大冶金山店铁矿区地震监测与成因类型探析*

李 峰 魏贵春 申学林

(湖北省地震局，武汉 430071)

大冶金山店铁矿区地震监测与成因类型探析*

李 峰 魏贵春 申学林

(湖北省地震局，武汉 430071)

收集、整理了大冶金山店铁矿区近几年微震活动的监测记录，并通过震中精定位和地震波形、频谱、震源机制解等综合性研究，认为该矿区的地震活动与矿山开采有密切关系，其成因类型属采矿诱发的地震活动，简称矿震。

地震监测;波形;频谱;震源机制;矿震

1 引言

近几年来，大冶金山店矿区微震活动频繁，且地震年频次呈上升趋势，如2008—2009年为1～2次，2010年则达到21次/年。

金山店铁矿区地形上属长江中游南岸的低山丘陵，地势较平坦。海拔最高的西冶山为245.6 m，大部分地区地势为20～50 m。矿区地表岩性主要是风化较严重的花岗岩，地表没有明显的区域性断层通过。矿区历史及现代地震较少，活动水平不高，迄今尚无大于4.5级中强地震的记载。因此，近年矿区频发的地震活动引起社会极大关注，同时也对矿区正常开采及发展规划产生一定的负面影响。

为了监测大冶金山店矿区地震活动，确定其成因类型，湖北省地震局监测预报中心受武汉地震工程院委托派出专业人员收集矿区及周边地震活动资料，同时在矿区架设流动地震仪开展了现场地震监测。

通过长达近100天的连续地震监测，取得了300多次地震(振)动记录，并且完成了周边地区2008年以来地震资料的收集整理、震中精定位及编目、成图。利用这些资料，我们对矿区及周边地震的波形、震源机制、频谱特征等进行了研究，尝试从测震学角度探讨地震(振)动的成因。

2 现场地震监测

2.1 流动监测台网

为了有效地监测矿区的微震活动，在矿区周边架设了由金山店、太和镇、东方山、伏三村等4个流动观测台组成的临时监测台网(图1，表1)，加上外围区域的武汉、九峰、嘉渔、咸宁、黄梅以及矿区邻近的阳新等固定台，使得矿区地震的监测能力由原来的ML≥1.5提高到ML≥0.5。

此次地震监测设备为FSS-3B型短周期地震计，测量频带为1～40 Hz，EDAS-3M地震记录仪，24位A/D转换器，三通道数据采集，采样率为50 Hz。

4台流动测震仪均为24小时连续监测采集数据，监测数据通过无线网络CDMA实时传送到湖北省测震台网中心，台网中心将流动测震台的波形数据实时接收到服务器中(图2)。

图1 金山店矿区流动台站分布图Fig.1 Distribution of mobile monitoring seismostation in Jinshandian mining area

表1 地震台基础资料Tab.1 Basic parameters of seismostation

图2 数字遥测地震台网中心的基本结构示意图Fig.2 Basic structure of digital telemetry seismostation network center

2.2 地震监测记录

连续100余天的地震监测，获得了地震(振)动记录300余次，其中包括5次ML≥2.0地震事件。经双差法精确定位，结果显示这5次地震震中大都集中在矿区附近(图3)，距离最远仅1.5 km，主要分布在塌陷区的南面，与目前矿区开采方位基本一致。

这次监测记录的矿区地震(振)动波形基本上属非构造地震类型，其特点是波形简单，振幅较宽，衰减较快等［1，2］。从距震源较近的矿区流动台记录上看，这些波形几近相似，但利用外围邻近的固定台(如阳新台)记录即可看出其间的差异，如图4(a)、(b)、(c)所示。

图3 金山店矿区监测的地震(振动)(ML≥2.0)震中分布图Fig.3 Distribution of epicenters of earthquakes above ML 2.2 in Jinshandian mining area

图4 矿区地震(振动)记录的波形图Fig.4 Plots of waveform records of mining earthquake(oscillation)

图4(a)是矿区记录最多的一种波形，其特点是波形简单，初动清晰，高频成分较明显，面波发育，尾波周期较大，与构造地震和其他非构造振动事件波形有明显区别，符合矿震的波形特点［3，4］。

图4(b)可判别为滑坡引起的地震(振)动波形，其初动不清，三分向面波发育，高频成分不多，波形光滑，幅度致峰值后衰减较快，尾波较短，持续时间均约10 s，周期较大，振幅较宽［3，4］。矿区的此类滑塌是由采矿作业引发的，也可以说是一种矿震［2，3，5］。

图4(c)波形简单，初始尖锐，持续时间极短，基本上1～2个周期后即迅速衰减。而且此类波形出现的时间固定，基本上每日15时左右都能记录到，为典型的爆破波形。

值得提及的是：上述3种波形常有相互兼容、重迭现象，即记录上常常同时出现几种波形特征，如矿震和滑塌。这可能是因为矿震导致岩层滑塌，而滑塌也可能引发轻微地振动。因此，我们对矿区地震(振)动类型的区分需要结合多种判据。

3 矿山周边地区地震活动性

在开展矿区现场地震监测的同时，我们扩展了地震活动的时、空范围，即对矿区及周边约10 km2的区域(114.78～114.81°E，30.13～30.17°N)内2008年以来ML≥1.5地震资料进行了收集整理和精确定位(表2、图5～9)。

现有资料表明：矿区及周边近3年来共发生ML≥1.5以上地震25次，其中ML≥2.0以上地震19次，最大地震为2010年12月21日大冶ML2.4地震(表2)。如图5所示，这些小震均分布在大冶市辖范围内，且主要集中分布在矿区附近。

从矿区地震活动的M-T图(图6)可以看出，地震活动的强度有所增加。2008年1月—2010年9月湖北省数字测震台网记录到的12次ML2.0以上地震均发生在2010年。

表2 矿区及周边地震统计(2008-01—2010-12)Tab.2 Statistics of earthquake’in mining area and neighboring region(2008-01—2010-12)

从矿区地震的N-T图(图7)可以看出，2008年1月—2010年9月，矿区地震活动在时间分布上是不均匀的，如2008年的地震1次，2009年地震2次，2010年则共发生地震20余次，而且地震的时间间隔越来越短，年频次和月频次明显增加(图8)。

图5 金山店矿区周边震中分布图(2008—2010)Fig.5 Distribution of epicenter of the earthquakes around Jinshandian mining area(2008—2010)

图6 金山店矿区地震M-T图Fig.6 Plot of M-T of the earthquake in Jinshandian mining area

图7 金山店矿区地震N-T图Fig.7 Plot of N-T of the earthquakes in Jinshandian mining area

图8 金山店矿区发震时间间隔图Fig.8 Time intervals of the earthquakes in Jinshandian mining area

区域内震源深度分布在0～8 km范围内，平均深度为4 km，明显属于浅源地震，且震源深度有向上逐渐变浅的趋势(图9)。

综上所述，大冶金山店矿区及周边处于少震区的地震背景中，近三年来区内地震活动是以浅源(0～8 km)微震(ML≤2.4)为特征的，其震中分布多集中在矿区附近(图5)。

图9 金山店矿区震源深度分布图Fig.9 Depth distribution of the earthquakes in Jinshandian mining area

4 地震波频谱特征

地震波是弹性波，采用波谱分析方法研究地震波序列的频谱特征，从中寻找能反映地震类型特征的参数指标，为识别和区分地震成因类型提供了依据和途径。

在判识地震成因类型过程中，要注意不同类型地震频谱参数值差异，其中理论拐角频率和理论高频衰减系数是依据ω-2模型理论震源谱计算的，因为曲线拟合存在较大误差，使用中以实际拐角频率和实际高频衰减系数为准。通常用以判别地震类型的频谱参数指标可大致归纳如下［5-7］：

1)天然构造地震的优势频率大多数大于2.0 Hz，范围集中在2.0～12 Hz之间;峰值频率主要集中在0.5～3.0 Hz之间;拐角频率比较集中;高频衰减系数范围较广，从-1.0～-6.0均有分布，大多数在-1.5～-4.0之间。总体上，近距离浅源天然构造地震频域范围宽，高频成分相对发育，拐角频率特征明显，峰值频率和高频衰减范围宽，并且水平向和垂直向的差异不同;

2)矿震或塌陷地震的优势频率和峰值频率范围在0.8～2.0 Hz之间，频域范围很小，频率成分单一;拐角频率在2.0～3.0之间;高频衰减系数在-2.0～-4.0之间，拐角频率和高频衰减系数比较集中;

3)爆破结果显示，优势频率从0.3～8.0 Hz均有分布，没有明显集中段，峰值频率在0.8～2.0 Hz之间占大多数。拐角频率多数大于4.0 Hz，高频衰减系数均大于-3.0。

从拐角频率和优势频率可以明显区分构造地震与塌陷，爆破的拐角频率也明显大于矿塌，但构造地震与爆破、矿塌之间不能明显区分。峰值频率对4种类型地震的分辨均不明显。利用最大振幅比可以明显把爆破和矿塌区分开。从水平与垂直向最大振幅比差可以看出爆破和矿塌均比构造地震小，由此可以把三者区分出来。

表3列出了2008年以来金山店矿区周边地震频谱分析结果。

从以上分析可以看出，不同类型震(振)动优势频率、峰值频率、理论拐角频率、高频衰减系数和最大振幅比值差异明显。依据表3分析结果，从峰值频率可以基本判定该矿区地振动不属于构造地震成因类型。但其优势频率均在0.3 Hz左右，但依据频谱特征尚难以准确判断振动事件的成因类型。

5 震源机制解

为进一步论证金山店矿区地震(振动)成因类型，从震源机制解角度进行了进一步的探讨。

根据金山店矿区及周边2010年10—12月流动观测取得的5个地震的垂直向振幅比，求得以下震源机制解如图10及表4所示。

从图10和表4可以看出，2010年10月以来，矿区及周边记录到的5次地震的震源机制解以走滑为主，同时还有正走滑-倾滑和逆走滑-倾滑等多种错动方式，其矛盾符号比最大为0.17，最小为0.01;断层节面走向和倾角无明显优势方向和角度，反映出破裂面比较复杂，而且震源机制解给出的主压应力方向不甚明确，显示矿区缺乏统一的构造应力场和较大活动断裂的作用，表明金山店矿区上述地震不太可能是构造成因的。

图10 金山店矿区地震震源机制解Fig.10 Focal mechanism solution in the Jinshandian mining area

表3 矿区及周边地震频谱分析结果Tab.3 Results of earthquake spectral analysis in mining area and its neighboring region

表4 矿区震源机制解Tab.4 Focal mechanism solution in mining area

6 结语

1)金山店近3个月的现场地震监测的记录和周边地区2008年以来的地震活动资料，均表明矿区主要以浅源微震活动为特征，地震活动水平较低，符合当地的少震区域背景和相对稳定的地质构造环境。

2)金山店矿区地震(振)活动波形大都表现为震相简单、初动不清、高频成分少、周期较大、尾波幅度较小、衰减快等非构造地震特点，其频谱和震源机制解也显示振动的非构造性质，并且可大致区分出矿震、滑塌、爆破等振动类型，其成因与矿山开采作业有关，属采矿诱发的地震活动，即矿震。

3)3个多月来仪器记录到的地振动震中均集中在矿区塌陷区南端，据了解，目前采矿区正在向南延伸，而震中也有向南迁移的趋势。地振动与采矿在空间上有明显依附关系;同时从时间上看，2009—2010年矿区振动频次有明显增加趋势，且在较大矿震发生前，会有一段时间小矿震频发。鉴于此，矿区可依据矿震这些时空规律及发展动向合理部署开采。

1 李峰，等.九江-瑞昌地震序列现场观测与研究［J］.华南地震，2006，26(2)：20-27.

2 李峰，等.三峡库区马鬃山地振动观测与地震成因讨论［J］.大地测量与地球动力学，2004，(2)：78-82.

3 邹德蕴，等.采空区上覆岩层垮落诱发矿震机理及预测方法［J］.煤炭科学技术，2010(8)：35-38，43.

4 陈继锋.甘肃华亭地区矿震记录特征分析［J］.西北地震学报，2010，32(1)：92-94.

5 童迎世 李春鹏 童敏.湖南典型矿震震例分析与研究［J］.华南地震，2009，29(3)：56-63.

6 陆菜平，等.顶板岩层破断诱发矿震的频谱特征［J］.岩石力学与工程学报，2010，29(5)：1 017-1 022.

7 张丽芬，等.三峡重点监视区构造地震与矿震时频谱特征分析［J］.地震地质，2009，31(4)：699-706.

STUDY ON EARTHQUAKE MONITORING AND SEISMOGENESIS TYPES IN IRON-MINING AREA IN JINSHANDIAN DISTRICT OF DAYE COUNTY

Li Feng，Wei Guichun and Shen Xuelin
(Earthquake Administration of Hubei Province，Wuhan 430071)

On the basis of collection of field earthquake records in mining area and the neighboring regions，we carried out a series of comprehensive researches such as the accurate location of the epicenter，spectral analysis and focal mechanism solution.We concludes that there is a close correlation between earthquake in mining area and mining activities，and seismogenic pattern belongs to mining-induced earthquakes，or we can simply call them mine earthquakes.

earthquake monitoring;waveform;frequency spectrum;focal mechanism;mine earthquake

1671-5942(2011)Supp.-0013-06

2011-04-25

李峰，男，1971年生，高级工程师，主要从事地震监测和分析预报工作.Email：lpyp119@163.com

P315.72+8

A