广西南丹大厂矿区震源参数研究

张 华，黄树生，陆丽娟，黄惠宁，张 帆

(广西壮族自治区地震局，南宁 530022)

广西南丹大厂矿区震源参数研究

张 华，黄树生，陆丽娟，黄惠宁，张 帆

(广西壮族自治区地震局，南宁 530022)

利用广西南丹县大厂矿区地震监测台网记录的地震波资料，采用Brune(1970)模型，将速度记录谱归算为震源位移谱，使用遗传算法计算拐角频率及零频极限，然后计算地震矩、应力降等小震震源参数，并系统分析各种参数之间的关系。大厂矿区38次较大地震的震源参数计算结果为：地震矩范围在2.18×1011～7.89×1012N·m之间；震源破裂半径78～439 m; 地震应力降在0.01～1.79 MPa之间。表明：地震矩与震级、震源半径、拐角频率之间呈线性关系，而应力降不依赖于地震矩，分布较为离散。大厂矿区应力降值明显偏低，这可能与该区域背景应力低有关。

震源参数；定标关系；大厂矿区

0 引言

通常认为在地震孕育过程中，地壳介质处于高应力状态，其辐射的地震波频谱特征、衰减特性等和低应力状态是不同的。因此，对某一地区的地震进行波谱分析，就可以得到表征震源破裂特征的震源参数(包括震源尺度、破裂方向和应力降等)，并由此推断震源区的构造应力环境，能够使人们在一定程度上了解震源区的应力状态[1]。大量频繁发生的中小地震震源参数和介质参数携带了震源深度处应力场和介质性质变化的信息，通过监测这些参数的时空演化过程，可以对孕震区应力场或介质性质变化过程进行研究[2]。目前已有很多作者对构造地震、水库地震及火山地震的震源参数进行了研究，但对矿区地震震源参数的研究并不多见。

震源参数的计算一般在频率域进行，在对台站记录的地震波资料进行场地响应、仪器响应、几何扩散、路径衰减、震源辐射方向性因子校正之后[3-5]，通过遗传算法[6-8]可以获得低频波谱振幅极限、拐角频率等参数，进而根据一定的理论公式可计算应力降、震源半径、地震矩等[9]。

广西南丹县大厂锡多金属矿田是世界闻名的超大型矿床，是我国锡多金属矿业的重要基地，矿产资源非常丰富。作为有上千年开采历史的有色金属矿区，大厂矿区地下开采坑道纵横交错，已形成约83 km2范围内的地下作业采空区，从而导致地震活动日趋频繁。特别是2007年以来，矿区连续发生多次有明显震感的地震活动，对当地群众生产生活秩序和矿山安全生产造成了较大的影响[10]。深入了解大厂矿区的震源破裂特征，对矿山安全生产和社会秩序稳定具有重要的现实意义。本文利用广西大厂地震台网记录的数字地震资料对该矿区矿震的震源参数进行了计算研究。

1 计算方法

地面运动的位移谱可以表示为：

Aij(f)=Ai0(f)·G(Rij)·Sj(g)·e-k(f)Rij

(1)

式中：Aij(f)为第i个地震在第j个台站的观测谱；Ai0(f)为第i个地震的震源谱；Rij为第i个地震到第j个台站的震源距；G(Rij)为几何扩散函数；Sj(f)为第j个台站的场地响应；k(f)为非弹性衰减系数。对于某次地震的某个台站记录，从振幅谱中扣除仪器响应、噪声影响、传播路径影响、场地响应，就可以得到该台站记录的震源位移谱A0j(f)。这样，对于某次地震的每个台站记录都求出震源位移谱A0j(f)，再通过式(2)求平均震源谱来作为该地震的观测震源谱

(2)

根据Brune模型，理论震源位移谱可以表示为：

|Oth(f)|=Ω0·[1+(f/f0)2]-1

(3)

式中：Oth(f)表示理论震源谱，Ω0表示震源谱低频极限值，f0表示拐角频率。Ω0和f0为地震位移谱的2个独立参数。通过观测数据计算模型参数有多种方法，本研究采用的是遗传算法，以零频极限和拐角频率为独立变量，确定下式为目标函数[8]。根据仪器性能及采样率，限定在1～18 Hz之间搜索频率，使目标函数最小，进而获得Ω0和f0。

(4)

式中：p为频率点数，ε表示目标函数值，Oob为同一地震的波谱转化为震源位移谱后的多台平均值，Oth为根据ω平方模型计算的震源谱，k为频率点序号。

并由下式获得地震矩M0，

M0=b·Ω0

(5)

b=4πβ3ρ·[Rs(φ,θ)·Re]-1

(6)

式中：Rs(φ,θ)为辐射方向性因子，Re为自由表面反射系数，ρ表示地壳介质密度，β表示S波速度，应力降Δσ、震源半径r0分别使用(7)、(8)式计算：

(7)

(8)

2 大厂矿区地质构造与地震活动

大厂矿区位于江南古陆西南缘的NW 向(南)丹-(河)池坳褶带中段。从晚古生代至今，矿区附近地区经历过不同的地质发展时期和多期构造运动，地质构造较为复杂。矿区内出露地层主要为一套泥盆系-二叠系的碎屑岩-碳酸盐岩-硅质岩组合，泥盆系为主要赋矿层位[11]。自中生代以来，区内构造经历了印支期强烈挤压及其后的伸展剪切作用，前者表现为紧闭的线形褶皱及逆冲断层，后者表现为层内伸展剪切、拉断的石香肠构造及张扭性断层，成岩、成矿作用明显受后期构造所控制。区域性断裂——丹池断裂自北而南穿过近场区，将区内断裂系统分成两大断裂构造域，东部断裂构造主要以北东向为主，西部断裂构造主要以NW、NNW向为主，西部的大厂断裂正是矿田内的主干构造，长度约10 km，走向为NW320°，倾向NE，倾角28°～72°，产状上陡下缓，具有“犁式”逆冲断裂特征[12]。

为更好地监测矿区地震活动，自2009年8月以来相继在大厂矿区建设了8个遥测台站，台站间距3 km左右，可监测震级下限低至ML-0.5级。该台网的建立为矿震研究提供了丰富的数据，自2009年8月至2013年底，该台网共记录到ML0.0级以上地震415次，其中ML0.0～0.9级316次，ML1.0～1.9级95次，ML2.0～2.9级4次，最大地震为2010年4月20日6时34分大厂镇山草沟(24.83°N，107.60°E)ML2.7级地震。

在计算震源参数前，首先采用遗传算法对矿区地震进行重新定位。为了验证遗传算法在大厂矿区的定位效果，我们收集到5次典型的人工爆破资料，并将遗传算法定位结果与实际爆破位置进行了对比(表1)。从表1给出的大厂台网对5次网内爆破定位结果对比可知，用遗传算法对该区域爆破的定位精度最小水平误差为78 m，最大不超过280 m，平均定位水平误差在146 m范围内，优于台网地震定位精度(500 m)的标准。定位深度方面，台网报告(hypo81定位)深度大部分在5 km以上，最大深度达到11.2 km；通过遗传算法得到的最终定位结果是震源深度为1.5～6.5 km，平均深度为2.8 km。图1为基于遗传算法重新定位后的结果[13]。

表1 爆破实际位置与遗传算法定位结果对比表

图1 重新定位后的震中分布图

3 资料处理

3.1 资料选取

地震资料选取广西大厂矿区地震监测台网的波形数据，大厂矿区位于107°30′～107°40′E， 24°49′～24°54′N范围之间，地面面积约83 km2。大厂台网包括8个遥测子台，全部采用数字无线遥测方式进行组网(图2)。台网采用FSS-3M地震计，采用大动态24位数据采集器，动态范围不低于110 dB，采样频率为每秒100点，这些地震仪在1～40 Hz之间具有速度平坦的响应。在重新定位的基础上，选取大厂矿区2009年1月至2013年12月发生的1.0级以上地震，然后按照每个地震至少被3个台站记录到，每个台站至少记录到3个地震的原则，通过信噪比计算共挑选出8个台站，38次地震用于震源波谱参数的计算。

图2 大厂矿区地震台站分布图

3.2 地震波谱计算

取水平向S波记录数据计算付氏谱，要求所取波段包含90%以上S波能量[14-15]，同时具有较高的信噪比。为了保证地震波谱数据的稳定性，在计算付氏谱时采用了Chael(1987)提出的延时窗技术[16]。该技术先把S波段分割为256点的小数据段，计算付氏谱，之后以128点数据段前移，前次计算数据段的一半被重叠，进行第2次计算，依次类推，这样就获得了整个数据段分割、重叠的n段谱数据，用下式把n小段数据归算为全部S波段波谱数据

(9)

式中：O(f)为观测位移谱，n为数据段总数，T为整段S波窗长，t为数据分段窗长，f代表频率。使用(9)式分别计算东西、南北分量震源谱，并根据(10)式合成最终的震源观测谱[4]：

Oob(f)=[(Oew(f))2+(Ons(f))]1/2

(10)

式中：Oob(f)为观测谱，Oew(f)、Ons(f)为东西向、南北向观测谱。在计算S波位移谱的同时计算噪声谱，噪声太大的地震波记录不参与计算。对同一地震使用多台记录的振幅谱均值作为有效振幅谱(图3)。

a 拉甲台记录波形经校正后的观测谱与噪声谱对比图 b 谱数据拟合图 注：a图，蓝色曲线表示南北向和东西向谱结果，红色曲线表示平均结果，黑色曲线表示噪声谱结果； b图，蓝色曲线表示各台观测谱数据结果，绿色曲线表示多台平均结果，红色曲线表示数据拟合结果。

4 计算结果

根据Brune模型理论及公式，计算得到了大厂矿区38次较大地震的震源波谱参数。通过对大厂矿区矿震的计算得到，其地震矩M0在2.18×1011～7.89×1012N·m之间；地震的拐角频率在3～17 Hz 之间，主要集中在5～15 Hz之间；震源破裂半径范围78～439 m; 地震应力降在0.01～1.79 MPa 之间。在地震矩与震级、震源半径及拐角频率的定标关系方面，本文的研究结果同国内外研究结果基本一致[17-20](表2)。

4.1 地震矩与近震震级、震源半径的关系

标量地震矩M0计算结果介于2.18×1011～7.89×1012N·m 之间。在单对数坐标下，地震矩M0与震级ML之间呈现较好的相关性，随着震级的增大，地震矩也相应地增大。从图4中看出，在所研究的震级范围内，地震矩与震级有很好的线性关系。地震矩与震级之间的线性关系式能反映不同地区的地下介质状态和地震活动特点。用最小二乘法拟合出地震矩M0与震级ML之间关系式为：

LgM0=1.48ML+9.08

(11)

计算得出，38 次ML1.0级以上地震的破裂半径在78～439 m之间，地震矩与震源半径之间呈线性关系，并给出了用最小二乘法拟合得到的地震矩与震源半径之间的关系式为：

LgM0=0.003R+11.63

(12)

4.2 地震矩与应力降、拐角频率的关系

38 次ML1.0级以上地震的应力降计算结果介于 0.01～1.79 MPa之间，研究区应力降值整体偏低，这种现象可能与地下介质相对破碎、非均匀性特征突出、震源机制复杂及该区域背景应力低有关。图5给出了应力降Δσ与地震矩M0之间的关系，可以看出应力降不依赖于地震矩，分布较为离散。

从地震矩和拐角频率的关系来看，二者明显有依赖关系，地震矩越大，拐角频率越小，这与以往的研究结果一致。根据 Brune( 1970) 模型，用最小二乘法拟合出 38次ML1.0级以上地震拐角频率和地震矩M0之间的关系式为

Lgf0=-0.338 LgM0+5.07

(13)

表2 相关参数拟合数据结果比较

图4 大厂矿区地震矩与近震震级、震源半径的关系

图5 地震矩与应力降、拐角频率的关系

5 结论与讨论

本文用广西大厂矿区地震台网观测的数字波形资料，估算了该区域的震源参数，得到了一些有意义的结果：地震矩与震级、震源半径之间呈线性关系；地震矩和拐角频率有明显的依赖关系，地震矩越大，拐角频率越小，这与以往的研究结果一致；应力降不依赖于地震矩，分布较为离散。

大厂矿区地震的拐角频率在3～17 Hz之间，主要集中在5～15 Hz。而张永久等[9]给出紫坪铺水库的拐角频率在2～13 Hz之间，刘学军等[21]给出腾冲火山拐角频率在4.37～11.87 Hz之间，姚安构造地震的拐角频率在3.10～11.40 Hz之间。相对一些地区，大厂矿区的拐角频率相对较高，这可能与大厂矿区地震多为浅源地震，观测台网密集，记录到的地震高频成份较多有关。

震源参数研究中，大多数研究结果中提到了拐角频率与地震大小的负相关关系[22-24]，即地震震级越大，地震矩越大，拐角频率越小。大厂矿区地震矩和拐角频率存在明显负相关关系，这与以往的研究结果一致。但亦有研究表明，这种负相关关系在紫坪铺水库地区不成立[9]。姚立珣等[25]认为：水库诱发地震震源区的介质条件变化与一般构造地震不同，与水的作用有密切关系。岩体的扩容、饱和以及浸水弱化对地震波传播速度、破裂速度及破裂尺度有较大影响，而这些也是决定拐角频率等震源参数的主要因素之一。受观测资料样本限制，本文未对大厂矿区地震拐角频率的变化特征及原因进行深入分析。

应力降表征地震瞬间断层错动时位错面上的应力变化，通过分析研究地震的应力降可以认识地震发生地区的构造背景应力。国内外一些学者对不同类型的地震应力降进行了研究，如华卫等[26]从水库诱发地震与构造地震应力降比较结果发现，在两者可比较震级范围内(ML2.0～4.0)，虽然应力降有一定的波动范围，但三个水库地区(龙滩、三峡、新丰江)中相同震级的水库地震，其应力降值整体上比构造地震明显偏低，大约小10倍。而且，震级越小这种差异似乎越大。一些学者对火山地区的应力降进行了研究，发现几乎所有活火山的火山地震的地震应力降都比较低(如日本大岛火山、意大利埃特纳火山、美国圣安德烈斯火山和夏威夷火山及“九五”腾冲火山监测研究等)，火山地震低应力降现象的物理解释是因为其震源机制的力学特性与构造的不同，由于火山地震主要是火山岩浆活动引起的，而熔融或半熔融状态的高温物质是难以积累较高的破裂应力的[27]。本文研究中大厂矿区矿震应力降值整体明显偏低，其原因为何？一些研究认为，构造地震平均来说似乎比水压破裂和矿震等诱发地震有较高的应力降(大约为10倍)。这是因为非自然的环境局部地影响原来位置处的应力水平，从而导致流体(或采矿)诱发的地震可能发生在比自然地震更低的构造应力地区[28-29]。结合地质环境及地震活动水平分析认为，大厂矿区应力降值整体偏低的现象可能与地下介质相对破碎、非均匀性特征突出、震源机制复杂及该区域背景应力低有关。

大厂矿区具有密集的台网，对震级较小地震的记录有很高的信噪比，对于更接近点源地震模型假设的小地震，能得出更为真实可信的地震震源参数，是矿震研究的天然试验场，可进一步研究震源参数的时空演化过程，结合震源机制，反演其区域应力场，探讨应力场变化与较大矿震的关系，以期对矿震发震成因研究进行深入探索。

致谢：感谢浙江省地震局朱新运博士提供计算程序。

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Study on Source Parameters of Earthquakes in Dachang Mining Area

ZHANG Hua, HUANG Shu-sheng, LU Li-juan, HUANG Hui-ning, ZHANG fan

(Earthquake Administration of Guangxi Autonomous Region, Nanning 530022, China)

Using the Brune model (1970) and the digital seismic wave data of the earthquake occurred in Dachang mining area, which was recorded by Guangxi Dachang seismic network; we transferred the velocity spectrum into source displacement spectrum. The corner frequency and zero frequency were calculated by using genetic algorithm, further, the source parameters including seismic moment and stress drop were calculated and the relationships among them were analyzed systematically. This paper studies 38 bigger regional earthquakes occurred in this area, the results show that they seismic moments are 2.18×1011～7.89×1012Nom and rupture radius are 78～439 m, stress drop are 0.01～1.79 MPa. The relations between seismic moment, body-wave magnitude, rupture radius and corner frequency are near log-linear．The distribution of stress drop is dispersed and show little obvious correlation with seismic moment. Dachang mining stress drop values significantly lower, this may be related to the low regional background stress.

source parameter; scaling relation; Dachang mining area

10.3969/j.issn.1003-1375.2014.03.006

2014-03-31

地震科技星火计划项目(项目编号：XH12036Y)；广西科学研究与技术开发计划课题(项目编号：桂科攻1140004-3)

张华(1978-)，男，工程师，主要从事数字地震学及地震预测研究.E-mail:huazhang1222@163.com

P315.31

A

1003-1375(2014)03-0024-07