山西及周邊地區(qū)典型爆破及塌陷震相特征分析★

梁永燁，張 蕙，高偉亮

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

0 引言

山西是能源大省，從南到北分布著豐富的礦產資源，礦業(yè)活動強烈，因能源開采而引發(fā)的爆破、塌陷時有發(fā)生，是地質災害重點防御區(qū)。近幾年非天然地震造成的災害時有發(fā)生，為了給應急、救援提供及時準確的科學依據(jù)，中國地震局對非天然地震報送的時效性提出了更高的要求。因此如何快速的識別震相，準確的判別事件類型至關重要。關于非天然地震的識別，國內外已經開展了較為廣泛的研究。董祎瑋[1]、霍祝青[2]、黃世源[3]、蘇莉華[4]曾分別對曹妃甸、江蘇、重慶和河南等地區(qū)的天然地震和非天然地震的P波初動震相、周期、波形衰減、振幅比及頻譜等方面的波形震相特征進行分析對比，得到當?shù)靥烊缓头翘烊坏卣鸬恼鹣嗵卣鳌５轿鞯貐^(qū)非天然地震的特征卻一直未進行系統(tǒng)的分析總結。

2009年以來，山西地震臺網(wǎng)共記錄到ML≥2.5的爆破事件25個，塌陷事件136個，記錄到的這些非天然事件波形特征不盡相同，有的事件具有共性，爆破、塌陷特征明顯，較易識別；有的事件波形復雜，不具有常見爆破或塌陷特征，不容易區(qū)別于天然地震。并且在不同區(qū)域爆破塌陷波形形態(tài)不一，因此有時難以準確區(qū)分。本項目通過對體波、面波波形形態(tài)、P波初動方向、AS/AP振幅比和頻率譜等震相特征分析對比，找出山西省內及周邊各地區(qū)較為適用的爆破及塌陷識別判據(jù)，以提高本臺網(wǎng)地震速報及編目質量，進而為地方政府應對突發(fā)事件提供決策支持。

1 資料選取

本項目選取2009年以來山西臺網(wǎng)記錄到的山西大同(塌陷95個)、代縣(爆破3個、塌陷2個)、文水(爆破6個)、左云(爆破1個、塌陷5個)；陜西榆林(塌陷3個)和內蒙古準格爾旗(爆破1個)等非天然地震頻發(fā)區(qū)的ML≥2.5的爆破和塌陷事件波形，對每一地區(qū)爆破、塌陷事件的體波、面波波形形態(tài)、P波初動方向、AS/AP振幅比等特性指標進行分析對比(見圖1)。

2 數(shù)字記錄特征

2.1 各地區(qū)爆破塌陷震相特征

爆破一般在地表進行，介質密度較低，爆破震源體對介質施加膨脹壓力，形成壓縮波，衰減較快，持續(xù)時間短[5]。因此，相對于地震，圖2所示的爆破在波形上呈現(xiàn)頻譜簡單，高頻成分少，S波比較弱，短周期面波相對突出等特點。但不同地區(qū)的波形又有所不同，圖3，圖4分別為文水、左云地區(qū)的典型爆破波形圖，其中左云地區(qū)波形周期明顯較大，瑞利面波早早出現(xiàn)，而且比較發(fā)育。文水地區(qū)周期則相對較小，高頻成分較多，短周期面波相對比較弱，需要在仿真波形上才能清楚可見。這可能與各地區(qū)的地質結構和地質成分不同有關，需要進一步的研究和證明。

塌陷是指地表巖、土體在自然或人為因素作用下向下陷落，并在地面形成塌陷坑(洞)的一種動力地質現(xiàn)象。塌陷是由：塌(臨空體)-落(虛空區(qū))-落陷(承載體)三個過程完成的。圖5～圖8為各地區(qū)典型塌陷波形圖，從圖5～圖8中可以看出塌陷就爆破而言整個波段波形簡單、規(guī)則，含有高頻成分少，體波記錄頭部較小，近距離塌陷初動周期小，尾波周期大。由于塌陷往往不是一次完成，常常反復幾次，甚至可能伴有巖體或礦體的滾動等情景，又由于剪切波不發(fā)育，在近記錄點地震圖上就形成了其波列有些像遠震的體波段的情形[6-8]。

如圖5所示的代縣地區(qū)典型塌陷波形基本揭示了塌陷的大致過程，開始為破裂階段，Pg初動并不強，波形最大振幅部分顯示的是徹底坍塌過程，之后振幅減小過程顯示的是塌陷引起的振動階段。且代縣地區(qū)塌陷較爆破波形的周期明顯大很多，且具有明顯的正頻散特征，即大周期在前，小周期在后的特點。如圖5，圖6所示的大同地區(qū)的塌陷波形震動則具有周期的大小趨向一致特點。

圖9為陜西榆林的塌陷典型波形，其S波發(fā)育明顯，且周期同面波沒有明顯區(qū)別，面波無論震中距大小都有出現(xiàn)，且較發(fā)育，高頻成分稍低，波形看起來比較光滑。而且由于陷落體直接觸及地面，所以面波很突出，但是持續(xù)時間很短[9]。

2.2 P波初動

由于爆破是膨脹源，爆破的震源體對源外介質施加的是壓力，產生的是壓縮波，爆破近臺通常表現(xiàn)為垂直向波初動向上[10]。從圖10中可以看出山西地區(qū)的爆破近臺大多初動向上且強而尖銳，呈脈沖型，周期較小。由于爆破發(fā)生在地表，主要在地表淺層傳播[11]，能量損失較大，振動衰減很快，振幅很快就從最大突減到最小。而塌陷的震源為表面源，事件過程通常不是一次性高速破裂過程，因此圖11所示初動大多比較平緩。

鑒于較遠臺站的初動情況提供的參考價值并不高，表1，表2為各地區(qū)爆破塌陷地震事件震中距最近的前8個臺站記錄的初動情況。從表1中可以看出文水地區(qū)爆破事件初動最為明顯，初動向上臺站個數(shù)占比高達71%，次之為代縣，占比為67%，初動最不清晰的為左云，占比僅為38%。而從表2所示的各地區(qū)記錄的塌陷事件初動可得出大同和左云地區(qū)塌陷初動較為清晰，初動向下臺站個數(shù)占比分別為65%和56%，相比之下代縣、內蒙古準格爾旗和陜西榆林地區(qū)初動很模糊，P頭向下臺站個數(shù)占比僅為7%，2%和8%。

表1 各地區(qū)爆破事件初動向上臺站個數(shù)占比 %

表2 各地區(qū)塌陷事件初動向下臺站個數(shù)占比 %

2.3 AS/AP振幅比

理論上來說爆破主要產生P波，但由于爆破方式、傳播路徑復雜等的影響也可能派生出S波，因此爆破有較強P波群，S波相對較弱[12]。AS/AP振幅比值多少可以反映出事件的性質。本文計算了不同震中距下垂直向Pg和Sg的振幅譜比值Pg/Lg，經過各震中距校正后疊加獲得各地平均振幅譜比值。圖12，圖13分別為各地區(qū)爆破和塌陷的AS/AP值曲線，從圖12，圖13中可看出爆破AS/AP的值隨震中距的增加基本呈現(xiàn)上長狀態(tài)，而塌陷則呈現(xiàn)下降狀態(tài)，并在一定震中距后基本保持持平。

2.4 幅頻特性曲線

不同震源會產生不同頻率的波動，能量傳遞所用的介質對波動具有選頻吸收作用，并且觀測儀器具有一定頻率特性，對地震波形產生一定影響。因此，對地震波進行頻譜分析，可充分利用地震波所含信息，深入研究波動現(xiàn)象及其物理內涵[13]。為了防止高頻成分被地表過分吸收以及受地震計頻帶寬度的影響，每個地震均選擇最近的寬頻帶地震計臺站，使用地震交互分析軟件進行頻譜分析，從圖14，圖15中可見爆破和塌陷的主頻都很明顯，能量均多集中在低頻階段0 Hz～1.5 Hz、能量衰減較快、頻率成分相對簡單，且塌陷的高頻衰減要比爆破的大一些。

3 結論

本文通過對2009年—2018年山西臺網(wǎng)記錄到的山西大同、代縣、文水、左云、陜西榆林和內蒙古準格爾旗地區(qū)ML≥2.5的爆破和塌陷事件進行系統(tǒng)的分析及對比，得出以下結論：

1)文水、左云和代縣地區(qū)爆破典型波形有所差異原因可能與當?shù)氐刭|成分有關，致使左云地區(qū)波形周期較大，面波最為明顯，文水地區(qū)周期則相對較小，高頻成分較多。代縣地區(qū)塌陷較爆破波形的周期明顯大很多，且具有明顯的正頻散特征。大同地區(qū)的塌陷波形震動則具有周期的大小趨向一致特點。陜西榆林的塌陷其S波發(fā)育明顯，且周期同面波沒有明顯區(qū)別，而且由于陷落體直接觸及地面，所以面波很突出，但是持續(xù)時間很短。

2)相較代縣和左云，文水地區(qū)的爆破事件近臺大多有清晰的向上初動，而大同和左云地區(qū)的塌陷的事件初動向下的臺站的占比相對比較高。

3)各地區(qū)爆破AS/AP的值隨震中距的增加基本呈現(xiàn)上升狀態(tài)，而塌陷則呈現(xiàn)下降狀態(tài)，并在一定震中距后基本保持持平。

4)通過幅頻分析得出各地區(qū)爆破和塌陷的主頻都很明顯，能量均多集中在低頻階段0 Hz～1.5 Hz、能量衰減較快、頻率成分相對簡單，但塌陷的高頻衰減要比爆破的大一些。

本文對各地區(qū)爆破塌陷波形頻率成分分析較為簡單，之后會進一步進行小波變換工作，以得出更為準確細致的結果。