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(jìn)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(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(jìn)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(jìn)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(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(jìn)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(qiáng)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，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(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(jìn)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。