鹤岗地区地震、爆破与矿震记录的识别

张思萌

（中国哈尔滨150090 黑龙江省地震局）

0 引言

鹤岗煤矿资源丰富，至今已有近百年开采史。近年来，随着鹤岗矿区各煤矿进入深部开采，爆破、矿震的频度和强度在逐渐增加，有必要加强地震监测和分析工作。一般，天然地震、爆破与矿震的记录比较容易区分，但是，有些2.0 ≤ML≤3.0 的天然地震记录与爆破和矿震记录较为相似，难以区分。因此，如何提取有效的识别特征是区分天然地震与爆破、矿震事件的关键。

诸多学者对天然地震、爆破与矿震事件识别方法已进行研究并提出多种识别方法，如：靳玉贞等（2015）提出利用频谱分析方法，区分山西地区爆破、塌陷和天然地震波形；卢燕红等（2017）通过对不同类型事件波形的直观震相特征进行差异性分析，并对事件波形进行频谱分析，为区域内记录的矿震、爆破和天然地震事件类型识别提供参考依据；吴义文等（2020）针对微震信号与爆破震动信号自动识别难的问题，提出基于经验小波变换（EWT）的矿山微震信号识别方法。由于研究区域的差别以及地震信号的复杂性，以上识别方法尚存不足之处。本文采用傅里叶变换和小波变换方法，对2009—2020 年黑龙江省鹤岗地震台记录的天然地震、爆破和矿震波形进行频谱分析和逐层分解，提取其波形特征，用于识别天然地震、爆破及矿震。

1 资料选取

黑龙江省鹤岗地震台（下文简称鹤岗台）地处黑龙江省鹤岗市西北部丘陵地区，地质构造位置位于佳木斯台隆，郯庐断裂带北部。鹤岗台观测环境良好，可为地震研究和防震减灾工作提供基础数据。

选取2009—2020 年黑龙江省鹤岗地震台记录的2.0 ≤ML≤3.0 天然地震、爆破和矿震事件进行分析。由于波形记录较多，且3 类事件记录波形比较相似，仅从每种类型的事件记录中选取3 次事件进行分析，详细参数见表1。通过观察事件记录，发现鹤岗台垂直分量记录较好，因此采用9 次事件的垂直分量记录进行分析。

表1 天然地震、爆破及矿震记录参数Table 1 Recording parameters of natural earthquakes,blasting,and mining earthquakes

2 方法原理

2.1 傅里叶变换

频率是信号的一种物理本质。傅里叶变换方法是构建信号时域与频域之间关系的重要数字信号处理方法。在物理意义上，傅里叶变换就是将原始信号的波形分解为许多不同频率的正弦波，但在实际中，只能采用连续信号的离散采样来计算频谱。原始信号显示了时间信息，傅里叶变换后显示了频率信息，实现了时域与频域之间的转换。傅里叶变换为

离散信号的频谱为

式中，k=0,1，…，N-1，f(n)为有限时间序列，N为有限时间序列采样点数，F(k)为f(n)的傅里叶变换（万永革，2007），WN=e-2jπ/N。

2.2 小波变换

1984 年地球物理学家Morlet 在处理勘探资料时提出小波变换。小波分析具有多分辨率的重要特点，可以将原始信号分解成不同尺度上的近似信号和细节信号，从而对信号进行由粗到细的观察。低尺度小波变换信号包含原始信号中的高频成分，而高尺度小波变换信号包含原始信号中的低频成分，不同尺度上的近似信号和细节信号与尺度具有密切关系（杨选辉等，2005；杨军伟等，2012）。尺度因子越小，分辨率越高，反映了原始信号的细节信息；尺度因子越大，反映了原始信号的低频成分。

一个函数f(t)的连续小波变换定义（Daubechies，1988；Yong，1993）为

式中，g(t)为窗函数，a为尺度函数，b为滑动函数。

本文采用db8 小波基对信号进行分解。

3 数据处理

3.1 原始波形特征

选用的天然地震、爆破、矿震的经度、纬度及震级相差均较小。根据所选事件的发生时刻截取波形数据，对3 种事件的原始波形进行分析。

3.1.1 天然地震。天然地震波形相似度较高（图1），具体特征表现为：P 波较发育，初动尖锐；S 波能量较强，持续时间长，衰减较慢，表现出大周期结尾；面波不发育等。

图1 3 次天然地震原始波形(a) 2018 年5 月ML 2.1 地震；(b) 2019 年1 月ML 2.4 地震；(c)2019 年7 月ML 2.8 地震Fig.1 The original waveform of three earthquakes

3.1.2 爆破。爆破的原始波形（图2）表现为浅源爆炸特征，具体特征表现为：P 波能量较强，初动多为向上；S 波较弱；短周期Rayleigh 面波发育。

图2 3 次爆破原始波形(a) 2018 年12 月ML 2.4 爆破；(b) 2020 年1 月ML 2.3 爆破；(c)2020 年5 月ML 2.5 爆破Fig.2 The original waveform of three blasting

3.1.3 矿震。矿震波形相似度较高（图3），具体特征表现为、P 波初动方向多为向下；Sg 波较为清晰；面波较为发育。

对比图1、图2、图3 可知，天然地震、爆破与矿震的波形特征有明显不同。文中所选天然地震为5—20 km 岩层中应力超过介质的强度极限时岩石的破裂和错动，震源机制复杂，波在传播过程中的构造环境也比较复杂。地震波经过致密岩层快速传播，能量和高频成分损耗较少。因此，天然地震波形比较复杂且频带较宽，振动持续时间长，振幅和能量衰减慢，高频成分相对丰富。爆破源一般较浅，且为瞬间膨胀源，波基本在近地表低速层介质中传播。因此，爆破波能量损耗较多，衰减快，波列持续时间短，波周期较大。矿震主要是由采矿活动引起的一种诱发地震，多为采空区上方介质受重力影响或大面积受压时向下冒落引起，周围介质最初受到拉伸作用，所以一般垂直分向P 波初动均向下。

图3 3 次矿震原始波形(a) 2018 年12 月ML 2.4 爆破；(b) 2020 年1 月ML 2.3 爆破；(c)220 年5 月ML 2.5 爆破Fig.3 The original waveform of three mining earthquakes

3.2 频谱分解

选取的事件类型不同，波的频谱也会不同，因此可以利用频谱分析识别天然地震、爆破和矿震。选取表1 中事件的记录波形，截取波形数据，并利用MATLAB 软件进行傅里叶变换得到频谱结果。由于同类型事件的频谱分析结果较为相似，仅选用3 次不同类型ML2.4 事件波形的频谱结果（图4）进行分析。结果表明，天然地震事件的频域相对较宽且频率较高，能量不集中，成分也较为复杂，优势频率集中在0—40 Hz；爆破和矿震事件以低频为主，频域相对较窄，能量集中且成分单一，爆破事件的优势频率集中在0—15 Hz，而矿震事件的频率更为集中且更低，优势频率集中在0—7 Hz。

图4 频谱分析(a)天然地震；(b) 爆破；（c）矿震Fig.4 Spectrum analysis

3.3 小波分解

根据事件的发生时刻截取波形数据，运用MATLAB 软件，采用db8 小波基进行小波变换，将所选信号进行8 尺度分解，得到波形分解后近似部分与细节部分曲线。由于同类型事件小波变换分解后得到的近似部分与细节部分曲线均较为相似，仅选取3 次不同类型ML2.4 事件小波变换分解后的近似与细节部分曲线进行分析，见图5—图7。

图5 天然地震小波分解(a) 近似部分；(b) 细节部分Fig.5 The wavelet decomposition of earthquake waveform

图6 爆破小波分解(a) 近似部分；(b) 细节部分Fig.6 The wavelet decomposition of blasting waveform

图7 矿震小波分解(a) 近似部分；(b) 细节部分Fig.7 The wavelet decomposition of mining earthquake waveform

3.3.1 小波变换近似部分。通过对比图5—图7 中天然地震、爆破和矿震的小波变换近似部分特征，可知，经过逐层剥离高频信息，构建的原始波形近似信号，在1—5 阶，曲线特征与原始信号特征基本相同，在6—8 阶，随着高频成分逐渐被剥离，曲线特征出现明显变化。在第6 阶近似部分中，矿震信号变得简单，而爆破与天然地震的曲线特征基本相同；分解到第8 阶时，爆破信号中周期性较强的面波显示清晰。

3.3.2 小波变换细节部分。高频细节在低阶中显示，低频细节在高阶中显示。通过对比天然地震、爆破和矿震的小波变换细节部分特征可知，3 种类型事件小波分解后细节曲线特征不同。由1—4 阶细节图可知，爆破的P 波能量大，细节曲线中明显可见P 波波峰，而天然地震和矿震P 波能量较小且不集中；分解到第6 阶时，矿震信号变得简单；分解到第7 阶时，爆破与矿震信号均变得比较简单。

根据以上特征即可区分天然地震、爆破和矿震。

4 结束语

通过以上对比分析和研究，可总结出识别天然地震、爆破及矿震的几点依据。

（1）波形特征。天然地震P 波较发育，初动尖锐；S 波能量较强，持续时间长，衰减较慢，表现出大周期结尾；面波不发育。爆破为浅源爆炸特征，P 波能量较强，初动多为向上；S波较弱；短周期Rayleigh 面波发育。矿震P 波初动方向多为向下，Sg 波较为清晰，面波较为发育。

（2）傅里叶变换分析。天然地震事件的频域相对较宽且频率较高，能量不集中，成分也较为复杂，优势频率集中在0—40 Hz；爆破和矿震事件以低频为主，频域相对较窄，能量集中且成分单一，爆破事件的优势频率集中在0—15 Hz，而矿震事件的频率更为集中且更低，优势频率集中在0—7 Hz。

（3）小波变换近似部分。通过对比小波变换近似部分发现，在第6 阶近似部分中，矿震信号变得简单，而爆破与天然地震的曲线特征基本相同，分解到第8 阶时，爆破信号中周期性很强的面波显示清晰。

（4）小波变换细节部分。通过对比小波变换细节部分发现，在1—4 阶近似部分中，爆破的P 波能量大，细节曲线中明显可见P 波波峰，而天然地震和矿震P 波能量较小并且不集中；分解到第6 阶时，矿震信号变得比较简单；分解到第7 阶时，爆破与矿震信号均变得简单。

天然地震、爆破和矿震在震源深度、震源破裂机制及波的传播路径等方面存在的差异可能是导致上述各种特征的原因。天然地震震源比爆破、矿震震源深，地震波需要通过地下多层介质的反射和折射才被接收，而爆破和矿震的震源较浅，地震波传播路径与天然地震波不同。天然地震是地下断层某处应力超过临界值时产生的岩石错动，其震源机制相对复杂，频率成分复杂，频率较宽，而爆破与矿震是能量的瞬间释放，频率较为集中，经小波分解，可见爆破信号具有明显的周期性较强的面波。基于傅里叶变换和小波变换方法，对天然地震、爆破和矿震进行频谱分析和逐层分解，提取其波形特征，可实现对3 类事件的有效识别。

文中分析仅对鹤岗台记录而言，对天然地震、爆破和矿震的性质判定尚存不足，需要大量观测资料从拐角频率、顶峰频率及卓越周期等方面进行深入探索。