牟劍英, 韋 峰， 謝夜玉， 龍政強(qiáng)

（1. 廣西壯族自治區(qū)地震局， 南寧 530022； 2. 廣西華錫股份有限公司銅坑礦， 廣西 南丹 547207）

0 引言

廣西河池市南丹大廠礦區(qū)是世界著名的有色金屬生產(chǎn)基地， 以錫為主， 銻、 銦、 鉛、 鋅共生的特大型礦床， 儲(chǔ)量大、 品位高， 經(jīng)濟(jì)價(jià)值巨大。該礦山自宋代以來就已地下開采， 歷史悠久[1]。 礦區(qū)礦產(chǎn)的開采， 往往使用爆破的方法將礦石破碎，因此， 該區(qū)礦山爆破活動(dòng)較為頻繁。 有些爆破波形特征明顯， 具有典型爆破特征， 易于識(shí)別， 有些爆破則較為復(fù)雜。 礦區(qū)長(zhǎng)期的作業(yè)開采， 形成縱橫交錯(cuò)的地下坑道和大面積的采空區(qū)， 從而導(dǎo)致地壓與礦震頻繁發(fā)生， 但由于地震與爆破在同一區(qū)域交替出現(xiàn)， 增加了識(shí)別爆破與天然地震的復(fù)雜性。

關(guān)于爆破與地震的識(shí)別， 國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者進(jìn)行了廣泛和深入的研究， 并提出多種識(shí)別方法，比如研究P 波初動(dòng)、 震源深度、 體波震級(jí)m 與面波震級(jí)M 之比、 P 波和S 波震相幅值比、 頻譜分析、 小波變換等分析方法[2-6]。 南丹大廠礦區(qū)地震監(jiān)測(cè)臺(tái)網(wǎng)自2010年1月正式運(yùn)行（圖1）， 臺(tái)網(wǎng)由8個(gè)遙測(cè)子臺(tái)和一個(gè)臺(tái)網(wǎng)中心組成， 臺(tái)網(wǎng)孔徑小，東西約7.5 km， 南北約8.5 km， 臺(tái)站均勻分布，臺(tái)間距平均僅3 km 左右， 監(jiān)測(cè)震級(jí)下限低至ML-0.5 級(jí)[7]。 高密度的臺(tái)網(wǎng)布局和高靈敏度短周期的地震觀測(cè)儀器為研究識(shí)別爆破和天然地震提供了良好的條件， 產(chǎn)出了豐富的數(shù)字地震波形數(shù)據(jù)。根據(jù)所獲得的大廠礦區(qū)爆破或地震事件波形數(shù)據(jù)，本文采用波形對(duì)比方法對(duì)發(fā)生在同一地區(qū)的305次爆破或地震事件及可疑事件進(jìn)行對(duì)比分析， 找出適合本區(qū)域正確區(qū)分人工爆破和天然地震的判斷判據(jù)， 提高該區(qū)域的地震編目質(zhì)量， 服務(wù)于礦區(qū)的安全生產(chǎn)及該區(qū)域地震活動(dòng)性研究。

1 資料的選取

根據(jù)所記錄事件的臺(tái)站數(shù)不少于4個(gè)， P 波初動(dòng)方向清楚的臺(tái)站不少于3個(gè)， 以及震中距離臺(tái)站均不大于8 km 的要求， 本文選取了大廠礦區(qū)（24.79°～24.92°N， 107.52°～107.67°E）自2010年臺(tái)網(wǎng)正式運(yùn)行以來記錄到的305個(gè)事件（震級(jí)區(qū)間L 0.5～2.7）波形進(jìn)行分析對(duì)比研究， 根據(jù)礦區(qū)采礦生產(chǎn)作業(yè)爆破記錄， 確認(rèn)其包含263個(gè)爆破、 32個(gè)天然地震和10個(gè)可疑事件。

圖1 大廠礦區(qū)地震監(jiān)測(cè)臺(tái)網(wǎng)臺(tái)站分布及研究事件分布Fig.1 The distribution of the monitoring network stations and the research events in Dachang mining area

2 資料的分析處理

2.1 震相特征

由于爆破與地震的震源特性不同， 因此兩者的波形特征不同。 在震相特征上， 對(duì)所選區(qū)域爆破和地震的P 波發(fā)育狀況、 S 波發(fā)育狀況進(jìn)行分析對(duì)比。

爆破是膨脹源， 主要產(chǎn)生P 波， 但由于爆破方式、 傳播路徑復(fù)雜等的影響可能產(chǎn)生剪切力S波。 爆破有較強(qiáng)的P 波群， S 波相對(duì)較弱。 而地震過程中， 巖石要發(fā)生剪切錯(cuò)動(dòng)， 所以大多數(shù)地震會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的S 波[8]。 根據(jù)兩者的P 波和S 波發(fā)育情況對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)， 大廠礦區(qū)的爆破P 波極為發(fā)育， 各臺(tái)站波形呈頭大尾小的紡錘形狀， S 波基本無法區(qū)分， 這主要是因?yàn)楸频哪芰酷尫艠O快，爆破地點(diǎn)離記錄臺(tái)站近而造成的， 如圖2。 而該地區(qū)大部分天然地震波形則表現(xiàn)為P 波段振幅小， S波段振幅極大， P 波和S 波分段性極好， 易于識(shí)別， 如圖3。

但事實(shí)上， 該礦區(qū)部分天然地震波形特征也存在P 波發(fā)育， S 波基本不發(fā)育， 外觀上極易混淆成爆破事件， 如圖4。 因此不能單純從震相特征上去判定。

圖2 大廠礦區(qū)2013年7月2日爆破波形Fig.2 The waveform of blastings recorded in Dachang mining area in July 2nd, 2013

圖3 大廠礦區(qū)2010年4月20日地震波形Fig.3 The waveform of earthquakes recorded in Dachang mining area in April 20th， 2010

2.2 P 波周期特征

地震波的周期也是地震波的動(dòng)力學(xué)特性之一，地震波的動(dòng)力學(xué)特性的變化一定程度上依賴于地震的震源機(jī)制和介質(zhì)的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)等許多因素。從介質(zhì)的結(jié)構(gòu)及傳播路徑來看， 天然地震震源較深， 且地震波成分復(fù)雜， 衰減慢， 波及面大。 爆破瞬間發(fā)生， 震源淺， 經(jīng)過松散地層， 結(jié)構(gòu)路徑介質(zhì)差異較大， 波的高頻成分被吸收較多， 地層對(duì)爆破產(chǎn)生的波的衰減是一種低通濾波作用， 與地震波相比P 波的周期比較大， 衰減快， 且面波較發(fā)育[9]。 對(duì)比同一位置不同爆破當(dāng)量和不同位置相近當(dāng)量的爆破波形， 發(fā)現(xiàn)波形的P 波周期與震級(jí)大小關(guān)系不大， 主要與爆破方式有關(guān)（表1）。

天然地震平均周期范圍在0.02～0.04 s， 優(yōu)勢(shì)平均周期為0.03 s， 爆破的P 波平均周期范圍在0.04～0.08 s， 優(yōu)勢(shì)平均周期在0.06 s（表2）。 據(jù)此， 通過P 波平均周期的分析對(duì)比， 可很好區(qū)分礦區(qū)爆破事件和人工爆破。

圖4 大廠礦區(qū)2010年8月16日地震波形Fig.4 The waveform of earthquakes recorded in Dachang mining area in August 16th, 2010

表1 大廠礦區(qū)爆破、 地震P 波平均周期Table 1 The average period of P-wave of natural earthquake and artificial blasting in Dachang mining area

表2 大廠礦區(qū)爆破、 地震P 波平均周期特征分析結(jié)果Table 2 The analysis results of the average period of P-wave of natural earthquake and artificial blasting in Dachang mining area

2.3 P 波垂直向初動(dòng)方向符號(hào)分布特征

由于爆破是膨脹源， 產(chǎn)生的壓縮波無象限分布， 通常情況下， P 波初動(dòng)方向都是向上， 地震則是巖石的破裂或錯(cuò)動(dòng)， 產(chǎn)生壓縮波和膨脹波， 有象限分布[10]。 在各向同性介質(zhì)中， 點(diǎn)源爆破的振幅與方位無關(guān)， 且只有壓縮初動(dòng)， 而地震的振幅和極性均會(huì)隨方位變化[11]。 本文所研究區(qū)域范圍小，臺(tái)站密度高， 區(qū)域的震動(dòng)事件的在P 波初動(dòng)方向較為清楚， 特別是在震級(jí)ML0.5 級(jí)以上， 在研究的295個(gè)爆破和地震事件中， 初動(dòng)方向清楚的臺(tái)站占96%。 在263 次爆破事件中記錄到P 波垂直向初動(dòng)向上的臺(tái)站除YQD 臺(tái)外均超過60%。 從某種程度上說， 大廠礦區(qū)爆破P 波垂直初動(dòng)方向符號(hào)整體還是趨于向上的， 特別是TJC、 LAJ、 BMP 臺(tái)站， 初動(dòng)向上占初動(dòng)清晰比例分別為81.7%、77.9%和77.1%。 在32 次天然地震中記錄到的P波垂直向初動(dòng)向下的臺(tái)站除DSJ 臺(tái)為72%最低外，其他臺(tái)站均超過80%， 全部向下的臺(tái)站就有BMP、YLP 和YQD 臺(tái)， 見表3。

理論上爆破事件P 波垂直向應(yīng)是向上的， 但由于大廠礦區(qū)地下豎井和坑道縱橫交錯(cuò)， 存在大面積的采空區(qū)， 加之不同的爆破方式， 使得波形更為復(fù)雜。 現(xiàn)在爆破類型除一次性爆破， 還有微差爆破。 礦區(qū)內(nèi)爆破P 波垂直向初動(dòng)全部向上的事件有74個(gè)， 占28%， 全部向下3個(gè)， 占1%，相異的130個(gè)， 占71%。 而在32 次地震事件中，全部向下的事件22個(gè)， 向下比例超過60%就有91%， 見表4。 在32 次地震事件中， 全部向下的臺(tái)站就有BMP、 YLP 和YQD， 該礦區(qū)天然地震P波垂直向初動(dòng)整體向下， 見表5。

表3 大廠礦區(qū)各臺(tái)站P 波垂直向初動(dòng)方向特征Table 3 Characteristics of first motion for p-wave in vertical direction of each station in Dachang mining area

表4 大廠礦區(qū)人工爆破P 波垂直向初動(dòng)情況Table 4 Situation of first motion for p-wave in vertical direction of artificial blasting in Dachang mining area

表5 大廠礦區(qū)天然地震P 波垂直向初動(dòng)情況Table 5 Situation of first motion for p-wave in vertical direction of natural earthquake in Dachang mining area

在對(duì)比同一地方爆破波形后發(fā)現(xiàn)， 若兩個(gè)事件的爆破位置水平坐標(biāo)和垂直坐標(biāo)都一樣的話，兩者的初動(dòng)方向基本一致， 若兩個(gè)事件的爆破位置在水平上坐標(biāo)相同而在垂直坐標(biāo)不同， 兩者的初動(dòng)方向就有所差異（表6）。

綜合分析礦區(qū)爆破及地震P 波垂直向初動(dòng)方向符號(hào)特征， 認(rèn)為P 波的初動(dòng)方向不能作為區(qū)分爆破和地震的重要判據(jù)， 但可在多種波形特征綜合分析的基礎(chǔ)上輔以判斷， 如根據(jù)P 波、 S 波發(fā)育情況及發(fā)震時(shí)間， 加上對(duì)各臺(tái)站所記錄的P 波垂直向初動(dòng)方向統(tǒng)計(jì)的一致性比例， 作為區(qū)分事件類型的重要參考依據(jù)。

表6 大廠礦區(qū)爆破事件不同地點(diǎn)P 波初動(dòng)特征對(duì)比Table 6 Characteristics of first motion for p-wave of the blasting event in different site of Dachang mining area

2.4 發(fā)震時(shí)間規(guī)律分布

大廠礦區(qū)主要有幾家大型采礦企業(yè)， 一般開采爆破時(shí)間安排在下午15 時(shí)至17 時(shí)進(jìn)行。 我們將礦主給的大廠2010年以來所記錄到的600 余次爆破事件按小時(shí)段時(shí)間進(jìn)行統(tǒng)計(jì)， 結(jié)果表明， 15時(shí)至17 時(shí)三小時(shí)內(nèi)的事件頻次占總次數(shù)的67%，而地震事件則沒有明顯的時(shí)間規(guī)律， 又由于爆破時(shí)段不定， 也不排除有半夜偷礦放炮的可能， 因此發(fā)震時(shí)間也不能作為區(qū)分爆破和地震的絕對(duì)判據(jù)， 只能做輔助依據(jù)。

3 可疑事件待進(jìn)一步研究

大廠礦區(qū)除爆破或地震事件外， 還經(jīng)常記錄到一些可疑事件。 這些可疑事件與本地區(qū)以往的爆破和地震波形記錄存在明顯差異， 因此對(duì)這些事件的判定較為因難。 本文截取了10 次可疑事件進(jìn)行分析。 這些可疑事件存在以下特征： ①P 波、S 波都不發(fā)育， 呈正弦面波組； ②事件波組單調(diào)，周期均勻， 均在0.28s 左右； ③初動(dòng)沒有一個(gè)臺(tái)清晰； ④發(fā)震時(shí)間全天候都有， 早上4、 5 點(diǎn)和晚上10 點(diǎn)、 11 點(diǎn)居多。 對(duì)此， 曾懷疑過是否為該礦區(qū)的塌陷或陷落事件， 但根據(jù)波形的特征和時(shí)間持續(xù)特點(diǎn)分析， 無后續(xù)尾波， 不符合塌陷和陷落特點(diǎn)。 是否為礦區(qū)外震動(dòng)事件以及事件類型都需進(jìn)一步研究探討。

4 結(jié)論

通過以上對(duì)大廠礦區(qū)爆破和地震的波形特征分析對(duì)比， 可以得出以下結(jié)論。

（1）人工爆破P 波較天然地震發(fā)育， 在一定震中距呈頭大尾小的紡錘形狀； 因天然地震部分波形也存在頭大尾小特征， 因此不能單從P 波和S波發(fā)育情況來作為兩者識(shí)別的判據(jù)。

（2）P 波平均周期能很好區(qū)分該區(qū)域爆破事件和天然地震， 爆破的P 波平均周期較地震大，爆破當(dāng)量的增大對(duì)P 波周期影響不大。

（3）波形記錄P 波的初動(dòng)方向均較清晰， 但因礦區(qū)環(huán)境復(fù)雜， 豎井、 坑道、 采空區(qū)縱橫交錯(cuò)，爆破事件P 波初動(dòng)方向大部分存在相異現(xiàn)象， 但總體偏于向上； 天然地震P 波初動(dòng)方向總體偏于向下， 有些事件更具有向下的一致性。 因此， P 波垂直向初動(dòng)從綜合判斷事件類型可作為輔助判斷依據(jù)， 但不能作為識(shí)別判定的決定依據(jù)[12]。

（4）根據(jù)企業(yè)爆破作業(yè)時(shí)間規(guī)律， 可輔助作為區(qū)分爆破和地震的依據(jù)。

總之， 大廠礦區(qū)記錄波形事件類型難以單從P波初動(dòng)符號(hào)、 震相發(fā)育特征或發(fā)震時(shí)間來識(shí)別，但可從事件P 波平均周期來判定識(shí)別。

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