北京房山巖體附近隨采礦活動(dòng)增強(qiáng)的背景地震活動(dòng)和動(dòng)態(tài)觸發(fā)事件研究

Weijun Wang　Xiaofeng Meng　Zhigang Peng Qi-Fu Chen　Ning Liu

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北京房山巖體附近隨采礦活動(dòng)增強(qiáng)的背景地震活動(dòng)和動(dòng)態(tài)觸發(fā)事件研究

Weijun WangXiaofeng MengZhigang Peng Qi-Fu ChenNing Liu

北京西部房山巖體多次發(fā)現(xiàn)動(dòng)態(tài)觸發(fā)事件，但之前的研究都受限于臺(tái)站分布稀疏的影響。本文系統(tǒng)地分析了2011年3月11日日本東北近海MW9.1地震和2012年4月14日印度洋MW8.6地震之前和之后各40天內(nèi)固定臺(tái)站和流動(dòng)臺(tái)站記錄的連續(xù)波形。首先，本文采用短時(shí)平均比長時(shí)平均的檢測方法構(gòu)建模板數(shù)據(jù)庫；其次，本文運(yùn)用波形模板匹配濾波技術(shù)對(duì)連續(xù)波形進(jìn)行互相關(guān)來檢測地震事件。最后，本文分別檢測得到日本東北近海地震主震后和印度洋地震主震后1 956個(gè)和950個(gè)地震事件。多數(shù)檢測到的地震屬于淺源(<5km)地震并群集出現(xiàn)在北京西部房山巖體北嶺向斜構(gòu)造，這個(gè)地區(qū)鄰近一個(gè)正在運(yùn)行的煤礦。從兩次主震的強(qiáng)振幅面波中分別檢測出7個(gè)和10個(gè)地震事件，但對(duì)應(yīng)的強(qiáng)前震和余震波形中則沒有檢測到類似的多事件爆發(fā)模式。多種統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)表明兩次主震后短時(shí)爆發(fā)事件是動(dòng)態(tài)觸發(fā)事件。本文認(rèn)為采礦相關(guān)的活動(dòng)可能擾動(dòng)了地下應(yīng)力環(huán)境，從而使該地區(qū)比其他地區(qū)更容易被動(dòng)態(tài)應(yīng)力觸發(fā)。

關(guān)鍵點(diǎn)房山巖體動(dòng)態(tài)觸發(fā)采礦模板匹配濾波技術(shù)

0　引言

局部地區(qū)地震事件可以被如采氣/油、蓄水和采礦等人類活動(dòng)(Ellsworth，2013；McGarretal，2002；Guha，2000及其內(nèi)的參考文獻(xiàn))引起的應(yīng)力變化誘發(fā)，也可以被鄰近區(qū)域內(nèi)或者長距離范圍內(nèi)的天然地震所觸發(fā)(Hilletal，1993；Prejeanetal，2004；Peng and Gomberg，2010；Hill and Prejean，2015及其內(nèi)的參考文獻(xiàn))。在這些因素中，遠(yuǎn)震強(qiáng)振幅面波傳播經(jīng)過時(shí)動(dòng)態(tài)地?cái)_動(dòng)區(qū)域應(yīng)力狀態(tài)從而觸發(fā)本地的微震發(fā)生。這個(gè)過程被稱為動(dòng)態(tài)觸發(fā)，目前發(fā)現(xiàn)存在于不同的構(gòu)造區(qū)域，如活動(dòng)板塊邊界斷層，地?zé)?火山區(qū)域甚至低地震活動(dòng)性的板塊內(nèi)部(Velascoetal，2008；Jiangetal，2010；Gonzalez-Huizar and Velasco，2011)。動(dòng)態(tài)觸發(fā)研究有利于理解全球范圍內(nèi)大地震的相互作用、以及從臨界到失效時(shí)局部應(yīng)力狀態(tài)演化過程，從而提供了洞察地震破裂起始過程的獨(dú)特窗口(Hill，2008，2012；Gonzalez-Huizar and Velasco，2011；Tapeetal，2013；Brodsky and van der Elst，2014)。

兩類物理模型，即摩擦失效和地殼流體/非同震蠕滑，被用來解釋即時(shí)觸發(fā)和延遲觸發(fā)行為(Hill and Prejean，2015及其內(nèi)的參考文獻(xiàn))。只有準(zhǔn)確地識(shí)別觸發(fā)地震事件才能較好地理解動(dòng)態(tài)觸發(fā)的物理過程。這個(gè)過程包含對(duì)多個(gè)臺(tái)站人工震相識(shí)別工作，在稀疏臺(tái)網(wǎng)的情況下這個(gè)工作是相當(dāng)困難的(Jiangetal，2010)。最近，Yukutake等(2013)運(yùn)用波形匹配濾波器技術(shù)(Peng and Zhao，2009)識(shí)別了2011年MW9.0日本東北近海地震面波經(jīng)過日本中部箱根火山時(shí)所觸發(fā)的未曾識(shí)別出的地震事件。Kato等(2013)也采用了類似的方法更加全面地辨識(shí)出日本東北近海地震發(fā)生前后，日本中部飛彈山脈下方發(fā)生的兩簇地震，他們的研究結(jié)果表明動(dòng)態(tài)應(yīng)力對(duì)于距離日本東北近海地震破裂區(qū)約500km處發(fā)生的局部觸發(fā)地震事件起著重要的作用。

研究學(xué)者已經(jīng)數(shù)次在中國北京房山巖體附近區(qū)域發(fā)現(xiàn)動(dòng)態(tài)觸發(fā)淺層微震事件(Jiangetal，2010；Pengetal，2011；Wuetal，2011，2012；Gongetal，2014；Chenetal，2014)。研究者針對(duì)動(dòng)態(tài)應(yīng)力峰值、入射面波頻率和觸發(fā)延遲時(shí)間等觸發(fā)因素開展了研究，但是主要觸發(fā)原因還具有不確定性(Wuetal，2012)。這個(gè)區(qū)域稀疏地震臺(tái)站的分布不利于觸發(fā)事件和研究區(qū)背景地震事件的識(shí)別/定位，限制了進(jìn)一步的深入研究。

為了更好地監(jiān)測房山巖體附近區(qū)域的背景地震事件和觸發(fā)地震事件，2010年12月至2011年9月我們架設(shè)了11個(gè)流動(dòng)臺(tái)站。幸運(yùn)的是，在2011年3月日本東北近海MW9.0地震前后，部署的流動(dòng)臺(tái)站連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)并清晰地記錄到觸發(fā)地震事件(Chenetal，2014)。本文對(duì)2011年日本東北近海地震和2012年MW8.6印度洋地震發(fā)震時(shí)間前后的地震活動(dòng)性進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。這兩次強(qiáng)震(2011年日本東北近海地震和2012年印度洋地震)分別距離房山巖體約2 300km和4 740km。日本東北近海地震主震發(fā)震時(shí)間前兩天發(fā)生了一次MW7.3前震，主震發(fā)生后到2011年4月底發(fā)生了3次MW>7.0的余震。2012年印度洋地震主震發(fā)生后2小時(shí)發(fā)生了一次MW8.2余震。本文搜集了2011年日本東北近海地震主震發(fā)震時(shí)間前后5個(gè)寬頻帶固定臺(tái)站和11個(gè)流動(dòng)臺(tái)站的波形數(shù)據(jù)，流動(dòng)地震臺(tái)站中包含9個(gè)短周期(2s～60Hz)和2個(gè)寬頻帶(120s～40Hz，N04和N11)臺(tái)站。2011年9月之后，由于流動(dòng)臺(tái)站終止了觀測任務(wù)，本文只搜集了2012年印度洋地震發(fā)震前后5個(gè)固定臺(tái)站的連續(xù)波形數(shù)據(jù)。所有臺(tái)站都是三分量傳感器，100Hz采樣率連續(xù)記錄。

首先，我們采用短時(shí)/長時(shí)平均比率方法(STA/LTA)(Allen，1982)檢測地震事件，將定位結(jié)果好的地震事件用于構(gòu)建模板數(shù)據(jù)庫。其次，我們用這個(gè)模板對(duì)日本東北近海地震和印度洋地震發(fā)震時(shí)間前后各40天的連續(xù)波形進(jìn)行掃描。通過波形掃描，我們識(shí)別出新的地震目錄，并用這些新的地震目錄對(duì)房山巖體附近區(qū)域的背景地震活動(dòng)性和觸發(fā)行為進(jìn)行研究。最后，我們討論了可能的觸發(fā)原因，并對(duì)該區(qū)域動(dòng)態(tài)觸發(fā)事件的存在和背景地震活動(dòng)性給予了解釋。

1　研究區(qū)域

房山巖體地處太行山脈(TMR)和華北盆地(NCB)匯合處(圖1a)，形成于133～128Ma的白堊紀(jì)巖漿作用(Yanetal，2006)。巖漿在淺層西北向傾斜擠出，導(dǎo)致太行山圍巖強(qiáng)烈變形，形成了巖體邊緣韌性剪切變形帶，以及西部圍巖一系列的背斜和向斜結(jié)構(gòu)(例如，河北地質(zhì)局，1989；Shanetal，2006；Yanetal，2006，2011；Heetal，2009)(圖1a和圖2a)。北嶺向斜是這個(gè)區(qū)域最大的向斜構(gòu)造。它的軸線深度上向巖體傾斜，因此巖體東部邊緣以高角度傾斜，而西部邊緣則是低角度傾斜(圖2a)。

圖1　(a)北京西南部房山巖體研究區(qū)域分布圖。區(qū)域主壓應(yīng)力方向引自Zhang等(2004)，圖中AB剖面在圖2a中顯示，圖中沒有標(biāo)示流動(dòng)臺(tái)站N02。圖(b)，(c)分別是背景地震和可能觸發(fā)的事件沿經(jīng)度和緯度的深度剖面。(d)兩個(gè)遠(yuǎn)震距離大地震和研究區(qū)域相對(duì)位置縮小圖(原圖為彩色圖——譯注)

這個(gè)地區(qū)的煤礦開采已經(jīng)持續(xù)了很多年，開采層主要位于中下侏羅紀(jì)地層(J1)(圖2a)。多數(shù)地表和地下煤礦如門頭溝煤礦(MTG)已經(jīng)關(guān)閉。目前只有一些大型井下煤礦，如長溝峪(CGY)和大安山(DAS)煤礦(圖1a)還在正常運(yùn)轉(zhuǎn)。它們的開采深度接近1km。

歷史上在房山巖體附近沒有記錄到5級(jí)以上的地震。研究區(qū)域內(nèi)(E115.679°～116.130°緯度，N39.645°～39.970°經(jīng)度)2009年1月至2014年7月中國地震科學(xué)數(shù)據(jù)共享中心(CEDC)目錄中只有72個(gè)地震。其中，41個(gè)歸屬于天然地震，剩下的則是與采礦活動(dòng)有關(guān)的事件(比如崩塌和爆破)。

圖2　(a)房山巖體北嶺向斜構(gòu)造示意圖(修改自Yan et al，2011)和地震分布圖。(b)圖1a中P1區(qū)域地震分布放大圖。圖2a中裸露地層用不同的顏色標(biāo)示。圖例如圖1。(c)圖2b中P1區(qū)域沿著CD線的深度剖面(原圖為彩色圖——譯注)

中國地震科學(xué)數(shù)據(jù)共享中心提供的地震目錄中背景地震事件震級(jí)相對(duì)較小，該區(qū)域礦震具有較長的研究歷史(Lietal，2007)。比如，1959年以來門頭溝煤礦附近的小型監(jiān)測系統(tǒng)記錄到1976年9月至1995年10月期間ML1.0以上100 000個(gè)礦震。其中最大的礦震發(fā)生在1994年5月19日，震級(jí)ML4.2(Zhangetal，1998)。大量誘發(fā)的礦震是門頭溝煤礦被關(guān)閉的主要原因(Zhangetal，1998)。

2　模板數(shù)據(jù)集和檢測步驟

首先，用SeisAn軟件包(Havskov and Ottem?ller，1999；參見http：//folkworm.ceri.memphis.edu/ew-doc/ovr/carlstatrig.notes)，我們對(duì)垂直向量運(yùn)用短時(shí)/長時(shí)檢測窗識(shí)別2011年2月至2011年4月的地方震。短時(shí)和長時(shí)的時(shí)間窗口長度分別是1s和8s，比率和平靜期兩個(gè)配置參數(shù)分別是2和3。這兩個(gè)參數(shù)控制觸發(fā)的靈敏度，值越大觸發(fā)靈敏度越低，其中比率因子更多地影響噪聲大的臺(tái)站，平靜因子則平均地影響所有臺(tái)站。運(yùn)用短時(shí)/長時(shí)方法，至少5個(gè)臺(tái)站在3s時(shí)間窗口內(nèi)同時(shí)檢測到事件才定義為一個(gè)觸發(fā)事件。然后，對(duì)所有檢測到的事件進(jìn)行人工檢查，人工拾取P波、S波到時(shí)以及P波極性。

我們的研究區(qū)域主要位于山區(qū)(Wuetal，2011；Wuetal，2012；Gongetal，2014)，而之前該區(qū)域觸發(fā)地震事件定位使用的是華北盆地的一維速度模型(補(bǔ)充材料表S1)(Sun and Liu，1995)。為了提高地震定位的精度，我們選用有較多震相的事件(不少于8個(gè)P波震相)，用Velest軟件(Kisslingetal，1994)聯(lián)合反演更新速度模型。用不同的初始速度模型進(jìn)行測試，然后從逐漸收斂的反演輸出中選擇最好的速度模型?；诟碌乃俣饶Ｐ?表S1)，我們先用Hypocenter軟件(Lienertetal，1986；Lienert and Havskov，1995)對(duì)人工拾取事件進(jìn)行定位和估算震級(jí)，然后運(yùn)用HypoDD軟件(Waldhauser and Ellsworth，2000)再進(jìn)行精定位。定位程序采用了P波和S波走時(shí)以及波形互相關(guān)得到的精確時(shí)間差。根據(jù)HypoDD手冊(cè)定義參數(shù)，定位程序迭代8次。初次迭代走時(shí)權(quán)重高，波形互相關(guān)得到的時(shí)間差權(quán)重低，反之最后的迭代過程中，則走時(shí)權(quán)重低，波形互相關(guān)得到的時(shí)間差權(quán)重高。

圖3　利用匹配濾波技術(shù)檢測地震的例子。(a)檢測模板平均互相關(guān)系數(shù)隨時(shí)間的變化。紅色圓點(diǎn)對(duì)應(yīng)于互相關(guān)系數(shù)閾值的4個(gè)中刪除重復(fù)檢測后的檢測地震(原圖為彩色圖——譯注)。(b)平均互相關(guān)函數(shù)直方圖。閾值取15倍每日互相關(guān)系數(shù)線平均絕對(duì)偏差值。(c)檢測到的地震(垂直點(diǎn)線)發(fā)震時(shí)間附近，模板地震(紅色)和連續(xù)波形(灰色)對(duì)比圖。左邊是分量，右邊是對(duì)應(yīng)的互相關(guān)系數(shù)值

然后，我們把精定位的地震事件組成檢測模板，采用波形匹配濾波技術(shù)檢測更多的地震事件(Shellyetal，2007；Peng and Zhao，2009)。方法按照Peng和Zhao(2009)以及Meng等(2013)的方法，在本文中簡略地介紹。首先，我們運(yùn)用4～10Hz雙程4極點(diǎn)巴特沃思帶通濾波器對(duì)連續(xù)波形和模板波形濾波，并重采樣到20Hz以減少計(jì)算時(shí)間；互相關(guān)窗分別為垂直和水平分量P波和S波到時(shí)前1s和到時(shí)后3s；對(duì)高信噪比(SNR≥5)分量我們計(jì)算模板波形和連續(xù)波形4s時(shí)間窗內(nèi)的互相關(guān)系數(shù)(CC)。對(duì)連續(xù)波形重復(fù)計(jì)算，每次計(jì)算往前滑動(dòng)一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)(即0.05s)。接著，我們疊加所有互相關(guān)道得到平均互相關(guān)系數(shù)。按照Meng等(2013)的方法，我們疊加互相關(guān)系數(shù)時(shí)允許一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的偏移。通過這種方法，我們可以去除不同分量之間潛在的微小時(shí)間偏移，并完成平均互相關(guān)系數(shù)1.0的自我檢測工作。我們對(duì)每個(gè)平均互相關(guān)系數(shù)道計(jì)算平均絕對(duì)偏差(MAD)，設(shè)置15倍平均絕對(duì)偏差作為檢測閾值(Mengetal，2013)。在匯集所有模板波形檢測結(jié)果后，我們從中去除重復(fù)檢測到的事件，只保留2s時(shí)間窗內(nèi)最高互相關(guān)系數(shù)對(duì)應(yīng)的事件。檢測事件的震中位置繼承了相應(yīng)模板檢測事件的震中位置，根據(jù)模板和檢測事件之間震級(jí)比和振幅對(duì)數(shù)比的線性關(guān)系，計(jì)算檢測事件的震級(jí)(Peng and Zhao，2009)。圖3舉例了一個(gè)事件的檢測。其中模板事件發(fā)震時(shí)間是2011年4月2日，地方震級(jí)為1.5。新檢測事件發(fā)震時(shí)間為2011年4月9日，推斷震級(jí)為0.6。平均互相關(guān)系數(shù)約為0.78，高于檢測閾值0.37。

圖4　(a)更新的和先前的P波速度模型(Sun and Liu，1995)。(b)兩種模型P波走時(shí)殘差(原圖為彩色圖——譯注)

我們采用公式(1)計(jì)算β值量化地震速率變化的顯著性(Reasenberg and Matthews，1988；Matthews and Reasenberg，1988；Aron and Hardebeck，2009)：

(1)

式中，Ta是速率變化檢測時(shí)段，Tb是背景時(shí)段，T=Ta+Tb。Na和N分別是Ta和T時(shí)間內(nèi)發(fā)生地震的數(shù)目。β值大于2表明地震發(fā)生速率顯著增加。對(duì)于遠(yuǎn)距離觸發(fā)大地震，我們依據(jù)Aiken和Peng(2014)定義同震和延遲觸發(fā)窗口。同震觸發(fā)窗口定義為相速度5km/s和2km/s大振幅面波通過的時(shí)間(Pengetal，2008)。延遲觸發(fā)窗口定義為相速度2km/s面波到時(shí)至P波到時(shí)后5小時(shí)。我們分別設(shè)置Tb主震前5，24和240小時(shí)估計(jì)背景地震發(fā)生率。

圖5　P1子研究區(qū)域運(yùn)用匹配濾波技術(shù)檢測到的2011年日本東北近海主震前后40天內(nèi)地震事件。(a)檢測地震互相關(guān)系數(shù)值隨時(shí)間的變化。(b)檢測地震(圓圈)事件和震級(jí)關(guān)系，以及Mc(紅線)以上地震累積數(shù)量(原圖為彩色圖——譯注)?；疑摼€表示具有觸發(fā)可能性的大的遠(yuǎn)距離的地震發(fā)震初始時(shí)間(表S5)。(c)和(d)分別是主震發(fā)震時(shí)間前后3天和5小時(shí)的放大圖

3　結(jié)果

3.1更新的速度模型和模板地震位置

通過短時(shí)/長時(shí)檢測，我們得到震級(jí)在0.6～2.8，發(fā)震深度在0～15km范圍內(nèi)396個(gè)精定位地震。這些地震中至少有5個(gè)P波震相，并制作成模板以檢測更多的地震事件(圖1和表S1)。其中，包含至少8個(gè)P波震相的200個(gè)地震事件用于速度模型反演。通過測試選用VP/VS=1.732以減少模型反演的不穩(wěn)定性。受限于淺層射線路徑，與之前的模型相比，反演P波速度模型改善了淺層10km范圍的結(jié)構(gòu)，略微降低了走時(shí)殘差(圖4)。

所有的模板中，254個(gè)事件深度分布較淺(<5km)，位于房山巖體西部的北嶺向斜下部(圖1a的P1區(qū)域)。它們可以分為發(fā)生在向斜東翼(S1)和西翼(S2)的兩組事件群(圖2b和c)。其余模板事件主要聚集于本文研究區(qū)域的西北角(圖1a的P2區(qū)域)，發(fā)震深度較深(5～15km)。極少的地震位于房山巖體附近韌性剪切帶(圖2a)。

圖6　類似于圖5，為2012年印度洋主震前后發(fā)生地震事件圖。與灰色虛線對(duì)應(yīng)的大地震在表S6中列出(原圖為彩色圖——譯注)

3.2通過匹配濾波技術(shù)檢測得到的地震事件

掃描2011年日本東北近海和2012年印度洋主震前后共80天的連續(xù)波形，我們分別檢測到1 956個(gè)和950個(gè)地震事件(表S3和S4，圖5和圖6)。對(duì)比同時(shí)間段的中國地震科學(xué)數(shù)據(jù)共享中心目錄，只有一個(gè)地震。兩個(gè)時(shí)間段，絕大部分(分別是73%和64%)檢測到的事件位于P1區(qū)域，這個(gè)區(qū)域臺(tái)站相對(duì)密集(圖1)。檢測到的地震的頻度—震級(jí)關(guān)系符合古登堡-里克特(G-R)定律，并具有相似的b值(圖7a和7b)。運(yùn)用ZMAP軟件(Wiemer，2001；Woessner and Wiemer，2005)中的整個(gè)震級(jí)范圍(EMR)方法估算完整性震級(jí)分別是Mc0.6(2011)和Mc0.9(2012)。Mc震級(jí)的差異歸咎于2012年流動(dòng)臺(tái)站的撤回。對(duì)比中國地震科學(xué)數(shù)據(jù)共享中心目錄，地震嚴(yán)重偏離了古登堡-里克特定律(圖7c)，說明中國地震科學(xué)數(shù)據(jù)共享中心地震目錄嚴(yán)重缺失。

圖7　(a)日本東北近海地震和(b)印度洋地震以及(c)2009年至2014年中國地震科學(xué)數(shù)據(jù)共享中心(CEDC)地震目錄的主震發(fā)震前后檢測的地震震級(jí)—頻度關(guān)系圖。紅色實(shí)線表示最佳古登堡-里克特關(guān)系線(原圖為彩色圖——譯注)。(d)和(c)分別是2011年和2012年檢測地震分布圖。面波觸發(fā)窗口(約600s)用正方形標(biāo)示。黑色表示2011年日本東北近海地震和2012年印度洋地震主震，紅色表示從左往右2003年日本十勝近海MW8.3地震、2004年蘇門答臘MW9.2地震、2008年汶川MW7.9地震和2001年昆侖山MW7.8地震

3.3觸發(fā)地震的發(fā)現(xiàn)

本文研究區(qū)域記錄了日本東北近海地震和印度洋地震主震以及它們的前震和余震產(chǎn)生的強(qiáng)振幅面波波形。通過公式σd=G*PGV/V可以計(jì)算得到面波引起的動(dòng)應(yīng)力峰值變化(σd)。其中，PGV是峰值地動(dòng)速度；V是相速度，取3.5km/s；G為剪切強(qiáng)度，取30GPa(Hilletal，1993)。對(duì)于日本東北近海地震和印度洋地震主震，它們?cè)谂？谟?NKY)臺(tái)站對(duì)應(yīng)的動(dòng)應(yīng)力峰值分別是0.1和0.03MPa(表S5和S6)，高于Wu等(2011)給出的此研究區(qū)域的觸發(fā)閾值約0.01MPa。而其前震和余震峰值應(yīng)力變化也接近或者略高于觸發(fā)閾值(表S5和S6)。因此這些前震和余震具備觸發(fā)當(dāng)?shù)氐卣鸹顒?dòng)的能力。

整個(gè)研究時(shí)段內(nèi)檢測到的地震發(fā)生率相對(duì)穩(wěn)定(圖5b和6b)，我們只檢測到日本東北近海地震和印度洋地震主震面波到達(dá)時(shí)清晰的地震發(fā)生率突升(圖5c，5d，6c和6d)。兩次地震面波波列分別檢測到7個(gè)(T1～T7標(biāo)記)和10個(gè)地震(I1～I(xiàn)10標(biāo)記)(圖8，圖9)。其中有5個(gè)和9個(gè)地震分別位于P1區(qū)域。不同背景窗口條件下，兩次主震(表1)計(jì)算得到的面波經(jīng)過時(shí)β>2，表明可能存在即時(shí)觸發(fā)事件。然而我們沒有檢測到兩個(gè)主震的前震和余震類似的事件爆發(fā)。主震面波之后β值小于2(表1)表明事件發(fā)生率降低回背景水平。類似于大多數(shù)觸發(fā)微震案例(Prejeanetal，2004；Pengetal，2010)，觸發(fā)事件沒有表現(xiàn)出與面波振幅峰值或波谷清晰的一對(duì)一關(guān)系。

圖8　(a)?？谠?NKY)地震臺(tái)站垂直分量記錄到的2011年日本東北近海地震主震前后2個(gè)小時(shí)的地震圖。豎線表示運(yùn)用波形濾波匹配方法檢測到的地震，紅色、綠色和黑色分別對(duì)應(yīng)于構(gòu)造地震、類型未知地震以及煤礦誘發(fā)地震(原圖為彩色圖——譯注)。(b)圖a中的地震圖經(jīng)過0.5Hz高通濾波后的時(shí)頻圖。(c)主震后5Hz高通濾波垂直分量地震圖放大圖。(d)?？谠５卣鹋_(tái)站主震0.01～0.1Hz帶通濾波地震圖放大圖。檢測到的圖a中的地震用不同顏色空心圓表示，空心圓的大小表示它們的震級(jí)。面波中檢測到的地震分別用T1～T7表示

4　討論

因?yàn)榇蠖鄶?shù)檢測到的事件發(fā)生位置鄰近于目前還在運(yùn)轉(zhuǎn)的煤礦(長溝峪和大安山)，它們中的某些事件可能與采礦活動(dòng)(比如采礦落煤和采礦爆破)有關(guān)或者由采礦活動(dòng)誘發(fā)(采礦觸發(fā)的天然微震)。在P1區(qū)域日本東北近海主震前后檢測到的事件(圖7d)，它們按照小時(shí)分布有兩個(gè)顯著的峰值，而且對(duì)應(yīng)工作時(shí)段(當(dāng)?shù)貢r(shí)間7～11時(shí)和15～18時(shí))，這或許與采礦生產(chǎn)過程有關(guān)。P2區(qū)域(圖7d)則沒有這個(gè)峰值。印度洋地震主震前后檢測的事件，同樣在P1區(qū)域在工作時(shí)間檢測到類似的峰值(圖7e)。因此，在P1區(qū)域一部分檢測到的事件可能是跟采礦活動(dòng)(采礦落煤和爆破)有關(guān)的事件，而不是天然地震。因此，確定主震后爆發(fā)的事件是遠(yuǎn)震觸發(fā)的而非當(dāng)?shù)孛旱V開采活動(dòng)至關(guān)重要。

圖9　同圖8，為2012年印度洋地震檢測地震圖(原圖為彩色圖——譯注)

日本東北近海地震主震印度洋地震主震目錄同震窗口(Ta=690s)延遲窗口(Ta=16571s)同震窗口(Ta=1422s)延遲窗口(Ta=15155s)Tb=5h所有地震事件8.5-0.510.7-0.4M>Mc9.4-1.310.11.1Tb=24h所有地震事件11.5-0.416.1-1.0M>Mc14.7-1.014.8-0.4Tb=240h所有地震事件14.4-0.523.3-0.8M>Mc19.6-1.126.60.2

遺憾的是，我們不能獲得當(dāng)?shù)孛旱V企業(yè)有關(guān)爆破/采礦活動(dòng)的時(shí)刻表詳情。因此我們嘗試下面三種方法，用以判斷它們與采礦活動(dòng)的可能關(guān)系。首先，我們調(diào)查主震后短時(shí)間內(nèi)事件發(fā)生的頻率。假設(shè)主震面波波列中發(fā)生的事件只由煤礦開采活動(dòng)引起，因?yàn)槊旱V開采一直在運(yùn)行，我們可以期望在其他時(shí)段能夠檢測出類似事件的活動(dòng)頻率。這里我們計(jì)算600s窗口內(nèi)的地震事件數(shù)目，步長為300s。600s窗口長度近似兩個(gè)主震面波的持續(xù)時(shí)間。研究結(jié)果表明對(duì)所有監(jiān)測到的事件，除了主震后時(shí)刻外，分組數(shù)都小于5(圖10)。對(duì)于大于Mc的事件也觀察到同樣的現(xiàn)象。因此。我們認(rèn)為，兩次主震后短時(shí)段事件爆發(fā)情況非常少見，不太可能僅是采礦活動(dòng)。

其次，我們對(duì)研究區(qū)域內(nèi)所有的觸發(fā)地震事件的當(dāng)?shù)匕l(fā)震時(shí)間進(jìn)行檢查(Wuetal，2011；Chenetal，2014)。觸發(fā)事件發(fā)生在不同時(shí)段，而不是僅僅發(fā)生在當(dāng)?shù)孛旱V運(yùn)行的時(shí)間內(nèi)(圖11a)。另外，正如Wu等(2011)指出，該區(qū)域明顯存在0.1cm/s峰值地動(dòng)速度(對(duì)應(yīng)約10kPa)的觸發(fā)閾值。

我們也對(duì)之前觸發(fā)主震的波形基于相同模板數(shù)據(jù)庫，運(yùn)用匹配濾波技術(shù)檢測了地震。大多數(shù)人工識(shí)別的微震(Wuetal，2011)都能被P1子區(qū)域的地震模板檢測出來(圖1，2)。2001年昆侖山地震是一個(gè)例外，主震發(fā)生后，運(yùn)用模板濾波技術(shù)沒有檢測出地震(Wuetal，2011)，可能因?yàn)槲覀兊牡卣鹉０鍞?shù)據(jù)庫不完全，以至于不能檢測出所有的地震。對(duì)于所有的觸發(fā)地震案例，地震事件的突發(fā)只發(fā)生在面波里，研究區(qū)域在主震波列到達(dá)前相對(duì)平靜(圖11b～g)。在研究數(shù)個(gè)觸發(fā)地震案例后，主震之后地震發(fā)生率明顯增加(圖11h)。這支持了我們的推斷，即研究區(qū)域內(nèi)局部地震活動(dòng)性的短時(shí)增加與遠(yuǎn)距離的主震有關(guān)，而不是當(dāng)?shù)氐拿旱V開采活動(dòng)。

第三種方法，我們嘗試對(duì)所有檢測事件的震源類型進(jìn)行分類。研究區(qū)的臺(tái)站分布形態(tài)給研究小事件的震源機(jī)制解帶來了極大的困難，比如圖S1中運(yùn)用傳統(tǒng)初動(dòng)極性方法錯(cuò)誤反演的例子(Hardebeck and Shearer，2003)。本文中我們運(yùn)用S波和P波振幅比率(S/P)方法(Yilmazetal，2013)區(qū)分小地震的震源類型。這種方法基于這樣的假設(shè)：煤礦開采相關(guān)的非雙力偶事件具有發(fā)育良好的高頻P波(該區(qū)域大于4Hz)和未充分發(fā)育的S波特征，相比之下，構(gòu)造地震具有發(fā)育良好的S波(圖S2)。我們經(jīng)驗(yàn)性地將檢測到的事件標(biāo)示為天然地震、礦震或者類型未知的地震。有關(guān)分析的細(xì)節(jié)請(qǐng)?jiān)斠娧a(bǔ)充材料。在所有檢測到的事件中，礦震數(shù)量約是天然地震的3倍，兩個(gè)主震前后礦震和天然地震數(shù)目比率分別是816/398和271/136(圖S4和S5)。多數(shù)類型未知的地震位于地震臺(tái)站分布密集的P1區(qū)域。

圖10　(a)日本東北近海地震和(b)印度洋地震主震前后檢測的地震的滑動(dòng)分組數(shù)。只顯示分組數(shù)大于3的?；疑摼€表示圖5和圖6中大地震的發(fā)震時(shí)間(原圖為彩色圖——譯注)

圖11　(a)?？谠?NKY)地震臺(tái)站在本文兩次強(qiáng)震和Wu等(2011)文章中的強(qiáng)震情況下峰值地動(dòng)速度隨當(dāng)?shù)貢r(shí)間的變化。(b)～(g)本研究區(qū)對(duì)觸發(fā)地震5Hz高通濾波包絡(luò)函數(shù)。2001年昆侖山地震發(fā)震時(shí)間附近黑色圓點(diǎn)引自Wu等(2011)人工識(shí)別的地震。空心圓表示本文中通過匹配濾波技術(shù)檢測到的地震。紅色虛線表示速度為5km/s和2km/s面波到時(shí)(原圖為彩色圖——譯注)。(h)圖c～g中的主震地震疊加數(shù)隨時(shí)間的變化

因?yàn)槲覀儏^(qū)分所檢測事件震源類型的方法是經(jīng)驗(yàn)性的，不同參數(shù)的選擇可能會(huì)導(dǎo)致分類的差異。另外，S/P比率在不同分類中的差異也不清晰(圖S2)。雖然如此，如果運(yùn)用目前的分類方法，兩次主震面波波列中的7個(gè)和10個(gè)事件分別有3個(gè)和5個(gè)事件是天然地震。兩次主震之后相應(yīng)的地震發(fā)生率也明顯增加(圖S4和S5)。再者，β值統(tǒng)計(jì)值瞬時(shí)增加也支持動(dòng)態(tài)觸發(fā)的推斷(表S8)。

大部分事件(含三種類型)的震源深度分布要約深于1km的采礦深度。一個(gè)原因可能是由于淺層速度模型的不準(zhǔn)確和沒用足夠震相限制了深度反演。另外一個(gè)可能是，至少一部分地震的發(fā)震深度比采礦深度大，由淺層采礦活動(dòng)誘發(fā)/觸發(fā)。這與Frank等(2015)的研究結(jié)果一致，他在墨西哥中部發(fā)現(xiàn)了更大深度上有類似由采礦誘發(fā)的地震(Deep slow slip enhances low-effective-stress repeaters in the shallow crus，Earth Planetary Science Letters，審稿中，2015)。鄰近俯沖帶交界處的慢滑型地震也觸發(fā)了很多與采礦有關(guān)的活動(dòng)，多數(shù)由于靜態(tài)庫侖應(yīng)力的改變。另外，Pankow等(2014)也發(fā)現(xiàn)猶他州銅礦山大規(guī)模的滑坡觸發(fā)了16個(gè)微震，表明類似采礦爆破、山崩等地表活動(dòng)能夠擾動(dòng)地表應(yīng)力和誘發(fā)小地震。

我們的研究證明活躍的采礦區(qū)容易發(fā)生遠(yuǎn)程動(dòng)態(tài)觸發(fā)。van der Elst等(2013)也報(bào)道過美國中部許多注入廢水的地方容易出現(xiàn)類似動(dòng)態(tài)觸發(fā)現(xiàn)象。本文研究和van der Elst等(2013)的一個(gè)主要區(qū)別在于我們只發(fā)現(xiàn)同震的觸發(fā)地震，而他們發(fā)現(xiàn)了持續(xù)時(shí)間較長(例如6～20個(gè)月)的增強(qiáng)的地震活動(dòng)性。另外，他們發(fā)現(xiàn)并不是所有遠(yuǎn)距離強(qiáng)震都能夠觸發(fā)當(dāng)?shù)氐卣鹗录?，并提出?dāng)?shù)財(cái)鄬酉敌枰欢ǖ闹亟〞r(shí)間。我們的研究中，盡管一些日本東北近海和印度洋主震的大余震的動(dòng)態(tài)應(yīng)力高于先前定義的閾值0.01MPa，但沒有在房山巖體附近觸發(fā)事件。因此，我們研究區(qū)域的斷層系也可能需要類似的重建時(shí)間(Wuetal，2012)。

Wu等(2011)發(fā)現(xiàn)在房山巖體附近被遠(yuǎn)距離強(qiáng)震觸發(fā)的地震多發(fā)生在比背景地震發(fā)震深度淺的位置(<5km)。而且觸發(fā)的地震波形與中國地震科學(xué)數(shù)據(jù)共享中心目錄提供的背景地震不相關(guān)。因此，他們推斷這些觸發(fā)的地震可能發(fā)生在淺層地殼內(nèi)的速度增強(qiáng)區(qū)或者邊緣區(qū)域(Marone，1998)，在相對(duì)大的動(dòng)態(tài)應(yīng)力作用下發(fā)生脆性失效(Fischeretal，2008；Sleep and Ma，2008)。相比而言，本文中我們發(fā)現(xiàn)多數(shù)被觸發(fā)的地震波形與背景地震是相匹配的。其次，一些觸發(fā)地震是被重復(fù)觸發(fā)的。比如，T4和I1(圖8和圖9)是被同一模板地震檢測出來的。所以，觸發(fā)的小震和背景小震很有可能發(fā)生在相同區(qū)域，它們的區(qū)別僅在于起始驅(qū)動(dòng)機(jī)制不同(Shellyetal，2011)。

我們發(fā)現(xiàn)，與深部顫動(dòng)觸發(fā)不同(Peng and Gomberg，2010)，同震觸發(fā)的微震與經(jīng)過的面波并不是一對(duì)一匹配。這種現(xiàn)象同樣出現(xiàn)在其他研究區(qū)域(Prejeanetal，2004；Pengetal，2010；Aiken and Peng，2014)。一個(gè)可能的原因是微震的起始時(shí)間大于顫動(dòng)事件的起始時(shí)間，因此從最大應(yīng)力到地震發(fā)生需要額外的時(shí)間。另外一個(gè)可能，就是因?yàn)橛|發(fā)地震的位置差異(不同的傳播時(shí)間)，或因?yàn)橛|發(fā)地震震源機(jī)制的不同，它們映射到斷層面產(chǎn)生峰值庫侖應(yīng)力出現(xiàn)的時(shí)間也會(huì)出現(xiàn)差異。

最后，與其他時(shí)間相比，日本東北近海地震主震前40天到30天內(nèi)檢測到的地震明顯下降(圖5b)。這個(gè)時(shí)段與中國傳統(tǒng)春節(jié)時(shí)間一致，中國農(nóng)歷新年2011年2月3日之前和之后持續(xù)幾天。因此檢測到地震下降表明在沒有采礦活動(dòng)的情況下背景地震活動(dòng)性減少。另外，在日本東北近海地震主震之后20天到21天，我們也發(fā)現(xiàn)地震發(fā)生率有明顯降低。但是，這種現(xiàn)象主要是由流動(dòng)臺(tái)站的儀器設(shè)備引起的，因?yàn)榱鲃?dòng)臺(tái)站在那天沒有記錄波形。

5　結(jié)論

本文中，我們聯(lián)合運(yùn)用短時(shí)/長時(shí)方法和波形匹配濾波技術(shù)，在房山巖體附近進(jìn)行了系統(tǒng)的檢測，在2011年日本東北近海地震和2012年印度洋地震主震前后40天內(nèi)獲得了1 956個(gè)和950個(gè)事件。絕大多數(shù)新檢測事件發(fā)震深度小于5km，聚集在房山巖體西部(P1區(qū)域)北嶺向斜構(gòu)造長溝峪煤礦附近，其他檢測到的事件發(fā)震深度較深，主要分布在研究區(qū)域(P2區(qū)域)西北角大安山煤礦附近。我們發(fā)現(xiàn)事件發(fā)生率在兩次強(qiáng)震主震面波到達(dá)時(shí)明顯增加，暗示存在同震動(dòng)態(tài)應(yīng)力觸發(fā)。因?yàn)檠芯繀^(qū)域靠近運(yùn)轉(zhuǎn)的煤礦，我們調(diào)查了事件與采礦活動(dòng)可能的相關(guān)性，認(rèn)為所觀測到的即時(shí)增加的地震活動(dòng)并不是由采礦活動(dòng)單獨(dú)造成的。絕大多數(shù)觸發(fā)微震事件與背景地震具有相似的波形，表明它們發(fā)生在相似的區(qū)域，但是由遠(yuǎn)震面波的額外應(yīng)力擾動(dòng)觸發(fā)的。最后，該研究區(qū)的背景地震活動(dòng)性高水平說明，采礦活動(dòng)使得該研究區(qū)域臨近失效，因此易于動(dòng)態(tài)觸發(fā)地震事件(Gomberg，2010；Brodsky and van der Elst，2014)。

數(shù)據(jù)與來源

原文附錄詳見http：//onlinelibrary.wiley.com/store/10.1002/2015JB012235/asset/supinfo/jgrb51 242-sup-0001-SupInfo.pdf?v=1&s=7cc33a596d 61985d40c7237ee19b3a14f8a4f358.

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劉寧(1981—)，女，中國地震局地震預(yù)測研究所助理研究員，主要致力于地震震源參數(shù)和破裂過程研究。E-mail：liuning@cea-ies.ac.cn。

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本譯文由中國地震局地震預(yù)測研究所基本科研業(yè)務(wù)重點(diǎn)項(xiàng)目專題(2012IES0105)、基本科研業(yè)務(wù)專項(xiàng)

(2013IES0401)和國家自然科學(xué)青年基金(41204036)資助

中國地震局地震預(yù)測研究所劉寧譯；王偉君校

中國地震局地球物理研究所王寶善復(fù)校

劉寧 譯.2016.北京房山巖體附近隨采礦活動(dòng)增強(qiáng)的背景地震活動(dòng)性和動(dòng)態(tài)觸發(fā)事件研究.世界地震譯叢.47(5)：412-429.doi：10.16738/j.cnki.issn.1003-3238.201605004