基于密集臺陣研究2019遼寧撫順M2.4礦震震源參數(shù)

張冰, 張廣偉*, 焦明若, 張志宏， 舒夢珵

1 應(yīng)急管理部國家自然災(zāi)害防治研究院， 北京 100085 2 遼寧省地震局， 沈陽 110034 3 中國石油大學(xué)(北京)， 北京 102249

0 引言

礦震是在區(qū)域應(yīng)力場的作用下，受開采活動影響而發(fā)生的誘發(fā)地震(姜耀東等，2014).由于開挖卸荷作用，在一些采空區(qū)會發(fā)生頂板冒落、巖層坍塌及礦柱剪切失穩(wěn)從而引發(fā)礦震(或沖擊地壓)(Teyssoneyre et al., 2002；李鐵等，2005；劉莎等，2012；楊慧等，2018；Wang et al., 2019).隨著礦區(qū)開采深度和開采強度的不斷增加，近年來礦震也呈現(xiàn)震級增大且活動頻繁的趨勢.礦震的頻繁發(fā)生給礦區(qū)安全生產(chǎn)帶來了嚴重的危害，如2007年美國猶他州M3.9礦震造成9人死亡(Dreger et al., 2008)；2015年山東平邑M4.0礦震造成1人死亡和13人失蹤(楊慧等，2018).因此，研究礦震活動規(guī)律，特別是M>2.0較強礦震的時空分布，對有效防治礦震災(zāi)害，保障生產(chǎn)安全具有重要的意義.

據(jù)中國地震臺網(wǎng)測定，北京時間2019年11月12日18時4分在遼寧撫順市發(fā)生2.4級地震(北緯41.88°，東經(jīng)123.93°，深度0 km).震中位于老虎臺煤礦，從區(qū)域記錄地震波形可以看出，P波初至極性在不同方位角均向下(圖1)，初步認為是一次礦震事件.撫順老虎臺煤礦有百年井下開采歷史，自1998年進入地下800 m深部開采以來，礦震頻次和強度增加，最高震級M3.7(李鐵等，2005).地質(zhì)調(diào)查結(jié)果顯示礦區(qū)主要有褶皺和斷層兩種構(gòu)造，分布有14條大型斷裂，且在斷裂處為礦震(或沖擊地壓)的多發(fā)區(qū)域(孫曉元等，2011).通常，礦震的震源深度淺，容易造成礦區(qū)災(zāi)害嚴重，而礦區(qū)復(fù)雜的地質(zhì)結(jié)構(gòu)及應(yīng)力場也會形成不同的礦震破裂機制，如空區(qū)塌陷、礦柱沖擊、張性破裂和逆沖擠壓等(Hasegawa et al., 1989).因此，準(zhǔn)確獲取礦震的空間位置及震源破裂機制能夠幫助我們了解和判斷礦區(qū)巖體結(jié)構(gòu)及其破壞機理(唐禮忠等，2017).傳統(tǒng)的雙力偶源描述的是沿斷層面的剪切位錯，而對一些特殊震源，如冰震(Walter et al., 2009)、核爆(Minson and Dreger, 2008)、礦震(Ford et al., 2009)和流體觸發(fā)地震等 (Shuler et al., 2013；張廣偉和雷建設(shè)，2015；Zhang et al., 2019a)，震源破裂過程表現(xiàn)出顯著的非雙力偶特征(例如體積膨脹或壓縮)，因而包含非雙力偶成分的地震矩張量研究就顯得尤為重要.地震矩張量不對震源模型作先驗的假定，能夠更為全面地反映震源破裂機制，在震源類型研究中具有廣泛的應(yīng)用(許力生等，2007).

礦震的孕育及破裂機理是復(fù)雜的，但在礦震發(fā)生前后通常會有相對較多的微震事件(姜福興等，2006；李文健，2015).研究表明，微震在空間上的分布不是隨機的，只有受到外力干擾，如卸荷產(chǎn)生的次生應(yīng)力場(李鐵等，2005)，在堅硬巖層原有或新產(chǎn)生的裂隙等應(yīng)力集中區(qū)才會發(fā)生能量的釋放(姜福興等，2010).微震能量弱經(jīng)常淹沒在背景噪聲信號中，而通過掃描密集臺陣記錄的連續(xù)地震波形，可以獲取大量人工無法識別的微震事件(Zhang et al., 2019b).通過有效探測礦區(qū)巖層的微震事件，可以及時發(fā)現(xiàn)斷層活化的位置，進而為采取防治措施提供科學(xué)依據(jù)(姜福興等，2006).

為此，本研究基于密集地震臺陣觀測，聯(lián)合固定地震臺站波形資料，反演獲得2019年11月12日遼寧撫順M2.4礦震矩張量解，并通過微震掃描獲取礦震發(fā)生前后11月3日至25日的微震事件，探討礦震破裂機制及微震的時空分布特征，提高對礦區(qū)地震活動和孕震風(fēng)險的認識.

1 數(shù)據(jù)及方法

短周期密集臺陣觀測在淺層速度結(jié)構(gòu)、滑坡微震監(jiān)測及深部速度界面等方面具有很好的應(yīng)用(Li et al., 2016; Shen et al., 2017; Liu et al., 2017; 盛敏漢等，2018；張明輝等，2020).本研究于2019年11月3日至25日在遼寧撫順地區(qū)布設(shè)兩條測線，近垂直穿過郯廬斷裂帶(遼寧段)的敦化—密山斷裂，共60個三分量短周期地震儀，其中流動臺L128數(shù)據(jù)記錄不完備被舍棄，其余儀器在布設(shè)時段內(nèi)均有連續(xù)的地震波形記錄(圖1).儀器記錄頻帶范圍0.2～150 Hz，外置GPS授時，布設(shè)臺間距200～400 m.為了改善臺站方位角覆蓋，我們選擇研究區(qū)1°范圍內(nèi)共8個寬頻帶固定地震臺站參與震源機制反演和微震掃描定位(圖1a).

采用gCAP(generalized Cut and Paste，Zhu and Ben-Zion, 2013)方法求取地震矩張量，該方法將地震矩張量Mij定義為：

(1)

其中M0為標(biāo)量地震矩，Iij為2階單位張量，ζ為各向同性參數(shù)( Isotropic，ISO)，變化范圍為[-1，1]；為表征補償線性偶極子參數(shù) ( Compensated Linear Vector Dipole，CLVD)，變化范圍為[-0.5，0.5]；和分別為歸一化的雙力偶(Double Couple，DC)和CLVD張量.為了定量評價DC、ISO和CLVD三個分量在地震矩張量解中的相對強度，采用參數(shù)的平方值來表示(Zhu and Ben-Zion, 2013; Chapman and Leaney, 2012) ：

(2)

其中|ΛISO|+|ΛISO|+|ΛCLVD|=1.

gCAP方法將地震波形分為Pnl和S波(或面波)兩部分并賦予不同權(quán)重，計算理論和實際波形的擬合誤差函數(shù)，使用網(wǎng)格搜索獲取六個獨立變量：走向、傾角、滑動角、M0，以及ISO參數(shù)ζ和CLVD參數(shù).該方法允許理論波形和實測波形相對時移擬合，減少了速度模型誤差和地殼橫向不均勻性的影響.反演中Pnl和S波截取波形窗長分別為20 s和40 s，相應(yīng)濾波范圍為0.1～0.3 Hz和0.05～0.1 Hz.走向、傾角和滑動角的搜索步長為10°，參數(shù)ζ和搜索步長分別為0.1和0.05；另外，在深度上每間隔100 m反演一次震源機制獲取最佳矩心深度.格林函數(shù)采用頻率-波數(shù)法(FK)來計算(Zhu and Rivera, 2002)，采樣間隔設(shè)為0.1 s、采樣點為1024個.一維速度模型參考勘探和鉆孔資料(廖旭等，2008)及區(qū)域一維模型獲得(Zhang et al., 2019a)(圖1c).

圖1 (a) 本研究所用臺站分布及不同臺站P波初至極性方向圖； (b) 流動臺站分布圖，紅色五角星為M2.4礦震位置，黑色線為敦化—密山斷裂； (c) 本研究所用一維速度模型Fig.1 (a) Distribution of seismic stations and the onset direction of P waves； (b) Distribution of temporary seismic stations. The red star represents the M2.4 mining earthquake, and the black line is the Dunhua-Mishan fault； (c) Velocity models used in the study

微震掃描采用Zhang等(2019b)提出的快速識別定位法.該方法不需要模板事件(Peng and Zhao, 2009)，首先采用長短窗方法(Sta/Lta)在連續(xù)波形中識別出P波和S波到時；然后在記錄臺站范圍劃分三維網(wǎng)格節(jié)點，運用理論走時表與拾取的P和S波走時差搜索地震，很大程度減少了計算時間；最后定義記錄到時個數(shù)最多且走時殘差最小的網(wǎng)格點為識別微震的位置.結(jié)合礦區(qū)范圍小及震源深度相對較淺的特點，本研究掃描微震事件在經(jīng)度方向和緯度方向搜索間隔為0.01°，深度方向上在0～2 km范圍內(nèi)每0.1 km間隔搜索.為更準(zhǔn)確的判定微震事件，設(shè)定至少有8個臺站記錄的事件為一次微震事件.微震震級評估將水平分量地震波形仿真到Wood-Anderson地震儀進行計算(Hutton and Boore, 1987; Zhang et al., 2019b).獲取微震事件后，進一步運用雙差定位法對地震位置進行修正(Waldhauser and Ellsworth，2000).

2 結(jié)果

本研究聯(lián)合使用短周期流動臺站和寬頻帶固定臺站記錄到的波形數(shù)據(jù)，反演獲得了2019年11月12日遼寧撫順M2.4礦震的矩張量解.圖2a展示了地震矩張量解(下半球投影)以及理論和實際波形擬合圖，整體上波形的擬合相關(guān)系數(shù)較高，反演結(jié)果可靠.得到礦震矩震級為2.8級，非雙力偶參數(shù)ζ和分別為-0.62和-0.01.通過求取不同深度地震矩張量，得到最佳矩心深度為0.6 km(圖2b).我們將地震投影到震源類型圖上(圖2c)，震源位于體積閉合區(qū)域，表現(xiàn)為明顯的塌陷壓縮機制(-ISO).為了評價雙力偶成分的相對強度，將地震矩張量按公式(2)進行分解，其中DC、ISO和CLVD分量分別占比61.3%、38.7%及0%.數(shù)值測試研究表明，速度模型誤差、數(shù)據(jù)噪聲及介質(zhì)各向異性能夠造成矩張量中非雙力偶成分的誤差最多為2005; Wang et al., 2019; Zhang et al., 2019a)，而本研究結(jié)果ISO分量占38.7%，表明震源破裂過程中的確存在體積的壓縮閉合.另外，DC分量占61.3%，其最佳雙力偶節(jié)面解為：節(jié)面1走向228°、傾角67°和滑動角40°，節(jié)面2走向120°、傾角54°和滑動角150°.地震矩張量解中包含較高的DC分量說明震源塌陷破裂伴隨剪切滑動，并不是單純的塌陷型礦震破裂機制.

圖2 (a) 2019年11月12日M2.4礦震矩張量及理論(紅色)和實際(黑色)波形對比圖，波形下方數(shù)字表示理論相對實際波形的相對移動時間和二者的相關(guān)系數(shù)； 左側(cè)大寫字母表示臺站名，臺站下方數(shù)字為震中距和相對偏移時間； (b) 不同深度上矩張量解及其反演方差； (c) M2.4礦震震源類型圖，等值線代表DC分量的百分比Fig.2 Seismic moment tensor solution and comparison between synthetic (red) and observed (black) waveforms of the 12 Nov. 2019 M2.4 earthquake. The numbers below each trace are relative time shifts and cross-correlation coefficients. The station names are given on the left and the numbers below each station are epicentral distance and relative time shift； (b) Focal mechanism solutions and rms of the mining earthquake at different depths； (c) Source type plot of the M2.4 mining earthquake. The contours show the percentages of DC component, and the red dot represents the mining earthquake

為了更好地探討礦震前后微震的時空變化特征，我們詳細掃描了11月3日至25日記錄的連續(xù)地震波形.相比較初始地震目錄只有一個M2.4地震，我們新檢測出324個微震事件，震級范圍為-0.5～2.0.采用本研究的震級評估方法獲得11月12日礦震的震級為2.7級，地震矩張量反演得到矩震級為2.8，兩者震級大小較為一致，但與地震目錄中給出的M2.4有一定差異，可能是由于測定儀器記錄響應(yīng)差異造成.為了統(tǒng)一性，在本文中礦震震級的表述采用中國地震臺網(wǎng)中心給出的震級值M2.4.圖3展示出檢測的M0.3、M0.7及M1.4地震事件波形，檢測結(jié)果表明在連續(xù)波形中能夠有效地識別不同震級的微震.在我們臺站布設(shè)期間，平均每天約發(fā)生15個地震.地震在平面上分布顯示，礦震發(fā)生位置存在一個明顯的南北向條帶(圖4a)，且地震序列隨著時間逐漸向南遷移.另外，從MT圖上可以看出(圖4b)，11月4日發(fā)生一次M2.0地震，而在11月12日M2.4礦震發(fā)生的前2天，M>1.0事件顯著增加；在礦震發(fā)生后，微震的發(fā)生頻率增強，特別是M<1.0地震，可能表明此次礦震導(dǎo)致微破裂事件增多.我們進一步采用雙差定位法對初始檢測地震進行重定位(Waldhauser and Ellsworth, 2000)，獲得212個精定位結(jié)果，其東西、南北及垂直向的相對誤差分別為46 m、44 m和61 m.三維分布圖顯示(圖5)，在礦震發(fā)生的區(qū)域，微震序列隨時間向南并往深部遷移(約1.5 km)，結(jié)合礦震震源破裂過程中表現(xiàn)出一定的雙力偶機制，我們認為該區(qū)域分布有先存斷裂，礦震促使斷裂活化發(fā)生剪切滑動.

圖3 檢測到微震在不同地震臺站上的波形圖其中灰色波形為背景連續(xù)波形，紅色波形為檢測的微震事件波形.Fig.3 Waveforms of the detected microseismic events at different stationsThe gray waveforms denote continuous seismic records, and the red waveforms are detected events.

圖4 (a) 檢測微震事件平面分布圖； (b) M-T圖，顏色代表不同的發(fā)震日期Fig.4 (a) Map view of detected microseismic events； (b) Magnitude-time plot. Colors indicate the date of event occurrences

圖5 重定位微震三維空間分布圖顏色代表不同的發(fā)震日期.Fig.5 3D distribution of the relocated microseismic eventsColors indicate the date of event occurrences.

3 討論

小震級地震波形受到背景噪聲的污染，采用區(qū)域地震臺站波形(如震中距<300 km)反演震源機制通常只能獲得M>3.5地震的結(jié)果(Tan et al., 2006；Wang et al., 2019; Zhang et al., 2019a)；在已知較大震級(M>4.0)震源機制的情況下，通過校正傳播路徑的影響，能夠獲得M>2.0的小震震源機制(Tan and Helmberger, 2007).而如果有密集近臺觀測可以反演得到M<2.0地震的震源機制解(Julia et al., 2009).本研究基于密集臺陣觀測，結(jié)合固定臺站資料較好地約束了M2.4地震的震源機制.震源破裂表現(xiàn)為塌陷型機制，最佳矩心深度為0.6 km，證實為一次礦震事件.

前人研究表明，礦震與天然構(gòu)造型地震不同，其破裂機制受重力場的誘發(fā)作用突出，表現(xiàn)為圍巖產(chǎn)生指向開挖空間的位移(李鐵等，2005).本研究地震矩張量中表示體積壓縮的ISO分量占38.7%，DC分量占61.3%，表明震源破裂為塌陷閉合，同時也存在剪切滑動，這種剪切運動與礦區(qū)先存斷裂有關(guān).地質(zhì)調(diào)查顯示老虎臺礦區(qū)存在14條斷裂，在開采掘進面通過斷層時，地震事件明顯增多(孫曉元等，2011)，說明卸荷作用容易在先存破裂面上誘發(fā)較大震級地震，大事件打破了圍巖的應(yīng)力平衡，進而引發(fā)剪切運動(唐禮忠等，2017).結(jié)合本研究微震檢測結(jié)果，在11月12日M2.4礦震前M>1.0地震的頻度增加，暗示存在局部的應(yīng)力集中.M2.4礦震發(fā)生后，在礦震發(fā)生區(qū)域出現(xiàn)一個南北向微震條帶(圖4a).在平面上，微震事件隨時間逐漸向南遷移；在深度上，微震向深部傾斜擴展，破裂延展到較深區(qū)域(圖5)，說明主震觸發(fā)了較多的余震序列，該區(qū)域呈現(xiàn)為微震頻發(fā)區(qū)，可能表明礦震促使先存斷裂活化，應(yīng)加強該區(qū)域的礦震危害監(jiān)測.另外，在兩條地震臺站測線中間存在一個微震叢集(圖4a)，從發(fā)震時間上可以看出，主要是在M2.4礦震后頻度增加(圖4)，推測是M2.4礦震的觸發(fā)事件，其發(fā)震機制需要進一步的研究.

礦震的破裂機制具有復(fù)雜性和多樣性(Hasegawa et al., 1989; 李鐵等，2005; 唐禮忠等，2017；楊慧等，2018；陳棟等，2019)，有效判定礦震事件是一個重要的研究課題.從記錄波形上可以直觀看出礦震初動向下(圖1)，并且震源深度淺(圖2).波譜分析顯示礦震波形的高頻成分能量衰減快 (劉莎等，2012).從震源破裂機制的角度，本研究表明采用密集臺陣觀測能夠反演M>2.0地震的矩張量解.老虎臺礦區(qū)M>2.0事件較多，通過統(tǒng)計非雙力偶分量的強度，可以為判定礦震類型提供更為可靠的依據(jù).另外，加入微震的檢測和定位，能夠為識別斷層或裂隙活化的位置提供參考，進而指導(dǎo)礦區(qū)作業(yè)活動，例如適時調(diào)整開采方式，緩解局部應(yīng)力集中，從而達到避開礦震災(zāi)害的目的.

本研究短周期密集臺陣觀測系統(tǒng)主要在礦區(qū)呈現(xiàn)兩條測線式分布，加入固定臺站一定程度改善了方位覆蓋，雖然可以檢測出較多的微震事件，但對于地震定位依然不理想.理論測試結(jié)果表明，當(dāng)記錄臺站的方位覆蓋集中位于地震事件的一側(cè)，采用雙差定位法可以很好地還原地震的相對位置，而絕對位置會整體偏向臺站方向(張廣偉，2011).本研究重定位給出的是微震的相對空間位置，東西、南北及垂直三方向的平均相對誤差在61 m以內(nèi)，其在深度上能夠展示出破裂的展布范圍及形態(tài)，并且微震隨時間的演化也可以很好地描述礦震前后微破裂的遷移特征(圖4和圖5).下一步的研究工作可以采用合理的臺站布設(shè)方式(面狀或環(huán)狀)以及利用三維速度模型，能夠更好地約束震源機制及微震的絕對位置.

4 結(jié)論

本研究基于密集臺陣觀測對2019年11月12日遼寧撫順2.4級礦震開展矩張量反演及微震檢測研究.震源機制解包含明顯的非雙力偶分量(ISO占38.7%)，表現(xiàn)為體積壓縮的塌陷機制，并且震源深度較淺，最佳擬合矩心深度為0.6 km.相比較臺網(wǎng)目錄只有一個礦震事件，微震掃描新檢測出324個微震事件(-0.5～2.0級)，結(jié)果顯示在M2.4礦震發(fā)生前M>1.0事件顯著增多，且在礦震位置存在近南北向的微震條帶，微震序列隨時間向深部遷移，暗示存在斷層活化跡象.我們的研究結(jié)果表明，此次事件與礦區(qū)塌陷破裂密切相關(guān)，同時伴隨先存斷裂的剪切運動.本研究結(jié)果表明基于密集臺陣觀測的地震矩張量反演和微震檢測研究，對判定礦震類型和防范礦區(qū)災(zāi)害具有重要的研究意義.