甘肅省非天然地震分布特征研究＊

陳曉龍，陳繼鋒，王祖東，蒲 舉，王維歡

（1.甘肅省地震局，甘肅 蘭州 730000；2.中國地震局蘭州巖土地震研究所，甘肅 蘭州 730000）

非天然地震的速報(bào)、編目是測震臺(tái)網(wǎng)工作的重點(diǎn)與難點(diǎn)，但在實(shí)際工作過程中對震動(dòng)類型的甄別往往會(huì)耗費(fèi)大量時(shí)間，在嚴(yán)重影響速報(bào)時(shí)效性的同時(shí)也難以保證準(zhǔn)確性。甘肅省歷來非天然地震多發(fā)，研究顯示省內(nèi)華亭煤礦、金川鎳礦、鏡鐵山鐵礦等地區(qū)的非天然地震活動(dòng)非常活躍[1]，但尚需對全省范圍內(nèi)各非天然地震多發(fā)地的發(fā)震規(guī)律、發(fā)震范圍和震動(dòng)波形特征等進(jìn)行歸納總結(jié)，形成非天然地震圖鑒作為必要的工作參考資料。甘肅臺(tái)網(wǎng)自“十五”中國地震觀測網(wǎng)絡(luò)項(xiàng)目升級(jí)改造以來，積累了海量的寬頻帶地震觀測數(shù)據(jù)。這些地震很好地記錄了體波群中許多地表反射波、反射轉(zhuǎn)換波、核面反射轉(zhuǎn)換波等，豐富的震相記錄資料為區(qū)域內(nèi)非天然地震事件基礎(chǔ)理論提供了研究基礎(chǔ)與保障[2]。本研究立足于甘肅省測震臺(tái)網(wǎng)近十年的大量非天然地震資料，采用波形特征提取、波形頻譜分析等方法總結(jié)出責(zé)任區(qū)內(nèi)非天然地震圖譜，為區(qū)域測震臺(tái)網(wǎng)工作人員在速報(bào)、編目過程中快速、準(zhǔn)確識(shí)別地震類型提供必要的參考，同時(shí)在地震災(zāi)害防治與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估等方面具有重要的科學(xué)意義。

本研究討論的非天然地震類別包括爆破、塌陷、礦震等。爆破地震是指爆破能量通過地殼介質(zhì)釋放，使爆炸源周圍介質(zhì)破碎，同時(shí)由于爆破應(yīng)力作用又使遠(yuǎn)處介質(zhì)產(chǎn)生剪應(yīng)力和拉應(yīng)力，使能量以波的形式傳播到地面，引起地面質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)而形成的地震；塌陷地震可由礦井塌陷、大型溶洞頂塌落和懸崖陡坡崩落等因素導(dǎo)致，當(dāng)其發(fā)生在礦井等生產(chǎn)一線時(shí)，常造成較大的人員傷亡與財(cái)產(chǎn)損失；礦震是指礦井高應(yīng)力區(qū)內(nèi)巖體、煤體及斷層在受外界擾動(dòng)瞬間失穩(wěn)破壞時(shí)，釋放出巨大能量而引起的以猛烈震動(dòng)和爆發(fā)式破壞為特征的礦山動(dòng)力現(xiàn)象，也稱為沖擊地壓，主要由礦山開采誘發(fā)礦山內(nèi)構(gòu)造活動(dòng)而引發(fā)[3-4]。對核試驗(yàn)等其他因素引發(fā)的震動(dòng)事件，在此不作討論。

1 資料選取

本研究選用2010年1月—2020年10月測震臺(tái)網(wǎng)記錄的甘肅省行政區(qū)劃內(nèi)ML≥2.0的非天然地震事件387例，其中2.0≤ML＜3.0地震367例、3.0≤ML＜4.0地震18例、4.0≤ML＜5.0地震2例。以甘肅省測震臺(tái)網(wǎng)觀測報(bào)告為依據(jù)，增加了青海臺(tái)網(wǎng)、內(nèi)蒙古臺(tái)網(wǎng)、寧夏臺(tái)網(wǎng)和陜西臺(tái)網(wǎng)的共享臺(tái)站原始記錄數(shù)據(jù)，認(rèn)真仔細(xì)地進(jìn)行了分析處理。地震定位使用Hyposat方法對所有震例進(jìn)行了重新校正，并復(fù)核了每次事件的類型。在測定震源參數(shù)時(shí)采用甘肅區(qū)域雙層地殼模型[5]。

為突出震源信息，最大限度減少介質(zhì)傳播的影響，選取了非天然地震多發(fā)地震中距小于120 km范圍內(nèi)的寬頻帶數(shù)字地震臺(tái)資料。涉及地震計(jì)類型有BBVS-60、CTS-1和CMG-3ESPC；數(shù)采為EDAS-24IP、EDAS-GN；采樣頻率為100 Hz，在40 Hz-60 s或120 s范圍內(nèi)速度輸出有平坦響應(yīng)[2]。

2 分析方法

對不同類型地震事件波形的甄別需要研究地震波的波形振幅、頻率、相位特性、偏振狀態(tài)及衰減規(guī)律等傳播特點(diǎn)。同時(shí)也需要更多地利用地震波傳播時(shí)間和空間距離之間的關(guān)系，確定地下地質(zhì)構(gòu)造等信息，即地震波的動(dòng)力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)特征[6]。本研究從甘肅省非天然地震活動(dòng)的空間分布、波形特征和頻譜特征三個(gè)方面進(jìn)行分析討論。

天然地震一般為構(gòu)造地震，發(fā)震機(jī)理是由于引力強(qiáng)度超過彈性限度而產(chǎn)生的巖層破裂、錯(cuò)動(dòng)。一般巖石破裂過程為十幾到幾十秒，發(fā)震斷層通常較深，而且即使是較小的地震發(fā)震斷層也常常大于數(shù)十公里，所以地震波成分復(fù)雜、衰減慢、波及面積大，記錄到震動(dòng)的臺(tái)站也相對較多。震中與臺(tái)站距離較近時(shí)，一般只有Pg和Sg兩個(gè)清晰的直達(dá)波，其波形特征應(yīng)具有形態(tài)典型且界限清晰的Pg波和Sg波，同時(shí)波形應(yīng)有周期小，持續(xù)時(shí)間短等特征，且天然地震的Pg波呈四象限分布，即震源發(fā)生的振動(dòng)使一定方位的介質(zhì)受壓，形成壓縮波，Pg波初動(dòng)向上；另一方位的介質(zhì)受拉伸，形成膨脹波，Pg波初動(dòng)向下[7]。

塌陷、爆破、礦震等非天然地震波形特征多表現(xiàn)為Pg波振幅較大且Sg波界限不清，當(dāng)震中位置距離臺(tái)站較近時(shí)均表現(xiàn)為面波發(fā)育。爆破事件于瞬間發(fā)生，震源淺，傳播路徑多為松散地層，結(jié)構(gòu)路徑介質(zhì)差異較大，在地層對波的低通濾波作用下，波的高頻成分被吸收較多，所以與天然地震波形相比P波的周期比較大，衰減快[8]，膨脹波使得一定方向上的介質(zhì)受擠壓，垂直向Pg波初動(dòng)向上；塌陷事件多發(fā)生于礦區(qū)或大的工程建設(shè)區(qū)域，發(fā)震地點(diǎn)集中在開采面附近或發(fā)生在斷裂面和斷層面處，該類型地震成因和波形特征都比較復(fù)雜，不同地點(diǎn)、深度發(fā)生的塌陷地震都存在特性。由于震源較淺，所以地震波的傳播過程與爆破類似，表現(xiàn)為高頻成分較少，體波周期比天然地震大，全波段波形較為簡單，近臺(tái)衰減極快，遠(yuǎn)臺(tái)面波清晰，尾波長衰減慢[9－10]，收縮波作用下垂直向Pg波初動(dòng)向下。當(dāng)塌陷、爆破等非天然震動(dòng)事件震源大于100 km時(shí)，臺(tái)站記錄的波形與天然地震波形相似，分辨時(shí)需要依靠臨近臺(tái)站的波形記錄。

傅立葉變換的原理是把原始時(shí)間記錄域變換成頻率域[11]，即將原始的隨機(jī)波分解成多個(gè)不同周期波的疊加，描述這些地震波分量的頻率與振幅的關(guān)系的直方圖稱為“譜”，對這種譜的縱坐標(biāo)乘以T/2秒，得到以時(shí)間為橫軸、幅值為縱軸的傅立葉振幅譜，以便于直觀地展現(xiàn)地震波的頻譜特性。本研究以LED臺(tái)為例，將時(shí)間域記錄進(jìn)行傅立葉變換，其公式可表述為：

式中：F（ω）為（ft）的像函數(shù)，（ft）為F（ω）的像原函數(shù)（據(jù)巴特，1978）。

研究顯示天然地震的頻譜與非天然地震的頻譜存在顯著差異[11-12]。因此，對地震波進(jìn)行頻譜分析能更加充分提取地震波所含信息，更深入地研究波動(dòng)現(xiàn)象及其物理內(nèi)涵[13]。傅立葉變換法在提取地震波中的頻譜信息方面被廣泛應(yīng)用，具有可靠、便捷等諸多優(yōu)勢[14]。非天然地震震源深度較淺、破裂面較小、震動(dòng)傳播多在地表松散沉積物，所以傅立葉頻譜呈現(xiàn)能量分布較為集中、低頻成分較多、振動(dòng)頻率分布分散的特征（圖1a）。而天然地震因其震源深度較深、破裂面廣和主要依靠剛性地層傳播等特性，傅立葉頻譜表現(xiàn)為高頻成分較多、衰減慢、地震波震動(dòng)有明顯的優(yōu)勢頻率分布（圖1b）。

圖1 蘭州市紅古區(qū)非天然地震（a）與天然地震事件（b）的歸一化震幅譜

3 甘肅省非天然地震圖鑒

3.1 甘肅省非天然地震分布

本研究搜集并重新校正了2010年1月—2020年10月測震臺(tái)網(wǎng)記錄的甘肅省行政區(qū)劃內(nèi)ML≥2.0的非天然地震事件共計(jì)387例，使用Jopens軟件，定位方法采用Hyposat對全部震例進(jìn)行了主要地震參數(shù)重新校正。在甘肅省行政區(qū)劃內(nèi)總結(jié)出白銀市白銀區(qū)、金昌市金川區(qū)、蘭州市紅古區(qū)、平?jīng)鍪腥A亭市、張掖市肅南縣、蘭州市永登縣6個(gè)非天然地震多發(fā)區(qū)域（圖2）。

圖2 近10年甘肅省非天然地震分布及波形特征圖

值得注意的是，依照目前的測震臺(tái)網(wǎng)的編目工作規(guī)定，ML≤2.5的非天然地震一般不予統(tǒng)一編目，所以雖然本研究已盡可能多地搜集震例，但近10年內(nèi)甘肅省行政區(qū)劃范圍內(nèi)發(fā)生的非天然地震數(shù)量應(yīng)遠(yuǎn)大于所搜集到的樣本數(shù)。

3.2 甘肅省非天然地震討論

在白銀市白銀區(qū)、金昌市金川區(qū)、蘭州市紅古區(qū)、平?jīng)鍪腥A亭市、張掖市肅南縣、蘭州市永登縣6個(gè)非天然地震多發(fā)區(qū)域各選取1例具有代表性的震例進(jìn)行對比分析（表1），為使其具有可對比性，臺(tái)站震中距和震級(jí)做到了盡可能接近。

表1 甘肅省主要非天然地震發(fā)震區(qū)域典型震例表選取表

研究顯示，因礦產(chǎn)資源開采深度、地層介質(zhì)等影響因素的不同，各區(qū)域的非天然地震波形、傅立葉頻譜呈現(xiàn)不同特征，因此本研究分為兩類進(jìn)行討論：第一類是以銅鎳礦床深部開采為主的金川區(qū)礦區(qū)和白銀區(qū)礦區(qū)非天然地震；第二類為地表開采為主的其他礦區(qū)。

3.2.1 白銀區(qū)、金川區(qū)非天然地震

白銀銅礦廠和金川超大型銅鎳礦均為國內(nèi)外知名的銅礦、銅鎳礦基地，白銀銅礦在20世紀(jì)90年代露天礦坑枯竭并終止開采之后轉(zhuǎn)入地下深部開采[15]，金川銅鎳礦成礦特征也決定了礦藏的賦存和開采均在較深的地層中進(jìn)行[16-18]。較深的開采深度和礦體賦存的剛性巖層決定了上述區(qū)域生產(chǎn)活動(dòng)引發(fā)的非天然地震波形和頻譜特性同時(shí)具有構(gòu)造地震和非天然地震的部分特征。同時(shí)，地幔熱流的上涌過程往往導(dǎo)致地震的發(fā)生[19]，銅鎳礦床的特殊構(gòu)造特征決定了本區(qū)域地震活動(dòng)的突出特征是：大量不同深度的天然地震與非天然地震事件在同一地點(diǎn)混雜發(fā)生。

本類型非天然地震的波形特征表現(xiàn)為往往存在一個(gè)振幅大而形態(tài)尖銳的Pg波，而Pg波和Sg波并不存在清晰的界限，Sg波后幾乎不見短周期面波，且波形持續(xù)時(shí)間較短（圖2b、d）。近臺(tái)BYT、HXP寬頻帶地震計(jì)記錄的波形傅立葉頻譜顯示其高頻成分相對較多，高頻成分在0～12 Hz均有分布（圖3a、b），波形特征、頻譜特性與震源深度和地層傳播介質(zhì)相符，頻譜特征具有部分天然地震特征。由于開采活動(dòng)引發(fā)的非天然地震一般小于ML3.0，所以近臺(tái)BYT（震中距=4 km）、HXP（震中距=14 km）波形清晰呈現(xiàn)上述特征，而距震中較遠(yuǎn)的臺(tái)站如LZH（震中距=65 km）、HYS（震中距=6 5km）等除Pg較大外無明顯非天然地震特征，震中距大于100 km的臺(tái)站記錄波形特征則與構(gòu)造地震極為相似，對地震類型的判定需要依靠近臺(tái)判斷。

圖3 甘肅省主要非天然地震區(qū)域典型震例傅立葉圖譜

3.2.2 紅古區(qū)、華亭市、肅南縣、永登縣非天然地震

本類型非天然地震的四個(gè)主要發(fā)震區(qū)域主要以煤礦、鐵礦石及小型的石膏礦等礦產(chǎn)資源的地表、礦坑及近地表巷道開采為主[20-22]。各主要發(fā)震地點(diǎn)雖然地層介質(zhì)各有不同，但由于發(fā)震深度為零或接近于零，地震波的傳播介質(zhì)主要是地表松散沉積物，導(dǎo)致該類型非天然地震在波形特征、頻譜特征等方面與前文剛性地層深部開采的一類非天然地震存在顯著區(qū)別。

本類型非天然地震近臺(tái)三分向?qū)掝l帶地震數(shù)字波形記錄出現(xiàn)了Pg波和Sg波界限不清、Pg波振幅較大、垂直向Pg波向下、全波段波形較為簡單、高頻成分缺失、周期較大和Sg波后大周期面波發(fā)育等特點(diǎn)（圖2a、c、e、f），華亭煤礦非天然地震Sg波后短周期面波明顯大于其他地區(qū)，經(jīng)分析可能與該區(qū)域存在大面積煤礦分布有關(guān)。

近臺(tái)寬頻帶地震計(jì)記錄到的波形傅立葉頻譜顯示：本類型非天然地震低頻成分較多，且振動(dòng)頻率分布分散，少數(shù)高頻成分主要分布在0～4 Hz，能量分布十分集中，之后能量快速衰減，在8 Hz以后能量逐漸接近于0（圖3c、d、e、f）。較遠(yuǎn)臺(tái)站YDT（震中距=51 km）、GLT（震中距=7 1km）等震中距大于50 km時(shí)除短周期面波外與構(gòu)造地震較為相似，震中距大于100km的臺(tái)站則無法與構(gòu)造地震區(qū)分。華亭市非天然地震存在一定的特殊性，如本研究選用ML2.5非天然地震距震中超過100 km的HXT、TSS等臺(tái)站記錄的波形依然可見短周期面波發(fā)育。

4 結(jié)論與總結(jié)

甘肅省2010年1月—2020年10月發(fā)生的非天然地震共計(jì)387次，主要集中發(fā)生在白銀市白銀區(qū)、金昌市金川區(qū)、蘭州市紅古區(qū)、平?jīng)鍪腥A亭市、張掖市肅南縣、蘭州市永登縣六地，除平?jīng)鋈A亭外，通過波形特征和頻譜特征分析辨別時(shí)需依靠首臺(tái)或震中距小于50 km的臺(tái)站記錄，較遠(yuǎn)臺(tái)站大多與構(gòu)造地震相似，無法有效與構(gòu)造地震區(qū)分。

不同發(fā)震地點(diǎn)的非天然地震因?yàn)槠湔饎?dòng)類型、震源深度和地層結(jié)構(gòu)的不同，波形和傅立葉頻譜存在明顯差異。總體而言，震源深度、地層介質(zhì)和震動(dòng)類別決定了非天然地震的波形特征和頻譜特性。金昌市金川區(qū)、白銀市白銀區(qū)兩地因?yàn)榈V產(chǎn)開采以銅鎳硫化物礦床、銅礦深部礦井巷道開采為主，震源深度較深、傳播介質(zhì)多為剛性巖層，波形特征表現(xiàn)為較大而尖銳的Pg波、Sg波不發(fā)育，同時(shí)頻譜特征也呈現(xiàn)高頻成分多、能量衰減較慢等明顯特征。平?jīng)鍪腥A亭市、蘭州市永登縣、蘭州市紅古區(qū)和張掖市肅南縣四地多以煤礦、鐵礦石開采等地表爆破活動(dòng)為主，引發(fā)的非天然地震震源深度較淺、地震波傳播介質(zhì)較松散，反映在相應(yīng)的波形特征上表現(xiàn)為Pg波波動(dòng)幅度較小，周期較小、Sg波波動(dòng)幅度較大，且一般在Sg震相后緊隨有波動(dòng)幅度遠(yuǎn)大于體波波形振幅的短周期面波。同時(shí)其頻譜呈現(xiàn)高頻成分少、能量快速衰減等典型特征。