利用微震模板匹配定位方法識別遼寧撫順礦區(qū)微礦震事件

郭鐵龍 梁姍姍 鄒立曄

（中國北京100045 中國地震臺網(wǎng)中心）

0 引言

在礦山開采過程中，地質(zhì)構(gòu)造以及局部地殼應力發(fā)生變化，巖石破裂引發(fā)地殼震動，導致礦震現(xiàn)象（李鐵等，2005；任嘯等，2010；韓軍等，2014；張華等，2014）。礦震誘發(fā)礦區(qū)地裂、地表沉降、礦坑突水、冒落、滑坡、崩塌等諸多次生災害，最終造成采礦區(qū)地質(zhì)災害頻發(fā)、地下水污染等生態(tài)環(huán)境失衡問題（尹濤等，2005；金速等，2006；王承偉等，2018）。

遼寧撫順礦區(qū)主要開采煤炭和油頁巖（王建國，2009）。該礦區(qū)礦震的特點為震源深度淺、發(fā)生頻度高、破壞性強。合理地監(jiān)測微礦震、分析礦震波形與活動性特征，有益于掌握該地區(qū)微礦震事件的活動規(guī)律，可在一定程度上降低其對社會生產(chǎn)、生活造成的危害。

通常運用信號處理方法（如頻譜分析等）判定事件類型（劉希強等，2005；張華等，2014），利用波形特征（波形振幅比、震相特征和卓越周期等）人工識別礦震。然而，對于不同區(qū)域的地震事件，仍需考慮地質(zhì)構(gòu)造、傳播介質(zhì)以及地應力等因素的影響，綜合分析并判斷事件類型。此外，礦震多為微震和小震，在監(jiān)測和事件判別中有一定困難。

微震模板匹配定位方法（M&L）具有原理成熟、誤檢率低和檢索遺漏少等優(yōu)點（Zhang et al，2015；張淼，2015）。利用該方法，可在礦震安全監(jiān)測、水壓致裂監(jiān)測及小當量核試驗監(jiān)測中自動識別微震事件（Zhang et al，2015；陳安國等，2019）。此方法通過搜索模板地震事件波形周圍的三維空間，計算格點位置與已知模板參考位置間的走時差，對波形走時矯正后進行疊加，得出波形互相關(guān)系數(shù)，從而實現(xiàn)對微震的識別和定位。本研究使用全國統(tǒng)一編目數(shù)據(jù)，利用微震模板匹配定位方法，搜索并檢測遼寧省撫順礦區(qū)原始地震目錄中遺漏的微震事件，結(jié)果用以分析研究區(qū)遺漏微礦震的波形特征，并探討礦震事件b值屬性。本文補充了研究區(qū)域缺失的微礦震數(shù)據(jù)，有助于提升結(jié)果的準確性，從而完善統(tǒng)一編目中遺漏的微礦震事件數(shù)據(jù)。此外，討論了微震模板匹配定位方法的閾值設置對搜索的微礦震特征的影響。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 數(shù)據(jù)選取

遼寧省撫順市及周邊地區(qū)分布7 個地震臺站（圖1），其中1 個國家地震臺站，6 個區(qū)域地震臺站。固定臺站間距最小為0.063°（約7 km），地震監(jiān)測能力可達ML≥1.2（王亮等，2015；安祥宇等，2019）。

圖1 地震臺站與模板地震事件分布Fig.1 Distribution of the seismic stations and the template earthquake events

以2017 年1 月至2019 年12 月7 個地震臺站記錄的連續(xù)地震波形數(shù)據(jù)作為待檢測數(shù)據(jù)，以中國地震臺網(wǎng)中心發(fā)布的全國統(tǒng)一觀測報告中21 個ML＜4.0塌陷類型礦震為模板事件，進行遺漏微礦震事件搜索。21 個模板地震事件集中分布在撫順地震臺（FSH）與老虎地震臺（LHT）之間，震中分布見圖1，震級—時間關(guān)系見圖2。

圖2 模板地震事件M—t 關(guān)系Fig.2 M-t diagram of the template earthquake events

1.2 微震模板匹配定位方法

微震模板匹配定位方法基于波形互相關(guān)技術(shù)（Shelly et al，2007；Peng et al，2009），將已知模板地震波形數(shù)據(jù)相對于連續(xù)地震數(shù)據(jù)做滑動互相關(guān)，計算地震波在臺站和模板地震位置的震相走時差，并利用走時差對各個波形進行走時校正，完成相關(guān)波形疊加，并計算相關(guān)系數(shù)（CC）和信噪比（SNR）來確定地震事件的位置。設置2 個互相關(guān)系數(shù)閾值，分別為CC1=0.35、CC2=0.3，波形信噪比大于10 倍背景相關(guān)系數(shù)（Zhang et al，2015；張淼，2015；郭鐵龍等，2020）。當互相關(guān)系數(shù)大于CC1 時，可檢測出一個微震事件；當互相關(guān)系數(shù)大于CC2、小于CC1 且滿足信噪比條件時，也可認為被檢測信號代表一個微震事件。

2 礦震事件識別

對遼寧省撫順地區(qū)地震臺站3 年連續(xù)波形記錄進行掃描，識別得到425 個遺漏礦震事件。去除初動不清晰、信噪比低的事件，得到291 個礦震事件，是地震目錄中21 個地震事件的13.86 倍，震中分布見圖3。圖4 所示為運用微震模板匹配定位方法進行微礦震事件識別的實例，圖中紅色波形為模板地震事件波形，發(fā)震時刻為2017-03-09T08:03:04，震中位置為（41.858°N，123.935°E），震源深度0 km，震級為ML3.3；灰色波形為微礦震事件波形，識別結(jié)果為發(fā)震時刻為2018-02-07T16:58:00，震中位置為（41.858°N，123.925°E），震源深度0 km，震級為ML2.4；紅色箭頭表示波形記錄起始時間。由圖4 可見，紅色波形信噪比較高，通過對比灰色波形，二者相似程度較高，被檢測的連續(xù)波形具備模板礦震事件波形特征。

圖3 礦震事件震中分布Fig.3 Epicentral distribution of the mining microseismic events

圖4 運用微震模板匹配定位方法識別微礦震事件實例Fig.4 Examples of the identified mining microseismic events using the M&L method

3 礦震特征分析

3.1 波形特征分析

圖5 橫坐標是以秒為單位的時間軸，縱坐標是地震波形振幅。其中圖5（a）為微礦震事件波形，發(fā)震時刻為2017-07-20T02:58:21，震中位置為（41.831°N，123.992°E），震源深度0 km，震級為ML2.2；圖5（b）為天然地震事件波形，發(fā)震時刻為2017-09-18T16:53:12，震中位置為（41.990°N，123.791°E），震源深度6 km，震級為ML2.1。文中從面波發(fā)育、P 波初動、波形頻譜對比天然地震和礦震事件波形，結(jié)果見圖5。由圖5 可見，相較于天然地震，礦震事件波形具有以下特征：①面波發(fā)育：礦震事件波形短周期面波發(fā)育[圖5（a）]，天然地震事件波形S 波振幅最大，無明顯面波出現(xiàn)[圖5（b）]，可見二者存在顯著差別，與前人所得結(jié)論一致（王風等，2013；王承偉等，2018）；②P 波初動：礦震事件垂直分量P 波初動方向向下，而天然地震事件P 波初動方向受地質(zhì)構(gòu)造、震源機制、方位角等因素影響，通常不一致；③頻譜對比：礦震面波的周期比天然地震長；且礦震波形頻譜主要為低頻成分、較為集中[圖6（a）]，而天然地震波形頻譜高，低頻成分分散且復雜[圖6（b）]，可見二者存在明顯區(qū)別。

圖5 礦震與天然地震波形對比Fig.5 Comparison of the waveform of a mining microseismic event and a tectonic earthquake

圖6 撫順地震臺記錄的礦震事件和天然地震頻譜對比(a)礦震垂直向波形頻譜；(b)天然地震垂直向波形頻譜Fig.6 Waveform spectral comparison of a mining microseismic event anda tectonic earthquake recorded by Fushun Seismic Station

3.2 礦區(qū)事件b 值

b值用于描述震級與地震頻度的比率，可用來表征區(qū)域內(nèi)不同大小地震事件的頻次關(guān)系（劉子璇等，2019）。使用zmap 程序（Wiemer，2001；徐志國等，2020），計算本研究識別所得291 個礦震事件b值，得到b=1.09[圖7（a）]，誤差為±0.05；根據(jù)最大曲率法，得到撫順礦區(qū)礦震事件最小完整性震級Mc=1.2。計算2017—2019 年撫順礦區(qū)發(fā)生的94個天然地震事件b值，得到b=0.93[圖7（b）]，誤差為±0.12；根據(jù)最大曲率法，得到該區(qū)天然地震最小完整性震級Mc=2.0。上述結(jié)果顯示，礦震事件b值較高，與Han 等（2011）的研究結(jié)果一致。

圖7 b 值對比（a）礦震；（b）天然地震Fig.7 Comparison of the b-values

4 結(jié)論

利用微震模板匹配定位方法，識別遼寧撫順礦震事件，并開展波形和頻譜特征分析。研究結(jié)果表明，運用該方法識別的礦震事件，與模板礦震事件波形和頻譜特征一致，且其b值高于該地區(qū)天然地震事件b值，表明所識別遺漏礦震事件具有較高的b值屬性。

微震模板匹配定位方法已經(jīng)得到廣泛應用。在識別遺漏微礦震過程中發(fā)現(xiàn)，當互相關(guān)系數(shù)大于閾值CC1 時，事件具備礦震事件屬性；而當互相關(guān)系數(shù)大于閾值CC2 且小于閾值CC1 時，礦震波形P 波初動不清晰，短周期面波不發(fā)育，是礦震震源機制不同、模板事件不足或礦震震級較小所致。因此，互相關(guān)系數(shù)閾值的選取，對于微震識別尤為關(guān)鍵。若要使礦震事件識別具有較高的準確性，應選取較高的閾值。