大冶金山店鐵礦區地震監測與成因類型探析*

李 峰 魏貴春 申學林

(湖北省地震局，武漢 430071)

大冶金山店鐵礦區地震監測與成因類型探析*

李 峰 魏貴春 申學林

(湖北省地震局，武漢 430071)

收集、整理了大冶金山店鐵礦區近幾年微震活動的監測記錄，并通過震中精定位和地震波形、頻譜、震源機制解等綜合性研究，認為該礦區的地震活動與礦山開采有密切關系，其成因類型屬采礦誘發的地震活動，簡稱礦震。

地震監測;波形;頻譜;震源機制;礦震

1 引言

近幾年來，大冶金山店礦區微震活動頻繁，且地震年頻次呈上升趨勢，如2008—2009年為1～2次，2010年則達到21次/年。

金山店鐵礦區地形上屬長江中游南岸的低山丘陵，地勢較平坦。海拔最高的西冶山為245.6 m，大部分地區地勢為20～50 m。礦區地表巖性主要是風化較嚴重的花崗巖，地表沒有明顯的區域性斷層通過。礦區歷史及現代地震較少，活動水平不高，迄今尚無大于4.5級中強地震的記載。因此，近年礦區頻發的地震活動引起社會極大關注，同時也對礦區正常開采及發展規劃產生一定的負面影響。

為了監測大冶金山店礦區地震活動，確定其成因類型，湖北省地震局監測預報中心受武漢地震工程院委托派出專業人員收集礦區及周邊地震活動資料，同時在礦區架設流動地震儀開展了現場地震監測。

通過長達近100天的連續地震監測，取得了300多次地震(振)動記錄，并且完成了周邊地區2008年以來地震資料的收集整理、震中精定位及編目、成圖。利用這些資料，我們對礦區及周邊地震的波形、震源機制、頻譜特征等進行了研究，嘗試從測震學角度探討地震(振)動的成因。

2 現場地震監測

2.1 流動監測臺網

為了有效地監測礦區的微震活動，在礦區周邊架設了由金山店、太和鎮、東方山、伏三村等4個流動觀測臺組成的臨時監測臺網(圖1，表1)，加上外圍區域的武漢、九峰、嘉漁、咸寧、黃梅以及礦區鄰近的陽新等固定臺，使得礦區地震的監測能力由原來的ML≥1.5提高到ML≥0.5。

此次地震監測設備為FSS-3B型短周期地震計，測量頻帶為1～40 Hz，EDAS-3M地震記錄儀，24位A/D轉換器，三通道數據采集，采樣率為50 Hz。

4臺流動測震儀均為24小時連續監測采集數據，監測數據通過無線網絡CDMA實時傳送到湖北省測震臺網中心，臺網中心將流動測震臺的波形數據實時接收到服務器中(圖2)。

圖1 金山店礦區流動臺站分布圖Fig.1 Distribution of mobile monitoring seismostation in Jinshandian mining area

表1 地震臺基礎資料Tab.1 Basic parameters of seismostation

圖2 數字遙測地震臺網中心的基本結構示意圖Fig.2 Basic structure of digital telemetry seismostation network center

2.2 地震監測記錄

連續100余天的地震監測，獲得了地震(振)動記錄300余次，其中包括5次ML≥2.0地震事件。經雙差法精確定位，結果顯示這5次地震震中大都集中在礦區附近(圖3)，距離最遠僅1.5 km，主要分布在塌陷區的南面，與目前礦區開采方位基本一致。

這次監測記錄的礦區地震(振)動波形基本上屬非構造地震類型，其特點是波形簡單，振幅較寬，衰減較快等［1，2］。從距震源較近的礦區流動臺記錄上看，這些波形幾近相似，但利用外圍鄰近的固定臺(如陽新臺)記錄即可看出其間的差異，如圖4(a)、(b)、(c)所示。

圖3 金山店礦區監測的地震(振動)(ML≥2.0)震中分布圖Fig.3 Distribution of epicenters of earthquakes above ML 2.2 in Jinshandian mining area

圖4 礦區地震(振動)記錄的波形圖Fig.4 Plots of waveform records of mining earthquake(oscillation)

圖4(a)是礦區記錄最多的一種波形，其特點是波形簡單，初動清晰，高頻成分較明顯，面波發育，尾波周期較大，與構造地震和其他非構造振動事件波形有明顯區別，符合礦震的波形特點［3，4］。

圖4(b)可判別為滑坡引起的地震(振)動波形，其初動不清，三分向面波發育，高頻成分不多，波形光滑，幅度致峰值后衰減較快，尾波較短，持續時間均約10 s，周期較大，振幅較寬［3，4］。礦區的此類滑塌是由采礦作業引發的，也可以說是一種礦震［2，3，5］。

圖4(c)波形簡單，初始尖銳，持續時間極短，基本上1～2個周期后即迅速衰減。而且此類波形出現的時間固定，基本上每日15時左右都能記錄到，為典型的爆破波形。

值得提及的是：上述3種波形常有相互兼容、重迭現象，即記錄上常常同時出現幾種波形特征，如礦震和滑塌。這可能是因為礦震導致巖層滑塌，而滑塌也可能引發輕微地振動。因此，我們對礦區地震(振)動類型的區分需要結合多種判據。

3 礦山周邊地區地震活動性

在開展礦區現場地震監測的同時，我們擴展了地震活動的時、空范圍，即對礦區及周邊約10 km2的區域(114.78～114.81°E，30.13～30.17°N)內2008年以來ML≥1.5地震資料進行了收集整理和精確定位(表2、圖5～9)。

現有資料表明：礦區及周邊近3年來共發生ML≥1.5以上地震25次，其中ML≥2.0以上地震19次，最大地震為2010年12月21日大冶ML2.4地震(表2)。如圖5所示，這些小震均分布在大冶市轄范圍內，且主要集中分布在礦區附近。

從礦區地震活動的M-T圖(圖6)可以看出，地震活動的強度有所增加。2008年1月—2010年9月湖北省數字測震臺網記錄到的12次ML2.0以上地震均發生在2010年。

表2 礦區及周邊地震統計(2008-01—2010-12)Tab.2 Statistics of earthquake’in mining area and neighboring region(2008-01—2010-12)

從礦區地震的N-T圖(圖7)可以看出，2008年1月—2010年9月，礦區地震活動在時間分布上是不均勻的，如2008年的地震1次，2009年地震2次，2010年則共發生地震20余次，而且地震的時間間隔越來越短，年頻次和月頻次明顯增加(圖8)。

圖5 金山店礦區周邊震中分布圖(2008—2010)Fig.5 Distribution of epicenter of the earthquakes around Jinshandian mining area(2008—2010)

圖6 金山店礦區地震M-T圖Fig.6 Plot of M-T of the earthquake in Jinshandian mining area

圖7 金山店礦區地震N-T圖Fig.7 Plot of N-T of the earthquakes in Jinshandian mining area

圖8 金山店礦區發震時間間隔圖Fig.8 Time intervals of the earthquakes in Jinshandian mining area

區域內震源深度分布在0～8 km范圍內，平均深度為4 km，明顯屬于淺源地震，且震源深度有向上逐漸變淺的趨勢(圖9)。

綜上所述，大冶金山店礦區及周邊處于少震區的地震背景中，近三年來區內地震活動是以淺源(0～8 km)微震(ML≤2.4)為特征的，其震中分布多集中在礦區附近(圖5)。

圖9 金山店礦區震源深度分布圖Fig.9 Depth distribution of the earthquakes in Jinshandian mining area

4 地震波頻譜特征

地震波是彈性波，采用波譜分析方法研究地震波序列的頻譜特征，從中尋找能反映地震類型特征的參數指標，為識別和區分地震成因類型提供了依據和途徑。

在判識地震成因類型過程中，要注意不同類型地震頻譜參數值差異，其中理論拐角頻率和理論高頻衰減系數是依據ω-2模型理論震源譜計算的，因為曲線擬合存在較大誤差，使用中以實際拐角頻率和實際高頻衰減系數為準。通常用以判別地震類型的頻譜參數指標可大致歸納如下［5-7］：

1)天然構造地震的優勢頻率大多數大于2.0 Hz，范圍集中在2.0～12 Hz之間;峰值頻率主要集中在0.5～3.0 Hz之間;拐角頻率比較集中;高頻衰減系數范圍較廣，從-1.0～-6.0均有分布，大多數在-1.5～-4.0之間。總體上，近距離淺源天然構造地震頻域范圍寬，高頻成分相對發育，拐角頻率特征明顯，峰值頻率和高頻衰減范圍寬，并且水平向和垂直向的差異不同;

2)礦震或塌陷地震的優勢頻率和峰值頻率范圍在0.8～2.0 Hz之間，頻域范圍很小，頻率成分單一;拐角頻率在2.0～3.0之間;高頻衰減系數在-2.0～-4.0之間，拐角頻率和高頻衰減系數比較集中;

3)爆破結果顯示，優勢頻率從0.3～8.0 Hz均有分布，沒有明顯集中段，峰值頻率在0.8～2.0 Hz之間占大多數。拐角頻率多數大于4.0 Hz，高頻衰減系數均大于-3.0。

從拐角頻率和優勢頻率可以明顯區分構造地震與塌陷，爆破的拐角頻率也明顯大于礦塌，但構造地震與爆破、礦塌之間不能明顯區分。峰值頻率對4種類型地震的分辨均不明顯。利用最大振幅比可以明顯把爆破和礦塌區分開。從水平與垂直向最大振幅比差可以看出爆破和礦塌均比構造地震小，由此可以把三者區分出來。

表3列出了2008年以來金山店礦區周邊地震頻譜分析結果。

從以上分析可以看出，不同類型震(振)動優勢頻率、峰值頻率、理論拐角頻率、高頻衰減系數和最大振幅比值差異明顯。依據表3分析結果，從峰值頻率可以基本判定該礦區地振動不屬于構造地震成因類型。但其優勢頻率均在0.3 Hz左右，但依據頻譜特征尚難以準確判斷振動事件的成因類型。

5 震源機制解

為進一步論證金山店礦區地震(振動)成因類型，從震源機制解角度進行了進一步的探討。

根據金山店礦區及周邊2010年10—12月流動觀測取得的5個地震的垂直向振幅比，求得以下震源機制解如圖10及表4所示。

從圖10和表4可以看出，2010年10月以來，礦區及周邊記錄到的5次地震的震源機制解以走滑為主，同時還有正走滑-傾滑和逆走滑-傾滑等多種錯動方式，其矛盾符號比最大為0.17，最小為0.01;斷層節面走向和傾角無明顯優勢方向和角度，反映出破裂面比較復雜，而且震源機制解給出的主壓應力方向不甚明確，顯示礦區缺乏統一的構造應力場和較大活動斷裂的作用，表明金山店礦區上述地震不太可能是構造成因的。

圖10 金山店礦區地震震源機制解Fig.10 Focal mechanism solution in the Jinshandian mining area

表3 礦區及周邊地震頻譜分析結果Tab.3 Results of earthquake spectral analysis in mining area and its neighboring region

表4 礦區震源機制解Tab.4 Focal mechanism solution in mining area

6 結語

1)金山店近3個月的現場地震監測的記錄和周邊地區2008年以來的地震活動資料，均表明礦區主要以淺源微震活動為特征，地震活動水平較低，符合當地的少震區域背景和相對穩定的地質構造環境。

2)金山店礦區地震(振)活動波形大都表現為震相簡單、初動不清、高頻成分少、周期較大、尾波幅度較小、衰減快等非構造地震特點，其頻譜和震源機制解也顯示振動的非構造性質，并且可大致區分出礦震、滑塌、爆破等振動類型，其成因與礦山開采作業有關，屬采礦誘發的地震活動，即礦震。

3)3個多月來儀器記錄到的地振動震中均集中在礦區塌陷區南端，據了解，目前采礦區正在向南延伸，而震中也有向南遷移的趨勢。地振動與采礦在空間上有明顯依附關系;同時從時間上看，2009—2010年礦區振動頻次有明顯增加趨勢，且在較大礦震發生前，會有一段時間小礦震頻發。鑒于此，礦區可依據礦震這些時空規律及發展動向合理部署開采。

1 李峰，等.九江-瑞昌地震序列現場觀測與研究［J］.華南地震，2006，26(2)：20-27.

2 李峰，等.三峽庫區馬鬃山地振動觀測與地震成因討論［J］.大地測量與地球動力學，2004，(2)：78-82.

3 鄒德蘊，等.采空區上覆巖層垮落誘發礦震機理及預測方法［J］.煤炭科學技術，2010(8)：35-38，43.

4 陳繼鋒.甘肅華亭地區礦震記錄特征分析［J］.西北地震學報，2010，32(1)：92-94.

5 童迎世 李春鵬 童敏.湖南典型礦震震例分析與研究［J］.華南地震，2009，29(3)：56-63.

6 陸菜平，等.頂板巖層破斷誘發礦震的頻譜特征［J］.巖石力學與工程學報，2010，29(5)：1 017-1 022.

7 張麗芬，等.三峽重點監視區構造地震與礦震時頻譜特征分析［J］.地震地質，2009，31(4)：699-706.

STUDY ON EARTHQUAKE MONITORING AND SEISMOGENESIS TYPES IN IRON-MINING AREA IN JINSHANDIAN DISTRICT OF DAYE COUNTY

Li Feng，Wei Guichun and Shen Xuelin
(Earthquake Administration of Hubei Province，Wuhan 430071)

On the basis of collection of field earthquake records in mining area and the neighboring regions，we carried out a series of comprehensive researches such as the accurate location of the epicenter，spectral analysis and focal mechanism solution.We concludes that there is a close correlation between earthquake in mining area and mining activities，and seismogenic pattern belongs to mining-induced earthquakes，or we can simply call them mine earthquakes.

earthquake monitoring;waveform;frequency spectrum;focal mechanism;mine earthquake

1671-5942(2011)Supp.-0013-06

2011-04-25

李峰，男，1971年生，高級工程師，主要從事地震監測和分析預報工作.Email：lpyp119@163.com

P315.72+8

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