張思萌

（中國哈爾濱150090 黑龍江省地震局）

0 引言

鶴崗煤礦資源豐富，至今已有近百年開采史。近年來，隨著鶴崗礦區(qū)各煤礦進入深部開采，爆破、礦震的頻度和強度在逐漸增加，有必要加強地震監(jiān)測和分析工作。一般，天然地震、爆破與礦震的記錄比較容易區(qū)分，但是，有些2.0 ≤ML≤3.0 的天然地震記錄與爆破和礦震記錄較為相似，難以區(qū)分。因此，如何提取有效的識別特征是區(qū)分天然地震與爆破、礦震事件的關鍵。

諸多學者對天然地震、爆破與礦震事件識別方法已進行研究并提出多種識別方法，如：靳玉貞等（2015）提出利用頻譜分析方法，區(qū)分山西地區(qū)爆破、塌陷和天然地震波形；盧燕紅等（2017）通過對不同類型事件波形的直觀震相特征進行差異性分析，并對事件波形進行頻譜分析，為區(qū)域內(nèi)記錄的礦震、爆破和天然地震事件類型識別提供參考依據(jù)；吳義文等（2020）針對微震信號與爆破震動信號自動識別難的問題，提出基于經(jīng)驗小波變換（EWT）的礦山微震信號識別方法。由于研究區(qū)域的差別以及地震信號的復雜性，以上識別方法尚存不足之處。本文采用傅里葉變換和小波變換方法，對2009—2020 年黑龍江省鶴崗地震臺記錄的天然地震、爆破和礦震波形進行頻譜分析和逐層分解，提取其波形特征，用于識別天然地震、爆破及礦震。

1 資料選取

黑龍江省鶴崗地震臺（下文簡稱鶴崗臺）地處黑龍江省鶴崗市西北部丘陵地區(qū)，地質(zhì)構造位置位于佳木斯臺隆，郯廬斷裂帶北部。鶴崗臺觀測環(huán)境良好，可為地震研究和防震減災工作提供基礎數(shù)據(jù)。

選取2009—2020 年黑龍江省鶴崗地震臺記錄的2.0 ≤ML≤3.0 天然地震、爆破和礦震事件進行分析。由于波形記錄較多，且3 類事件記錄波形比較相似，僅從每種類型的事件記錄中選取3 次事件進行分析，詳細參數(shù)見表1。通過觀察事件記錄，發(fā)現(xiàn)鶴崗臺垂直分量記錄較好，因此采用9 次事件的垂直分量記錄進行分析。

表1 天然地震、爆破及礦震記錄參數(shù)Table 1 Recording parameters of natural earthquakes,blasting,and mining earthquakes

2 方法原理

2.1 傅里葉變換

頻率是信號的一種物理本質(zhì)。傅里葉變換方法是構建信號時域與頻域之間關系的重要數(shù)字信號處理方法。在物理意義上，傅里葉變換就是將原始信號的波形分解為許多不同頻率的正弦波，但在實際中，只能采用連續(xù)信號的離散采樣來計算頻譜。原始信號顯示了時間信息，傅里葉變換后顯示了頻率信息，實現(xiàn)了時域與頻域之間的轉換。傅里葉變換為

離散信號的頻譜為

式中，k=0,1，…，N-1，f(n)為有限時間序列，N為有限時間序列采樣點數(shù)，F(xiàn)(k)為f(n)的傅里葉變換（萬永革，2007），WN=e-2jπ/N。

2.2 小波變換

1984 年地球物理學家Morlet 在處理勘探資料時提出小波變換。小波分析具有多分辨率的重要特點，可以將原始信號分解成不同尺度上的近似信號和細節(jié)信號，從而對信號進行由粗到細的觀察。低尺度小波變換信號包含原始信號中的高頻成分，而高尺度小波變換信號包含原始信號中的低頻成分，不同尺度上的近似信號和細節(jié)信號與尺度具有密切關系（楊選輝等，2005；楊軍偉等，2012）。尺度因子越小，分辨率越高，反映了原始信號的細節(jié)信息；尺度因子越大，反映了原始信號的低頻成分。

一個函數(shù)f(t)的連續(xù)小波變換定義（Daubechies，1988；Yong，1993）為

式中，g(t)為窗函數(shù)，a為尺度函數(shù)，b為滑動函數(shù)。

本文采用db8 小波基對信號進行分解。

3 數(shù)據(jù)處理

3.1 原始波形特征

選用的天然地震、爆破、礦震的經(jīng)度、緯度及震級相差均較小。根據(jù)所選事件的發(fā)生時刻截取波形數(shù)據(jù)，對3 種事件的原始波形進行分析。

3.1.1 天然地震。天然地震波形相似度較高（圖1），具體特征表現(xiàn)為：P 波較發(fā)育，初動尖銳；S 波能量較強，持續(xù)時間長，衰減較慢，表現(xiàn)出大周期結尾；面波不發(fā)育等。

圖1 3 次天然地震原始波形(a) 2018 年5 月ML 2.1 地震；(b) 2019 年1 月ML 2.4 地震；(c)2019 年7 月ML 2.8 地震Fig.1 The original waveform of three earthquakes

3.1.2 爆破。爆破的原始波形（圖2）表現(xiàn)為淺源爆炸特征，具體特征表現(xiàn)為：P 波能量較強，初動多為向上；S 波較弱；短周期Rayleigh 面波發(fā)育。

圖2 3 次爆破原始波形(a) 2018 年12 月ML 2.4 爆破；(b) 2020 年1 月ML 2.3 爆破；(c)2020 年5 月ML 2.5 爆破Fig.2 The original waveform of three blasting

3.1.3 礦震。礦震波形相似度較高（圖3），具體特征表現(xiàn)為、P 波初動方向多為向下；Sg 波較為清晰；面波較為發(fā)育。

對比圖1、圖2、圖3 可知，天然地震、爆破與礦震的波形特征有明顯不同。文中所選天然地震為5—20 km 巖層中應力超過介質(zhì)的強度極限時巖石的破裂和錯動，震源機制復雜，波在傳播過程中的構造環(huán)境也比較復雜。地震波經(jīng)過致密巖層快速傳播，能量和高頻成分損耗較少。因此，天然地震波形比較復雜且頻帶較寬，振動持續(xù)時間長，振幅和能量衰減慢，高頻成分相對豐富。爆破源一般較淺，且為瞬間膨脹源，波基本在近地表低速層介質(zhì)中傳播。因此，爆破波能量損耗較多，衰減快，波列持續(xù)時間短，波周期較大。礦震主要是由采礦活動引起的一種誘發(fā)地震，多為采空區(qū)上方介質(zhì)受重力影響或大面積受壓時向下冒落引起，周圍介質(zhì)最初受到拉伸作用，所以一般垂直分向P 波初動均向下。

圖3 3 次礦震原始波形(a) 2018 年12 月ML 2.4 爆破；(b) 2020 年1 月ML 2.3 爆破；(c)220 年5 月ML 2.5 爆破Fig.3 The original waveform of three mining earthquakes

3.2 頻譜分解

選取的事件類型不同，波的頻譜也會不同，因此可以利用頻譜分析識別天然地震、爆破和礦震。選取表1 中事件的記錄波形，截取波形數(shù)據(jù)，并利用MATLAB 軟件進行傅里葉變換得到頻譜結果。由于同類型事件的頻譜分析結果較為相似，僅選用3 次不同類型ML2.4 事件波形的頻譜結果（圖4）進行分析。結果表明，天然地震事件的頻域相對較寬且頻率較高，能量不集中，成分也較為復雜，優(yōu)勢頻率集中在0—40 Hz；爆破和礦震事件以低頻為主，頻域相對較窄，能量集中且成分單一，爆破事件的優(yōu)勢頻率集中在0—15 Hz，而礦震事件的頻率更為集中且更低，優(yōu)勢頻率集中在0—7 Hz。

圖4 頻譜分析(a)天然地震；(b) 爆破；（c）礦震Fig.4 Spectrum analysis

3.3 小波分解

根據(jù)事件的發(fā)生時刻截取波形數(shù)據(jù)，運用MATLAB 軟件，采用db8 小波基進行小波變換，將所選信號進行8 尺度分解，得到波形分解后近似部分與細節(jié)部分曲線。由于同類型事件小波變換分解后得到的近似部分與細節(jié)部分曲線均較為相似，僅選取3 次不同類型ML2.4 事件小波變換分解后的近似與細節(jié)部分曲線進行分析，見圖5—圖7。

圖5 天然地震小波分解(a) 近似部分；(b) 細節(jié)部分Fig.5 The wavelet decomposition of earthquake waveform

圖6 爆破小波分解(a) 近似部分；(b) 細節(jié)部分Fig.6 The wavelet decomposition of blasting waveform

圖7 礦震小波分解(a) 近似部分；(b) 細節(jié)部分Fig.7 The wavelet decomposition of mining earthquake waveform

3.3.1 小波變換近似部分。通過對比圖5—圖7 中天然地震、爆破和礦震的小波變換近似部分特征，可知，經(jīng)過逐層剝離高頻信息，構建的原始波形近似信號，在1—5 階，曲線特征與原始信號特征基本相同，在6—8 階，隨著高頻成分逐漸被剝離，曲線特征出現(xiàn)明顯變化。在第6 階近似部分中，礦震信號變得簡單，而爆破與天然地震的曲線特征基本相同；分解到第8 階時，爆破信號中周期性較強的面波顯示清晰。

3.3.2 小波變換細節(jié)部分。高頻細節(jié)在低階中顯示，低頻細節(jié)在高階中顯示。通過對比天然地震、爆破和礦震的小波變換細節(jié)部分特征可知，3 種類型事件小波分解后細節(jié)曲線特征不同。由1—4 階細節(jié)圖可知，爆破的P 波能量大，細節(jié)曲線中明顯可見P 波波峰，而天然地震和礦震P 波能量較小且不集中；分解到第6 階時，礦震信號變得簡單；分解到第7 階時，爆破與礦震信號均變得比較簡單。

根據(jù)以上特征即可區(qū)分天然地震、爆破和礦震。

4 結束語

通過以上對比分析和研究，可總結出識別天然地震、爆破及礦震的幾點依據(jù)。

（1）波形特征。天然地震P 波較發(fā)育，初動尖銳；S 波能量較強，持續(xù)時間長，衰減較慢，表現(xiàn)出大周期結尾；面波不發(fā)育。爆破為淺源爆炸特征，P 波能量較強，初動多為向上；S波較弱；短周期Rayleigh 面波發(fā)育。礦震P 波初動方向多為向下，Sg 波較為清晰，面波較為發(fā)育。

（2）傅里葉變換分析。天然地震事件的頻域相對較寬且頻率較高，能量不集中，成分也較為復雜，優(yōu)勢頻率集中在0—40 Hz；爆破和礦震事件以低頻為主，頻域相對較窄，能量集中且成分單一，爆破事件的優(yōu)勢頻率集中在0—15 Hz，而礦震事件的頻率更為集中且更低，優(yōu)勢頻率集中在0—7 Hz。

（3）小波變換近似部分。通過對比小波變換近似部分發(fā)現(xiàn)，在第6 階近似部分中，礦震信號變得簡單，而爆破與天然地震的曲線特征基本相同，分解到第8 階時，爆破信號中周期性很強的面波顯示清晰。

（4）小波變換細節(jié)部分。通過對比小波變換細節(jié)部分發(fā)現(xiàn)，在1—4 階近似部分中，爆破的P 波能量大，細節(jié)曲線中明顯可見P 波波峰，而天然地震和礦震P 波能量較小并且不集中；分解到第6 階時，礦震信號變得比較簡單；分解到第7 階時，爆破與礦震信號均變得簡單。

天然地震、爆破和礦震在震源深度、震源破裂機制及波的傳播路徑等方面存在的差異可能是導致上述各種特征的原因。天然地震震源比爆破、礦震震源深，地震波需要通過地下多層介質(zhì)的反射和折射才被接收，而爆破和礦震的震源較淺，地震波傳播路徑與天然地震波不同。天然地震是地下斷層某處應力超過臨界值時產(chǎn)生的巖石錯動，其震源機制相對復雜，頻率成分復雜，頻率較寬，而爆破與礦震是能量的瞬間釋放，頻率較為集中，經(jīng)小波分解，可見爆破信號具有明顯的周期性較強的面波。基于傅里葉變換和小波變換方法，對天然地震、爆破和礦震進行頻譜分析和逐層分解，提取其波形特征，可實現(xiàn)對3 類事件的有效識別。

文中分析僅對鶴崗臺記錄而言，對天然地震、爆破和礦震的性質(zhì)判定尚存不足，需要大量觀測資料從拐角頻率、頂峰頻率及卓越周期等方面進行深入探索。