山西代县及左云地区爆破、塌陷波形特征对比分析

梁永烨，张 玲

(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

山西是爆破和塌陷等非天然事件的多发地区，由于这些事件波形有些简单较易识别；有些事件波形复杂，常见爆破或塌陷的特征不明显，不易识别；并且在不同区域爆破、塌陷波形形态不一，难以准确区分。因此，对不同地区非天然地震事件波形特征进行对比分析，也是地震监测工作的一项重要内容。一些学者曾对曹妃甸、江苏、重庆和河南等地区的天然和非天然地震的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[1-4]。山西地区在此方面的研究相对较少，基于此，文章选取2009年以来山西台网记录到的山西代县和左云地区ML≥2.5的爆破和塌陷地震事件目录，对所选事件的体波和面波形态、P波初动方向、AS/AP振幅比、幅频特性等进行对比分析。研究结果可为爆破和塌陷事件识别提供依据，也有助于台网地震速报及编目质量的提高，为地方政府应对突发事件提供技术支持。

1 资料选取

根据山西地震台网地震事件编目要求，选取2009年以来山西台网记录到的山西代县和左云地区ML≥2.5的爆破和塌陷地震事件为研究对象(见表1、第11页图1)。对所选事件的体波和面波形态、P波初动方向、AS/AP振幅比、幅频特性等进行对比分析。

表1 所选代县和左云事件列表Table1 List of selected Daixian and Zuoyun events

2 波形特征分析

2.1 爆破、塌陷震相特征

第11页图2、3为代县和左云两地区典型爆破和塌陷记录波形。由于爆破一般在地表进行，介质密度较低，且爆破震源体对介质施加膨胀压力，形成压缩波[5]。如图2a和3a所示，两地爆破波形都具有面波明显，衰减较快，持续时间短等特点。但图3a较图2a波形周期更大，其原因可能是因塌陷受地壳介质影响较大，其高频成分少[6]。从图2b和3b中看出,两地塌陷波形较爆破波形更为单纯，周期较大且无较多复杂次生波，衰减也快。图2b的面波出现较早，波形周期较大，能量衰减也较快。从图中可基本推断出此次塌陷的大致过程，开始为破裂阶段，Pg初动并不太强，波形最大振幅部分显示的是彻底坍塌过程，之后振幅变小部分则为塌陷引起的振动阶段。

图1 所选爆破及塌陷事件分布图Fig.1 Distribution of selected blasting and collapse events

图2 代县地区爆破、塌陷典型波形图Fig.2 Typical waveform of blasting and collapse in Daixian area

图3 左云地区爆破、塌陷典型波形图Fig.3 Typical waveform of blasting and collapse in Zuoyun area

2.2 P波初动

由于爆破产生的冲击波会在垂直方向上从爆心出发向地表传播[7]，如第12页图4所示,两地爆破事件的大部分近台都有较为清晰的向上初动。较远台站初动情况提供的参考价值并不高，如第12页表2所示，为震中距最近的前8个台站(震中距120 km内)记录的初动情况。代县地区爆破事件的近台向上初动占有相对较高比例，左云地区则相反。造成此现象的原因可能与当地地质构造有关，还需后续进一步研究。

塌陷是由地表岩、土体在自然或人为因素作用下向下陷落而引起的，由于震源较浅，而且通常不是一次完成，常有连续不断的塌落或巨石滚动的情形发生，因此，初动大多比较平缓[8]。第12页图5所示的两地区塌陷的近台初动并不明显，从表2可看出,代县地区塌陷初动不清，左云地区初动分布无规律可循。

2.3 AS/AP振幅比

爆破主要产生P波，由于爆破方式、传播路径复杂等的影响，也可能产生剪切力S波，因此,爆破有较强的P波群，S波群则相对较弱[9-10]。塌陷的震源一般为表面源，事件过程通常不是一次性高速破裂过程。P、S振幅比可以反映此特点，而且用振幅的比值可减小震级、地震仪的放大倍数和频率特性的影响[11]。因此，选取不同震中距下垂直向Pg的最大振幅和Sg的最大振幅，经过对一定震中距范围内台站AS/AP的比值进行叠加，获得两地的平均振幅谱比值，去除由台站的方位及震中距引起的差异。

图4 代县、左云地区爆破近台初动Fig.4 Initial motion near stations of blasting in Daixian and Zuoyun areas

表2 代县、左云地区爆破和塌陷初动统计Table 2 Initial motion statistics of blasting and collapse in Daixian and Zuoyun areas

由于爆破源所在的地质环境不同，所产生的振幅也不同，因此，震相幅值比判据与具体地区有很强的经验性关系[12]。如图6所示，代县地区爆破的AS/AP值未随震中距增大而变化，且数值始终低于塌陷数值；如图7所示,左云地区爆破的AS/AP值则随震中距增大呈现缓慢增长趋势，且在震中距60～79 km之后出现超越塌陷的数值。从图中可以看出，两地区塌陷事件的AS/AP值均随着震中距的增大呈现下降趋势；在震中距小于60 km的情况下，远远大于爆破的AS/AP值，代县地区可达2～3倍，左云地区则最高可达6倍。

2.4 幅频特性曲线

不同震源会产生不同频率的波动，能量传递所依靠的介质对波动具有选频吸收作用，且观测仪器具有一定频率特性，对地震波形也会产生一定影响。因此，对地震波进行谱分析，可利用地震波所含信息，研究波动现象及其物理内涵[13]。为降低由于高频成分被地表过分吸收及地震计频带宽度对结果的影响，每个地震事件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，得出如图8和图9所示的代县和左云地区爆破与塌陷的幅频特性曲线。从两图中看出，爆破和塌陷的能量多集中在信号的起始阶段，主频明显集中在0～1.5 Hz频段，频率成分相对简单、能量衰减较快，塌陷的高频衰减较爆破快。

图5 代县、左云地区塌陷近台初动Fig.5 Initial motion near stations of collapse in Daixian and Zuoyun areas

图6 代县地区爆破、塌陷振幅比Fig.6 Amplitude ratio of blasting and collapse in Daixian area

图8 代县地区爆破、塌陷幅频特性曲线Fig.8 Amplitude frequency characteristic curve of blasting and collapse in Daixian area

图9 左云地区爆破、塌陷幅频特性曲线Fig.9 Amplitude frequency characteristic curve of blasting and collapse in Zuoyun area

3 结论与讨论

通过对2009-2018年山西台网记录到的代县和左云地区ML≥2.5的爆破和塌陷事件进行系统分析及对比，得出以下结论：

(1) 两地区典型的爆破波形都具有周期小、面波发育、有较多复杂次生波和持续时间短等特点；塌陷波形较爆破波形具有周期大和衰减快的特点。代县地区的塌陷较左云地区面波出现早，具有大周期和能量衰减快的特征。

(2) 代县地区爆破事件初动向上的近台个数占有相对较高比例(大于50%)，左云地区则占比不高(小于50%)；代县地区塌陷事件初动不清，左云地区的初动分布无规律可循。

(3) 两地区塌陷事件的AS/AP值均随着震中距的增大呈现下降趋势，爆破事件则呈现不同趋势。代县地区爆破的AS/AP数值随震中距增大基本保持不变，始终低于塌陷的数值；左云地区爆破的AS/AP值则随震中距增大呈现缓慢增长趋势，在震中距60～79 km之后超过塌陷的数值。

(4) 通过对波形进行幅频特性分析，得出两地区爆破和塌陷的能量多集中在信号起始的0～1.5 Hz频段，塌陷的高频衰减较爆破快。

(5) 通过对两地区爆破和塌陷不同类型事件各指标的差异对比分析，得出较为适用且简单高效的判断依据，有利于快速判别两种事件类型，进而对山西数字地震台网地震监测速报质量提高起到积极作用。当然，并非所有爆破或塌陷事件具备上述典型特征，需经多台站、多途径综合判别分析。因文章收集的事件资料有限，对判定爆破与塌陷的性质尚有诸多不足，需在今后的研究中逐步完善。

注：文章部分内容由山西省地震局地震数据资源开发创新团队资助。