四川丹巴梭坡滑坡微震信號(hào)初探

曾求 儲(chǔ)日升 盛敏漢 王清東 馬海超

1) 中國科學(xué)院精密測量科學(xué)與技術(shù)創(chuàng)新研究院，大地測量與地球動(dòng)力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430077 2)中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049

0 引言

滑坡災(zāi)害在我國頻繁發(fā)生，通常會(huì)造成巨大的人員傷亡、財(cái)產(chǎn)損失和基礎(chǔ)設(shè)施破壞(殷坤龍等，2001；朱良峰等，2004；黃潤秋，2007；季偉峰等，2007；Huang，2009)，因此有必要對(duì)人類住所附近的滑坡體進(jìn)行監(jiān)測?；碌谋砻孢\(yùn)動(dòng)學(xué)特征目前可以通過大地測量、攝影測量等遙感手段獲取(唐亞明等，2012；Wang，2013)，然而對(duì)于大型滑坡，表面運(yùn)動(dòng)很難反映深部的情況。地震學(xué)手段?；诨掳l(fā)生時(shí)產(chǎn)生的地震信號(hào)分析滑坡的動(dòng)力學(xué)特征(Xie et al，2020；Zhao et al，2020)，同時(shí)也能通過檢測滑坡變形過程中微破裂的活動(dòng)性來了解滑坡內(nèi)部的變形情況(Gomberg et al，2011；盛敏漢等，2018)。放置在滑坡上的地震儀不但能記錄到滑坡變形輻射出的地震信號(hào)，還可能會(huì)記錄到人類活動(dòng)信號(hào)。

滑坡上的地震儀能記錄到大量的震動(dòng)信號(hào)，包括滑坡體外事件的地震信號(hào)、與滑坡體變形相關(guān)的微震信號(hào)、滑坡上的滾石信號(hào)；以及非自然信號(hào)，包括車輛、行人經(jīng)過地震儀所引起的震動(dòng)信號(hào)等；甚至暴雨降臨時(shí)地震儀也有記錄(Gomberg et al，2011；盛敏漢等，2018)。與滑坡形變相關(guān)的微震稱作滑坡震(slidequake)，其指滑坡體在運(yùn)動(dòng)過程中邊界、基底和圍巖的相互作用以及局部破裂產(chǎn)生能被地震儀記錄到的信號(hào)(Helmstetter et al，2010)。Yamada等(2016)在日本的Rausu滑坡附近的地震記錄中發(fā)現(xiàn)該滑坡在2次坍塌前的數(shù)小時(shí)內(nèi)發(fā)生了大量的重復(fù)事件，認(rèn)為該事件為滑坡底部邊界和基巖之間的粘滑(stick-slip)產(chǎn)生，并認(rèn)為這一過程對(duì)于認(rèn)識(shí)滑坡的觸發(fā)十分重要。

目前研究滑坡震主要是通過對(duì)滑坡震信號(hào)的識(shí)別、定位，進(jìn)而分析滑坡震的時(shí)空變化來認(rèn)識(shí)滑坡的活動(dòng)性?；律系幕抡鹨话阏鸺?jí)較小，Spillmann等(2007)在研究瑞士阿爾卑斯地區(qū)滑坡時(shí)得到滑坡震震級(jí)主要分布在-2～-1級(jí)之間，這將對(duì)地震事件的識(shí)別帶來挑戰(zhàn)。而中國西南地區(qū)部分滑坡附近靠近河岸，土地比較肥沃，滑坡附近或滑坡體上常有居民居住，人類活動(dòng)的干擾對(duì)滑坡震的識(shí)別帶來進(jìn)一步挑戰(zhàn)。因此，鑒別與檢測這些地震事件是利用地震學(xué)方法研究滑坡內(nèi)部形變的重要前提。

本研究利用2017年2月至3月在梭坡滑坡上布設(shè)的34臺(tái)地震流動(dòng)臺(tái)站記錄到的連續(xù)地震波形，識(shí)別和檢測了地震儀記錄到的震動(dòng)事件，通過進(jìn)一步的波形分析并利用網(wǎng)格搜索的方法對(duì)記錄較好的事件進(jìn)行定位。我們發(fā)現(xiàn)地震儀不僅記錄到了和梭坡滑坡變形相關(guān)的滑坡震事件，還清晰記錄到了在滑坡上燃放煙花產(chǎn)生的震動(dòng)事件。

1 梭坡滑坡概況

梭坡滑坡位于四川省丹巴縣內(nèi)大渡河上游，其堆積體總體走向?yàn)镾30°E，坡面傾角約為30°?；虑熬壐叱碳s1840m，延伸至大渡河河谷，滑坡體積超過3×108m3(陳菲等，2012)。梭坡滑坡侵蝕地貌較為發(fā)育，地勢險(xiǎn)峻，以高山陡坡為主，地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育，降雨集中，人類工程、經(jīng)濟(jì)活動(dòng)較強(qiáng)烈(陽東，2010)。滑坡東側(cè)為藏族古碉群集中區(qū)，近年來，梭坡滑坡災(zāi)害頻發(fā)的趨勢尤為明顯，造成了巨大經(jīng)濟(jì)財(cái)產(chǎn)損失(許秦坤，2012)。由于古碉群獨(dú)特的歷史、人文和旅游價(jià)值，梭坡滑坡的穩(wěn)定性對(duì)古碉群保護(hù)和水庫蓄水位的選擇均十分重要。

為了監(jiān)測該滑坡體上的滑坡震及其他震動(dòng)事件，2017年2月至3月在梭坡滑坡上布設(shè)了34臺(tái)地震儀(圖1)，平均臺(tái)間距約為50m，最大臺(tái)間距約為600m。所用儀器為5s短周期地震儀，固有頻率為4.5Hz，采樣率為100Hz。

圖 1 丹巴梭坡滑坡地形和臺(tái)站分布藍(lán)色三角表示布設(shè)在梭坡滑坡上的34臺(tái)地震流動(dòng)臺(tái)

2 微震信號(hào)檢測與定位

在進(jìn)行微震信號(hào)檢測前，首先將原始數(shù)據(jù)進(jìn)行高通5Hz濾波，以削弱遠(yuǎn)震信號(hào)的干擾。由于滑坡震震級(jí)通常比較微弱(Spillmann et al，2007)，本文采用拾取微弱信號(hào)能力較強(qiáng)的滑動(dòng)時(shí)窗互相關(guān)(Sliding-window Cross-correlation，SCC)方法(Yang et al，2009；楊慧等，2018；Ma et al，2020)進(jìn)行微震信號(hào)檢測。

由于滑動(dòng)時(shí)窗互相關(guān)方法檢測地震信號(hào)需要依靠模板事件，需要依據(jù)到時(shí)和波形信息尋找模板事件。首先，確定一個(gè)所有臺(tái)站均能記錄到的區(qū)域地震，并按照P波到時(shí)對(duì)齊所有波形，以校正GPS時(shí)鐘差和臺(tái)站下方速度結(jié)構(gòu)的影響；同時(shí)，由于滑坡土質(zhì)松軟，波速較低，如果事件發(fā)生在滑坡上將會(huì)導(dǎo)致明顯的到時(shí)差，我們隨后人工查看了大量對(duì)齊后的波形數(shù)據(jù)(一周)觀察是否存在明顯到時(shí)差，并試圖找到分布在滑坡上所有類型的事件；最終，確定了兩類信噪比較高的事件(圖2)：第Ⅰ類事件(A)只能被D04臺(tái)及研究區(qū)域西北部的少數(shù)幾個(gè)臺(tái)記錄到，可能與事件本身能量較小有關(guān)；第Ⅱ類事件(B)信號(hào)在D12臺(tái)最先被觀測到，推測事件發(fā)生在D12臺(tái)附近。

圖 2 兩類事件的地震剖面圖縱坐標(biāo)為旋轉(zhuǎn)到滑坡面上的震中距；紅色虛線為參考視速度；波形濾波范圍5～30Hz

基于拾取的微震信號(hào)到時(shí)信息對(duì)兩類事件進(jìn)行定位，以更好地獲取微震的空間分布。根據(jù)各個(gè)臺(tái)站的到時(shí)延遲可大致估計(jì)這些波形均以一個(gè)較低的速度沿滑坡的表面?zhèn)鞑ィ瑸榱舜_定這一點(diǎn)，我們首先將兩類不同事件的ENZ分量旋轉(zhuǎn)到了滑坡面上的RTV分量(其中RTV分別為滑坡面上臺(tái)站波形記錄相對(duì)事件位置的徑向分量、橫向分量以及垂直分量)，并將不同事件的R分量進(jìn)行希爾伯特變換后與對(duì)應(yīng)的V分量進(jìn)行對(duì)比，如果事件為面波信號(hào)則變換后R與V分量的相位差會(huì)消除。由圖3(b)、3(d)可明顯看出各事件的R、V分量信號(hào)的相位差經(jīng)過希爾伯特變換后幾乎均被消除，一定程度上說明這些事件為面波信號(hào)。此外，我們還分析了兩類事件的R-V分量質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡(圖3(c)、3(e))，結(jié)果顯示兩類事件的R-V分量質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡均近似逆進(jìn)橢圓，符合Rayleigh面波的質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡特征，由此認(rèn)為這兩類事件信號(hào)在高通5Hz的頻帶范圍內(nèi)主要發(fā)育面波信號(hào)。在確定兩類滑坡震事件主要為面波信號(hào)后，采用盛敏漢等(2018)一層模型網(wǎng)格搜索技術(shù)來確定事件的水平位置，圖3(a)中紅色五角星為最終搜索得到的最佳位置。根據(jù)圖3 中兩類事件的定位結(jié)果，將波形以沿滑坡表面到各臺(tái)站的距離進(jìn)行排列(圖2)，可以看出兩類事件隨著震中距的增大振幅逐漸減小，由此說明定位結(jié)果較為可靠。

圖 3 事件A、B定位及波形分析圖(a)事件A、B的地震定位圖，其中紅色五角星表示事件A、B的定位位置，藍(lán)色三角形表示臺(tái)站；(b)、(c)分別為發(fā)生在D04臺(tái)的事件A的希爾伯特變換圖與R-V分量質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡圖，其中紅色波形為V分量波形，黑色虛線與實(shí)線分別為希爾變換前后R分量波形，濾波頻帶范圍為5～30Hz；(d)、(e)分別為發(fā)生在D12臺(tái)的事件B的希爾伯特變換圖與R-V分量質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡圖，其中紅色波形為V分量波形，黑色虛線與實(shí)線分別為希爾變換前后R分量波形，濾波頻帶范圍為5～30Hz

隨后，我們擬以圖2 中兩類波形為模板，采用滑動(dòng)時(shí)窗互相關(guān)(SCC)方法(Yang et al，2009)匹配與上述兩類波形相似的滑坡震事件。為了確保所選模板的波形質(zhì)量以提高模板匹配的可靠性，對(duì)于A、B兩類事件，分別選取了信噪比最高的D04臺(tái)以及D12臺(tái)作為模板進(jìn)行互相關(guān)匹配并對(duì)互相關(guān)匹配的結(jié)果進(jìn)行人工檢查，最終篩選出46個(gè)事件A以及48個(gè)事件B。

3 滑坡上煙花信號(hào)的監(jiān)測

完成事件A、B的拾取與定位工作后，發(fā)現(xiàn)除事件A、B外，在滑坡東部還檢測到一類長時(shí)間尺度位置和波形一致的重復(fù)成簇事件C(圖4(a))，該事件在D03臺(tái)到時(shí)最早且波形信噪比最高，推測可能發(fā)生在D03附近。為了更好地了解重復(fù)事件的發(fā)生機(jī)理，分別從重復(fù)性、波形特征以及時(shí)間分布特征等方面對(duì)其進(jìn)行了研究。

圖 4 事件C重復(fù)性分析(a)事件C地震剖面圖，縱坐標(biāo)為旋轉(zhuǎn)到滑坡面上的震中距，紅色虛線為參考視速度，紅色框?yàn)槟０迨录翱?，波形濾波范圍為5～30Hz；(b)重復(fù)事件與模板事件的互相關(guān)系數(shù)及振幅比

首先，為研究事件C的重復(fù)性，截取D03臺(tái)一段波形作為模板，如圖4(a)中紅框所示，將其與隨后發(fā)生的若干重復(fù)事件進(jìn)行互相關(guān)計(jì)算，得到不同重復(fù)信號(hào)與模板信號(hào)的振幅比及互相關(guān)系數(shù)(圖4(b))。結(jié)果顯示，所有重復(fù)事件與模板事件的互相關(guān)系數(shù)、振幅比均在0.8以上，說明該類重復(fù)事件之間具有較好的一致性，猜測其可能為由人類活動(dòng)(如道路打鉆、施工或燃放煙花等)產(chǎn)生的一致性較高的重復(fù)事件。此外，由圖4(a)可知事件C傳播距離超過200m就很難被地震儀記錄到，考慮到該滑坡道路主要為土路，無道路施工現(xiàn)象，同時(shí)確認(rèn)在梭坡滑坡內(nèi)D03附近處僅存在一戶人家(圖5 中黑色圓圈)，而梭坡滑坡外距離滑坡內(nèi)最近的住戶約300m，說明該重復(fù)事件主要由D03附近的住戶產(chǎn)生。

圖 5 事件C定位及波形分析圖(a)事件C地震定位圖，其中紅色五角星表示事件C的定位位置，藍(lán)色三角形表示臺(tái)站，黑色圈為滑坡內(nèi)唯一住戶；(b)、(c)分別為發(fā)生在D03臺(tái)事件C的希爾伯特變換圖與R-V分量質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡圖，其中紅色波形為V分量波形，黑色虛線與實(shí)線分別為希爾變換前后R分量波形，濾波頻帶范圍為5～30Hz

采用圖4(a)中的模板事件，通過滑動(dòng)時(shí)窗互相關(guān)方法對(duì)所有波形進(jìn)行搜索來獲取重復(fù)事件C的時(shí)間分布特征。最終統(tǒng)計(jì)得到638個(gè)重復(fù)事件C(圖6(a))，通過其時(shí)間分布圖(圖6(a)中紅色實(shí)線為發(fā)生時(shí)間段)可知，事件C發(fā)生的日期為2017年2月22日、2017年2月27日、2017年3月3日以及2017年3月17日，并且這4天的地震事件較未發(fā)生事件C的日期(2017年2月23日)數(shù)量明顯增多，且主要集中在每天的北京時(shí)間中午12點(diǎn)至下午6點(diǎn)間。由于該滑坡區(qū)域主要住戶為藏民，為此我們首先查找了藏歷，發(fā)現(xiàn)2017年2月27日為藏歷新年，而根據(jù)藏族傳統(tǒng)，此時(shí)為藏民慶祝的時(shí)間。另外，我們將得到的互相關(guān)函數(shù)包絡(luò)相鄰最大振幅的時(shí)間差作為事件發(fā)生的間隔進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到圖6(b)所示事件C發(fā)生間隔的柱狀圖，發(fā)現(xiàn)大部分事件C的兩兩時(shí)間間隔分布在1.5～2.5s區(qū)間內(nèi)，這一現(xiàn)象與煙花燃放時(shí)的爆炸時(shí)間間隔吻合。由此推測該事件可能是人工燃放煙花產(chǎn)生的信號(hào)。

圖 6 事件C發(fā)生頻率分析圖(a)重復(fù)事件C的時(shí)間分布圖，紅色實(shí)線表示重復(fù)事件發(fā)生的時(shí)間段；(b)重復(fù)事件C的時(shí)間間隔圖

4 討論與結(jié)論

本文識(shí)別了梭坡滑坡上的震動(dòng)事件并利用滑動(dòng)互相關(guān)方法檢測了相似事件，通過網(wǎng)格搜索的方法對(duì)信噪比高的事件進(jìn)行了定位。分析滑坡體微震事件的地震學(xué)性質(zhì)能夠?yàn)槔斫饣碌膭?dòng)力學(xué)過程、進(jìn)行滑坡穩(wěn)定性分析以及災(zāi)害防治提供關(guān)鍵信息，因此我們分別從波速以及頻譜等地震學(xué)性質(zhì)對(duì)拾取到的微震信號(hào)進(jìn)行討論。

高頻面波波速能夠反映滑坡淺層沉積層的物質(zhì)空間分布信息(曾求等，2020)。根據(jù)一層模型網(wǎng)格搜索技術(shù)獲得的微震定位結(jié)果，計(jì)算了微震位置到不同臺(tái)站沿滑坡表面的震中距，將各事件按照震中距排列并剔除信噪比較低的信號(hào)(圖2(a)、4(a))。通過微震事件的位置和到時(shí)信息可以估算出各事件信號(hào)的面波視速度，結(jié)果顯示，不同事件間的面波波速存在一定差異，其中事件A速度約為250m/s，事件B約為375m/s，事件C約為250m/s。這些速度差異體現(xiàn)了滑坡淺層沉積層的物質(zhì)的橫向分布不均勻，事件A和C較事件B速度偏低，這與我們?cè)谝巴獠寂_(tái)時(shí)所觀察到的地質(zhì)環(huán)境相對(duì)應(yīng)。事件A與C發(fā)生在滑坡中段內(nèi)部，淺層沉積層為較軟的風(fēng)化土壤；事件B發(fā)生在滑坡東部邊緣處，接近藏族古碉群住宅區(qū)，淺層沉積層為稍硬的風(fēng)化塊石夾土(陳菲等，2012)。該速度結(jié)果也在一定程度上說明了定位結(jié)果的可靠性。

圖 7 事件A、B、C的波形頻譜圖

微震事件的頻譜特征同樣也包含了地震波傳播過程中的介質(zhì)信息(Fan et al，2017)。為了削弱衰減對(duì)頻譜的影響，我們選取了震中距均約為100m的事件A、B、C進(jìn)行頻譜分析，如圖7 所示。其中，事件A與事件C的頻譜特征相似，主頻均約為20Hz，因此并不能簡單地通過波形頻譜特征分析將煙花事件與滑坡震事件進(jìn)行區(qū)分。相比之下事件B主頻較高(約30Hz)。結(jié)合三類事件的面波視速度信息可知，主頻較低的事件A與事件C對(duì)應(yīng)的視速度也較小(均約250m/s)，而主頻較高的事件B對(duì)應(yīng)的面波時(shí)速度較大(約為375m/s)。這可能是由于事件A與事件C均發(fā)生于位于滑坡內(nèi)較為松散的風(fēng)化土壤層，高頻面波衰減較快，而事件B發(fā)生于滑坡邊緣較硬的風(fēng)化塊石夾土層，大于20Hz的高頻面波信號(hào)得以保留。由此表明，對(duì)于微震事件的頻譜分析能夠獲得滑坡體淺層介質(zhì)的物理性質(zhì)分布特征。

此外，通過對(duì)事件C的重復(fù)性、波形特征以及事件分布特征進(jìn)行分析，確認(rèn)了事件C為滑坡上煙花爆炸引起的空氣震動(dòng)耦合地面運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的微震信號(hào)。這一方面有助于與滑坡內(nèi)部產(chǎn)生的微震信號(hào)進(jìn)行區(qū)分，在滑坡活動(dòng)性分析時(shí)能夠有效去除人工信號(hào)的干擾；另一方面信噪比較高的煙花信號(hào)可以作為人工爆炸源提供滑坡淺層介質(zhì)物性參數(shù)，為研究滑坡體的淺層速度結(jié)構(gòu)及其隨時(shí)間變化等信息提供基礎(chǔ)。

本文觀測到了滑坡滑動(dòng)變形過程中輻射出的大量地震信號(hào)，對(duì)于這些地震事件發(fā)生機(jī)理、與滑坡變形的關(guān)系及與天然斷層類比的情況，則需要進(jìn)一步對(duì)這些微震的機(jī)制解進(jìn)行分析。同時(shí)，本文在定位過程中所使用的單層模型過于簡單，但是對(duì)于淺地表區(qū)域有利于問題的簡化。而對(duì)于重復(fù)的煙花事件，下一步考慮對(duì)所有事件進(jìn)行定位，并結(jié)合速度結(jié)構(gòu)反演研究滑坡體速度隨時(shí)間的變化情況。