廣西南丹大廠礦區(qū)震源參數(shù)研究

張 華，黃樹生，陸麗娟，黃惠寧，張 帆

(廣西壯族自治區(qū)地震局，南寧 530022)

廣西南丹大廠礦區(qū)震源參數(shù)研究

張 華，黃樹生，陸麗娟，黃惠寧，張 帆

(廣西壯族自治區(qū)地震局，南寧 530022)

利用廣西南丹縣大廠礦區(qū)地震監(jiān)測臺網(wǎng)記錄的地震波資料，采用Brune(1970)模型，將速度記錄譜歸算為震源位移譜，使用遺傳算法計算拐角頻率及零頻極限，然后計算地震矩、應(yīng)力降等小震震源參數(shù)，并系統(tǒng)分析各種參數(shù)之間的關(guān)系。大廠礦區(qū)38次較大地震的震源參數(shù)計算結(jié)果為：地震矩范圍在2.18×1011～7.89×1012N·m之間；震源破裂半徑78～439 m; 地震應(yīng)力降在0.01～1.79 MPa之間。表明：地震矩與震級、震源半徑、拐角頻率之間呈線性關(guān)系，而應(yīng)力降不依賴于地震矩，分布較為離散。大廠礦區(qū)應(yīng)力降值明顯偏低，這可能與該區(qū)域背景應(yīng)力低有關(guān)。

震源參數(shù)；定標(biāo)關(guān)系；大廠礦區(qū)

0 引言

通常認為在地震孕育過程中，地殼介質(zhì)處于高應(yīng)力狀態(tài)，其輻射的地震波頻譜特征、衰減特性等和低應(yīng)力狀態(tài)是不同的。因此，對某一地區(qū)的地震進行波譜分析，就可以得到表征震源破裂特征的震源參數(shù)(包括震源尺度、破裂方向和應(yīng)力降等)，并由此推斷震源區(qū)的構(gòu)造應(yīng)力環(huán)境，能夠使人們在一定程度上了解震源區(qū)的應(yīng)力狀態(tài)[1]。大量頻繁發(fā)生的中小地震震源參數(shù)和介質(zhì)參數(shù)攜帶了震源深度處應(yīng)力場和介質(zhì)性質(zhì)變化的信息，通過監(jiān)測這些參數(shù)的時空演化過程，可以對孕震區(qū)應(yīng)力場或介質(zhì)性質(zhì)變化過程進行研究[2]。目前已有很多作者對構(gòu)造地震、水庫地震及火山地震的震源參數(shù)進行了研究，但對礦區(qū)地震震源參數(shù)的研究并不多見。

震源參數(shù)的計算一般在頻率域進行，在對臺站記錄的地震波資料進行場地響應(yīng)、儀器響應(yīng)、幾何擴散、路徑衰減、震源輻射方向性因子校正之后[3-5]，通過遺傳算法[6-8]可以獲得低頻波譜振幅極限、拐角頻率等參數(shù)，進而根據(jù)一定的理論公式可計算應(yīng)力降、震源半徑、地震矩等[9]。

廣西南丹縣大廠錫多金屬礦田是世界聞名的超大型礦床，是我國錫多金屬礦業(yè)的重要基地，礦產(chǎn)資源非常豐富。作為有上千年開采歷史的有色金屬礦區(qū)，大廠礦區(qū)地下開采坑道縱橫交錯，已形成約83 km2范圍內(nèi)的地下作業(yè)采空區(qū)，從而導(dǎo)致地震活動日趨頻繁。特別是2007年以來，礦區(qū)連續(xù)發(fā)生多次有明顯震感的地震活動，對當(dāng)?shù)厝罕娚a(chǎn)生活秩序和礦山安全生產(chǎn)造成了較大的影響[10]。深入了解大廠礦區(qū)的震源破裂特征，對礦山安全生產(chǎn)和社會秩序穩(wěn)定具有重要的現(xiàn)實意義。本文利用廣西大廠地震臺網(wǎng)記錄的數(shù)字地震資料對該礦區(qū)礦震的震源參數(shù)進行了計算研究。

1 計算方法

地面運動的位移譜可以表示為：

Aij(f)=Ai0(f)·G(Rij)·Sj(g)·e-k(f)Rij

(1)

式中：Aij(f)為第i個地震在第j個臺站的觀測譜；Ai0(f)為第i個地震的震源譜；Rij為第i個地震到第j個臺站的震源距；G(Rij)為幾何擴散函數(shù)；Sj(f)為第j個臺站的場地響應(yīng)；k(f)為非彈性衰減系數(shù)。對于某次地震的某個臺站記錄，從振幅譜中扣除儀器響應(yīng)、噪聲影響、傳播路徑影響、場地響應(yīng)，就可以得到該臺站記錄的震源位移譜A0j(f)。這樣，對于某次地震的每個臺站記錄都求出震源位移譜A0j(f)，再通過式(2)求平均震源譜來作為該地震的觀測震源譜

(2)

根據(jù)Brune模型，理論震源位移譜可以表示為：

|Oth(f)|=Ω0·[1+(f/f0)2]-1

(3)

式中：Oth(f)表示理論震源譜，Ω0表示震源譜低頻極限值，f0表示拐角頻率。Ω0和f0為地震位移譜的2個獨立參數(shù)。通過觀測數(shù)據(jù)計算模型參數(shù)有多種方法，本研究采用的是遺傳算法，以零頻極限和拐角頻率為獨立變量，確定下式為目標(biāo)函數(shù)[8]。根據(jù)儀器性能及采樣率，限定在1～18 Hz之間搜索頻率，使目標(biāo)函數(shù)最小，進而獲得Ω0和f0。

(4)

式中：p為頻率點數(shù)，ε表示目標(biāo)函數(shù)值，Oob為同一地震的波譜轉(zhuǎn)化為震源位移譜后的多臺平均值，Oth為根據(jù)ω平方模型計算的震源譜，k為頻率點序號。

并由下式獲得地震矩M0，

M0=b·Ω0

(5)

b=4πβ3ρ·[Rs(φ,θ)·Re]-1

(6)

式中：Rs(φ,θ)為輻射方向性因子，Re為自由表面反射系數(shù)，ρ表示地殼介質(zhì)密度，β表示S波速度，應(yīng)力降Δσ、震源半徑r0分別使用(7)、(8)式計算：

(7)

(8)

2 大廠礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造與地震活動

大廠礦區(qū)位于江南古陸西南緣的NW 向(南)丹-(河)池坳褶帶中段。從晚古生代至今，礦區(qū)附近地區(qū)經(jīng)歷過不同的地質(zhì)發(fā)展時期和多期構(gòu)造運動，地質(zhì)構(gòu)造較為復(fù)雜。礦區(qū)內(nèi)出露地層主要為一套泥盆系-二疊系的碎屑巖-碳酸鹽巖-硅質(zhì)巖組合，泥盆系為主要賦礦層位[11]。自中生代以來，區(qū)內(nèi)構(gòu)造經(jīng)歷了印支期強烈擠壓及其后的伸展剪切作用，前者表現(xiàn)為緊閉的線形褶皺及逆沖斷層，后者表現(xiàn)為層內(nèi)伸展剪切、拉斷的石香腸構(gòu)造及張扭性斷層，成巖、成礦作用明顯受后期構(gòu)造所控制。區(qū)域性斷裂——丹池斷裂自北而南穿過近場區(qū)，將區(qū)內(nèi)斷裂系統(tǒng)分成兩大斷裂構(gòu)造域，東部斷裂構(gòu)造主要以北東向為主，西部斷裂構(gòu)造主要以NW、NNW向為主，西部的大廠斷裂正是礦田內(nèi)的主干構(gòu)造，長度約10 km，走向為NW320°，傾向NE，傾角28°～72°，產(chǎn)狀上陡下緩，具有“犁式”逆沖斷裂特征[12]。

為更好地監(jiān)測礦區(qū)地震活動，自2009年8月以來相繼在大廠礦區(qū)建設(shè)了8個遙測臺站，臺站間距3 km左右，可監(jiān)測震級下限低至ML-0.5級。該臺網(wǎng)的建立為礦震研究提供了豐富的數(shù)據(jù)，自2009年8月至2013年底，該臺網(wǎng)共記錄到ML0.0級以上地震415次，其中ML0.0～0.9級316次，ML1.0～1.9級95次，ML2.0～2.9級4次，最大地震為2010年4月20日6時34分大廠鎮(zhèn)山草溝(24.83°N，107.60°E)ML2.7級地震。

在計算震源參數(shù)前，首先采用遺傳算法對礦區(qū)地震進行重新定位。為了驗證遺傳算法在大廠礦區(qū)的定位效果，我們收集到5次典型的人工爆破資料，并將遺傳算法定位結(jié)果與實際爆破位置進行了對比(表1)。從表1給出的大廠臺網(wǎng)對5次網(wǎng)內(nèi)爆破定位結(jié)果對比可知，用遺傳算法對該區(qū)域爆破的定位精度最小水平誤差為78 m，最大不超過280 m，平均定位水平誤差在146 m范圍內(nèi)，優(yōu)于臺網(wǎng)地震定位精度(500 m)的標(biāo)準(zhǔn)。定位深度方面，臺網(wǎng)報告(hypo81定位)深度大部分在5 km以上，最大深度達到11.2 km；通過遺傳算法得到的最終定位結(jié)果是震源深度為1.5～6.5 km，平均深度為2.8 km。圖1為基于遺傳算法重新定位后的結(jié)果[13]。

表1 爆破實際位置與遺傳算法定位結(jié)果對比表

圖1 重新定位后的震中分布圖

3 資料處理

3.1 資料選取

地震資料選取廣西大廠礦區(qū)地震監(jiān)測臺網(wǎng)的波形數(shù)據(jù)，大廠礦區(qū)位于107°30′～107°40′E， 24°49′～24°54′N范圍之間，地面面積約83 km2。大廠臺網(wǎng)包括8個遙測子臺，全部采用數(shù)字無線遙測方式進行組網(wǎng)(圖2)。臺網(wǎng)采用FSS-3M地震計，采用大動態(tài)24位數(shù)據(jù)采集器，動態(tài)范圍不低于110 dB，采樣頻率為每秒100點，這些地震儀在1～40 Hz之間具有速度平坦的響應(yīng)。在重新定位的基礎(chǔ)上，選取大廠礦區(qū)2009年1月至2013年12月發(fā)生的1.0級以上地震，然后按照每個地震至少被3個臺站記錄到，每個臺站至少記錄到3個地震的原則，通過信噪比計算共挑選出8個臺站，38次地震用于震源波譜參數(shù)的計算。

圖2 大廠礦區(qū)地震臺站分布圖

3.2 地震波譜計算

取水平向S波記錄數(shù)據(jù)計算付氏譜，要求所取波段包含90%以上S波能量[14-15]，同時具有較高的信噪比。為了保證地震波譜數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性，在計算付氏譜時采用了Chael(1987)提出的延時窗技術(shù)[16]。該技術(shù)先把S波段分割為256點的小數(shù)據(jù)段，計算付氏譜，之后以128點數(shù)據(jù)段前移，前次計算數(shù)據(jù)段的一半被重疊，進行第2次計算，依次類推，這樣就獲得了整個數(shù)據(jù)段分割、重疊的n段譜數(shù)據(jù)，用下式把n小段數(shù)據(jù)歸算為全部S波段波譜數(shù)據(jù)

(9)

式中：O(f)為觀測位移譜，n為數(shù)據(jù)段總數(shù)，T為整段S波窗長，t為數(shù)據(jù)分段窗長，f代表頻率。使用(9)式分別計算東西、南北分量震源譜，并根據(jù)(10)式合成最終的震源觀測譜[4]：

Oob(f)=[(Oew(f))2+(Ons(f))]1/2

(10)

式中：Oob(f)為觀測譜，Oew(f)、Ons(f)為東西向、南北向觀測譜。在計算S波位移譜的同時計算噪聲譜，噪聲太大的地震波記錄不參與計算。對同一地震使用多臺記錄的振幅譜均值作為有效振幅譜(圖3)。

a 拉甲臺記錄波形經(jīng)校正后的觀測譜與噪聲譜對比圖 b 譜數(shù)據(jù)擬合圖 注：a圖，藍色曲線表示南北向和東西向譜結(jié)果，紅色曲線表示平均結(jié)果，黑色曲線表示噪聲譜結(jié)果； b圖，藍色曲線表示各臺觀測譜數(shù)據(jù)結(jié)果，綠色曲線表示多臺平均結(jié)果，紅色曲線表示數(shù)據(jù)擬合結(jié)果。

4 計算結(jié)果

根據(jù)Brune模型理論及公式，計算得到了大廠礦區(qū)38次較大地震的震源波譜參數(shù)。通過對大廠礦區(qū)礦震的計算得到，其地震矩M0在2.18×1011～7.89×1012N·m之間；地震的拐角頻率在3～17 Hz 之間，主要集中在5～15 Hz之間；震源破裂半徑范圍78～439 m; 地震應(yīng)力降在0.01～1.79 MPa 之間。在地震矩與震級、震源半徑及拐角頻率的定標(biāo)關(guān)系方面，本文的研究結(jié)果同國內(nèi)外研究結(jié)果基本一致[17-20](表2)。

4.1 地震矩與近震震級、震源半徑的關(guān)系

標(biāo)量地震矩M0計算結(jié)果介于2.18×1011～7.89×1012N·m 之間。在單對數(shù)坐標(biāo)下，地震矩M0與震級ML之間呈現(xiàn)較好的相關(guān)性，隨著震級的增大，地震矩也相應(yīng)地增大。從圖4中看出，在所研究的震級范圍內(nèi)，地震矩與震級有很好的線性關(guān)系。地震矩與震級之間的線性關(guān)系式能反映不同地區(qū)的地下介質(zhì)狀態(tài)和地震活動特點。用最小二乘法擬合出地震矩M0與震級ML之間關(guān)系式為：

LgM0=1.48ML+9.08

(11)

計算得出，38 次ML1.0級以上地震的破裂半徑在78～439 m之間，地震矩與震源半徑之間呈線性關(guān)系，并給出了用最小二乘法擬合得到的地震矩與震源半徑之間的關(guān)系式為：

LgM0=0.003R+11.63

(12)

4.2 地震矩與應(yīng)力降、拐角頻率的關(guān)系

38 次ML1.0級以上地震的應(yīng)力降計算結(jié)果介于 0.01～1.79 MPa之間，研究區(qū)應(yīng)力降值整體偏低，這種現(xiàn)象可能與地下介質(zhì)相對破碎、非均勻性特征突出、震源機制復(fù)雜及該區(qū)域背景應(yīng)力低有關(guān)。圖5給出了應(yīng)力降Δσ與地震矩M0之間的關(guān)系，可以看出應(yīng)力降不依賴于地震矩，分布較為離散。

從地震矩和拐角頻率的關(guān)系來看，二者明顯有依賴關(guān)系，地震矩越大，拐角頻率越小，這與以往的研究結(jié)果一致。根據(jù) Brune( 1970) 模型，用最小二乘法擬合出 38次ML1.0級以上地震拐角頻率和地震矩M0之間的關(guān)系式為

Lgf0=-0.338 LgM0+5.07

(13)

表2 相關(guān)參數(shù)擬合數(shù)據(jù)結(jié)果比較

圖4 大廠礦區(qū)地震矩與近震震級、震源半徑的關(guān)系

圖5 地震矩與應(yīng)力降、拐角頻率的關(guān)系

5 結(jié)論與討論

本文用廣西大廠礦區(qū)地震臺網(wǎng)觀測的數(shù)字波形資料，估算了該區(qū)域的震源參數(shù)，得到了一些有意義的結(jié)果：地震矩與震級、震源半徑之間呈線性關(guān)系；地震矩和拐角頻率有明顯的依賴關(guān)系，地震矩越大，拐角頻率越小，這與以往的研究結(jié)果一致；應(yīng)力降不依賴于地震矩，分布較為離散。

大廠礦區(qū)地震的拐角頻率在3～17 Hz之間，主要集中在5～15 Hz。而張永久等[9]給出紫坪鋪水庫的拐角頻率在2～13 Hz之間，劉學(xué)軍等[21]給出騰沖火山拐角頻率在4.37～11.87 Hz之間，姚安構(gòu)造地震的拐角頻率在3.10～11.40 Hz之間。相對一些地區(qū)，大廠礦區(qū)的拐角頻率相對較高，這可能與大廠礦區(qū)地震多為淺源地震，觀測臺網(wǎng)密集，記錄到的地震高頻成份較多有關(guān)。

震源參數(shù)研究中，大多數(shù)研究結(jié)果中提到了拐角頻率與地震大小的負相關(guān)關(guān)系[22-24]，即地震震級越大，地震矩越大，拐角頻率越小。大廠礦區(qū)地震矩和拐角頻率存在明顯負相關(guān)關(guān)系，這與以往的研究結(jié)果一致。但亦有研究表明，這種負相關(guān)關(guān)系在紫坪鋪水庫地區(qū)不成立[9]。姚立珣等[25]認為：水庫誘發(fā)地震震源區(qū)的介質(zhì)條件變化與一般構(gòu)造地震不同，與水的作用有密切關(guān)系。巖體的擴容、飽和以及浸水弱化對地震波傳播速度、破裂速度及破裂尺度有較大影響，而這些也是決定拐角頻率等震源參數(shù)的主要因素之一。受觀測資料樣本限制，本文未對大廠礦區(qū)地震拐角頻率的變化特征及原因進行深入分析。

應(yīng)力降表征地震瞬間斷層錯動時位錯面上的應(yīng)力變化，通過分析研究地震的應(yīng)力降可以認識地震發(fā)生地區(qū)的構(gòu)造背景應(yīng)力。國內(nèi)外一些學(xué)者對不同類型的地震應(yīng)力降進行了研究，如華衛(wèi)等[26]從水庫誘發(fā)地震與構(gòu)造地震應(yīng)力降比較結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在兩者可比較震級范圍內(nèi)(ML2.0～4.0)，雖然應(yīng)力降有一定的波動范圍，但三個水庫地區(qū)(龍灘、三峽、新豐江)中相同震級的水庫地震，其應(yīng)力降值整體上比構(gòu)造地震明顯偏低，大約小10倍。而且，震級越小這種差異似乎越大。一些學(xué)者對火山地區(qū)的應(yīng)力降進行了研究，發(fā)現(xiàn)幾乎所有活火山的火山地震的地震應(yīng)力降都比較低(如日本大島火山、意大利埃特納火山、美國圣安德烈斯火山和夏威夷火山及“九五”騰沖火山監(jiān)測研究等)，火山地震低應(yīng)力降現(xiàn)象的物理解釋是因為其震源機制的力學(xué)特性與構(gòu)造的不同，由于火山地震主要是火山巖漿活動引起的，而熔融或半熔融狀態(tài)的高溫物質(zhì)是難以積累較高的破裂應(yīng)力的[27]。本文研究中大廠礦區(qū)礦震應(yīng)力降值整體明顯偏低，其原因為何？一些研究認為，構(gòu)造地震平均來說似乎比水壓破裂和礦震等誘發(fā)地震有較高的應(yīng)力降(大約為10倍)。這是因為非自然的環(huán)境局部地影響原來位置處的應(yīng)力水平，從而導(dǎo)致流體(或采礦)誘發(fā)的地震可能發(fā)生在比自然地震更低的構(gòu)造應(yīng)力地區(qū)[28-29]。結(jié)合地質(zhì)環(huán)境及地震活動水平分析認為，大廠礦區(qū)應(yīng)力降值整體偏低的現(xiàn)象可能與地下介質(zhì)相對破碎、非均勻性特征突出、震源機制復(fù)雜及該區(qū)域背景應(yīng)力低有關(guān)。

大廠礦區(qū)具有密集的臺網(wǎng)，對震級較小地震的記錄有很高的信噪比，對于更接近點源地震模型假設(shè)的小地震，能得出更為真實可信的地震震源參數(shù)，是礦震研究的天然試驗場，可進一步研究震源參數(shù)的時空演化過程，結(jié)合震源機制，反演其區(qū)域應(yīng)力場，探討應(yīng)力場變化與較大礦震的關(guān)系，以期對礦震發(fā)震成因研究進行深入探索。

致謝：感謝浙江省地震局朱新運博士提供計算程序。

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Study on Source Parameters of Earthquakes in Dachang Mining Area

ZHANG Hua, HUANG Shu-sheng, LU Li-juan, HUANG Hui-ning, ZHANG fan

(Earthquake Administration of Guangxi Autonomous Region, Nanning 530022, China)

Using the Brune model (1970) and the digital seismic wave data of the earthquake occurred in Dachang mining area, which was recorded by Guangxi Dachang seismic network; we transferred the velocity spectrum into source displacement spectrum. The corner frequency and zero frequency were calculated by using genetic algorithm, further, the source parameters including seismic moment and stress drop were calculated and the relationships among them were analyzed systematically. This paper studies 38 bigger regional earthquakes occurred in this area, the results show that they seismic moments are 2.18×1011～7.89×1012Nom and rupture radius are 78～439 m, stress drop are 0.01～1.79 MPa. The relations between seismic moment, body-wave magnitude, rupture radius and corner frequency are near log-linear．The distribution of stress drop is dispersed and show little obvious correlation with seismic moment. Dachang mining stress drop values significantly lower, this may be related to the low regional background stress.

source parameter; scaling relation; Dachang mining area

10.3969/j.issn.1003-1375.2014.03.006

2014-03-31

地震科技星火計劃項目(項目編號：XH12036Y)；廣西科學(xué)研究與技術(shù)開發(fā)計劃課題(項目編號：桂科攻1140004-3)

張華(1978-)，男，工程師，主要從事數(shù)字地震學(xué)及地震預(yù)測研究.E-mail:huazhang1222@163.com

P315.31

A

1003-1375(2014)03-0024-07