甘肃省非天然地震分布特征研究＊

陈晓龙，陈继锋，王祖东，蒲 举，王维欢

（1.甘肃省地震局，甘肃 兰州 730000；2.中国地震局兰州岩土地震研究所，甘肃 兰州 730000）

非天然地震的速报、编目是测震台网工作的重点与难点，但在实际工作过程中对震动类型的甄别往往会耗费大量时间，在严重影响速报时效性的同时也难以保证准确性。甘肃省历来非天然地震多发，研究显示省内华亭煤矿、金川镍矿、镜铁山铁矿等地区的非天然地震活动非常活跃[1]，但尚需对全省范围内各非天然地震多发地的发震规律、发震范围和震动波形特征等进行归纳总结，形成非天然地震图鉴作为必要的工作参考资料。甘肃台网自“十五”中国地震观测网络项目升级改造以来，积累了海量的宽频带地震观测数据。这些地震很好地记录了体波群中许多地表反射波、反射转换波、核面反射转换波等，丰富的震相记录资料为区域内非天然地震事件基础理论提供了研究基础与保障[2]。本研究立足于甘肃省测震台网近十年的大量非天然地震资料，采用波形特征提取、波形频谱分析等方法总结出责任区内非天然地震图谱，为区域测震台网工作人员在速报、编目过程中快速、准确识别地震类型提供必要的参考，同时在地震灾害防治与风险评估等方面具有重要的科学意义。

本研究讨论的非天然地震类别包括爆破、塌陷、矿震等。爆破地震是指爆破能量通过地壳介质释放，使爆炸源周围介质破碎，同时由于爆破应力作用又使远处介质产生剪应力和拉应力，使能量以波的形式传播到地面，引起地面质点的振动而形成的地震；塌陷地震可由矿井塌陷、大型溶洞顶塌落和悬崖陡坡崩落等因素导致，当其发生在矿井等生产一线时，常造成较大的人员伤亡与财产损失；矿震是指矿井高应力区内岩体、煤体及断层在受外界扰动瞬间失稳破坏时，释放出巨大能量而引起的以猛烈震动和爆发式破坏为特征的矿山动力现象，也称为冲击地压，主要由矿山开采诱发矿山内构造活动而引发[3-4]。对核试验等其他因素引发的震动事件，在此不作讨论。

1 资料选取

本研究选用2010年1月—2020年10月测震台网记录的甘肃省行政区划内ML≥2.0的非天然地震事件387例，其中2.0≤ML＜3.0地震367例、3.0≤ML＜4.0地震18例、4.0≤ML＜5.0地震2例。以甘肃省测震台网观测报告为依据，增加了青海台网、内蒙古台网、宁夏台网和陕西台网的共享台站原始记录数据，认真仔细地进行了分析处理。地震定位使用Hyposat方法对所有震例进行了重新校正，并复核了每次事件的类型。在测定震源参数时采用甘肃区域双层地壳模型[5]。

为突出震源信息，最大限度减少介质传播的影响，选取了非天然地震多发地震中距小于120 km范围内的宽频带数字地震台资料。涉及地震计类型有BBVS-60、CTS-1和CMG-3ESPC；数采为EDAS-24IP、EDAS-GN；采样频率为100 Hz，在40 Hz-60 s或120 s范围内速度输出有平坦响应[2]。

2 分析方法

对不同类型地震事件波形的甄别需要研究地震波的波形振幅、频率、相位特性、偏振状态及衰减规律等传播特点。同时也需要更多地利用地震波传播时间和空间距离之间的关系，确定地下地质构造等信息，即地震波的动力学和运动学特征[6]。本研究从甘肃省非天然地震活动的空间分布、波形特征和频谱特征三个方面进行分析讨论。

天然地震一般为构造地震，发震机理是由于引力强度超过弹性限度而产生的岩层破裂、错动。一般岩石破裂过程为十几到几十秒，发震断层通常较深，而且即使是较小的地震发震断层也常常大于数十公里，所以地震波成分复杂、衰减慢、波及面积大，记录到震动的台站也相对较多。震中与台站距离较近时，一般只有Pg和Sg两个清晰的直达波，其波形特征应具有形态典型且界限清晰的Pg波和Sg波，同时波形应有周期小，持续时间短等特征，且天然地震的Pg波呈四象限分布，即震源发生的振动使一定方位的介质受压，形成压缩波，Pg波初动向上；另一方位的介质受拉伸，形成膨胀波，Pg波初动向下[7]。

塌陷、爆破、矿震等非天然地震波形特征多表现为Pg波振幅较大且Sg波界限不清，当震中位置距离台站较近时均表现为面波发育。爆破事件于瞬间发生，震源浅，传播路径多为松散地层，结构路径介质差异较大，在地层对波的低通滤波作用下，波的高频成分被吸收较多，所以与天然地震波形相比P波的周期比较大，衰减快[8]，膨胀波使得一定方向上的介质受挤压，垂直向Pg波初动向上；塌陷事件多发生于矿区或大的工程建设区域，发震地点集中在开采面附近或发生在断裂面和断层面处，该类型地震成因和波形特征都比较复杂，不同地点、深度发生的塌陷地震都存在特性。由于震源较浅，所以地震波的传播过程与爆破类似，表现为高频成分较少，体波周期比天然地震大，全波段波形较为简单，近台衰减极快，远台面波清晰，尾波长衰减慢[9－10]，收缩波作用下垂直向Pg波初动向下。当塌陷、爆破等非天然震动事件震源大于100 km时，台站记录的波形与天然地震波形相似，分辨时需要依靠临近台站的波形记录。

傅立叶变换的原理是把原始时间记录域变换成频率域[11]，即将原始的随机波分解成多个不同周期波的叠加，描述这些地震波分量的频率与振幅的关系的直方图称为“谱”，对这种谱的纵坐标乘以T/2秒，得到以时间为横轴、幅值为纵轴的傅立叶振幅谱，以便于直观地展现地震波的频谱特性。本研究以LED台为例，将时间域记录进行傅立叶变换，其公式可表述为：

式中：F（ω）为（ft）的像函数，（ft）为F（ω）的像原函数（据巴特，1978）。

研究显示天然地震的频谱与非天然地震的频谱存在显著差异[11-12]。因此，对地震波进行频谱分析能更加充分提取地震波所含信息，更深入地研究波动现象及其物理内涵[13]。傅立叶变换法在提取地震波中的频谱信息方面被广泛应用，具有可靠、便捷等诸多优势[14]。非天然地震震源深度较浅、破裂面较小、震动传播多在地表松散沉积物，所以傅立叶频谱呈现能量分布较为集中、低频成分较多、振动频率分布分散的特征（图1a）。而天然地震因其震源深度较深、破裂面广和主要依靠刚性地层传播等特性，傅立叶频谱表现为高频成分较多、衰减慢、地震波震动有明显的优势频率分布（图1b）。

图1 兰州市红古区非天然地震（a）与天然地震事件（b）的归一化震幅谱

3 甘肃省非天然地震图鉴

3.1 甘肃省非天然地震分布

本研究搜集并重新校正了2010年1月—2020年10月测震台网记录的甘肃省行政区划内ML≥2.0的非天然地震事件共计387例，使用Jopens软件，定位方法采用Hyposat对全部震例进行了主要地震参数重新校正。在甘肃省行政区划内总结出白银市白银区、金昌市金川区、兰州市红古区、平凉市华亭市、张掖市肃南县、兰州市永登县6个非天然地震多发区域（图2）。

图2 近10年甘肃省非天然地震分布及波形特征图

值得注意的是，依照目前的测震台网的编目工作规定，ML≤2.5的非天然地震一般不予统一编目，所以虽然本研究已尽可能多地搜集震例，但近10年内甘肃省行政区划范围内发生的非天然地震数量应远大于所搜集到的样本数。

3.2 甘肃省非天然地震讨论

在白银市白银区、金昌市金川区、兰州市红古区、平凉市华亭市、张掖市肃南县、兰州市永登县6个非天然地震多发区域各选取1例具有代表性的震例进行对比分析（表1），为使其具有可对比性，台站震中距和震级做到了尽可能接近。

表1 甘肃省主要非天然地震发震区域典型震例表选取表

研究显示，因矿产资源开采深度、地层介质等影响因素的不同，各区域的非天然地震波形、傅立叶频谱呈现不同特征，因此本研究分为两类进行讨论：第一类是以铜镍矿床深部开采为主的金川区矿区和白银区矿区非天然地震；第二类为地表开采为主的其他矿区。

3.2.1 白银区、金川区非天然地震

白银铜矿厂和金川超大型铜镍矿均为国内外知名的铜矿、铜镍矿基地，白银铜矿在20世纪90年代露天矿坑枯竭并终止开采之后转入地下深部开采[15]，金川铜镍矿成矿特征也决定了矿藏的赋存和开采均在较深的地层中进行[16-18]。较深的开采深度和矿体赋存的刚性岩层决定了上述区域生产活动引发的非天然地震波形和频谱特性同时具有构造地震和非天然地震的部分特征。同时，地幔热流的上涌过程往往导致地震的发生[19]，铜镍矿床的特殊构造特征决定了本区域地震活动的突出特征是：大量不同深度的天然地震与非天然地震事件在同一地点混杂发生。

本类型非天然地震的波形特征表现为往往存在一个振幅大而形态尖锐的Pg波，而Pg波和Sg波并不存在清晰的界限，Sg波后几乎不见短周期面波，且波形持续时间较短（图2b、d）。近台BYT、HXP宽频带地震计记录的波形傅立叶频谱显示其高频成分相对较多，高频成分在0～12 Hz均有分布（图3a、b），波形特征、频谱特性与震源深度和地层传播介质相符，频谱特征具有部分天然地震特征。由于开采活动引发的非天然地震一般小于ML3.0，所以近台BYT（震中距=4 km）、HXP（震中距=14 km）波形清晰呈现上述特征，而距震中较远的台站如LZH（震中距=65 km）、HYS（震中距=6 5km）等除Pg较大外无明显非天然地震特征，震中距大于100 km的台站记录波形特征则与构造地震极为相似，对地震类型的判定需要依靠近台判断。

图3 甘肃省主要非天然地震区域典型震例傅立叶图谱

3.2.2 红古区、华亭市、肃南县、永登县非天然地震

本类型非天然地震的四个主要发震区域主要以煤矿、铁矿石及小型的石膏矿等矿产资源的地表、矿坑及近地表巷道开采为主[20-22]。各主要发震地点虽然地层介质各有不同，但由于发震深度为零或接近于零，地震波的传播介质主要是地表松散沉积物，导致该类型非天然地震在波形特征、频谱特征等方面与前文刚性地层深部开采的一类非天然地震存在显著区别。

本类型非天然地震近台三分向宽频带地震数字波形记录出现了Pg波和Sg波界限不清、Pg波振幅较大、垂直向Pg波向下、全波段波形较为简单、高频成分缺失、周期较大和Sg波后大周期面波发育等特点（图2a、c、e、f），华亭煤矿非天然地震Sg波后短周期面波明显大于其他地区，经分析可能与该区域存在大面积煤矿分布有关。

近台宽频带地震计记录到的波形傅立叶频谱显示：本类型非天然地震低频成分较多，且振动频率分布分散，少数高频成分主要分布在0～4 Hz，能量分布十分集中，之后能量快速衰减，在8 Hz以后能量逐渐接近于0（图3c、d、e、f）。较远台站YDT（震中距=51 km）、GLT（震中距=7 1km）等震中距大于50 km时除短周期面波外与构造地震较为相似，震中距大于100km的台站则无法与构造地震区分。华亭市非天然地震存在一定的特殊性，如本研究选用ML2.5非天然地震距震中超过100 km的HXT、TSS等台站记录的波形依然可见短周期面波发育。

4 结论与总结

甘肃省2010年1月—2020年10月发生的非天然地震共计387次，主要集中发生在白银市白银区、金昌市金川区、兰州市红古区、平凉市华亭市、张掖市肃南县、兰州市永登县六地，除平凉华亭外，通过波形特征和频谱特征分析辨别时需依靠首台或震中距小于50 km的台站记录，较远台站大多与构造地震相似，无法有效与构造地震区分。

不同发震地点的非天然地震因为其震动类型、震源深度和地层结构的不同，波形和傅立叶频谱存在明显差异。总体而言，震源深度、地层介质和震动类别决定了非天然地震的波形特征和频谱特性。金昌市金川区、白银市白银区两地因为矿产开采以铜镍硫化物矿床、铜矿深部矿井巷道开采为主，震源深度较深、传播介质多为刚性岩层，波形特征表现为较大而尖锐的Pg波、Sg波不发育，同时频谱特征也呈现高频成分多、能量衰减较慢等明显特征。平凉市华亭市、兰州市永登县、兰州市红古区和张掖市肃南县四地多以煤矿、铁矿石开采等地表爆破活动为主，引发的非天然地震震源深度较浅、地震波传播介质较松散，反映在相应的波形特征上表现为Pg波波动幅度较小，周期较小、Sg波波动幅度较大，且一般在Sg震相后紧随有波动幅度远大于体波波形振幅的短周期面波。同时其频谱呈现高频成分少、能量快速衰减等典型特征。