遼寧地區(qū)礦震波形特征分析

王承偉，王曉睿，梁一婧，張志宏

（1.遼寧省地震局，遼寧 沈陽 110034；2.大連地震臺，遼寧 大連 116000）

0　引言

遼寧臺網(wǎng)經(jīng)過“十五”中國地震觀測網(wǎng)絡(luò)項目升級改造，現(xiàn)已建成了一批高質(zhì)量的寬頻帶觀測技術(shù)系統(tǒng)，產(chǎn)出了海量的觀測數(shù)據(jù)。由于寬頻帶地震記錄中包含的地震信息比較全面，各種震相記錄十分豐富，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，而且各類震相的動力學(xué)和運動學(xué)特征更加明顯。豐富的震相記錄資料為地殼和上地幔結(jié)構(gòu)、地震學(xué)和地球物理學(xué)等方面的基礎(chǔ)理論研究提供了保障[1]。

礦震為采礦誘發(fā)地震的簡稱，亦稱為礦山地震，采礦業(yè)稱之為“沖擊地壓”。在礦井高應(yīng)力區(qū)內(nèi)煤體、巖體及斷層在受外界擾動瞬間失穩(wěn)破壞時，釋放出很大能量而引起的以猛烈震動和爆發(fā)式破壞為特征的礦山動力現(xiàn)象[2]。礦震的成因主要是因為礦山塌陷或礦山開采誘發(fā)礦山內(nèi)構(gòu)造活動而發(fā)生的地震。具體原因分為開采直接引起崩塌、冒落、瓦斯突出或是開采卸載間接誘發(fā)地震。由于礦震震源淺，而且又處于礦山這種特殊條件下，所以具有較大的破壞性。

1　資料選取

遼寧省礦區(qū)地震多發(fā)區(qū)域主要有兩個，即阜新與撫順地區(qū)，本文選取了2015年1月1日至2015年12月20日期間，阜新、撫順共計十一個ML大于3.0級的典型礦震作為本次分析的數(shù)據(jù)資料；臺站儀器類型多為BBVS-60，采樣頻率為100Hz，在40Hz～60s范圍內(nèi)速度輸出有平坦響應(yīng)。資料選取見表1。

2　礦震波形特點分析與結(jié)果對比

遼寧阜新和撫順地區(qū)是遼寧省規(guī)模最大的煤礦開采區(qū)，前些年大規(guī)模的煤炭開采及地震活動已經(jīng)引發(fā)了破壞性礦山地震，發(fā)震范圍比較集中，其波形記錄與天然地震有很大的差異，特別是寬頻帶地震記錄出現(xiàn)了持續(xù)時間長，Pg波振幅小、周期較大，Sg波后大周期面波發(fā)育等特點，這都十分符合煤礦誘發(fā)地震的震相特征[3]。遼寧測震臺網(wǎng)地震處理軟件MSDP具有多種數(shù)據(jù)處理功能，利用MSDP中合理的濾波器對阜新和撫順礦震記錄進(jìn)行預(yù)處理，提高了信噪比，震相識別的準(zhǔn)確度進(jìn)一步得到提高。因為Sg波后大周期面波發(fā)育等特點，在計算震級時易量取面波最大振幅而不是體波Sg振幅，造成所計算的同一礦震的震級明顯高于其實際的震級。因為自動量取震幅時，計算機有一定的機率自動量取Sg波后大周期面波，因此會造成震級的偏大，本文直接從近震震級的定義出發(fā)，用地動位移來計算ML震級。利用MSDP處理軟件先將記錄圖仿真成伍德·安德森地震儀的位移記錄，再進(jìn)行震相分析定位，計算M震級。按震中距不同進(jìn)行初動周期、震動持續(xù)時間和初動方向的對比。

表1　選取的礦震事件

2.1　阜新礦震記錄圖的分析解釋

從表2可以看出，仿真后計算震級與自動量取的震級還是有一定的偏差的，自動量取的各臺站的最大震級明顯要高于手動仿真量取的震級，經(jīng)復(fù)核發(fā)現(xiàn)，自動量取震級偏大的原因是CHY、JZH等臺站的振幅均量取在Sg后的大周期面波上，影響平均震級約0.2級左右。

表2　阜新礦震自動量取震幅所得平均震級與仿真后手動測量的平均震級計算的差值

本文以遼寧臺網(wǎng)2015年2月6日17點12分記錄到的遼寧阜新ML3.1級礦震為例（圖1），分析其波形特點。阜新礦震出現(xiàn)的主要震 相 是Pg、Sg、PmP、SmS、Pn、Sn， 首 個記錄到礦震波形的臺站為FXI,隨著震中距的不同，其出現(xiàn)的主要震相也不同。當(dāng)震中距Δ（以下同）小于50km時，通常記錄到的 地 震 波 只 有Pg、Sg。 當(dāng)50km＜Δ＜120km時，CHY、BEP臺能記錄到直達(dá)縱、橫波和反射縱、橫波，到達(dá)順序為Pg、PmP、Sg、SmS。當(dāng)120km＜Δ＜500km時，隨著震中距增大，首波作為第一震相到達(dá)，這一距離大約為120km，甚至更遠(yuǎn)，在140km時開始明顯出現(xiàn)，地震波的到達(dá)順序為Pn、Pg、PmP、Sn、Sg、SmS。由于礦震震源深度比較淺，當(dāng)震中距小于250km時面波發(fā)育明顯，當(dāng)震中距大于250km時，從MQI臺面開始，大約253km，面波開始衰減，不易識別； Pg震相從其周期來看約為0.11～0.36秒，Pn震相從其周期來看約為0.10～0.20秒，地震事件持續(xù)時間約為1.5分鐘左右。

圖1　2015年2月6日遼寧臺網(wǎng)記錄到的遼寧阜新ML3.1級礦震波形Fig.1　 The waveform of Liaoning Fuxin ML 3.1 mine earthquake recorded by Liaoning network on February 6, 2015

圖2　2015年2月6日遼寧阜新ML3.1級礦震CHY（朝陽臺）自動量取的面波振幅Fig.2　 The automatic surface wave amplitude of CHY（Chaoyang station） of Liaoning Fuxin ML 3.1 mine earthquake on February 6, 2015

2.2　撫順礦震記錄圖的分析解釋

從表3可以看出，仿真后計算震級與自動量取的震級還是有一定的偏差的，自動量取的各臺站的最大震級明顯要高于手動仿真量取的震級，經(jīng)復(fù)核發(fā)現(xiàn)，自動量取震級偏大的原因是QYU、BXI、HXQ等臺站的振幅均量取在Sg后的大周期面波上，影響平均震級約0.2級左右。

表3　撫順礦震自動量取震幅所得平均震級與仿真后手動測量的平均震級計算的差值

本文以2015年7月18日遼寧臺網(wǎng)記錄到的遼寧撫順ML3.2級礦震為例（圖3），分析其波形特點。撫順礦震出現(xiàn)的主要震相是Pg、Sg、PmP、SmS、Pn、Sn，首個記錄到礦震波形的臺站為LHT,隨著震中距的不同，其出現(xiàn)的主要震相也不同。當(dāng)震中距Δ（以下同）小于50km時，通常記錄到的地震波只有Pg、Sg。 當(dāng)50km＜Δ＜120km時，XMN、LYN、ANS、XFN臺能記錄到直達(dá)縱、橫波和反射縱、橫波，到達(dá)順序為Pg、PmP、Sg、SmS。當(dāng)120km＜Δ＜500km時，隨著震中距增大，首波作為第一震相到達(dá)，這一距離大約為120km，甚至更遠(yuǎn)，在135km時開始明顯出現(xiàn)，地震波的到達(dá)順序為Pn、Pg、PmP、Sn、Sg、SmS。由于礦震震源深度比較淺，當(dāng)震中距小于250km時面波發(fā)育明顯，當(dāng)震中距大于250km時，從JZH臺開始，大約248km，面波開始衰減，不易識別； Pg震相從其周期來看約為0.07～0.32秒，Pn震相從其周期來看約為0.13～0.36秒，地震事件持續(xù)時間約為1.5分鐘左右。

圖3　2015年7月18日遼寧臺網(wǎng)記錄到的遼寧撫順ML 3.2級礦震波形Fig.3　 The waveform of Liaoning Fushun ML 3.2 mine earthquake recorded by Liaoning network on July 18， 2015

圖4　2015年7月18日遼寧撫順ML3.2級礦震QYU（清原臺）自動量取的面波振幅Fig.4　 The automatic surface wave amplitude of QYU（Qingyuan station）of Liaoning Fushun ML 3.2 mine earthquake on July 18, 2015

2.3　礦震與天然地震的差異對比

本次礦震與天然地震的對比，是按震中距不同對兩者的初動周期、震動持續(xù)時間和初動方向進(jìn)行分析。圖5為遼寧省內(nèi)典型的天然地震—2015年11月23日 03時57分遼寧大石橋ML4.4級天然地震。

天然地震在不同震中距時，初動周期和震動持續(xù)時間的變化也有所不同。本文震動持續(xù)時間取最大振幅后1/5處為結(jié)束位置，最遠(yuǎn)記錄到波形的臺站震中距約為320km。當(dāng)震中距Δ＜50km時首先記錄到的震相為Pg，初動周期為0.15～0.18秒，地震的震動持續(xù)時間為20～25秒；隨震中距的增長，Pg的周期逐漸變大，當(dāng)50km＜Δ＜120km時，初動周期為0.17～0.38秒，地震的震動持續(xù)時間為43～47秒；當(dāng)Δ＞120km時Pn逐漸清晰，Pn的周期0.15～0.31秒，地震的震動持續(xù)時間為38至122秒；天然地震的初動方向為四象限分布，無明顯規(guī)律；而礦震則不同，據(jù)統(tǒng)計，在參與礦震定位的臺站中，初動清晰的臺站有70%初動方向都為向下，原因可能是由于開采直接引起崩塌或冒落，而開采卸載間接誘發(fā)的礦震，其初動方向為四象限的機率比較大。

圖5　2015年11月23日遼寧大石橋ML4.4級天然地震Fig.5　 Liaoning Dashiqiao ML 4.4 earthquake in November 23, 2015

由以上數(shù)據(jù)分析可得知ML4.4級天然地震與ML3.2級礦震在初動周期和震動持續(xù)時間上都較為接近，由此可以推斷，同等震級的礦震其初動周期和震動持續(xù)時間都要大于天然地震。

為證明上文推論的合理性，本文分別選用遼寧省內(nèi)ML3.0級左右的天然地震和礦震，按震中距提取初動周期和震動持續(xù)時間進(jìn)行對比。由圖6可以明顯的看出，在震級相同的情況下，礦震的初動周期和震動持續(xù)時間在大多情況下都大于天然地震。

圖6　a 初動周期對比；b 振動持續(xù)時間對比Fig.6　 a. Onset period comparison；b. Vibration duration comparison

3　討論與結(jié)論

（1）對遼寧阜新和撫順地區(qū)煤礦誘發(fā)地震記錄資料采取多種數(shù)據(jù)處理方式進(jìn)行分析解釋，遼寧礦震的寬頻帶記錄表現(xiàn)為近臺記錄大周期面波發(fā)育，初至波較弱，周期較大，整個波列持續(xù)時間較長。

（2）直接使用礦震原始速度波形自動量取最大振幅計算震級會造成求得的震級值偏大0.2左右，應(yīng)將波形記錄仿真成短周期地震儀后手動量取體波最大振幅、計算的震級值。

（3）遼寧地區(qū)近年來除阜新與撫順外，還發(fā)現(xiàn)在遼寧康平等地區(qū)也偶有礦震出現(xiàn)，以后也將會持續(xù)關(guān)注。

（4）阜新與撫順從波形特點上來看，在震級相同的情況下，其P波周期較為接近，持續(xù)時間也相同，但是雖同為礦區(qū)地震，但由于地質(zhì)結(jié)構(gòu)等因素影響，其波形特征也有略有不同，撫順礦震面波發(fā)育要明顯強于阜新礦震。

（5）在震級相同的情況下，礦震的初動周期和震動持續(xù)時間在大多情況下都大于天然地震。天然地震初動方向呈四象限分布，而礦震初動方向大多為向下。

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