山西及周边地区典型爆破及塌陷震相特征分析★

梁永烨，张 蕙，高伟亮

(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

山西是能源大省，从南到北分布着丰富的矿产资源，矿业活动强烈，因能源开采而引发的爆破、塌陷时有发生，是地质灾害重点防御区。近几年非天然地震造成的灾害时有发生，为了给应急、救援提供及时准确的科学依据，中国地震局对非天然地震报送的时效性提出了更高的要求。因此如何快速的识别震相，准确的判别事件类型至关重要。关于非天然地震的识别，国内外已经开展了较为广泛的研究。董祎玮[1]、霍祝青[2]、黄世源[3]、苏莉华[4]曾分别对曹妃甸、江苏、重庆和河南等地区的天然地震和非天然地震的P波初动震相、周期、波形衰减、振幅比及频谱等方面的波形震相特征进行分析对比，得到当地天然和非天然地震的震相特征。但山西地区非天然地震的特征却一直未进行系统的分析总结。

2009年以来，山西地震台网共记录到ML≥2.5的爆破事件25个，塌陷事件136个，记录到的这些非天然事件波形特征不尽相同，有的事件具有共性，爆破、塌陷特征明显，较易识别；有的事件波形复杂，不具有常见爆破或塌陷特征，不容易区别于天然地震。并且在不同区域爆破塌陷波形形态不一，因此有时难以准确区分。本项目通过对体波、面波波形形态、P波初动方向、AS/AP振幅比和频率谱等震相特征分析对比，找出山西省内及周边各地区较为适用的爆破及塌陷识别判据，以提高本台网地震速报及编目质量，进而为地方政府应对突发事件提供决策支持。

1 资料选取

本项目选取2009年以来山西台网记录到的山西大同(塌陷95个)、代县(爆破3个、塌陷2个)、文水(爆破6个)、左云(爆破1个、塌陷5个)；陕西榆林(塌陷3个)和内蒙古准格尔旗(爆破1个)等非天然地震频发区的ML≥2.5的爆破和塌陷事件波形，对每一地区爆破、塌陷事件的体波、面波波形形态、P波初动方向、AS/AP振幅比等特性指标进行分析对比(见图1)。

2 数字记录特征

2.1 各地区爆破塌陷震相特征

爆破一般在地表进行，介质密度较低，爆破震源体对介质施加膨胀压力，形成压缩波，衰减较快，持续时间短[5]。因此，相对于地震，图2所示的爆破在波形上呈现频谱简单，高频成分少，S波比较弱，短周期面波相对突出等特点。但不同地区的波形又有所不同，图3，图4分别为文水、左云地区的典型爆破波形图，其中左云地区波形周期明显较大，瑞利面波早早出现，而且比较发育。文水地区周期则相对较小，高频成分较多，短周期面波相对比较弱，需要在仿真波形上才能清楚可见。这可能与各地区的地质结构和地质成分不同有关，需要进一步的研究和证明。

塌陷是指地表岩、土体在自然或人为因素作用下向下陷落，并在地面形成塌陷坑(洞)的一种动力地质现象。塌陷是由：塌(临空体)-落(虚空区)-落陷(承载体)三个过程完成的。图5～图8为各地区典型塌陷波形图，从图5～图8中可以看出塌陷就爆破而言整个波段波形简单、规则，含有高频成分少，体波记录头部较小，近距离塌陷初动周期小，尾波周期大。由于塌陷往往不是一次完成，常常反复几次，甚至可能伴有岩体或矿体的滚动等情景，又由于剪切波不发育，在近记录点地震图上就形成了其波列有些像远震的体波段的情形[6-8]。

如图5所示的代县地区典型塌陷波形基本揭示了塌陷的大致过程，开始为破裂阶段，Pg初动并不强，波形最大振幅部分显示的是彻底坍塌过程，之后振幅减小过程显示的是塌陷引起的振动阶段。且代县地区塌陷较爆破波形的周期明显大很多，且具有明显的正频散特征，即大周期在前，小周期在后的特点。如图5，图6所示的大同地区的塌陷波形震动则具有周期的大小趋向一致特点。

图9为陕西榆林的塌陷典型波形，其S波发育明显，且周期同面波没有明显区别，面波无论震中距大小都有出现，且较发育，高频成分稍低，波形看起来比较光滑。而且由于陷落体直接触及地面，所以面波很突出，但是持续时间很短[9]。

2.2 P波初动

由于爆破是膨胀源，爆破的震源体对源外介质施加的是压力，产生的是压缩波，爆破近台通常表现为垂直向波初动向上[10]。从图10中可以看出山西地区的爆破近台大多初动向上且强而尖锐，呈脉冲型，周期较小。由于爆破发生在地表，主要在地表浅层传播[11]，能量损失较大，振动衰减很快，振幅很快就从最大突减到最小。而塌陷的震源为表面源，事件过程通常不是一次性高速破裂过程，因此图11所示初动大多比较平缓。

鉴于较远台站的初动情况提供的参考价值并不高，表1，表2为各地区爆破塌陷地震事件震中距最近的前8个台站记录的初动情况。从表1中可以看出文水地区爆破事件初动最为明显，初动向上台站个数占比高达71%，次之为代县，占比为67%，初动最不清晰的为左云，占比仅为38%。而从表2所示的各地区记录的塌陷事件初动可得出大同和左云地区塌陷初动较为清晰，初动向下台站个数占比分别为65%和56%，相比之下代县、内蒙古准格尔旗和陕西榆林地区初动很模糊，P头向下台站个数占比仅为7%，2%和8%。

表1 各地区爆破事件初动向上台站个数占比 %

表2 各地区塌陷事件初动向下台站个数占比 %

2.3 AS/AP振幅比

理论上来说爆破主要产生P波，但由于爆破方式、传播路径复杂等的影响也可能派生出S波，因此爆破有较强P波群，S波相对较弱[12]。AS/AP振幅比值多少可以反映出事件的性质。本文计算了不同震中距下垂直向Pg和Sg的振幅谱比值Pg/Lg，经过各震中距校正后叠加获得各地平均振幅谱比值。图12，图13分别为各地区爆破和塌陷的AS/AP值曲线，从图12，图13中可看出爆破AS/AP的值随震中距的增加基本呈现上长状态，而塌陷则呈现下降状态，并在一定震中距后基本保持持平。

2.4 幅频特性曲线

不同震源会产生不同频率的波动，能量传递所用的介质对波动具有选频吸收作用，并且观测仪器具有一定频率特性，对地震波形产生一定影响。因此，对地震波进行频谱分析，可充分利用地震波所含信息，深入研究波动现象及其物理内涵[13]。为了防止高频成分被地表过分吸收以及受地震计频带宽度的影响，每个地震均选择最近的宽频带地震计台站，使用地震交互分析软件进行频谱分析，从图14，图15中可见爆破和塌陷的主频都很明显，能量均多集中在低频阶段0 Hz～1.5 Hz、能量衰减较快、频率成分相对简单，且塌陷的高频衰减要比爆破的大一些。

3 结论

本文通过对2009年—2018年山西台网记录到的山西大同、代县、文水、左云、陕西榆林和内蒙古准格尔旗地区ML≥2.5的爆破和塌陷事件进行系统的分析及对比，得出以下结论：

1)文水、左云和代县地区爆破典型波形有所差异原因可能与当地地质成分有关，致使左云地区波形周期较大，面波最为明显，文水地区周期则相对较小，高频成分较多。代县地区塌陷较爆破波形的周期明显大很多，且具有明显的正频散特征。大同地区的塌陷波形震动则具有周期的大小趋向一致特点。陕西榆林的塌陷其S波发育明显，且周期同面波没有明显区别，而且由于陷落体直接触及地面，所以面波很突出，但是持续时间很短。

2)相较代县和左云，文水地区的爆破事件近台大多有清晰的向上初动，而大同和左云地区的塌陷的事件初动向下的台站的占比相对比较高。

3)各地区爆破AS/AP的值随震中距的增加基本呈现上升状态，而塌陷则呈现下降状态，并在一定震中距后基本保持持平。

4)通过幅频分析得出各地区爆破和塌陷的主频都很明显，能量均多集中在低频阶段0 Hz～1.5 Hz、能量衰减较快、频率成分相对简单，但塌陷的高频衰减要比爆破的大一些。

本文对各地区爆破塌陷波形频率成分分析较为简单，之后会进一步进行小波变换工作，以得出更为准确细致的结果。