利用微震模板匹配定位方法識別遼寧撫順礦區(qū)微礦震事件

郭鐵龍 梁姍姍 鄒立曄

（中國北京100045 中國地震臺網(wǎng)中心）

0 引言

在礦山開采過程中，地質(zhì)構(gòu)造以及局部地殼應(yīng)力發(fā)生變化，巖石破裂引發(fā)地殼震動，導(dǎo)致礦震現(xiàn)象（李鐵等，2005；任嘯等，2010；韓軍等，2014；張華等，2014）。礦震誘發(fā)礦區(qū)地裂、地表沉降、礦坑突水、冒落、滑坡、崩塌等諸多次生災(zāi)害，最終造成采礦區(qū)地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)、地下水污染等生態(tài)環(huán)境失衡問題（尹濤等，2005；金速等，2006；王承偉等，2018）。

遼寧撫順礦區(qū)主要開采煤炭和油頁巖（王建國，2009）。該礦區(qū)礦震的特點為震源深度淺、發(fā)生頻度高、破壞性強。合理地監(jiān)測微礦震、分析礦震波形與活動性特征，有益于掌握該地區(qū)微礦震事件的活動規(guī)律，可在一定程度上降低其對社會生產(chǎn)、生活造成的危害。

通常運用信號處理方法（如頻譜分析等）判定事件類型（劉希強等，2005；張華等，2014），利用波形特征（波形振幅比、震相特征和卓越周期等）人工識別礦震。然而，對于不同區(qū)域的地震事件，仍需考慮地質(zhì)構(gòu)造、傳播介質(zhì)以及地應(yīng)力等因素的影響，綜合分析并判斷事件類型。此外，礦震多為微震和小震，在監(jiān)測和事件判別中有一定困難。

微震模板匹配定位方法（M&L）具有原理成熟、誤檢率低和檢索遺漏少等優(yōu)點（Zhang et al，2015；張淼，2015）。利用該方法，可在礦震安全監(jiān)測、水壓致裂監(jiān)測及小當(dāng)量核試驗監(jiān)測中自動識別微震事件（Zhang et al，2015；陳安國等，2019）。此方法通過搜索模板地震事件波形周圍的三維空間，計算格點位置與已知模板參考位置間的走時差，對波形走時矯正后進行疊加，得出波形互相關(guān)系數(shù)，從而實現(xiàn)對微震的識別和定位。本研究使用全國統(tǒng)一編目數(shù)據(jù)，利用微震模板匹配定位方法，搜索并檢測遼寧省撫順礦區(qū)原始地震目錄中遺漏的微震事件，結(jié)果用以分析研究區(qū)遺漏微礦震的波形特征，并探討礦震事件b值屬性。本文補充了研究區(qū)域缺失的微礦震數(shù)據(jù)，有助于提升結(jié)果的準(zhǔn)確性，從而完善統(tǒng)一編目中遺漏的微礦震事件數(shù)據(jù)。此外，討論了微震模板匹配定位方法的閾值設(shè)置對搜索的微礦震特征的影響。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 數(shù)據(jù)選取

遼寧省撫順市及周邊地區(qū)分布7 個地震臺站（圖1），其中1 個國家地震臺站，6 個區(qū)域地震臺站。固定臺站間距最小為0.063°（約7 km），地震監(jiān)測能力可達(dá)ML≥1.2（王亮等，2015；安祥宇等，2019）。

圖1 地震臺站與模板地震事件分布Fig.1 Distribution of the seismic stations and the template earthquake events

以2017 年1 月至2019 年12 月7 個地震臺站記錄的連續(xù)地震波形數(shù)據(jù)作為待檢測數(shù)據(jù)，以中國地震臺網(wǎng)中心發(fā)布的全國統(tǒng)一觀測報告中21 個ML＜4.0塌陷類型礦震為模板事件，進行遺漏微礦震事件搜索。21 個模板地震事件集中分布在撫順地震臺（FSH）與老虎地震臺（LHT）之間，震中分布見圖1，震級—時間關(guān)系見圖2。

圖2 模板地震事件M—t 關(guān)系Fig.2 M-t diagram of the template earthquake events

1.2 微震模板匹配定位方法

微震模板匹配定位方法基于波形互相關(guān)技術(shù)（Shelly et al，2007；Peng et al，2009），將已知模板地震波形數(shù)據(jù)相對于連續(xù)地震數(shù)據(jù)做滑動互相關(guān)，計算地震波在臺站和模板地震位置的震相走時差，并利用走時差對各個波形進行走時校正，完成相關(guān)波形疊加，并計算相關(guān)系數(shù)（CC）和信噪比（SNR）來確定地震事件的位置。設(shè)置2 個互相關(guān)系數(shù)閾值，分別為CC1=0.35、CC2=0.3，波形信噪比大于10 倍背景相關(guān)系數(shù)（Zhang et al，2015；張淼，2015；郭鐵龍等，2020）。當(dāng)互相關(guān)系數(shù)大于CC1 時，可檢測出一個微震事件；當(dāng)互相關(guān)系數(shù)大于CC2、小于CC1 且滿足信噪比條件時，也可認(rèn)為被檢測信號代表一個微震事件。

2 礦震事件識別

對遼寧省撫順地區(qū)地震臺站3 年連續(xù)波形記錄進行掃描，識別得到425 個遺漏礦震事件。去除初動不清晰、信噪比低的事件，得到291 個礦震事件，是地震目錄中21 個地震事件的13.86 倍，震中分布見圖3。圖4 所示為運用微震模板匹配定位方法進行微礦震事件識別的實例，圖中紅色波形為模板地震事件波形，發(fā)震時刻為2017-03-09T08:03:04，震中位置為（41.858°N，123.935°E），震源深度0 km，震級為ML3.3；灰色波形為微礦震事件波形，識別結(jié)果為發(fā)震時刻為2018-02-07T16:58:00，震中位置為（41.858°N，123.925°E），震源深度0 km，震級為ML2.4；紅色箭頭表示波形記錄起始時間。由圖4 可見，紅色波形信噪比較高，通過對比灰色波形，二者相似程度較高，被檢測的連續(xù)波形具備模板礦震事件波形特征。

圖3 礦震事件震中分布Fig.3 Epicentral distribution of the mining microseismic events

圖4 運用微震模板匹配定位方法識別微礦震事件實例Fig.4 Examples of the identified mining microseismic events using the M&L method

3 礦震特征分析

3.1 波形特征分析

圖5 橫坐標(biāo)是以秒為單位的時間軸，縱坐標(biāo)是地震波形振幅。其中圖5（a）為微礦震事件波形，發(fā)震時刻為2017-07-20T02:58:21，震中位置為（41.831°N，123.992°E），震源深度0 km，震級為ML2.2；圖5（b）為天然地震事件波形，發(fā)震時刻為2017-09-18T16:53:12，震中位置為（41.990°N，123.791°E），震源深度6 km，震級為ML2.1。文中從面波發(fā)育、P 波初動、波形頻譜對比天然地震和礦震事件波形，結(jié)果見圖5。由圖5 可見，相較于天然地震，礦震事件波形具有以下特征：①面波發(fā)育：礦震事件波形短周期面波發(fā)育[圖5（a）]，天然地震事件波形S 波振幅最大，無明顯面波出現(xiàn)[圖5（b）]，可見二者存在顯著差別，與前人所得結(jié)論一致（王風(fēng)等，2013；王承偉等，2018）；②P 波初動：礦震事件垂直分量P 波初動方向向下，而天然地震事件P 波初動方向受地質(zhì)構(gòu)造、震源機制、方位角等因素影響，通常不一致；③頻譜對比：礦震面波的周期比天然地震長；且礦震波形頻譜主要為低頻成分、較為集中[圖6（a）]，而天然地震波形頻譜高，低頻成分分散且復(fù)雜[圖6（b）]，可見二者存在明顯區(qū)別。

圖5 礦震與天然地震波形對比Fig.5 Comparison of the waveform of a mining microseismic event and a tectonic earthquake

圖6 撫順地震臺記錄的礦震事件和天然地震頻譜對比(a)礦震垂直向波形頻譜；(b)天然地震垂直向波形頻譜Fig.6 Waveform spectral comparison of a mining microseismic event anda tectonic earthquake recorded by Fushun Seismic Station

3.2 礦區(qū)事件b 值

b值用于描述震級與地震頻度的比率，可用來表征區(qū)域內(nèi)不同大小地震事件的頻次關(guān)系（劉子璇等，2019）。使用zmap 程序（Wiemer，2001；徐志國等，2020），計算本研究識別所得291 個礦震事件b值，得到b=1.09[圖7（a）]，誤差為±0.05；根據(jù)最大曲率法，得到撫順礦區(qū)礦震事件最小完整性震級Mc=1.2。計算2017—2019 年撫順礦區(qū)發(fā)生的94個天然地震事件b值，得到b=0.93[圖7（b）]，誤差為±0.12；根據(jù)最大曲率法，得到該區(qū)天然地震最小完整性震級Mc=2.0。上述結(jié)果顯示，礦震事件b值較高，與Han 等（2011）的研究結(jié)果一致。

圖7 b 值對比（a）礦震；（b）天然地震Fig.7 Comparison of the b-values

4 結(jié)論

利用微震模板匹配定位方法，識別遼寧撫順礦震事件，并開展波形和頻譜特征分析。研究結(jié)果表明，運用該方法識別的礦震事件，與模板礦震事件波形和頻譜特征一致，且其b值高于該地區(qū)天然地震事件b值，表明所識別遺漏礦震事件具有較高的b值屬性。

微震模板匹配定位方法已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。在識別遺漏微礦震過程中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)互相關(guān)系數(shù)大于閾值CC1 時，事件具備礦震事件屬性；而當(dāng)互相關(guān)系數(shù)大于閾值CC2 且小于閾值CC1 時，礦震波形P 波初動不清晰，短周期面波不發(fā)育，是礦震震源機制不同、模板事件不足或礦震震級較小所致。因此，互相關(guān)系數(shù)閾值的選取，對于微震識別尤為關(guān)鍵。若要使礦震事件識別具有較高的準(zhǔn)確性，應(yīng)選取較高的閾值。