昭通巡龍測(cè)震臺(tái)強(qiáng)夯土事件與微震波形特征分析

王澤蘭

(云南省地震局昭通地震監(jiān)測(cè)中心站,云南 昭通 657000)

0 引 言

近年來,由于鐵路、公路、住宅等建設(shè)對(duì)場(chǎng)地平整的需求逐漸增加,記錄的夯土事件增多,給人工地震識(shí)別增加了難度。由于夯土事件波形與微震波形有著很多相似之處,且地震震級(jí)較小、易被忽略,不僅難以分辨,而且無意間也會(huì)造成分析錯(cuò)誤,導(dǎo)致混淆地震目錄,影響科研人員的地震研究。所以,盡可能準(zhǔn)確地對(duì)兩者的記錄波形特征進(jìn)行分析并快速分類識(shí)別意義重大。

很多學(xué)者對(duì)非天然地震事件,比如爆破、塌陷等非天然地震事件與天然地震記錄的波形特征差異進(jìn)行了分析總結(jié),常金龍等人對(duì)鶴崗地震臺(tái)陣記錄的礦震與天然地震從時(shí)頻特征、頻譜特征、P/S大小等方面進(jìn)行對(duì)比分析,采用希爾伯特—黃變換(Hilbert- Huang,簡(jiǎn)稱 HHT)方法分析時(shí)頻特征差異[1];任家琪等人通過分析天然地震和非天然地震的震相特征,利用AlexNet卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對(duì)寧夏天然地震和非天然地震進(jìn)行識(shí)別,識(shí)別效果較好[2];梁永燁等人利用爆破和塌陷事件波形數(shù)據(jù)對(duì)其震相特征分析,發(fā)現(xiàn)爆破和塌陷的能量均多集中在低頻階段 0～1.5 Hz,幅頻特性差異明顯[3]。上述研究者的研究結(jié)果表明,非天然地震事件與天然地震事件之間存在很多相似之處,但是,特征差異也很明顯?；诖?王婷婷等人利用不同地區(qū)人工爆炸與天然地震記錄波形特征進(jìn)行分析并分類[4],以增加天然地震和爆破的分類準(zhǔn)確率;劉方斌等人采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)組合特征對(duì)天然地震和非天然地震進(jìn)行識(shí)別效果檢驗(yàn),檢驗(yàn)效果依賴于波形特征的提取效果[5]。

強(qiáng)夯土事件與微震的震源性質(zhì)不同,記錄波形特征也不同。強(qiáng)夯土事件由于發(fā)生在地表淺層附近,通常震源深度較淺。而天然地震震中在地質(zhì)內(nèi)部,具有一定的埋深。震源性質(zhì)的不同,在加上波傳播的路徑不同,導(dǎo)致強(qiáng)夯土事件與微震出現(xiàn)明顯的特征差異。通過分析此次昭通巡龍測(cè)震臺(tái)記錄的強(qiáng)夯土事件與同地區(qū)記錄的相似震級(jí)的微震,對(duì)比研究分析上述研究者的結(jié)論,本文使用As/Ap振幅比對(duì)強(qiáng)夯土事件和微震進(jìn)行分類識(shí)別。

1 資料選取

以昭通市及周邊地區(qū)(102°～106°E,26°～ 29°N)地震監(jiān)測(cè)臺(tái)站記錄強(qiáng)夯土事件和微震為研究對(duì)象,選取微震事件300余次,震級(jí)范圍為ML0.9～1.7,震源深度為 4～10 km,震中距范圍為10～50 km(圖1)。選取強(qiáng)夯土事件200余次,釋放能量大小相當(dāng)于ML0.6～1.4級(jí)地震,震源深度為零。

圖1 昭通巡龍測(cè)震臺(tái)記錄強(qiáng)夯機(jī)事件及選取微震事件位置

2 強(qiáng)夯土事件和微震波形特征

2022年12月～2023年5月,昭通地震監(jiān)測(cè)中心站與昭通市防震減災(zāi)局監(jiān)測(cè)到的地震波形出現(xiàn)長期且連續(xù)的微振動(dòng)信號(hào)(圖2), 工作人員初步對(duì)記錄的波形進(jìn)行分析,認(rèn)為連續(xù)長時(shí)間周期性的微震可能較小,波形特征與天然地震也有差異,持續(xù)時(shí)間較短。

圖2 實(shí)時(shí)記錄的現(xiàn)場(chǎng)強(qiáng)夯土波形

圖3 昭通巡龍測(cè)震臺(tái)記錄的強(qiáng)夯土事件波形和微震波形

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)核實(shí)后,確認(rèn)為舊圃鎮(zhèn)大梨園區(qū)域旗濱玻璃廠項(xiàng)目一期強(qiáng)夯工程施工所造成。該項(xiàng)目于2022年11月28日開始施工,12月9日開始為項(xiàng)目一期強(qiáng)夯工程。目前共15臺(tái)強(qiáng)夯機(jī)24 小時(shí)不間斷作業(yè),預(yù)計(jì)2023年5月27日竣工。強(qiáng)夯機(jī)每次將重40 t重錘提升高至20m后進(jìn)行自由落體夯擊地面,每次錘擊作用力大于6 000 k/n,1次夯擊時(shí)間大約為60 s。為明確微振動(dòng)為該項(xiàng)目施工造成干擾,在施工現(xiàn)場(chǎng)架設(shè)流動(dòng)測(cè)震儀開展實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),根據(jù)記錄到的實(shí)時(shí)地震波形確定此次微振動(dòng)異常為該強(qiáng)夯項(xiàng)目施工所造成的干擾,記錄干擾波形如圖2。

通過選取昭通巡龍測(cè)震臺(tái)記錄的5次強(qiáng)夯土事(圖 3a)和5次微震的記錄波形(圖 3b),統(tǒng)計(jì)部分強(qiáng)夯土事件如表1。

表1 統(tǒng)計(jì)部分強(qiáng)夯土事件表

波形數(shù)據(jù)選擇SP方式仿真,濾波頻段范圍為高通0.25～2.5 Hz。分析強(qiáng)夯土事件和微震波形,可以看出強(qiáng)夯土事件有以下特征:

(1)P波初動(dòng)向下。強(qiáng)夯土震源深度為地表,波由地表通過介質(zhì)傳播到測(cè)震臺(tái),因此理論上強(qiáng)夯土事件只會(huì)直接產(chǎn)生壓縮波而無剪切波,經(jīng)過統(tǒng)計(jì)此次大量的震動(dòng)波形,P波初動(dòng)方向均向下。

(2)P波初動(dòng)振幅較小,S波初動(dòng)振幅較大,且S波頻帶較寬。由于強(qiáng)夯土瞬間在地表發(fā)生壓縮產(chǎn)生能量傳播,震源位于地表,測(cè)震臺(tái)記錄的壓縮波是由于波的傳播介質(zhì)、路徑不均勻性發(fā)生切變產(chǎn)生的,因此強(qiáng)夯土事件的 P波振幅較小,而 S波較強(qiáng)、頻帶寬。

(3)強(qiáng)夯土事件持續(xù)時(shí)間短,衰減快。由于強(qiáng)夯土事件波的傳播路徑是松散的地表土層,其介質(zhì)密度較低,波在傳播過程中能量損失較大,其能量衰減非?？?整個(gè)波形窗持續(xù)時(shí)間也短。

(4) 具有規(guī)律性時(shí)間、空間特性,每次強(qiáng)夯土?xí)r間間距大約為60 s。由于機(jī)器作業(yè)需要將重物吊升至空中降落后砸向地面,由此砸向地面時(shí)間一般較為固定。

(5)強(qiáng)夯土事件波形記錄的頻譜特征與天然地震差異較大。在頻域方面,強(qiáng)夯土事件震源淺,經(jīng)過松散地下介質(zhì),高頻成分波被吸收較多,因此強(qiáng)夯土事件的波形頻帶范圍較窄,頻譜較微震為簡(jiǎn)單,能量較為集中,低頻成分明顯。

3 強(qiáng)夯土事件與微震頻譜特征

時(shí)頻特征分析是利用傅里葉變換將波形數(shù)據(jù)進(jìn)行研究和處理的一個(gè)過程,鄭亞迪等人通過時(shí)頻特征將爆破、塌陷等非天然地震實(shí)現(xiàn)分類識(shí)別[6],選取一次2023年3月11日震級(jí)為ML1.7、震源深度10 km、震中距范圍為10 km(圖4a)天然地震,一次2023年5月12日釋放能量相當(dāng)于1.6級(jí)地震、震源深度為地表、震中距范圍為5 km(圖4b)強(qiáng)夯土事件。將強(qiáng)夯土事件和微震波形數(shù)據(jù)在Matlab程序從時(shí)間域轉(zhuǎn)換到頻率域[7],分析其頻譜特征(圖4)?？梢钥闯?①強(qiáng)夯土事件波形初動(dòng)向下,微震初動(dòng)方向不定。②對(duì)比分析同一臺(tái)站記錄的同一強(qiáng)夯土事件和同一微震波形,強(qiáng)夯土振幅衰減比微震快。

圖4 天然地震(a)和強(qiáng)夯土事件(b)時(shí)頻對(duì)比分析

4 功率譜特征差異

夯土、爆破等非天然地震事件能量傳播路徑比較復(fù)雜,主要產(chǎn)生P波,較少產(chǎn)生S波[8]。而天然地震會(huì)產(chǎn)生巨大的剪切能量,釋放強(qiáng)大的S波能量,強(qiáng)夯土事件中夯土當(dāng)量相當(dāng)于小地震震級(jí)事件,釋放能量較小,有效記錄的震相為縱波P和橫波S。

選取50個(gè)微震和50個(gè)強(qiáng)夯土事件作頻譜比計(jì)算(圖5),P/S譜比計(jì)算在matlab程序里[9],計(jì)算步驟為:選取強(qiáng)夯土和天然地震波形數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)格式為seed或sac格式,然后利用震相提取模塊提取 P和S有效波段進(jìn)行傅里葉變換,在1～20 Hz頻帶內(nèi)計(jì)算P/S 幅值比。

圖5 天然地震和強(qiáng)夯土事件頻譜比

強(qiáng)夯土事件和微震P/S譜比值計(jì)算結(jié)果如圖5,分析得出:微震P/S譜比值大于強(qiáng)夯土事件,在0～20 Hz頻率區(qū)間,譜比值先減小后增大;當(dāng)頻率小于 5 Hz時(shí),天然地震與強(qiáng)夯土事件識(shí)別率相對(duì)較低;當(dāng)頻率大于 5 Hz時(shí),天然地震與強(qiáng)夯土事件基本可以識(shí)別。這是由于P波在能量大于5 Hz時(shí)開始衰減,S波能量開始增大。天然地震P、S波能量隨頻率的增加分布差異減小。

5 結(jié)果與討論

本文利用昭通巡龍測(cè)震臺(tái)記錄的強(qiáng)夯土波形數(shù)據(jù)及天然地震波形數(shù)據(jù),分析了兩者波形記錄的特征差異及產(chǎn)生原因,二者的特征差異及產(chǎn)生原因如下:

(1)強(qiáng)夯土波形P 波初動(dòng)向下,且震動(dòng)幅度較大、持續(xù)時(shí)間短、衰減快,主要原因是強(qiáng)夯土事件發(fā)生在瞬間,震源淺、波的傳播路徑介質(zhì)不均勻。

(2)天然地震持續(xù)時(shí)間比夯土事件長,P波與 S波震相明顯、振幅較大,強(qiáng)夯土事件P波與 S波震相不明顯,主要原因是強(qiáng)夯土事件產(chǎn)生能量較小,能量衰減非?？?。

(3)強(qiáng)夯土具有規(guī)律性時(shí)間、空間特性,每次強(qiáng)夯土?xí)r間間距大約為1分鐘,相鄰施工地點(diǎn)距離較近,主要原因是多臺(tái)夯土機(jī)施工,在時(shí)間和空間上有規(guī)律性。

(4)天然地震波形記錄的頻譜特征與強(qiáng)夯土事件不同, 天然地震P、S波能量隨頻率的增加分布差異減小。主要原因是強(qiáng)夯土事件震源淺,經(jīng)過松散地質(zhì),頻帶范圍較窄,高頻成分被吸收較多。

在MATLAB編譯環(huán)境下,將微震和強(qiáng)夯土事件波形數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)頻特征、P/S譜比特征分析。結(jié)果表明:P/S譜比差異性大,P/S譜比值隨頻率變化而變化;對(duì)比分析同一臺(tái)站記錄的同一強(qiáng)夯土事件和同一微震波形,強(qiáng)夯土振幅衰減比微震快。通過分析微震和強(qiáng)夯土事件P/S譜比特征、時(shí)頻特征、波形特征等差異,可為天然地震、非天然地震事件的分類研究問題中有很好的應(yīng)用前景。