張 玲 李 麗

1）中國太原 030021 山西省地震局

2）中國山西 030025 太原大陸裂谷動力學國家野外科學觀測研究站

0 引言

山西是地震多發(fā)省份，平均每年記錄0級以上地震約2000次，其中ML≥2.7地震有30余次，且多分布在斷陷盆地內(nèi)部，兩側(cè)山區(qū)較少。目前，山西測震臺網(wǎng)日常工作要求對轄區(qū)內(nèi)發(fā)生的ML≥2.7地震，要求在極短時間內(nèi)進行速報，并對地震類型快速作出判決。由于山西地區(qū)構(gòu)造復(fù)雜，礦產(chǎn)豐富，采空區(qū)多有分布，在實際工作中，常遇到地震波形復(fù)雜的情況，造成了對地震事件類型的識別需要花費大量時間且難以保證其準確性的困境，值班人員混淆地震事件類型的情況時有發(fā)生。因此，地震事件類型的準確識別已成為目前地震監(jiān)測工作中面臨的重要問題之一。

2021年8月11日10時51分在山西省北部的大同市云岡區(qū)發(fā)生一次ML3.0地震事件（40.02°N，112.93°E），據(jù)近臺波形記錄特征分析，疑似爆破事件。后發(fā)現(xiàn)此次地震事件既具有非天然地震事件特征，又與天然地震相似，事件類型復(fù)雜。山西地震臺網(wǎng)工作人員通過對該地震事件波形進行分析和對比，確定此次事件為礦山誘發(fā)地震。

研究表明，僅通過地震波形特征識別無法準確判定復(fù)雜地震事件類型（殷偉偉等，2021）。因此，通過震相統(tǒng)計、頻譜分析、時頻特征、震源機制等方法對地震事件類型進行廣泛研究，在地震事件類型識別中取得較好效果（林懷存等，1990；趙永等，1995；張萍等，2001；黃漢明等，2010；劉莎等，2012；靳玉貞等，2015；馬麗，2020；陳曉龍等，2021；鄭亞迪等，2022）。鑒于2021年8月11日山西云岡ML3.0地震事件類型判定存在一定爭議，本文通過波形特征、震相統(tǒng)計、頻譜分析、時頻特征等進行深入分析，為今后復(fù)雜地震事件的類型判定提供參考。

1 區(qū)域地震活動背景

大同礦區(qū)位于山西北部口泉斷裂的西側(cè)，該礦區(qū)煤炭儲量大，礦井數(shù)量多。隨著開采深度逐漸增加，塌陷地震發(fā)生的頻次和強度逐漸增多。據(jù)山西地震臺網(wǎng)測定，2015—2023年共監(jiān)測到該礦區(qū)附近發(fā)生ML≥2.5塌陷地震達70余次（圖1），ML＜2.5塌陷地震幾乎每日都有發(fā)生①根據(jù)山西省地震局礦震中心內(nèi)部資料。由于這些塌陷地震主要集中在礦區(qū)附近，且其波形具有典型的塌陷地震的波形特征，故這些地震事件的類型較容易識別。

圖1 2021年8月11日山西云岡ML 3.0地震震中位置Fig.1 The epicenter of Yungang ML 3.0 earthquake in Shanxi Province on August 11,2021

2021年8月11日10時51分在山西省大同市云岡區(qū)發(fā)生一次ML3.0地震事件（40.02°N，112.93°E）（圖1），根據(jù)山西測震臺網(wǎng)記錄，上皇莊（SHZ）、鎮(zhèn)川（ZCH）、右玉（YUY）3個近臺記錄波形存在明顯的長周期面波，而遠臺記錄波形與高頻天然地震并無顯著差異（圖2）。此次地震震中位于山西北部的大同煤礦開采區(qū)，附近地質(zhì)構(gòu)造條件復(fù)雜，且采空區(qū)多有分布，因此該地震的復(fù)雜波形為事件類型的快速判定帶來一定困難。

圖2 2021年8月11日山西云岡ML 3.0地震事件波形Fig.2 Waveform of Yungang ML 3.0 earthquake in Shanxi Province on August 11,2021

2 地震事件特征分析

2.1 波形特征

不同類型地震事件（天然地震、爆破、塌陷）的震源機制、傳播路徑等具有明顯的差異，因此不同事件具有不同的波形特征（趙永等，1995；Kiszely，2001；林偉等，2004；張萍等，2005；Allmann et al，2008；蘇莉華等，2011；李發(fā)等，2012；靳玉貞等，2015；梁永燁等，2020），波形特征對比分析是目前判定地震事件類型的主要方法之一。

由2021年8月11日山西云岡ML3.0地震波形記錄特征（圖2，表1）可知，本次地震波形特征主要有：①震中距小于200 km的大部分臺站，其記錄的波形垂直向P波初動都有清晰尖銳的標識方向，有的向上有的向下，具有四象限分布特征；②震中距小于200 km的臺站，其記錄的波形絕大多數(shù)的P波段振幅小，S波段振幅大；隨著震中距逐漸增大，S波發(fā)育表現(xiàn)出相對較弱的特征，振幅也變得較弱；③震中距約50 km的3個近臺，上皇莊（SHZ）、鎮(zhèn)川（ZCH）和右玉（YUY），其記錄的波形在S波后存在短周期的瑞利面波，其余臺站記錄的波形未發(fā)現(xiàn)面波發(fā)育；④振幅衰減均表現(xiàn)出較慢的特征，有相對豐富的高頻成分，波形較為復(fù)雜。

表1 山西云岡ML 3.0事件震相特征統(tǒng)計Table 1 Statisticsof seismic phase characteristics of Yungang ML 3.0 earthquake in Shanxi Province

2.2 時頻特征

不同震源類型模式輻射的理論地震波譜不同，對不同事件類型進行時頻特征對比分析，可以實現(xiàn)對天然地震、爆破和塌陷等事件類型的識別（鄭秀芬等，2006；劉莎等，2012；鄭建常等，2014）。S變換時頻分析方法保留了每個頻率的絕對相位特征，同時具有無損可逆性，可以更好地突出信號的局部特征，在地震波形時頻分析中得到了較好的應(yīng)用（Stockwell et al，1996；劉琦等，2011；李麗等，2018；張娜等，2022）。本文主要采用S變換時頻分析方法對2021年8月11日山西云岡ML3.0地震進行分析研究。

震中距在50 km范圍內(nèi)的上皇莊（SHZ）、鎮(zhèn)川（ZCH）和右玉（YUY）3個近臺記錄的事件波形能夠依次清晰看到直達P、S波，S波振幅明顯大于P波振幅，S波后存在周期較大的面波發(fā)育。分別對這3個臺站的波形記錄進行S變換時頻分析，結(jié)果見圖3。

圖3 上皇莊（SHZ）、鎮(zhèn)川（ZCH）和右玉（YUY）臺垂直向波形及時頻分布Fig.3 Waveform and time-frequency distribution of SHZ,ZCH and YUY stations on vertical direction

由圖3可見，云岡ML3.0地震事件的高頻成分豐富，能量隨頻率和時間展布范圍較寬。震中距約為30 km的上皇莊（SHZ）臺記錄的波形頻率主要在40 Hz以內(nèi)，高、低頻均有分布，能量集中在S波段，優(yōu)勢頻段（主頻）集中在5—30 Hz。隨著時間的持續(xù)，高頻成分逐漸減小，在S波后的面波會出現(xiàn)1—2組波群，振幅呈現(xiàn)逐漸增大、后逐漸減小的特征，能量優(yōu)勢頻段集中在1 Hz。鎮(zhèn)川（ZCH）和右玉（YUY）臺也記錄到類似現(xiàn)象。此外，右玉（YUY）臺較其他2個臺站的震中距要遠，長周期面波出現(xiàn)的時間較晚，且持續(xù)時間較長，但面波能量優(yōu)勢頻段仍然集中在1 Hz，可見長周期面波能量隨時間衰減較慢。而震中距大于50 km的涼城（LCH）和雁門關(guān)（YMG）臺記錄的波形時頻分析結(jié)果顯示，未出現(xiàn)明顯的低頻面波信號，頻帶范圍主要集中在3—20 Hz，高頻成分和優(yōu)勢能量主要集中在S波段（圖4）。

圖4 涼城（LCH）和雁門關(guān)（YMG）臺垂直向波形及時頻分布Fig.4 Waveform and time-frequency distribution of LCH and YMG stations on vertical direction

3 對比分析

盡管2021年8月11日山西云岡ML3.0地震發(fā)生在山西大同煤礦開采區(qū)內(nèi)部，上皇莊（SHZ）、鎮(zhèn)川（ZCH）和右玉（YUY）3個近臺的波形記錄中出現(xiàn)清晰的短周期瑞利面波，符合塌陷、爆破等非天然地震震源較淺、面波發(fā)育的特征（趙永等，1995；靳玉貞等，2015；張媛媛等，2020）。但塌陷、爆破等非天然地震隨著震中距的增大，面波發(fā)育趨于明顯，具有正頻散特征，而本次地震除了上皇莊（SHZ）、鎮(zhèn)川（ZCH）和右玉（YUY）3個近臺能夠觀測到明顯的面波發(fā)育外，其他臺站的波形記錄沒有明顯的短周期面波。此外，由于爆破和塌陷的震源機制、傳播路徑、震源深度等與天然地震不同，其波形在P波初動、P波與S波最大振幅比、持續(xù)時間等方面具有顯著差異（周少輝等，2021）。爆破在垂直向的P波初動向上，無明顯象限分布，P波初動振幅較大，P波與S波最大振幅比遠大于天然地震，持續(xù)時間短、衰減快（趙永等，1995；林偉等，2004；王婷婷等，2013）。塌陷地震在垂直向的P波初動向下，無明顯象限分布，尾波持續(xù)時間長，在震中距＜50 km時，S波與P波最大振幅比遠大于天然地震（趙永等，1995；張媛媛等，2020；周少輝等，2021）。從垂直向P波初動方向、P波與S波最大振幅比、持續(xù)時間等信息統(tǒng)計結(jié)果（圖2，表1）來看，本次地震明顯區(qū)別于塌陷、爆破等非天然地震，具有天然地震的波形特征。

此外，塌陷和爆破等非天然地震的時頻特征與天然地震明顯不同。非天然地震發(fā)生位置較淺，地震波經(jīng)過比較松散的地層，高頻成分往往被吸收較多，與天然地震具有清楚的脈動和高頻特點不同，其頻率較低（Kiszely，2001；唐蘭蘭等，2009；劉莎等，2012）。特別是塌陷事件的頻率，低于同等震級的天然地震和爆破事件，其優(yōu)勢頻率約1 Hz（趙永等，1995）。在對本次地震事件波形的時頻分析中，P、S波段高頻成分豐富，地震頻帶范圍較寬，且有面波發(fā)育的臺站波形呈現(xiàn)低頻、周期較大的特征，能量優(yōu)勢頻段集中在1 Hz左右，與山西地區(qū)塌陷地震的時頻特征比較一致（李麗等，2018；張娜等，2022）。

由于本次地震位于大同礦區(qū)，震中附近地質(zhì)條件復(fù)雜，采空區(qū)多有分布，故本次地震波形復(fù)雜。近臺面波發(fā)育的原因可能是，本次地震是發(fā)生在大同礦區(qū)下方的一次天然地震，地震發(fā)生時瞬間釋放的能量，使得震中附近不穩(wěn)定的礦區(qū)應(yīng)力環(huán)境發(fā)生改變，造成礦井頂部高應(yīng)力區(qū)的巖體發(fā)生陷落，釋放了一定能量。根據(jù)不同臺站記錄的本次地震事件波形特征：震中距小于50 km的臺站能夠記錄到明顯的短周期面波信號，震中距大于50 km的臺站的波形記錄短周期面波信號不明顯，認為本次地震觸發(fā)的塌陷事件能量較小。此外，根據(jù)波形記錄可以看出，本次地震和塌陷事件發(fā)生的位置相近，因此近臺記錄表現(xiàn)了非天然地震的面波發(fā)育特征。因此，對于這類“非典型”波形事件，在日常地震分析工作中僅僅參考近臺的波形信息還不能準確判斷地震事件類型，需要對不同臺站波形進行分析；同時對這類事件進行總結(jié)分析，積累波形分析經(jīng)驗，以便實現(xiàn)快速、準確識別地震事件類型的工作要求。

4 結(jié)論與討論

針對2021年8月11日山西云岡ML3.0地震事件類型存在的一些不確定性問題，通過波形特征研究、時頻分析以及不同事件類型的對比分析，得到如下認識：

（1）根據(jù)不同臺站的波形記錄，本次地震垂直向P波初動方向清晰，呈象限分布；絕大多數(shù)的P波段振幅小于S波段；高頻成分豐富，振幅波動衰減較慢，與天然地震的波形特征一致性較好。二者主要差別在于震中距50 km范圍內(nèi)的3個近臺記錄到本次地震波形明顯的短周期面波發(fā)育，具有爆破、塌陷等淺源地震的波形特征。

（2）S變換時頻分析結(jié)果顯示，本次地震高頻成分豐富，頻帶范圍較寬，表現(xiàn)為天然地震的頻譜特征；3個近臺記錄面波部分具有頻率較低、周期較大的特征，能量優(yōu)勢頻段集中在1 Hz左右，與塌陷地震時頻特征較一致。

（3）對比爆破、塌陷等非天然地震波形和頻譜特征，判定本次地震是一次發(fā)生在大同礦區(qū)的天然地震。該地震同時引發(fā)了淺層煤層開采區(qū)內(nèi)高應(yīng)力集中的礦井頂部巖體發(fā)生塌陷，而塌陷事件釋放的能量有限，造成了震中距較近的臺站記錄到清晰的周期較大的面波信號。2 種不同事件類型的波形疊加在一起，呈現(xiàn)出本次地震事件復(fù)雜的波形特征。

（4）要判定發(fā)生在特定區(qū)域、波形復(fù)雜的地震事件的類型，需綜合不同臺站記錄波形進行分析，必要時采取其他技術(shù)手段，如時頻分析、模式識別、震源機制等，進行深入研究，還可以對比不同事件類型的特征進行綜合研判。