1、论爆破塌陷特殊地震动特征识别王晓霞1 高翠珍1 史双双2 宫静芝1 薛锦明1(1.太原地震监测中心站 山西 太原 0 3 0 0 2 12.山西省地震局 山西 太原 0 3 0 0 2 1)作者简介王晓霞(1 9 8 8年),女,山西临县。大学本科,工程师,主要从事地震监测。通讯作者高翠珍(1 9 8 6年),女,山西临县人。硕士研究生,工程师,主要从事地震监测预报工作。基金项目吕梁市科学技术局重点研发项目(项目编号:2 0 2 0 S H F Z 1 1)。摘 要 本文依据地震实例,利用测震地理台网的相关数据,对近年爆破、塌陷地震记录的短周期分布瑞利型面积和波形的R G面积特性等多个方面进行
2、了对比分析,总结出了一些规律与建议,以期提供参考。关键词 爆破塌陷;特征识别;特殊地震 在对特殊性质地形和震动的实验分析中,发现有些天然性质地震与特殊性质地形的震动相比是不容易准确识别的。一个地区的地震活动特点取决于该地区的地质构造条件,强震活动(特别是6级以上地震)与断裂活动和深部构造差异有密切的相关性。因此,通过对一个区域的断裂活动和深部构造的研究,将为区内地震带与震源区的划分提供相关的依据。爆破、塌陷与天然地震中的震源特点、波形特征等有一定的区别,如震相、振幅、能量衰减及时频特性等方面。对非天然地震(爆破、塌陷)事件进行相关研究的主要用途有两方面,一是为了准确快速地判别地震事件的类型,为
3、各级救援部门提供重要决策数据支持;二来就是为了利用地震的观测结果来反应地下地质结构和具体地质活动情况。1.爆破、塌陷概述爆破一般为利用炸药爆炸所释放出的能量破坏其周围的介质,以达到拆除、开孔或破坏特定目标的一种手段,而塌陷为地表在人或自然的作用下产生的低于水平面的一种塌陷现象,塌陷大体划分为工程轰炸爆破、工业轰炸爆破、核试验轰炸爆破、水下轰炸爆破及一切针对特定爆炸目标设施进行的轰炸爆破;塌陷指喀斯特处的溶洞烈性塌陷等。2.爆破、塌陷的震源特点2.1爆破震源特性爆破地震属于人工地震。爆破的原理是对原外部的介质施加压力,会产生震波,就初方向来说是垂直向上的。爆破地震一般发生在地表以下3千米或者更深
4、层的地表之下,在其变质岩层的里面发生。2.2塌陷震源特性地面塌陷所产生的地振动造成的地震波多数发生在大型煤矿区,发震的地理位置较为普遍,大多在大开采面周围或者在页岩断裂底层面和页岩断裂面交接处。而塌陷地震动无论是地震波形物理现象还是成因均比较复杂,不同的地质结构,不同的发震区域、不同的震源深度下所发生的每一种塌陷波和地震波都可说是有很大区别的,如果岩层局部已经积累了许多的破裂应力,并且已经超负荷于岩层局部本身,那么岩层就开始错位和横着上移,是非常危险的。3.爆破、塌陷特征分析在地震爆炸产生时,把人们看见的面波叫做地滚波,资料显示它具有强烈、面积很大、地震时间长等特点。并且会随着爆炸时间的不断持
5、续而逐渐反射干扰波,它们与其他反射干扰波几乎同时可以到达,给我们地震监测工作造成强烈的高频干扰。3.1爆破、塌陷震相特征爆破震相特征主要用于研究山西地震台站附近及代县、大峨口和大同等重点地区的爆破。不同的地震中距离台站所在地记录的爆破震相特征可能有很大的不同。在地震距离较近的大震地方,如与大震中距几至几十千米的人工爆破与天然地震的爆破波形比较易于准确区分:天然的和地震在爆炸时间和爆破地点上面的随机性比较大,而人工轰炸爆破时间比较固定;人工轰炸爆破地震初动相反方向多以下为上,而天然的和地震爆破初动相反方向上下都可以有;人工爆破P g波(直接撞击生成的地震波)重复发育,初动清晰;s g波通常是次生
6、波,不重复发育;爆破垂直的部分方向爆破呈振幅较大的短波脉冲型;爆破有明显的低频地震成分的如瑞利r g型短或长周期的平面地震波。距离在几十千米至几百千米时,大爆破能量的测震爆破与小型地震不易准确区分,仍然具有以下几个特点:对于爆破能量、震级差别相021DOI:10.16631/15-1331/p.2022.06.046当的大型地震和海啸爆破,爆破波的震动较弱,波形强度衰减快;对于爆破震源浅、传播速度慢,随着震中距的加 大,高 频 成 分 会 快 速 衰 减 而 地 震 波 衰 减较慢。与天然地震相比,塌陷产生的地震所记录的地震波主要有如下特征:典型塌陷地震初动时主要是从上往下开始,而天然地震塌陷
7、初动时的方向上下部分别有;近距离上的塌陷地震初动方向周期小,尾波震动周期大,与天然地震震动易于准确区分;塌陷地震造成的地震体波波长周期记录要比天然地震大;典型塌陷整个地震波段中的波形简单、规则,含有高频波的成分少;在典型塌陷地震波形序列中的它具有明显的短波长周期的平面波R g波;塌陷地震振幅衰减较快,地震波形的持续时间比同量级的地震波短,体波周期记录较天然量级地震波的头部小;大同量级塌陷整个波形中的震动较为具有周期规律,而且体波周期的长度大小震动趋向一致,并有首波P n出现(图1,图2)。图1 2 0 1 2年1 1月2 1日山西文水ML 2.6爆破图2 2 0 1 1年9月2 0日山西交城M
8、L 2.7塌陷3.2爆破、塌陷特殊地震频谱特征分析3.2.1快速傅里叶变换信号f(t)的傅里叶变换定义为F(w)3ffei w tf(t)d t。傅里叶变换建立了研究微波发送信号发射频率域的时域与频域之间的基本特性关系,频率域的时域特性是研究微波发射信号的主要频率特性及其本质之一。从现代粒子物理学的基本意义上简单来讲,傅里叶变换的这种方法实质上就是把原来的两个信号同样频率称为f(t)的各个波形全部叠加起来分解成许多不同频率信号同样频率的各个波形进行叠加。信号上的表现形式以函数表示形式中的f(t)与其傅里叶变换中的函数形式f(w)分别认为是表示同一时间输出信号的两种不同存在的表现形式,前者因为分
9、别显示了互相存在频率时间域和频率域的信息而同时分别隐藏了互相存在时间频率域和时间域的信号,后者因为分别显示了互相存在时间频率域和时间时域信息而同时分别隐藏了互相存在频率时间域和频率时域信息,即它们分别实现了同一时间信号的互相存在频率时域和频域之间的互相存在信息上的转换。调用公式M a t l a b快速傅里叶变换(F F T)方法,即可快速求取一个变换频率密度图的基本特征,如山西文水爆破、陕西榆林塌陷幅频特性曲线特征,见图3。图3爆破、塌陷频谱特征曲线3.2.2S变换时频分析方法进行频谱研究S变换的窗函数采用宽度可伸缩的高斯函数,随着频率的变化其小波基函数可自动做伸缩变换,在高频段的时窗较窄,
10、其时间分辨率较高,而低频段时窗较宽,可获得较高的频率分辨率。若信号为h(t),其S变换为(1)式中,表示观测时间,f表示频率。基本小波由简谐波和高斯函数的乘积构成,定义为(2)一维连续反变换的公式为:(3)相应地,离散S正变换的公式为:(4)式中,j、m、n=0,1,N-1,j、m为时间样点序号,k、n为频率样点序号,T为时间采样间隔,N为离散样点总数。离散S反变换公式为:121 地球物理、地球化学(5)本文选用吕梁地区测震台站记录的高信噪地震波做S变换研究二者的波谱特征。以2 0 1 2年1 1月2 1日山西文水M L 2.6爆破和2 0 1 1年9月2 0日山西交城M L 2.7塌陷事件波
11、形为例进行对比分析,从图4、5中可见爆破和塌陷的主频都很明显,能量多集中在低频阶段0至1.3 H Z、能量衰减较快、频率成分相对简单,且塌陷的高频衰减要比爆破的大一点。图42 0 1 2年1 1月2 1日山西文水ML 2.6爆破时频分布图图52 0 1 1年9月2 0日山西交城ML 2.7塌陷塌陷时频分布图4.结论一是通过大量的典型天然爆破、塌陷与天然爆破塌陷地震的头部震动范围对比数据综合分析,认为对于典型天然爆破、塌陷等非天然爆破塌陷地震的震动识别方法一般需要先通过综合分析充分考虑以下几个主要因素:对于典型爆破、塌陷等非天然爆破塌陷地震在震动持续时间和地震发生时的地点中心位置上震动分布一般比
12、较固定,需要充分了解熟记山西地震中的所有资源持续时间震动分布;天然爆破塌陷地震爆炸初动则在相反方向,塌陷地震初动则在相反方向多以上至中为下,而天然突破爆炸塌陷地震体的塌陷爆炸初动则在相反不同方向上下都不能可以不具有;对同量级的天然爆炸震动,爆破、塌陷波的头部震动较弱,波形简单,衰减快,且对于典型天然爆破塌陷地震地振波为瞬时型和环形脉冲型地震波混合记录,正常生长发育;对于典型天然爆破、塌陷地震波形一般都可以具有明显的瑞利R g型震动波长周期和S型大面积脉冲体波。二是塌陷地震的优势是波动频率相对较低,而发生地震的波动频率较宽。上述属性特征与测量间的特性差异与天然包括地震、爆破、塌方在内的震源断层深
13、度、震源断层尺度、震源断层破裂运动机制、地震波整体传播运动途径、地震波运动衰减等多种特性因素有关。地震发生的一般原因是地下岩石层某处临界应力十分集中,超过临界应力值时所产生的大型岩石山体错位移动,而山体爆破、塌陷一般是地震能量的瞬间快速释放。地震信息发生信号过程缓慢,频谱主要散布在低频到高频的较大频段范围,而山体爆破、塌陷地震信号发生频谱相对较多集中在较窄的频段。利用山西地震数字库和地震台网收集记录的矿山地震相关观测气象资料,深入分析研究矿山爆破、塌陷等大地震的动态发生运动规律,可以有效减轻地震相关自然灾害及经济损失,为山西省地区防震防险减灾各项工作开展提供决策依据,还可以帮助探索和研究建立一
14、种适合山西地区生态能源开发、治理和环境保护的管理思想。参考文献1靳玉贞,林木金,范晓瑜,刘晓萍,何佳,杨世英,孟彩菊.山西地区爆破、塌陷(矿震)特殊地震动特征识别J.地震地磁观测与研究,2 0 1 5:6 7-7 0.2汪贵章,凌学书,张佑龙,戚浩,夏仕安,吴辉.安徽及周边爆破塌陷特殊地震动特征识别J.防灾科技学院学报,2 0 1 0:2 8-3 3.3毕明霞,黄汉明,边银菊,李锐,陈银燕,赵静.天然地震与人工爆破波形信号HHT特征提取和S VM识别研究J.地球物理学进展,2 0 1 1:2 7-3 4.4娄建武,龙源.爆破震动信号的特征提取及识别技术研究J.振动与冲击,2 0 0 3:8 2
15、-8 4+6 2+1 1 1.5李学龙1,2,李忠辉1,2,王恩元1,2,景林波3,冯俊军1,2,陈亮1,2.矿山爆破地震波混沌特征J.辽宁工程技术大学学报:自然科学版,2 0 1 6:1 2 3.6王婷婷,边银菊.振幅衰减特性在地震与爆破识别中的应用J.地震学报,2 0 1 5:1 7 1-1 8 1.7杨成荣,王桂岭,敖雪明.乌鲁木齐附近地区小爆破识别判据的研究用J.内陆地震,2 0 0 1:3 0-3 8.8汪贵章,凌学书,张佑龙,戚浩,夏仕安,吴辉.安徽及周边爆破塌陷特殊地震动特征识别J.防灾科技学院学报.2 0 1 0:2 6-3 1.9李悦,邵永新,张建新,陈嵩,马丽丽,程立康.宝坻新井不同深度水温变化特征及异常机制分析J.地震工程学报,2 0 1 6:1 0 6-1 1 2.1 0高翠珍,王晓霞,孟彩菊,安凯杰,薛锦明,薛生瑞,方燕勋.基于S变换的离石台形变观测数据时频特征分析J.山西地震,2 0 2 1:6-9.221
