辽宁地区矿震波形特征分析

王承伟，王晓睿，梁一婧，张志宏

（1.辽宁省地震局，辽宁 沈阳 110034；2.大连地震台，辽宁 大连 116000）

0　引言

辽宁台网经过“十五”中国地震观测网络项目升级改造，现已建成了一批高质量的宽频带观测技术系统，产出了海量的观测数据。由于宽频带地震记录中包含的地震信息比较全面，各种震相记录十分丰富，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，而且各类震相的动力学和运动学特征更加明显。丰富的震相记录资料为地壳和上地幔结构、地震学和地球物理学等方面的基础理论研究提供了保障[1]。

矿震为采矿诱发地震的简称，亦称为矿山地震，采矿业称之为“冲击地压”。在矿井高应力区内煤体、岩体及断层在受外界扰动瞬间失稳破坏时，释放出很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[2]。矿震的成因主要是因为矿山塌陷或矿山开采诱发矿山内构造活动而发生的地震。具体原因分为开采直接引起崩塌、冒落、瓦斯突出或是开采卸载间接诱发地震。由于矿震震源浅，而且又处于矿山这种特殊条件下，所以具有较大的破坏性。

1　资料选取

辽宁省矿区地震多发区域主要有两个，即阜新与抚顺地区，本文选取了2015年1月1日至2015年12月20日期间，阜新、抚顺共计十一个ML大于3.0级的典型矿震作为本次分析的数据资料；台站仪器类型多为BBVS-60，采样频率为100Hz，在40Hz～60s范围内速度输出有平坦响应。资料选取见表1。

2　矿震波形特点分析与结果对比

辽宁阜新和抚顺地区是辽宁省规模最大的煤矿开采区，前些年大规模的煤炭开采及地震活动已经引发了破坏性矿山地震，发震范围比较集中，其波形记录与天然地震有很大的差异，特别是宽频带地震记录出现了持续时间长，Pg波振幅小、周期较大，Sg波后大周期面波发育等特点，这都十分符合煤矿诱发地震的震相特征[3]。辽宁测震台网地震处理软件MSDP具有多种数据处理功能，利用MSDP中合理的滤波器对阜新和抚顺矿震记录进行预处理，提高了信噪比，震相识别的准确度进一步得到提高。因为Sg波后大周期面波发育等特点，在计算震级时易量取面波最大振幅而不是体波Sg振幅，造成所计算的同一矿震的震级明显高于其实际的震级。因为自动量取震幅时，计算机有一定的机率自动量取Sg波后大周期面波，因此会造成震级的偏大，本文直接从近震震级的定义出发，用地动位移来计算ML震级。利用MSDP处理软件先将记录图仿真成伍德·安德森地震仪的位移记录，再进行震相分析定位，计算M震级。按震中距不同进行初动周期、震动持续时间和初动方向的对比。

表1　选取的矿震事件

2.1　阜新矿震记录图的分析解释

从表2可以看出，仿真后计算震级与自动量取的震级还是有一定的偏差的，自动量取的各台站的最大震级明显要高于手动仿真量取的震级，经复核发现，自动量取震级偏大的原因是CHY、JZH等台站的振幅均量取在Sg后的大周期面波上，影响平均震级约0.2级左右。

表2　阜新矿震自动量取震幅所得平均震级与仿真后手动测量的平均震级计算的差值

本文以辽宁台网2015年2月6日17点12分记录到的辽宁阜新ML3.1级矿震为例（图1），分析其波形特点。阜新矿震出现的主要震 相 是Pg、Sg、PmP、SmS、Pn、Sn， 首 个记录到矿震波形的台站为FXI,随着震中距的不同，其出现的主要震相也不同。当震中距Δ（以下同）小于50km时，通常记录到的 地 震 波 只 有Pg、Sg。 当50km＜Δ＜120km时，CHY、BEP台能记录到直达纵、横波和反射纵、横波，到达顺序为Pg、PmP、Sg、SmS。当120km＜Δ＜500km时，随着震中距增大，首波作为第一震相到达，这一距离大约为120km，甚至更远，在140km时开始明显出现，地震波的到达顺序为Pn、Pg、PmP、Sn、Sg、SmS。由于矿震震源深度比较浅，当震中距小于250km时面波发育明显，当震中距大于250km时，从MQI台面开始，大约253km，面波开始衰减，不易识别； Pg震相从其周期来看约为0.11～0.36秒，Pn震相从其周期来看约为0.10～0.20秒，地震事件持续时间约为1.5分钟左右。

图1　2015年2月6日辽宁台网记录到的辽宁阜新ML3.1级矿震波形Fig.1　 The waveform of Liaoning Fuxin ML 3.1 mine earthquake recorded by Liaoning network on February 6, 2015

图2　2015年2月6日辽宁阜新ML3.1级矿震CHY（朝阳台）自动量取的面波振幅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　抚顺矿震记录图的分析解释

从表3可以看出，仿真后计算震级与自动量取的震级还是有一定的偏差的，自动量取的各台站的最大震级明显要高于手动仿真量取的震级，经复核发现，自动量取震级偏大的原因是QYU、BXI、HXQ等台站的振幅均量取在Sg后的大周期面波上，影响平均震级约0.2级左右。

表3　抚顺矿震自动量取震幅所得平均震级与仿真后手动测量的平均震级计算的差值

本文以2015年7月18日辽宁台网记录到的辽宁抚顺ML3.2级矿震为例（图3），分析其波形特点。抚顺矿震出现的主要震相是Pg、Sg、PmP、SmS、Pn、Sn，首个记录到矿震波形的台站为LHT,随着震中距的不同，其出现的主要震相也不同。当震中距Δ（以下同）小于50km时，通常记录到的地震波只有Pg、Sg。 当50km＜Δ＜120km时，XMN、LYN、ANS、XFN台能记录到直达纵、横波和反射纵、横波，到达顺序为Pg、PmP、Sg、SmS。当120km＜Δ＜500km时，随着震中距增大，首波作为第一震相到达，这一距离大约为120km，甚至更远，在135km时开始明显出现，地震波的到达顺序为Pn、Pg、PmP、Sn、Sg、SmS。由于矿震震源深度比较浅，当震中距小于250km时面波发育明显，当震中距大于250km时，从JZH台开始，大约248km，面波开始衰减，不易识别； Pg震相从其周期来看约为0.07～0.32秒，Pn震相从其周期来看约为0.13～0.36秒，地震事件持续时间约为1.5分钟左右。

图3　2015年7月18日辽宁台网记录到的辽宁抚顺ML 3.2级矿震波形Fig.3　 The waveform of Liaoning Fushun ML 3.2 mine earthquake recorded by Liaoning network on July 18， 2015

图4　2015年7月18日辽宁抚顺ML3.2级矿震QYU（清原台）自动量取的面波振幅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　矿震与天然地震的差异对比

本次矿震与天然地震的对比，是按震中距不同对两者的初动周期、震动持续时间和初动方向进行分析。图5为辽宁省内典型的天然地震—2015年11月23日 03时57分辽宁大石桥ML4.4级天然地震。

天然地震在不同震中距时，初动周期和震动持续时间的变化也有所不同。本文震动持续时间取最大振幅后1/5处为结束位置，最远记录到波形的台站震中距约为320km。当震中距Δ＜50km时首先记录到的震相为Pg，初动周期为0.15～0.18秒，地震的震动持续时间为20～25秒；随震中距的增长，Pg的周期逐渐变大，当50km＜Δ＜120km时，初动周期为0.17～0.38秒，地震的震动持续时间为43～47秒；当Δ＞120km时Pn逐渐清晰，Pn的周期0.15～0.31秒，地震的震动持续时间为38至122秒；天然地震的初动方向为四象限分布，无明显规律；而矿震则不同，据统计，在参与矿震定位的台站中，初动清晰的台站有70%初动方向都为向下，原因可能是由于开采直接引起崩塌或冒落，而开采卸载间接诱发的矿震，其初动方向为四象限的机率比较大。

图5　2015年11月23日辽宁大石桥ML4.4级天然地震Fig.5　 Liaoning Dashiqiao ML 4.4 earthquake in November 23, 2015

由以上数据分析可得知ML4.4级天然地震与ML3.2级矿震在初动周期和震动持续时间上都较为接近，由此可以推断，同等震级的矿震其初动周期和震动持续时间都要大于天然地震。

为证明上文推论的合理性，本文分别选用辽宁省内ML3.0级左右的天然地震和矿震，按震中距提取初动周期和震动持续时间进行对比。由图6可以明显的看出，在震级相同的情况下，矿震的初动周期和震动持续时间在大多情况下都大于天然地震。

图6　a 初动周期对比；b 振动持续时间对比Fig.6　 a. Onset period comparison；b. Vibration duration comparison

3　讨论与结论

（1）对辽宁阜新和抚顺地区煤矿诱发地震记录资料采取多种数据处理方式进行分析解释，辽宁矿震的宽频带记录表现为近台记录大周期面波发育，初至波较弱，周期较大，整个波列持续时间较长。

（2）直接使用矿震原始速度波形自动量取最大振幅计算震级会造成求得的震级值偏大0.2左右，应将波形记录仿真成短周期地震仪后手动量取体波最大振幅、计算的震级值。

（3）辽宁地区近年来除阜新与抚顺外，还发现在辽宁康平等地区也偶有矿震出现，以后也将会持续关注。

（4）阜新与抚顺从波形特点上来看，在震级相同的情况下，其P波周期较为接近，持续时间也相同，但是虽同为矿区地震，但由于地质结构等因素影响，其波形特征也有略有不同，抚顺矿震面波发育要明显强于阜新矿震。

（5）在震级相同的情况下，矿震的初动周期和震动持续时间在大多情况下都大于天然地震。天然地震初动方向呈四象限分布，而矿震初动方向大多为向下。

参考文献:

[1]安张辉，吕子岚，杜学彬，等．甘肃省各数字测震台下方地壳速度结构研究口[J]．西北地震学报，2008，30（3）：270-275．

[2]邴绍丹，潘一山．矿山微震定位方法及应用研究[J]．煤矿开采，2007，12（5）：1-4．

[3]张辉，赵凌云，刘小凤．平凉华亭地区地震活动特征分析 [J]．高原地震，2006，18（4）：9-16．

[4]赵凌云，张辉，刘小凤．甘肃平凉地区地震活动特征及其发震机理研究[J]．西北地震学报，2009，31（2）：86-90．