山西大同、朔州地區(qū)非天然地震特征與識別

鄭亞迪，宋美卿

(1.山西省地震局，山西 太原 030021；2.太原大陸裂谷動力學(xué)國家野外科學(xué)觀測研究站，山西 太原 030025)

0 引言

山西大同、朔州地區(qū)礦產(chǎn)豐富，常年的煤礦開采導(dǎo)致許多非天然地震事件發(fā)生，造成較嚴(yán)重的直接損失和次生災(zāi)害，不同程度地影響人民群眾的生產(chǎn)生活[1]。對于非天然地震，只從波形特征上不易識別和區(qū)分。同時，大同、朔州地區(qū)作為山西爆破和塌陷等非天然地震事件的多發(fā)地區(qū)，對這些地區(qū)非天然地震事件的特征進行對比分析，總結(jié)區(qū)域非天然地震的判別依據(jù)成為研究的一項重要內(nèi)容。

自20世紀(jì)50年代開始，國內(nèi)外專家學(xué)者在地震事件性質(zhì)識別方面開展研究，提出多種識別非天然地震的判據(jù)[2-5]。其后，一些振動分析的算法也應(yīng)用于非天然地震的識別研究[6-9]。專家學(xué)者分別對北京、廣東、安徽、河南、首都圈、福建、內(nèi)蒙古等地區(qū)的非天然地震事件進行波形、震相、能量、頻譜等方面的分析，歸納總結(jié)出各研究區(qū)的非天然地震特征[10-14]。由于不同地區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造不同，非天然地震的識別依據(jù)在各地應(yīng)用的結(jié)果不同。因此，在參考前人研究成果的基礎(chǔ)上，選取2015至2020年山西地震臺網(wǎng)記錄的山西大同和朔州平魯?shù)貐^(qū)非天然地震事件，對其震相特征、P波初動方向、As/Ap振幅比、頻譜特性等進行對比分析，歸納出山西大同、朔州地區(qū)識別非天然地震的綜合判據(jù)。

1 資料選取

選取2015至2020年山西地震臺網(wǎng)記錄的山西大同和平魯?shù)貐^(qū)ML≥2.5的塌陷和爆破共64個事件作為研究對象。其中，塌陷波形記錄59條，爆破記錄5條，最大為2016年12月21日和2017年6月21日山西大同市ML3.1塌陷事件。研究以典型事件為例開展。

2 非天然地震的波形特征

2.1 非天然地震震相特征

2020年1月9日16時15分12秒在山西大同市發(fā)生ML2.7塌陷事件(40.02°N、112.97°E)，震中距384 km內(nèi)有29個臺站記錄到；2017年7月19日17時8分7秒在山西平魯發(fā)生ML2.5爆破事件(39.46°N、112.29°E)，最遠(yuǎn)到震中距208 km內(nèi)有24個臺站記錄到。選用這兩個典型事件進行分析。塌陷波形面波明顯，較爆破波形成分簡單。塌陷波形頻率單一，高頻成分少，面波明顯且出現(xiàn)較早，波形周期較大，衰減較快(見第8頁圖1)。爆破波形P波發(fā)育且初動強而尖銳，S波為次生波，振幅較小，面波明顯，波列衰減較快，持續(xù)時間短(見第8頁圖2)。

圖1 2020年1月9日山西大同市ML2.7塌陷Fig.1 ML2.7 collapsed in Datong,Shanxi on January 9,2020

2.2 P波垂直向初動

爆破是膨脹源，產(chǎn)生的壓縮波無象限分布，P波在震中距較近的臺站所記錄的垂直分量的初動向上；塌陷的震源體對源外介質(zhì)主要施加拉力，產(chǎn)生膨脹波，特點是P波垂直向初動向下[15]。因此，P波垂直向初動方向特征可作為識別爆破和塌陷事件的一個依據(jù)。由于較遠(yuǎn)臺站初動情況的參考價值不高，故對震中距100 km內(nèi)臺站記錄的初動情況進行統(tǒng)計(見第9頁表1)?？梢钥闯?，爆破的P波垂直分量初動在記錄臺站向上的比例較高，超過78%；塌陷的P波垂直向初動在記錄臺站基本向下，占比超過85%。

表1 大同、朔州地區(qū)塌陷和爆破P波垂直向初動統(tǒng)計Table 1 Statistics of P-wave vertical initial motion of collapse and blasting in Datong and Shuozhou

2.3 振幅比As/Ap

爆破過程中巖石受到的力是正壓力，無剪切力，故直接產(chǎn)生的只有P波，S波是因破裂過程發(fā)生切變而派生出來的[10]。爆破有較強的P波群，S波群則相對較弱。塌陷的震源較淺，不是一次完成，有塌落或巨石滾動的情形發(fā)生，初動大多比較平緩[16]。P、S波振幅比表征上述地震的動力學(xué)特性，同時，可減小震級、地震儀放大倍數(shù)和頻率特性等因素造成的影響[17]。因此，通過分析和量取非天然地震事件中震相明顯的通道中垂直方向上P波最大振幅Ap、水平方向上S波最大振幅As，求得各臺站As/Ap值(見圖3)?？梢缘贸?，大同地區(qū)幾次塌陷事件的As/Ap值與震中距有關(guān)，比值隨震中距增大而減小。在0 km<Δ<50 km時，As/Ap值分布在6～22范圍內(nèi)；在50 km≤Δ≤250 km時，As/Ap值集中在0～8范圍內(nèi)。如圖4所示，平魯?shù)貐^(qū)爆破的As/Ap值隨震中距增大表現(xiàn)出的規(guī)律性不明顯，其值多集中在4以下。通過求取每個臺站記錄的S波和P波最大振幅比值，再對各臺記錄幅值比進行算數(shù)平均，結(jié)果如圖5所示,爆破的As/Ap值多集中于1.5～2.8，塌陷集中在2.8～4.5。

圖3 大同地區(qū)塌陷事件As/Ap值Fig.3 As/Ap of collapse events in Datong

圖4 平魯?shù)貐^(qū)爆破事件As/Ap值Fig.4 As/Ap of collapse events in Pinglu

圖5 塌陷和爆破事件As/Ap對比Fig.5 As/Ap comparison of collapse and blasting events

3 非天然地震頻譜特征

頻譜分析是采用傅里葉變換分解振動信號進行研究和處理的一個過程，研究中使用常用、有效的快速傅里葉變換(FFT)[18]。基于山西測震臺網(wǎng)2015至2020年記錄的大同、平魯事件波形數(shù)據(jù)，應(yīng)用Matlab程序分別完成人工爆破與塌陷等事件的波形截取，通過快速傅里葉變換方法，將上述不同類型事件的波形數(shù)據(jù)從時間域變換到頻率域，分析其頻譜特征(見圖6、圖7)。可以看出，山西大同地區(qū)塌陷事件的優(yōu)勢頻率偏低，主要分布于0～2 Hz，主頻為1 Hz，頻率成分相對簡單，能量衰減較快；山西平魯?shù)貐^(qū)爆破事件的優(yōu)勢頻率較高，主要分布于0～5 Hz，主頻為1 Hz。綜合認(rèn)為，爆破和塌陷事件主頻相當(dāng)，均較低；爆破的優(yōu)勢頻率較寬，塌陷的優(yōu)勢頻率較窄，能量衰減較快。

圖6 塌陷事件頻譜圖Fig.6 Spectrum of collapse events

圖7 爆破事件頻譜圖Fig.7 Spectrum of blasting events

4 結(jié)論與討論

通過對2015至2020年山西大同、平魯?shù)貐^(qū)ML≥2.5非天然地震事件的對比分析，得出如下結(jié)論：

(1)從震相上看，塌陷和爆破均有S波不明顯，面波發(fā)育、衰減較快等特點。塌陷的面波明顯且出現(xiàn)較早，波形周期較大，衰減較快；爆破的P波發(fā)育且初動清晰。

(2)在P波垂直向初動方面，震中距100 km范圍內(nèi)，爆破超過78%的臺站記錄的初動向上，塌陷超過85%的臺站記錄的初動向下。

(3)大同地區(qū)塌陷事件As/Ap隨震中距減小的規(guī)律明顯，0 km<Δ<50 km時，As/Ap值分布在6～22范圍內(nèi)，在50 km≤Δ≤250 km時，As/Ap值集中在0～8；爆破事件的As/Ap值與震中距無顯著關(guān)系，As/Ap值多集中在4以下。爆破的最大振幅比As/Ap小于塌陷。

(4)在頻率特征方面，山西平魯?shù)貐^(qū)爆破事件的優(yōu)勢頻率較寬，主要分布于0～5 Hz，主頻為1 Hz；山西大同地區(qū)塌陷事件的優(yōu)勢頻率偏窄，主要分布于0～2 Hz，主頻為1 Hz，頻率成分相對簡單，能量衰減較快。