山西大同、朔州地区非天然地震特征与识别

郑亚迪，宋美卿

(1.山西省地震局，山西 太原 030021；2.太原大陆裂谷动力学国家野外科学观测研究站，山西 太原 030025)

0 引言

山西大同、朔州地区矿产丰富，常年的煤矿开采导致许多非天然地震事件发生，造成较严重的直接损失和次生灾害，不同程度地影响人民群众的生产生活[1]。对于非天然地震，只从波形特征上不易识别和区分。同时，大同、朔州地区作为山西爆破和塌陷等非天然地震事件的多发地区，对这些地区非天然地震事件的特征进行对比分析，总结区域非天然地震的判别依据成为研究的一项重要内容。

自20世纪50年代开始，国内外专家学者在地震事件性质识别方面开展研究，提出多种识别非天然地震的判据[2-5]。其后，一些振动分析的算法也应用于非天然地震的识别研究[6-9]。专家学者分别对北京、广东、安徽、河南、首都圈、福建、内蒙古等地区的非天然地震事件进行波形、震相、能量、频谱等方面的分析，归纳总结出各研究区的非天然地震特征[10-14]。由于不同地区的地质构造不同，非天然地震的识别依据在各地应用的结果不同。因此，在参考前人研究成果的基础上，选取2015至2020年山西地震台网记录的山西大同和朔州平鲁地区非天然地震事件，对其震相特征、P波初动方向、As/Ap振幅比、频谱特性等进行对比分析，归纳出山西大同、朔州地区识别非天然地震的综合判据。

1 资料选取

选取2015至2020年山西地震台网记录的山西大同和平鲁地区ML≥2.5的塌陷和爆破共64个事件作为研究对象。其中，塌陷波形记录59条，爆破记录5条，最大为2016年12月21日和2017年6月21日山西大同市ML3.1塌陷事件。研究以典型事件为例开展。

2 非天然地震的波形特征

2.1 非天然地震震相特征

2020年1月9日16时15分12秒在山西大同市发生ML2.7塌陷事件(40.02°N、112.97°E)，震中距384 km内有29个台站记录到；2017年7月19日17时8分7秒在山西平鲁发生ML2.5爆破事件(39.46°N、112.29°E)，最远到震中距208 km内有24个台站记录到。选用这两个典型事件进行分析。塌陷波形面波明显，较爆破波形成分简单。塌陷波形频率单一，高频成分少，面波明显且出现较早，波形周期较大，衰减较快(见第8页图1)。爆破波形P波发育且初动强而尖锐，S波为次生波，振幅较小，面波明显，波列衰减较快，持续时间短(见第8页图2)。

图1 2020年1月9日山西大同市ML2.7塌陷Fig.1 ML2.7 collapsed in Datong,Shanxi on January 9,2020

2.2 P波垂直向初动

爆破是膨胀源，产生的压缩波无象限分布，P波在震中距较近的台站所记录的垂直分量的初动向上；塌陷的震源体对源外介质主要施加拉力，产生膨胀波，特点是P波垂直向初动向下[15]。因此，P波垂直向初动方向特征可作为识别爆破和塌陷事件的一个依据。由于较远台站初动情况的参考价值不高，故对震中距100 km内台站记录的初动情况进行统计(见第9页表1)。可以看出，爆破的P波垂直分量初动在记录台站向上的比例较高，超过78%；塌陷的P波垂直向初动在记录台站基本向下，占比超过85%。

表1 大同、朔州地区塌陷和爆破P波垂直向初动统计Table 1 Statistics of P-wave vertical initial motion of collapse and blasting in Datong and Shuozhou

2.3 振幅比As/Ap

爆破过程中岩石受到的力是正压力，无剪切力，故直接产生的只有P波，S波是因破裂过程发生切变而派生出来的[10]。爆破有较强的P波群，S波群则相对较弱。塌陷的震源较浅，不是一次完成，有塌落或巨石滚动的情形发生，初动大多比较平缓[16]。P、S波振幅比表征上述地震的动力学特性，同时，可减小震级、地震仪放大倍数和频率特性等因素造成的影响[17]。因此，通过分析和量取非天然地震事件中震相明显的通道中垂直方向上P波最大振幅Ap、水平方向上S波最大振幅As，求得各台站As/Ap值(见图3)。可以得出，大同地区几次塌陷事件的As/Ap值与震中距有关，比值随震中距增大而减小。在0 km<Δ<50 km时，As/Ap值分布在6～22范围内；在50 km≤Δ≤250 km时，As/Ap值集中在0～8范围内。如图4所示，平鲁地区爆破的As/Ap值随震中距增大表现出的规律性不明显，其值多集中在4以下。通过求取每个台站记录的S波和P波最大振幅比值，再对各台记录幅值比进行算数平均，结果如图5所示,爆破的As/Ap值多集中于1.5～2.8，塌陷集中在2.8～4.5。

图3 大同地区塌陷事件As/Ap值Fig.3 As/Ap of collapse events in Datong

图4 平鲁地区爆破事件As/Ap值Fig.4 As/Ap of collapse events in Pinglu

图5 塌陷和爆破事件As/Ap对比Fig.5 As/Ap comparison of collapse and blasting events

3 非天然地震频谱特征

频谱分析是采用傅里叶变换分解振动信号进行研究和处理的一个过程，研究中使用常用、有效的快速傅里叶变换(FFT)[18]。基于山西测震台网2015至2020年记录的大同、平鲁事件波形数据，应用Matlab程序分别完成人工爆破与塌陷等事件的波形截取，通过快速傅里叶变换方法，将上述不同类型事件的波形数据从时间域变换到频率域，分析其频谱特征(见图6、图7)。可以看出，山西大同地区塌陷事件的优势频率偏低，主要分布于0～2 Hz，主频为1 Hz，频率成分相对简单，能量衰减较快；山西平鲁地区爆破事件的优势频率较高，主要分布于0～5 Hz，主频为1 Hz。综合认为，爆破和塌陷事件主频相当，均较低；爆破的优势频率较宽，塌陷的优势频率较窄，能量衰减较快。

图6 塌陷事件频谱图Fig.6 Spectrum of collapse events

图7 爆破事件频谱图Fig.7 Spectrum of blasting events

4 结论与讨论

通过对2015至2020年山西大同、平鲁地区ML≥2.5非天然地震事件的对比分析，得出如下结论：

(1)从震相上看，塌陷和爆破均有S波不明显，面波发育、衰减较快等特点。塌陷的面波明显且出现较早，波形周期较大，衰减较快；爆破的P波发育且初动清晰。

(2)在P波垂直向初动方面，震中距100 km范围内，爆破超过78%的台站记录的初动向上，塌陷超过85%的台站记录的初动向下。

(3)大同地区塌陷事件As/Ap随震中距减小的规律明显，0 km<Δ<50 km时，As/Ap值分布在6～22范围内，在50 km≤Δ≤250 km时，As/Ap值集中在0～8；爆破事件的As/Ap值与震中距无显著关系，As/Ap值多集中在4以下。爆破的最大振幅比As/Ap小于塌陷。

(4)在频率特征方面，山西平鲁地区爆破事件的优势频率较宽，主要分布于0～5 Hz，主频为1 Hz；山西大同地区塌陷事件的优势频率偏窄，主要分布于0～2 Hz，主频为1 Hz，频率成分相对简单，能量衰减较快。