大冶金山店鐵礦區(qū)地震監(jiān)測與成因類型探析*

李 峰 魏貴春 申學(xué)林

(湖北省地震局，武漢 430071)

大冶金山店鐵礦區(qū)地震監(jiān)測與成因類型探析*

李 峰 魏貴春 申學(xué)林

(湖北省地震局，武漢 430071)

收集、整理了大冶金山店鐵礦區(qū)近幾年微震活動的監(jiān)測記錄，并通過震中精定位和地震波形、頻譜、震源機制解等綜合性研究，認為該礦區(qū)的地震活動與礦山開采有密切關(guān)系，其成因類型屬采礦誘發(fā)的地震活動，簡稱礦震。

地震監(jiān)測;波形;頻譜;震源機制;礦震

1 引言

近幾年來，大冶金山店礦區(qū)微震活動頻繁，且地震年頻次呈上升趨勢，如2008—2009年為1～2次，2010年則達到21次/年。

金山店鐵礦區(qū)地形上屬長江中游南岸的低山丘陵，地勢較平坦。海拔最高的西冶山為245.6 m，大部分地區(qū)地勢為20～50 m。礦區(qū)地表巖性主要是風(fēng)化較嚴重的花崗巖，地表沒有明顯的區(qū)域性斷層通過。礦區(qū)歷史及現(xiàn)代地震較少，活動水平不高，迄今尚無大于4.5級中強地震的記載。因此，近年礦區(qū)頻發(fā)的地震活動引起社會極大關(guān)注，同時也對礦區(qū)正常開采及發(fā)展規(guī)劃產(chǎn)生一定的負面影響。

為了監(jiān)測大冶金山店礦區(qū)地震活動，確定其成因類型，湖北省地震局監(jiān)測預(yù)報中心受武漢地震工程院委托派出專業(yè)人員收集礦區(qū)及周邊地震活動資料，同時在礦區(qū)架設(shè)流動地震儀開展了現(xiàn)場地震監(jiān)測。

通過長達近100天的連續(xù)地震監(jiān)測，取得了300多次地震(振)動記錄，并且完成了周邊地區(qū)2008年以來地震資料的收集整理、震中精定位及編目、成圖。利用這些資料，我們對礦區(qū)及周邊地震的波形、震源機制、頻譜特征等進行了研究，嘗試從測震學(xué)角度探討地震(振)動的成因。

2 現(xiàn)場地震監(jiān)測

2.1 流動監(jiān)測臺網(wǎng)

為了有效地監(jiān)測礦區(qū)的微震活動，在礦區(qū)周邊架設(shè)了由金山店、太和鎮(zhèn)、東方山、伏三村等4個流動觀測臺組成的臨時監(jiān)測臺網(wǎng)(圖1，表1)，加上外圍區(qū)域的武漢、九峰、嘉漁、咸寧、黃梅以及礦區(qū)鄰近的陽新等固定臺，使得礦區(qū)地震的監(jiān)測能力由原來的ML≥1.5提高到ML≥0.5。

此次地震監(jiān)測設(shè)備為FSS-3B型短周期地震計，測量頻帶為1～40 Hz，EDAS-3M地震記錄儀，24位A/D轉(zhuǎn)換器，三通道數(shù)據(jù)采集，采樣率為50 Hz。

4臺流動測震儀均為24小時連續(xù)監(jiān)測采集數(shù)據(jù)，監(jiān)測數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡(luò)CDMA實時傳送到湖北省測震臺網(wǎng)中心，臺網(wǎng)中心將流動測震臺的波形數(shù)據(jù)實時接收到服務(wù)器中(圖2)。

圖1 金山店礦區(qū)流動臺站分布圖Fig.1 Distribution of mobile monitoring seismostation in Jinshandian mining area

表1 地震臺基礎(chǔ)資料Tab.1 Basic parameters of seismostation

圖2 數(shù)字遙測地震臺網(wǎng)中心的基本結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Basic structure of digital telemetry seismostation network center

2.2 地震監(jiān)測記錄

連續(xù)100余天的地震監(jiān)測，獲得了地震(振)動記錄300余次，其中包括5次ML≥2.0地震事件。經(jīng)雙差法精確定位，結(jié)果顯示這5次地震震中大都集中在礦區(qū)附近(圖3)，距離最遠僅1.5 km，主要分布在塌陷區(qū)的南面，與目前礦區(qū)開采方位基本一致。

這次監(jiān)測記錄的礦區(qū)地震(振)動波形基本上屬非構(gòu)造地震類型，其特點是波形簡單，振幅較寬，衰減較快等［1，2］。從距震源較近的礦區(qū)流動臺記錄上看，這些波形幾近相似，但利用外圍鄰近的固定臺(如陽新臺)記錄即可看出其間的差異，如圖4(a)、(b)、(c)所示。

圖3 金山店礦區(qū)監(jiān)測的地震(振動)(ML≥2.0)震中分布圖Fig.3 Distribution of epicenters of earthquakes above ML 2.2 in Jinshandian mining area

圖4 礦區(qū)地震(振動)記錄的波形圖Fig.4 Plots of waveform records of mining earthquake(oscillation)

圖4(a)是礦區(qū)記錄最多的一種波形，其特點是波形簡單，初動清晰，高頻成分較明顯，面波發(fā)育，尾波周期較大，與構(gòu)造地震和其他非構(gòu)造振動事件波形有明顯區(qū)別，符合礦震的波形特點［3，4］。

圖4(b)可判別為滑坡引起的地震(振)動波形，其初動不清，三分向面波發(fā)育，高頻成分不多，波形光滑，幅度致峰值后衰減較快，尾波較短，持續(xù)時間均約10 s，周期較大，振幅較寬［3，4］。礦區(qū)的此類滑塌是由采礦作業(yè)引發(fā)的，也可以說是一種礦震［2，3，5］。

圖4(c)波形簡單，初始尖銳，持續(xù)時間極短，基本上1～2個周期后即迅速衰減。而且此類波形出現(xiàn)的時間固定，基本上每日15時左右都能記錄到，為典型的爆破波形。

值得提及的是：上述3種波形常有相互兼容、重迭現(xiàn)象，即記錄上常常同時出現(xiàn)幾種波形特征，如礦震和滑塌。這可能是因為礦震導(dǎo)致巖層滑塌，而滑塌也可能引發(fā)輕微地振動。因此，我們對礦區(qū)地震(振)動類型的區(qū)分需要結(jié)合多種判據(jù)。

3 礦山周邊地區(qū)地震活動性

在開展礦區(qū)現(xiàn)場地震監(jiān)測的同時，我們擴展了地震活動的時、空范圍，即對礦區(qū)及周邊約10 km2的區(qū)域(114.78～114.81°E，30.13～30.17°N)內(nèi)2008年以來ML≥1.5地震資料進行了收集整理和精確定位(表2、圖5～9)。

現(xiàn)有資料表明：礦區(qū)及周邊近3年來共發(fā)生ML≥1.5以上地震25次，其中ML≥2.0以上地震19次，最大地震為2010年12月21日大冶ML2.4地震(表2)。如圖5所示，這些小震均分布在大冶市轄范圍內(nèi)，且主要集中分布在礦區(qū)附近。

從礦區(qū)地震活動的M-T圖(圖6)可以看出，地震活動的強度有所增加。2008年1月—2010年9月湖北省數(shù)字測震臺網(wǎng)記錄到的12次ML2.0以上地震均發(fā)生在2010年。

表2 礦區(qū)及周邊地震統(tǒng)計(2008-01—2010-12)Tab.2 Statistics of earthquake’in mining area and neighboring region(2008-01—2010-12)

從礦區(qū)地震的N-T圖(圖7)可以看出，2008年1月—2010年9月，礦區(qū)地震活動在時間分布上是不均勻的，如2008年的地震1次，2009年地震2次，2010年則共發(fā)生地震20余次，而且地震的時間間隔越來越短，年頻次和月頻次明顯增加(圖8)。

圖5 金山店礦區(qū)周邊震中分布圖(2008—2010)Fig.5 Distribution of epicenter of the earthquakes around Jinshandian mining area(2008—2010)

圖6 金山店礦區(qū)地震M-T圖Fig.6 Plot of M-T of the earthquake in Jinshandian mining area

圖7 金山店礦區(qū)地震N-T圖Fig.7 Plot of N-T of the earthquakes in Jinshandian mining area

圖8 金山店礦區(qū)發(fā)震時間間隔圖Fig.8 Time intervals of the earthquakes in Jinshandian mining area

區(qū)域內(nèi)震源深度分布在0～8 km范圍內(nèi)，平均深度為4 km，明顯屬于淺源地震，且震源深度有向上逐漸變淺的趨勢(圖9)。

綜上所述，大冶金山店礦區(qū)及周邊處于少震區(qū)的地震背景中，近三年來區(qū)內(nèi)地震活動是以淺源(0～8 km)微震(ML≤2.4)為特征的，其震中分布多集中在礦區(qū)附近(圖5)。

圖9 金山店礦區(qū)震源深度分布圖Fig.9 Depth distribution of the earthquakes in Jinshandian mining area

4 地震波頻譜特征

地震波是彈性波，采用波譜分析方法研究地震波序列的頻譜特征，從中尋找能反映地震類型特征的參數(shù)指標，為識別和區(qū)分地震成因類型提供了依據(jù)和途徑。

在判識地震成因類型過程中，要注意不同類型地震頻譜參數(shù)值差異，其中理論拐角頻率和理論高頻衰減系數(shù)是依據(jù)ω-2模型理論震源譜計算的，因為曲線擬合存在較大誤差，使用中以實際拐角頻率和實際高頻衰減系數(shù)為準。通常用以判別地震類型的頻譜參數(shù)指標可大致歸納如下［5-7］：

1)天然構(gòu)造地震的優(yōu)勢頻率大多數(shù)大于2.0 Hz，范圍集中在2.0～12 Hz之間;峰值頻率主要集中在0.5～3.0 Hz之間;拐角頻率比較集中;高頻衰減系數(shù)范圍較廣，從-1.0～-6.0均有分布，大多數(shù)在-1.5～-4.0之間。總體上，近距離淺源天然構(gòu)造地震頻域范圍寬，高頻成分相對發(fā)育，拐角頻率特征明顯，峰值頻率和高頻衰減范圍寬，并且水平向和垂直向的差異不同;

2)礦震或塌陷地震的優(yōu)勢頻率和峰值頻率范圍在0.8～2.0 Hz之間，頻域范圍很小，頻率成分單一;拐角頻率在2.0～3.0之間;高頻衰減系數(shù)在-2.0～-4.0之間，拐角頻率和高頻衰減系數(shù)比較集中;

3)爆破結(jié)果顯示，優(yōu)勢頻率從0.3～8.0 Hz均有分布，沒有明顯集中段，峰值頻率在0.8～2.0 Hz之間占大多數(shù)。拐角頻率多數(shù)大于4.0 Hz，高頻衰減系數(shù)均大于-3.0。

從拐角頻率和優(yōu)勢頻率可以明顯區(qū)分構(gòu)造地震與塌陷，爆破的拐角頻率也明顯大于礦塌，但構(gòu)造地震與爆破、礦塌之間不能明顯區(qū)分。峰值頻率對4種類型地震的分辨均不明顯。利用最大振幅比可以明顯把爆破和礦塌區(qū)分開。從水平與垂直向最大振幅比差可以看出爆破和礦塌均比構(gòu)造地震小，由此可以把三者區(qū)分出來。

表3列出了2008年以來金山店礦區(qū)周邊地震頻譜分析結(jié)果。

從以上分析可以看出，不同類型震(振)動優(yōu)勢頻率、峰值頻率、理論拐角頻率、高頻衰減系數(shù)和最大振幅比值差異明顯。依據(jù)表3分析結(jié)果，從峰值頻率可以基本判定該礦區(qū)地振動不屬于構(gòu)造地震成因類型。但其優(yōu)勢頻率均在0.3 Hz左右，但依據(jù)頻譜特征尚難以準確判斷振動事件的成因類型。

5 震源機制解

為進一步論證金山店礦區(qū)地震(振動)成因類型，從震源機制解角度進行了進一步的探討。

根據(jù)金山店礦區(qū)及周邊2010年10—12月流動觀測取得的5個地震的垂直向振幅比，求得以下震源機制解如圖10及表4所示。

從圖10和表4可以看出，2010年10月以來，礦區(qū)及周邊記錄到的5次地震的震源機制解以走滑為主，同時還有正走滑-傾滑和逆走滑-傾滑等多種錯動方式，其矛盾符號比最大為0.17，最小為0.01;斷層節(jié)面走向和傾角無明顯優(yōu)勢方向和角度，反映出破裂面比較復(fù)雜，而且震源機制解給出的主壓應(yīng)力方向不甚明確，顯示礦區(qū)缺乏統(tǒng)一的構(gòu)造應(yīng)力場和較大活動斷裂的作用，表明金山店礦區(qū)上述地震不太可能是構(gòu)造成因的。

圖10 金山店礦區(qū)地震震源機制解Fig.10 Focal mechanism solution in the Jinshandian mining area

表3 礦區(qū)及周邊地震頻譜分析結(jié)果Tab.3 Results of earthquake spectral analysis in mining area and its neighboring region

表4 礦區(qū)震源機制解Tab.4 Focal mechanism solution in mining area

6 結(jié)語

1)金山店近3個月的現(xiàn)場地震監(jiān)測的記錄和周邊地區(qū)2008年以來的地震活動資料，均表明礦區(qū)主要以淺源微震活動為特征，地震活動水平較低，符合當(dāng)?shù)氐纳僬饏^(qū)域背景和相對穩(wěn)定的地質(zhì)構(gòu)造環(huán)境。

2)金山店礦區(qū)地震(振)活動波形大都表現(xiàn)為震相簡單、初動不清、高頻成分少、周期較大、尾波幅度較小、衰減快等非構(gòu)造地震特點，其頻譜和震源機制解也顯示振動的非構(gòu)造性質(zhì)，并且可大致區(qū)分出礦震、滑塌、爆破等振動類型，其成因與礦山開采作業(yè)有關(guān)，屬采礦誘發(fā)的地震活動，即礦震。

3)3個多月來儀器記錄到的地振動震中均集中在礦區(qū)塌陷區(qū)南端，據(jù)了解，目前采礦區(qū)正在向南延伸，而震中也有向南遷移的趨勢。地振動與采礦在空間上有明顯依附關(guān)系;同時從時間上看，2009—2010年礦區(qū)振動頻次有明顯增加趨勢，且在較大礦震發(fā)生前，會有一段時間小礦震頻發(fā)。鑒于此，礦區(qū)可依據(jù)礦震這些時空規(guī)律及發(fā)展動向合理部署開采。

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STUDY ON EARTHQUAKE MONITORING AND SEISMOGENESIS TYPES IN IRON-MINING AREA IN JINSHANDIAN DISTRICT OF DAYE COUNTY

Li Feng，Wei Guichun and Shen Xuelin
(Earthquake Administration of Hubei Province，Wuhan 430071)

On the basis of collection of field earthquake records in mining area and the neighboring regions，we carried out a series of comprehensive researches such as the accurate location of the epicenter，spectral analysis and focal mechanism solution.We concludes that there is a close correlation between earthquake in mining area and mining activities，and seismogenic pattern belongs to mining-induced earthquakes，or we can simply call them mine earthquakes.

earthquake monitoring;waveform;frequency spectrum;focal mechanism;mine earthquake

1671-5942(2011)Supp.-0013-06

2011-04-25

李峰，男，1971年生，高級工程師，主要從事地震監(jiān)測和分析預(yù)報工作.Email：lpyp119@163.com

P315.72+8

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