符合事件震源类型的属类关系。由表 2可见，3次核爆炸事件各台站的a值均为负值，再次表明了爆炸事件a参量的震源性质标示功能。

2017年9月3日，中国地震台站记录到朝鲜境内一次地震事件，宏观参数为：北京时间2017年9月3日11:30:01，41.35°N，129.11°E，震级6.3，震源深度0 km。图 7给出MDJ地震台对该事件的垂直向记录波形。

利用创建的地震事件震源识别abc模块系统，逐一计算10个地震台站记录的该事件垂直向波形a值，其中a均值为-0.59，结果见图 8，可见该事件a值均小于0，表明此次事件类型为爆炸。

数据还表明，波形参量a对于较大事件的识别效能普遍良好，当事件震级较小时，误识增加，与其他识别方法的效能趋势一致。同时，仅依据个别地震台的波形参量a鉴别震源性质难以保证准确性，利用多台站记录资料的互补性，可提高a判据的可靠性。

利用地震记录波形计算的a值判定事件的震源类型，分析表明二者具有以下关系：a零值直线基本能够把人工爆炸与天然地震区分开；地震的a值为大于零的正值，爆炸a值为负值。

4 讨论与结论

基于天然地震与人工爆炸的震源物理性质、发震过程及震源激发地震波的机理，利用观测波形的震相差异特征，在时间域引进标示爆炸与地震震源性质的参量a。a参量既吸收了振幅比、震级比判据的比较优势，又包含了承载地震波主要能量的体波波列上能量释放按纵横波震相分配的物理差异，物理基础明确，容纳了震源的主要信息。对同一地区24个不同震源类型事件的统计分析表明，a值对于震源性质的标识效能良好。

由式（1）可知，对于质量不变的运动质点，该分式是纵横波震相持续期间能量释放的直接对比。a值是整个震相波段上的信息积累，克服了振幅比、震级比等参量仅仅利用波列上孤立点特征值的信息局限。

参量a采用与震相持续关联浮动，依不同距离上震相特征及不同震级衰减快慢可灵活变宽的时间窗，能够自适应于更宽震级范围的事件及不同观测距离的台站记录，尤其降低了可分析事件的震级。在核武试爆的亚临界、解耦等逃避侦测现实下，a的适用性优势显而易见。统计表明，对数函数的创建克服了不同震级、不同深度以及不同观测区域间的数值离散，使数据统计方式合理有效，使参量a更加适用、易用，也继承了经典地震学中对数统计的传统优势。

对于区域性地震，直达纵横波是地震波能量释放的主要波段。P波段携带着震源信息最早出现在地震图上，较少受到传播路径介质及界面的干扰。S波形象较为突出，承载着较大能量。本方法将地震记录的垂直向直达纵横波段作为考察的基础资料，而未再跨到水平向上统计相应的横波能量积累，严格说来，应该称之为垂直分量上纵横波能量等时释放差异的对比。

判据a是在倒谱域成功创建了识别人工爆炸与天然地震震源性质的倒谱判据c之后的又一次新的探索。参量a的立论物理基础明确，分析技术简易，具有较高实用性。朝鲜半岛地区的统计结果表明，参量a作为标示震源类型的时间域识别判据，呈现出良好的应用前景，为地震事件的震源识别建立了一种实用的新方法。