• ISSN 1001-1455  CN 51-1148/O3
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基于爆炸地震波分析3次爆炸事件的主要特征

郝春月 郑重

郝春月, 郑重. 基于爆炸地震波分析3次爆炸事件的主要特征[J]. 爆炸与冲击, 2014, 34(6): 730-735. doi: 10.11883/1001-1455(2014)06-0730-06
引用本文: 郝春月, 郑重. 基于爆炸地震波分析3次爆炸事件的主要特征[J]. 爆炸与冲击, 2014, 34(6): 730-735. doi: 10.11883/1001-1455(2014)06-0730-06
Hao Chun-yue, Zheng Zhong. Main characteristics for three explosion events based on explosion waves[J]. Explosion And Shock Waves, 2014, 34(6): 730-735. doi: 10.11883/1001-1455(2014)06-0730-06
Citation: Hao Chun-yue, Zheng Zhong. Main characteristics for three explosion events based on explosion waves[J]. Explosion And Shock Waves, 2014, 34(6): 730-735. doi: 10.11883/1001-1455(2014)06-0730-06

基于爆炸地震波分析3次爆炸事件的主要特征

doi: 10.11883/1001-1455(2014)06-0730-06
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  • 中图分类号: O381

Main characteristics for three explosion events based on explosion waves

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  • 摘要: 主要分析全球地震台网牡丹江和白家疃地震台记录的2006年10月9日、2009年5月25日和2013年2月12日的3次爆炸事件。主要通过3次事件P震相振幅比和功率谱比值估计了3次事件的能量比,采用互相关方法计算了3次事件的相关系数,对比震相波形探讨3次事件发生的相对位置。2013年的爆炸事件与2009年的爆炸事件相比,三分向最大单振幅比值和功率谱比值平均分别为2.2和2.6;与2006年的爆炸事件相比,三分向P震相最大单振幅比值和功率谱比值平均分别为11.1和13.9。该结果暗示了2013年爆炸事件释放的能量高于2009年爆炸事件的2倍,高于2006年爆炸事件的10倍。在2~4 Hz频段内,2013年爆炸事件与2006年爆炸事件、2009年爆炸事件三分向波形的最大相关系数平均分别为0.90和0.99。相关性分析结果表示,3次爆炸事件在能量的主要集中频段高度相关,这表明3次爆炸事件发生的位置相距很近。相对位置分析表明,2013年爆炸事件发生的位置在2009年爆炸事件发生位置的东偏南方向。
  • 2006年10月9日1时35分(世界时, UTC), 全球地震台网(GSN)记录到一次爆炸事件。根据美国地质调查局所属的国家地震信息中心提供的地震目录(PDE), 此次爆炸事件发生的位置为北纬41.294°、东经129.094°, 震级为mb4.3, 深度为0 km[1]。该事件距离GSN的牡丹江地震台(MDJ)约3.34°, 方位角为186.4°。2009年5月25日0时54分(UTC), GSN记录到一次爆炸事件, 位置为北纬41.303°、东经129.037°, 震级为mb4.7, 深度为0 km[2]。该爆炸事件发生的位置距离牡丹江地震台约3.34°, 方位角为187.1°。2013年2月12日2时57分(UTC), GSN记录到一次爆炸事件, 位置为北纬41.308°、东经129.076°, 震级为mb5.1, 深度为0 km[3]。该爆炸事件发生的位置距离牡丹江地震台约3.33°, 方位角为186.7°。这3次爆炸事件均位于朝鲜东北部咸镜北道吉州郡附近的丰溪里试验场。W.Y.Kim等[4]曾对2006年爆炸事件和爆炸事件所在区域的地震事件进行过判据方面的研究, 范娜等[5]对这3次爆炸事件的震级进行过分析。由于这3次爆炸事件发生的位置较近, 震级逐渐递增, 本文中主要对这3次爆炸事件的能量比、相关性和相对位置进行研究。本文中, 对牡丹江地震台3个分向(垂直向Z/北南向N/东西向E)记录的3次爆炸事件进行了P波振幅比、体波和面波功率谱比、初动震相相关系数的计算与分析。为了更好地研究这3次爆炸事件的相对位置, 还引进了GSN白家疃地震台(BJT)记录的波形数据。牡丹江地震台位于中国黑龙江省东南部, 白家疃地震台位于北京西北部, 同属于GSN。为方便起见, 用E06、E09和E13分别表示2006年、2009年和2013年发生的3次爆炸事件。

    3次爆炸事件均被牡丹江和白家疃地震台记录到, 牡丹江地震台记录的3次爆炸事件都很清晰, 信噪比较高, 见图 1(a)。白家疃地震台由于距离较远(震中距约1 000 km), 只清晰地记录到了E09和E13。对于E06, 经过2~4 Hz滤波也能清晰地看到Sg震相, 但Pg震相被淹没在噪声里, 见图 1(b)。

    图  1  2个地震台垂直向(Z)记录到的3次爆炸事件的波形
    Figure  1.  Waveforms of three explosion events recorded by two seismic stations in vertical direction (Z)

    图 1(a)显示了120 s的波形数据。每幅图上显示的4个重要震相分别为Pn(首波, 即Moho面绕射纵波)、Pg(直达纵波)、Sg(直达横波)和瑞利波。3次爆炸事件的体波清晰, Z向体波最大振幅的比值如表 1所示。由于震级的计算也是利用最大振幅, 所以最大振幅的比值在一定程度上描述了3次爆炸事件爆发能量的关系。表 1给出了最大体波振幅比和最大面波振幅比。根据表 1, 把最大体波振幅和最大面波振幅比进行平均, 可得出E13最大振幅是E09最大振幅的2.3倍, 而E13的最大振幅是E06最大振幅的10.1倍。

    表  1  牡丹江地震台Z向记录的3次爆炸事件的振幅比
    Table  1.  Amplitude ratios between three explosion events recorded by Mudanjiang seismic station in vertical direction (Z)
    A13/A09A13/A06
    Pg瑞利波Pg瑞利波
    2.22.411.19.1
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    在白家疃地震台记录的3次爆炸事件中, 面波不发育, E06的Pg震相不清晰, 所以没有进行能量比和相关系数的计算, 引进白家疃地震台数据的主要目的是对这3次爆炸事件的相对位置进行分析。

    为了了解3次爆炸事件在频率域的能量分布情况, 对3次爆炸事件进行了功率谱的计算与分析。功率谱分析采用Welch平均周期图法。Welch平均周期图法是对直接法的改进, 即把一长度为N的数据xN(n)分成L段(在分段时可允许每一段的数据有部分的重叠), 每一段的长度为M, 分别求每一段的功率谱, 然后加以平均。第i段的功率谱可由下式表示[6]:

    P(i)per (w)=1MU|M1n=0x(i)N(n)d(n)ejwn|2
    (1)

    式中:w为频率; (n)为归一化因子, 使用它是为了保证所得到的谱是渐近无偏估计; d(n)是Hanning窗。这样, 几段的平均功率谱为:

    Pper (w)=1MULLi=1|M1n=0x(i)N(n)d(n)ejwn|2
    (2)

    在此, 分别对2个时间窗进行了功率谱估计, 一个为P波组的15 s时间窗, 另一个为面波组的15 s时间窗。根据郝春月等[7]的研究结果可知, 前2次事件体波主要能量集中在2~4 Hz, 所以首先对3次事件的体波时间窗进行2~4 Hz频段的带通滤波, 又由于瑞利波的主要频段集中在1 Hz以下[8], 而后, 对面波组时间窗进行了1 Hz以下的低通滤波。计算功率谱所用的15 s P波组和面波组数据均为600个采样点(采样率40 s-1), 利用Hanning窗, 窗长为256点, 重叠128点。3次事件的功率谱计算完毕后, 可以得出3次事件中每对事件的功率谱点对点的比值。图 2给出了3次爆炸事件垂直向记录中体波和面波的功率谱和功率谱比值。从图 2可以看出E06、E09、E13爆发能量是递增的, 谱比值见表 2

    图  2  牡丹江地震台记录的3次爆炸事件Pg震相和瑞利波之间的功率谱与谱值比
    Figure  2.  Power spectrum densities for the Pg and Rayleigh wave of the three explosion events and the ratios of them
    表  2  E13与E06、E09 Pg和瑞利波的功率谱比
    Table  2.  Power spectrum ratios of E13 to E06 and E09
    P13/P09P13/P06
    Pg瑞利波Pg瑞利波
    2.62.713.913.0
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    计算功率谱是为了对3次爆炸事件释放的能量进行对比, 并且牡丹江地震台的传递函数在3次事件之间没有变化, 所以没有对波形进行去除仪器传递函数的计算。因为在计算3次事件的谱值比的过程中, 会抵扣掉传递函数, 所以省却了这个步骤。省掉这个步骤的结果是图 2显示的3次事件功率谱的纵轴单位不是(m/s)2, 也不是表示能量衰减所用的dB, 而是量纲为一。

    表 2中分频段给出了3次爆炸事件的功率谱比值。2~4 Hz频段(Pg震相的优势频段), E13与E06的Pg震相功率谱比值P13/P06=13.9, 而E13与E09的谱比值P13/P09=2.6。瑞利波的主要频段为1 Hz以下, 在此频段, P13/P06= 13, P13/P09=2.7。功率谱代表了能量, 把Pg与瑞利波震相的功率谱比平均, E13释放的能量是E06的13.5倍, 是E09的2.7倍。

    为了探索3次事件的相似性, 对牡丹江地震台记录的3次事件的垂直向、北南向和东西向数据进行了相关性分析。为了对相似性进行定量地描述, 对3次事件的相关系数进行了计算。首先对波形进行2~4 Hz的带通滤波, 然后, 选用了3次爆炸头2 s的数据进行了相关系数的计算。选择相关系数计算的时间窗一般为1~2 s[9-10], 在此选择2 s, 使波形窗能包含更多的震相信息。

    2个时间序列的互相关函数可以表示为[11]:

    c=Ni=1[x(i)ˉx][y(i)ˉy]Ni=1[x(i)ˉx]2Ni=1[y(i)ˉy]2
    (3)

    式中:x(i)和y(i)分别为2个事件xy的时间序列, N为数据样本点的个数, N个样本点的平均值。

    根据郝春月等[7]的计算结果, 知道前2次事件的主要能量集中在2~4 Hz, 所以对这3次事件进行了该频段的滤波。再根据式(3), 计算得出牡丹江地震台三分向记录的3次爆炸事件波形相关系数的分析结果, 由于篇幅限制, 图片只给出垂直向结果, 见图 3。根据计算, 得出E13与E06垂直向、北南向、东西向波形的最大相关系数分别为0.92、0.88和0.92;E13与E09垂直向、北南向、东西向波形的最大相关系数为0.99、0.99和0.98。可见E13与E09的相关系数较高, 接近于1。E13与E06的相关系数较小, 这也可能是由于E06的震级较小, 波形信噪比较低造成的, 因为低信噪比的波形计算会导致精度降低。3次事件的相关性分析表示, 3次事件在它们的主要能量分布频段高度相关。这个结果表明3次爆炸事件发生的位置相距很近, 根据经验[12], 应不超过5 km。

    图  3  E13与E06、E09垂直向记录的相关系数计算结果
    Figure  3.  Calculated correlation coefficients between E13 and E06, E09 recorded in vertical direction

    3次事件具有特殊性, 对它们进行精确定位具有重要意义。

    为了精确定位地震位置, 一般在地震活动区建立很多台站, 形成一个区域地震台网。台网中台站的监测能力能够覆盖该地区[13]。根据区域地震台网管理规定, 一个区域地震台网的定位误差小于5 km时, 一般定义为Ⅰ类精度, 也就是最好的定位结果。3次爆炸事件发生位置的周围没有区域地震台网, 而GSN的地震台站分布稀疏, 其中距离3次爆炸事件位置最近的是牡丹江地震台, 震中距为300多千米。在台站稀疏并且没有区域台网的情况下很难对3次爆炸事件进行精确定位, 也就是利用常规方法很难达到Ⅰ类精度的定位。鉴于确定绝对位置存在困难, 本文中准备研究其相对位置。弄清其相对位置, 对判断该地区以后爆炸事件的发生位置、侦破该地区的地质构造都具有重要意义。

    根据3次爆炸事件的相关性分析, 判断3次爆炸事件组成的区域小于5 km, 而本文中要研究3次爆炸事件的相对位置, 就是要求精度比Ⅰ类高。由于E06震级较小, 初动不清晰, 初动读数误差将使定位精度大大降低, 从而不能达到超越Ⅰ类精度的要求, 所以只针对E09和E13, 计算其相对位置。

    众所周知, 假设虚波速度不变, 震中距越远, 则Sg与Pg的到时差tSg-tPg和Pg与Pn的到时差tPg-tPn就越大[14]。牡丹江地震台记录的波形出现了Pn震相(图 1(a)), Pg震相振幅最大。把牡丹江台记录的2次事件的Pn震相两两对齐, 最大的Pg震相进行对比, 见图 4(a)。白家疃地震台距离事件位置1 000多千米, 最明显的震相是Pg和Sg(图 1(b)), 把白家疃地震台记录的2次事件的Pg震相两两对齐, Sg震相的最大振幅进行对比, 见图 4(b)。

    图  4  牡丹江与白家疃地震台记录的E13、E09的相对位置分析
    Figure  4.  Analysis of the relative location between E13 and E09 recorded by MDJ and BJT

    图 4(a)给出了牡丹江台记录的E13与E09 Pg震相的波形对比。可以看出, E13的Pg震相比E09的晚到, 由于牡丹江地震台位于爆炸事件位置的北偏东方向(图 5), 可以得出E13事件在E09事件的南侧; 图 4(b)给出了白家疃台记录的E13与E09间Sg震相的波形对比。可以看出, E13的Sg震相比E09的晚到, 由于白家疃地震台位于爆炸事件位置的西偏南方向(图 5), 可以得出E13在E09的东侧。根据牡丹江、白家疃和2次爆炸事件的地理方位, 可以判断, E13位于E09的东南方向, 见图 6图 6只是示意图, 并不表示事件的真实位置。

    图  5  台站与事件的相对位置
    Figure  5.  Distribution of stations and explosions
    图  6  3次爆炸事件的相对位置
    Figure  6.  Relative location of three explosions

    本文结果与美国NEIC给出的PDE结果(图 6)不同, 尤其是E13事件, 牡丹江地震台的波形很清晰, 在Pn对齐后, E13的Pg震相比E09的晚到, 即E13的震中距比E09的震中距大, 又由于牡丹江地震台位于爆炸事件的北偏东方向, 所以E13位于E09的偏南方向。

    2013年爆炸事件(E13)爆发能量是2009年爆炸事件(E09)爆发能量的2倍多, 是2006年爆炸事件(E06)爆炸能量的10多倍。

    在2~4 Hz频段内, E13与E06和E09三分向波形的最大相关系数平均分别为0.90和0.99。分析3次爆炸事件的相关性可知, 在2~4 Hz频段, E13与E06和E09高度相关。这表明这3次事件发生位置相距很近, 根据经验, 总孔径不超过5 km。

    E13发生位置位于E09的东南方向, 该结论与2013年2月5日郑州晚报的报道[15]相符, 该报道暗示2013年爆炸事件发生在丰溪里试验场西侧坑道(2009年爆炸事件发生地)东南向的南侧坑道。

  • 图  1  2个地震台垂直向(Z)记录到的3次爆炸事件的波形

    Figure  1.  Waveforms of three explosion events recorded by two seismic stations in vertical direction (Z)

    图  2  牡丹江地震台记录的3次爆炸事件Pg震相和瑞利波之间的功率谱与谱值比

    Figure  2.  Power spectrum densities for the Pg and Rayleigh wave of the three explosion events and the ratios of them

    图  3  E13与E06、E09垂直向记录的相关系数计算结果

    Figure  3.  Calculated correlation coefficients between E13 and E06, E09 recorded in vertical direction

    图  4  牡丹江与白家疃地震台记录的E13、E09的相对位置分析

    Figure  4.  Analysis of the relative location between E13 and E09 recorded by MDJ and BJT

    图  5  台站与事件的相对位置

    Figure  5.  Distribution of stations and explosions

    图  6  3次爆炸事件的相对位置

    Figure  6.  Relative location of three explosions

    表  1  牡丹江地震台Z向记录的3次爆炸事件的振幅比

    Table  1.   Amplitude ratios between three explosion events recorded by Mudanjiang seismic station in vertical direction (Z)

    A13/A09A13/A06
    Pg瑞利波Pg瑞利波
    2.22.411.19.1
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    表  2  E13与E06、E09 Pg和瑞利波的功率谱比

    Table  2.   Power spectrum ratios of E13 to E06 and E09

    P13/P09P13/P06
    Pg瑞利波Pg瑞利波
    2.62.713.913.0
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出版历程
  • 收稿日期:  2013-04-12
  • 修回日期:  2013-10-17
  • 刊出日期:  2014-11-25

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