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(dòng)力學(xué)國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)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(kāi)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(duì)于非天然地震，只從波形特征上不易識(shí)別和區(qū)分。同時(shí)，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(duì)這些地區(qū)非天然地震事件的特征進(jìn)行對(duì)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(xiàng)重要內(nèi)容。

自20世紀(jì)50年代開(kāi)始，國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家學(xué)者在地震事件性質(zhì)識(shí)別方面開(kāi)展研究，提出多種識(shí)別非天然地震的判據(jù)[2-5]。其后，一些振動(dòng)分析的算法也應(yīng)用于非天然地震的識(shí)別研究[6-9]。專(zhuān)家學(xué)者分別對(duì)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(jìn)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(shí)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(tái)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(duì)其震相特征、P波初動(dòng)方向、As/Ap振幅比、頻譜特性等進(jìn)行對(duì)比分析，歸納出山西大同、朔州地區(qū)識(shí)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(tái)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(gè)事件作為研究對(duì)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(kāi)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(shí)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(gè)臺(tái)站記錄到；2017年7月19日17時(shí)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(gè)臺(tái)站記錄到。選用這兩個(gè)典型事件進(jìn)行分析。塌陷波形面波明顯，較爆破波形成分簡(jiǎn)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(jiàn)第8頁(yè)圖1)。爆破波形P波發(fā)育且初動(dòng)強(qiáng)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(shí)間短(見(jiàn)第8頁(yè)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(dòng)

爆破是膨脹源，產(chǎn)生的壓縮波無(wú)象限分布，P波在震中距較近的臺(tái)站所記錄的垂直分量的初動(dòng)向上；塌陷的震源體對(duì)源外介質(zhì)主要施加拉力，產(chǎn)生膨脹波，特點(diǎn)是P波垂直向初動(dòng)向下[15]。因此，P波垂直向初動(dòng)方向特征可作為識(shí)別爆破和塌陷事件的一個(gè)依據(jù)。由于較遠(yuǎn)臺(tái)站初動(dòng)情況的參考價(jià)值不高，故對(duì)震中距100 km內(nèi)臺(tái)站記錄的初動(dòng)情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)(見(jiàn)第9頁(yè)表1)?？梢钥闯?，爆破的P波垂直分量初動(dòng)在記錄臺(tái)站向上的比例較高，超過(guò)78%；塌陷的P波垂直向初動(dòng)在記錄臺(tái)站基本向下，占比超過(guò)85%。

表1 大同、朔州地區(qū)塌陷和爆破P波垂直向初動(dòng)統(tǒng)計(jì)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(guò)程中巖石受到的力是正壓力，無(wú)剪切力，故直接產(chǎn)生的只有P波，S波是因破裂過(guò)程發(fā)生切變而派生出來(lái)的[10]。爆破有較強(qiáng)的P波群，S波群則相對(duì)較弱。塌陷的震源較淺，不是一次完成，有塌落或巨石滾動(dòng)的情形發(fā)生，初動(dòng)大多比較平緩[16]。P、S波振幅比表征上述地震的動(dòng)力學(xué)特性，同時(shí)，可減小震級(jí)、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(guò)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(tái)站As/Ap值(見(jiàn)圖3)?？梢缘贸觯笸貐^(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(shí)，As/Ap值分布在6～22范圍內(nèi)；在50 km≤Δ≤250 km時(shí)，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(guò)求取每個(gè)臺(tái)站記錄的S波和P波最大振幅比值，再對(duì)各臺(tái)記錄幅值比進(jìn)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(duì)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(dòng)信號(hào)進(jìn)行研究和處理的一個(gè)過(guò)程，研究中使用常用、有效的快速傅里葉變換(FFT)[18]?；谏轿鳒y(cè)震臺(tái)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(guò)快速傅里葉變換方法，將上述不同類(lèi)型事件的波形數(shù)據(jù)從時(shí)間域變換到頻率域，分析其頻譜特征(見(jiàn)圖6、圖7)?？梢钥闯?，山西大同地區(qū)塌陷事件的優(yōu)勢(shì)頻率偏低，主要分布于0～2 Hz，主頻為1 Hz，頻率成分相對(duì)簡(jiǎn)單，能量衰減較快；山西平魯?shù)貐^(qū)爆破事件的優(yōu)勢(shì)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(shì)頻率較寬，塌陷的優(yōu)勢(shì)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(guò)對(duì)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(duì)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(diǎn)。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(dòng)清晰。

(2)在P波垂直向初動(dòng)方面，震中距100 km范圍內(nèi)，爆破超過(guò)78%的臺(tái)站記錄的初動(dòng)向上，塌陷超過(guò)85%的臺(tái)站記錄的初動(dòng)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(shí)，As/Ap值分布在6～22范圍內(nèi)，在50 km≤Δ≤250 km時(shí)，As/Ap值集中在0～8；爆破事件的As/Ap值與震中距無(wú)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(shì)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(shì)頻率偏窄，主要分布于0～2 Hz，主頻為1 Hz，頻率成分相對(duì)簡(jiǎn)單，能量衰減較快。