山西襄垣-潞城ML2.8有感震动事件类型判别.pdf
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1、以 2019 年 12 月 15 日山西长治市襄垣-潞城交界发生的 ML2.8 有感地震事件为例,从构造环境、频谱特征、震源参数、破裂机制、同期地震活动和现场调查等方面,对襄垣-潞城地震的震源特征进行分析。结果显示:襄垣-潞城地震具有较同区域地震相对低的频率分布、较低应力降和较大破裂尺度等特征,震源深度位于高低速转换层,且与之后区域同期密集发生的 4 次 ML3.0 地震活动具有大体一致的主压应力轴方向,也与震源区赋存介质显示的所受 NNE 高主压应力作用方向接近。故研究认为襄垣-潞城地震是区域应力增强作用叠加在局部原有NNE 向高主压应力的作用下,在矿区诱发的一次浅源 地震事件,可能与矿区煤
2、层气开采水压致裂注水,对震源区断层截面起到润滑作用而降低摩擦系数,区域较小的应力变化引起先存断裂活化有关。关键词:长治盆地;文王山地垒;震源机制解;频谱特征;构造应力场;诱发地震中图分类号:P315.6 文献标志码:A 文章编号:10031375(2023)03008011doi:10.3969/j.issn.10031375.2023.03.012 0 引言山西矿多面广,地质构造复杂,历史上大震多发,小震频发。近几年来,记录波形形态复杂的地震事件时有发生,震级在 ML3.0(文中未强调的震级都是指 ML)左右的就有多起,尤其长治地区沿文王山地垒附近区域小震活动更加明显。该区矿业开采活动密集,
3、开采种类多样,不仅采煤,也采煤层气。随着采煤深度的逐年增加,煤层气开采水压致裂技术的应用,地震事件记录形态变得复杂,类型也多样。不仅有天然地震,也有非天然地震(塌陷、矿震等),增加了编目和速报工作及时准确判定事件类型的难度。因此,准确区分、识别地震事件类型成为目前亟待解决的问题。基于上述原因,很有必要对这些事件做深入的探讨,对评估区域性地震活动和矿震成因研究等方面具有重要的现实意义。本文以 2019 年 12 月 15 日 01 时 32 分发生在山西长治市襄垣和潞城两县交界区域的 2.8 级有感地震事件为例进行分析研究。据襄垣-潞城地震发生后现场实地调研工作组反馈,地震事件发生期间,震中附近
4、各矿没有进行大的爆破作业。该震震中落在山西测震台网监测腹地之东南,台站包围较好,台网完整记录了本次地震事件。山西测震台网运行的 74 个子台中,超过 40 个子台记录到此次地震,震中距超出 350 km 的偏关(PIG)台(图 1)、大同恒山(HSH)台都有记录,且其近台波形有别于本区域历史构造地震和塌陷地震的记录特点。记录波形尾波与塌陷、爆破相似,但近台初动极性四象限分布(图 1 右上角内嵌图给出震中距 200 km 范围内记录良好的台站分布及初动极性分布)不符合山西塌陷地震基本向下的特征,与震源附近记录的屯留塌陷存在明显不同,但与长治盆地内的高平矿震、构造地震均有相似。鉴于襄垣-潞城地震表
5、现出的记录特殊性,有必要重新对此类地震事件进行分析。本文拟从地震波的时频特性、震源深度、震源参数、震源机制解等方面,结合区域构造环境和地震活动性进行分析探讨,以求达到区分不同震源性质的目的。收稿日期:2022-11-10基金项目:山西太原大陆裂谷动力学国家野外科学观测研究站项目(NORSTY2021-06);山西省地震局科研项目(SBK-2220)第一作者简介:董春丽(1974),女,高级工程师,主要从事地震监测与应用研究.E-mail:第 41 卷第 3 期华 北 地 震 科 学Vol.41,No.32023 年 7 月NORTH CHINA EARTHQUAKE SCIENCESJul.,
6、2023 1 区域地震地质构造背景长治地处山西省东南部,东倚太行山,与河北、河南两省为邻,西屏太岳山,与临汾市接壤,南部与晋城市毗邻,北部与晋中市交界。全境位于由太行山太岳山环绕而成的上党盆地中,平均海拔 1 000 m(https:/ 5 大盆地相比,地震强度弱,频次低,历史上发生的最大地震为 1497 年屯留M5 地震。图 2 是图 1 中实线矩形框区域的地质放大图,图中五角星即表示襄垣-潞城地震的震中位置。从地质构造环境来看,本次地震震中靠近文王山地垒南断裂与长治断陷盆地衔接的部位,其北侧是文王山隆起区,从震中沿文王山南断裂东延 4050 km是其与晋获断裂带中段起始的交汇部位,南侧是长
7、治断陷盆地。该地垒两侧煤矿居多,也是目前煤层气开采的集中区域。图 2 中左下角内嵌图是潞安矿区构造纲要及煤层气开采井位分布情况1。文王山地垒是榆社-武乡盆地和长治盆地之间的 横 向 隆 起 区,位 于 长 治 盆 地 北 缘;该 隆 起 呈NEE 走向,东西长 26 km,南北宽 2 km,受南北两侧断裂控制;文王山地垒南侧断裂走向 NE 7080,倾向 SE,倾角 70,垂直断距 230400 m,该断裂在中更新世有过强烈活动。长治盆地是在太行山隆起背景上沿 NNE 向长治断裂发育形成的半地堑式断陷盆地,走向为 NNE 向,长约 80 km,宽约 50 km;盆地内沉降中心位于长治市一带,基
8、底埋深 280 m,向西和向北基底埋深逐渐变浅并发生掀斜呈箕状,基底上部的地层为上第三系至第四系全新统。长治断层是晋获断裂带中段的西界,控制了长治断陷盆地;断层走向 NE25,倾向 NW295,倾角 70。晋获断裂在遥感图像上线性构造十分清晰,地表出露斜歪褶皱和逆冲断层组合,西侧被新生代活动的长治正断层所改造2,反映了本区域构造应力场环境的复杂;构成断裂带的地层以下古生界为主,断裂带东侧主逆冲断层,断层构造岩以碎裂岩为主,未见糜棱岩类,显示晋获断裂带中段的挤压逆冲变形主要处于较浅层次的脆性变形环境2。该区地震的震源深度主要集中在815 km,优势分布与此相吻合。2 襄垣-潞城地震特征分析2.1
9、波形记录整体特征分析本次襄垣-潞城 2.8 级地震,400 km 远的台站也有微弱记录,辐射范围广。台站分布较好包围了震中。震中周缘 200 km 内的台站有 29 个,离震中最近的台站是襄垣(XAY)台,震中距约 26 km。选用震相清晰的 27 个台(图 1 右上角内嵌图)震相数据进行定位,最大空隙角 69,微观震中为 36.44N,112.99E。从图 3a 显示的近台记录情况来看,本次事件波形高频成分较历史地震相对少,波列干净,震相清晰,初动呈四象限分布(图 1 右上角内嵌图),反射震相不突出,基本上直达波最大振幅比 Ap/As 1/3。这些特征与图 3c 本区襄垣构造地震特征相符,基
10、本符合构造地震特点3-4,不符合爆破和塌陷表面源地震事件的 P 波和 S 波最大振幅比的特征5-9。而近台尾波衰减相对慢,短周期面波明显,远台没有,这些方面又与爆破、塌陷地震(如图 3b 本区域屯留塌陷)有相似之处5-9,也因此初始类型判定为塌陷地震,与晋城高平区图 3d 矿震事件波列特征存在相似之处。基于该地震整体形态特征复杂,仅从波形记录来判定事件类型有难度,需结合频谱、震 襄垣-潞城地震4.04.93.03.92.02.940N38N36N34N111E113E115E 注:震中地名和旁边数字 16 代表襄垣-潞城地震同期发生的地震及先后顺序;左边列出的震源机制解图及其上标出的数字是其中
11、 4 次 ML3.0 的地震,数字与之对应;0 号是襄垣-潞城地震;右上角内嵌图是襄垣-潞城地震定位200 km 范围内台站及相应初动极性分布图;代表初动不清,代表初动向上,代表初动向下)图 1 山西测震台网部分子台分布及襄垣-潞城地震与同期地震活动震中分布图Fig.1 Distribution of some sub-stations of Shanxi seismic networkand epicenter distribution of the Xiangyuan-Luchengearthquakes and contemporaneous seismic activity3 期董春丽
12、,等:山西襄垣-潞城 ML2.8 有感震动事件类型判别81 源参数等方面进行有益探讨。2.2频谱特征对本次地震在时间域进行傅里叶变换,最近XAY 台垂直向频谱特征的优势分布范围是 0.24.1 Hz。同时,选取了长治地区发生的 3 类不同类型事件(构造地震、塌陷、矿震)共 13 次。这些事件的震中尽量接近、震级相同或相近,尽可能地减少传播路径介质对频率成分的影响,选用震中距尽可能 靠 近 的 台 站 记 录,并 用 同 样 的 方 法 计 算 了XAY 台或 CHZ 台垂直向记录的频谱进行比较。如图 4a4f 列出部分震例,其中图 4c 和 4f 震中相近,沿长治断层;图 4a4b 和 4d4
13、e 中 4 个地震沿文王山地垒南断裂,图 4a 为本文研究的地震。研究发现:2 次塌陷(2.7 级和 2.8 级)的优势频谱范围都在0.251.5 Hz;2 次矿震(2.7 级和 3.1 级)优势频率范围是 0.28.0 Hz,出现 2 组突出的较低频的峰值;构造地震选取震级在 2.73.7 级范围共 8 次,震源深度 815 km,表现出优势频率范围与震级有密切关系,震级越大,频谱范围越宽,且频谱的上下限随震级增加都有提高,综合来看优势频率范围分布在0.221 Hz,同时有的地震会有多个频率峰值出现。本次地震事件频谱的主频范围接近矿震,与 11245E3630E3620E3610E11300
14、E19210311145678121.强烈隆起区;2.中等隆起区;3.断陷盆地区;4.盆地边界;5.新生界等厚线(m);6.第四纪断裂及活动时代;7.正断裂8.断裂带;9.二级新购走分区及边界;10.本文研究地震;11.M=5.05.9 级地震;12.M=3.03.9 级地震主要断裂:F1:西坡断裂带;F2:王家庄断裂;F3:河坡断裂;F4:西上峪断裂;F6、F7:文王山北、南侧断裂 F8:文昌断裂;F9:中华断裂;F10、F11:二岗山地垒南、北侧断裂新构造分区:I:榆社-武乡坳陷盆地;II:沁源隆起区;III:文王山隆起区;IV:长治隆起区;V:石匣隆起区 图 2 襄垣-潞城地震震中周围地
15、质构造图(左下角内嵌图是潞安矿区构造纲要及井位分布)Fig.2 Geological structure map around the epicenter of the Xiangyuan-Lucheng earthquake,with an inset map of the structural outline and welldistribution of the Luan mining area(taken from reference 1)in the lower left corner 山西鑫宇化工有限公司 425 500 千伏安电炉项目工程场地地震安全评价报告 R.山西省地震工程勘
16、察研究院,2007,20-34.82华 北 地 震 科 学41 卷 2018 年 1 月 3 日的襄垣地震相似度更高一些,整体形态上缺少更多高频部分,不具有本地区构造地震频谱往往多于 2 组。不同类型地震事件的这些频谱特征也与同行研究结果基本一致 3,9-10。从波形记录和频谱 2 方面特征来看,襄垣-潞城地震事件与同区域内非天然地震事件相似度低于构造地震的相似度。2.3震源参数的确定地震震源机制解和相对准确的震源深度是确定发震构造几何结构特征、运动学特征、构造变形特征、震源区应力场特征及深入分析孕震环境的最基础性资料。2.3.1 应力降和破裂尺度等震源参数计算结果地震应力降是表征震源特性,即
17、与震源介质、区域构造应力水平密切相关的一个重要参数,确定地震的应力降可以提供震前状态和构造过程的信息。地震应力降反映了地震区域震源尺度的破裂程度,而且还代表了区域应力场的强弱;不仅与地震强度正相关,也与震源深度有关。本文采用Brune 圆盘模型,拟合理论震源谱,求出零频极限0和拐角频率 fC,进而计算出地震矩、地震应力降和震源破裂尺度11。其中,拐角频率作为震源参数中一个独立的量,其微弱变化对震源参数尤其是应力降影响显著。本次研究利用台网记录的事件数字波形资料,通过震源谱计算了 2019 年 12 月 15 日襄垣-潞城地震的震源应力降和震源破裂尺度等参数。同时,也计算了襄垣-潞城地震后相继发
18、生在山西断陷带中南部的 6 次地震的震源参数(表 1 中序号 27)。另外,还考虑减少传播路径等因素对记录中频谱成分的影响,计算了近年来发生在襄垣-潞城震中附近 3 次(2 次襄垣地震,1 次屯留地震)地震的参数,结果见表 1 中序号 810。从表 1 显示的 10 次地震的震源参数和图 5 对照显示的这 10 次地震的分布及应力降大小可以看出:5 sa 2019 年 12 月 15 襄垣-潞城地震b 2017 年 8 月 17 日屯留塌陷地震c 2013 年 3 月 19 日襄垣地震d 2016 年 8 月 7 日高平矿震 图 3 震级相近特征不同的 4 次地震事件近台三分向波形记录图Fig
19、.3 Three components waveform records of four earthquake events with similar magnitudes but different characteristics recorded by stations inthe vicinity of the epicenter3 期董春丽,等:山西襄垣-潞城 ML2.8 有感震动事件类型判别83 1)襄垣-潞城地震(表 2 中序号 1,图 5 中红色圆球)与随后发震的 6 次地震(序号 27)、与襄垣-潞城震源接近的 3 次地震(序号 810)相比较,其应力降明显较低;震源破裂尺度是
20、 4.2 级地震的2.5 倍,是 同 区 域 震 级 接 近 的 屯 留 2.7 级 地 震 的4 倍;矩震级比 ML震级大 0.2,其他地震的矩震级均小于 ML震级,幅度在 0.20.6 级之间。2)长治盆地内同期先后发生两次地震,即襄垣-潞城地震和长子地震。长子地震震源参数与其他 5 次地震比较相近,震级小,震源深度比较深,应力降相对高,破裂尺度相对小,而前者表现出明显不同的应力降和震源破裂尺度。究其原因来看,可能与如下 3 个方面有关。襄垣-潞城地震表现出的低应力降特点,与在震源附近进行的水压致裂测试结果“常村和漳村矿区侧压系数小于周围区域,说明该区储煤层承受的构造应力较弱”1表现较一致
21、,可作为参考;构造应力场与岩层内发生过的构造运动与存在的地质构造有关,尤其水平方向的 表 1 襄垣-潞城地震和同期地震及震源附近地震震源参数表Table 1 Source Parameters of Xiangyuan-Lucheng Earthquake,Concurrent Earthquakes,and Earthquakes near the Epicenter 序号年 月 日时 分纬度/(N)经度/(E)震级(ML)深度/kmc/Hz应力降/MPa震源破裂尺度/m矩震级(Mw)参考地名12019-12-1501:3236.44113.002.81.3050.019988.93.0襄垣
22、-潞城22019-12-2104:5236.18111.392.521.16.8640.207189.92.3尧都32019-12-3007:3538.15112.673.013.05.5520.415234.82.7阳曲42020-01-0102:4036.15112.642.421.58.9310.400145.92.2长子52020-01-0613:3537.91113.133.517.13.5730.372364.83.0寿阳62020-01-0622:1636.55111.723.126.56.2380.639209.02.7霍州72020-01-0622:2137.47112.36
23、4.220.43.361.548387.93.5祁县82019-06-2016:2436.46113.163.19.03.3890.160384.62.8襄垣92018-01-0316:0736.47113.163.311.62.4190.110539.03.0襄垣102017-12-1418:3236.31112.782.712.55.310.214245.52.5屯留 表 2 重定位使用的 P 波速度模型Table 2 P-Wave Velocity Models Used for Relocation 上界面深度/km0414234080P波速度/(kms1)4.85.906.306.7
24、57.98.10 0123456789频率/Hz5001500100050004003002001000振幅3002001000振幅8006004002000振幅3000200010000振幅150100500振幅振幅幅频图a 2019-12-15 01:32 襄垣-潞城地震 ML2.8 XAY 台:25.8 km051015202530024681012141618频率/Hzc 2016-08-07 09:32 高平矿震 ML2.7 CHZ 台:28.9 km h:3.4 km024681012频率/Hze 2018-01-03 16:07 高平矿震 ML3.3 XAY 台:29.0 km
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