矿震是在区域应力场的作用下，受开采活动影响而发生的诱发地震(姜耀东等，2014).由于开挖卸荷作用，在一些采空区会发生顶板冒落、岩层坍塌及矿柱剪切失稳从而引发矿震(或冲击地压)(Teyssoneyre et al., 2002；李铁等，2005；刘莎等，2012；杨慧等，2018；Wang et al., 2019).随着矿区开采深度和开采强度的不断增加，近年来矿震也呈现震级增大且活动频繁的趋势.矿震的频繁发生给矿区安全生产带来了严重的危害，如2007年美国犹他州M3.9矿震造成9人死亡(Dreger et al., 2008)；2015年山东平邑M4.0矿震造成1人死亡和13人失踪(杨慧等，2018).因此，研究矿震活动规律，特别是M＞2.0较强矿震的时空分布，对有效防治矿震灾害，保障生产安全具有重要的意义.

据中国地震台网测定，北京时间2019年11月12日18时4分在辽宁抚顺市发生2.4级地震(北纬41.88°，东经123.93°，深度0 km).震中位于老虎台煤矿，从区域记录地震波形可以看出，P波初至极性在不同方位角均向下(图 1)，初步认为是一次矿震事件.抚顺老虎台煤矿有百年井下开采历史，自1998年进入地下800 m深部开采以来，矿震频次和强度增加，最高震级M3.7(李铁等，2005).地质调查结果显示矿区主要有褶皱和断层两种构造，分布有14条大型断裂，且在断裂处为矿震(或冲击地压)的多发区域(孙晓元等，2011).通常，矿震的震源深度浅，容易造成矿区灾害严重，而矿区复杂的地质结构及应力场也会形成不同的矿震破裂机制，如空区塌陷、矿柱冲击、张性破裂和逆冲挤压等(Hasegawa et al., 1989).因此，准确获取矿震的空间位置及震源破裂机制能够帮助我们了解和判断矿区岩体结构及其破坏机理(唐礼忠等，2017).传统的双力偶源描述的是沿断层面的剪切位错，而对一些特殊震源，如冰震(Walter et al., 2009)、核爆(Minson and Dreger, 2008)、矿震(Ford et al., 2009)和流体触发地震等(Shuler et al., 2013；张广伟和雷建设，2015；Zhang et al., 2019a)，震源破裂过程表现出显著的非双力偶特征(例如体积膨胀或压缩)，因而包含非双力偶成分的地震矩张量研究就显得尤为重要.地震矩张量不对震源模型作先验的假定，能够更为全面地反映震源破裂机制，在震源类型研究中具有广泛的应用(许力生等，2007).

图 1

Fig. 1

图 1 (a) 本研究所用台站分布及不同台站P波初至极性方向图；(b) 流动台站分布图，红色五角星为M2.4矿震位置，黑色线为敦化—密山断裂；(c) 本研究所用一维速度模型 Fig. 1 (a) Distribution of seismic stations and the onset direction of P waves; (b) Distribution of temporary seismic stations. The red star represents the M2.4 mining earthquake, and the black line is the Dunhua-Mishan fault; (c) Velocity models used in the study

矿震的孕育及破裂机理是复杂的，但在矿震发生前后通常会有相对较多的微震事件(姜福兴等，2006；李文健，2015).研究表明，微震在空间上的分布不是随机的，只有受到外力干扰，如卸荷产生的次生应力场(李铁等，2005)，在坚硬岩层原有或新产生的裂隙等应力集中区才会发生能量的释放(姜福兴等，2010).微震能量弱经常淹没在背景噪声信号中，而通过扫描密集台阵记录的连续地震波形，可以获取大量人工无法识别的微震事件(Zhang et al., 2019b).通过有效探测矿区岩层的微震事件，可以及时发现断层活化的位置，进而为采取防治措施提供科学依据(姜福兴等，2006).

为此，本研究基于密集地震台阵观测，联合固定地震台站波形资料，反演获得2019年11月12日辽宁抚顺M2.4矿震矩张量解，并通过微震扫描获取矿震发生前后11月3日至25日的微震事件，探讨矿震破裂机制及微震的时空分布特征，提高对矿区地震活动和孕震风险的认识.

短周期密集台阵观测在浅层速度结构、滑坡微震监测及深部速度界面等方面具有很好的应用(Li et al., 2016; Shen et al., 2017; Liu et al., 2017; 盛敏汉等，2018；张明辉等，2020).本研究于2019年11月3日至25日在辽宁抚顺地区布设两条测线，近垂直穿过郯庐断裂带(辽宁段)的敦化—密山断裂，共60个三分量短周期地震仪，其中流动台L128数据记录不完备被舍弃，其余仪器在布设时段内均有连续的地震波形记录(图 1).仪器记录频带范围0.2~150 Hz，外置GPS授时，布设台间距200~400 m.为了改善台站方位角覆盖，我们选择研究区1°范围内共8个宽频带固定地震台站参与震源机制反演和微震扫描定位(图 1a).

采用gCAP(generalized Cut and Paste，Zhu and Ben-Zion, 2013)方法求取地震矩张量，该方法将地震矩张量M_ij定义为：

(1)

其中M₀为标量地震矩，I_ij为2阶单位张量，ζ为各向同性参数(Isotropic，ISO)，变化范围为[-1，1]；χ为表征补偿线性偶极子参数(Compensated Linear Vector Dipole，CLVD)，变化范围为[-0.5，0.5]；D_ij^DC和D_ij^CLVD分别为归一化的双力偶(Double Couple，DC)和CLVD张量.为了定量评价DC、ISO和CLVD三个分量在地震矩张量解中的相对强度，采用参数的平方值来表示(Zhu and Ben-Zion, 2013; Chapman and Leaney, 2012)：

(2)

其中|Λ^ISO|+|Λ^ISO|+|Λ^CLVD|=1.

gCAP方法将地震波形分为Pnl和S波(或面波)两部分并赋予不同权重，计算理论和实际波形的拟合误差函数，使用网格搜索获取六个独立变量：走向、倾角、滑动角、M₀，以及ISO参数ζ和CLVD参数χ.该方法允许理论波形和实测波形相对时移拟合，减少了速度模型误差和地壳横向不均匀性的影响.反演中Pnl和S波截取波形窗长分别为20 s和40 s，相应滤波范围为0.1~0.3 Hz和0.05~0.1 Hz.走向、倾角和滑动角的搜索步长为10°，参数ζ和χ搜索步长分别为0.1和0.05；另外，在深度上每间隔100 m反演一次震源机制获取最佳矩心深度.格林函数采用频率-波数法(FK)来计算(Zhu and Rivera, 2002)，采样间隔设为0.1 s、采样点为1024个.一维速度模型参考勘探和钻孔资料(廖旭等，2008)及区域一维模型获得(Zhang et al., 2019a)(图 1c).

微震扫描采用Zhang等(2019b)提出的快速识别定位法.该方法不需要模板事件(Peng and Zhao, 2009)，首先采用长短窗方法(Sta/Lta)在连续波形中识别出P波和S波到时；然后在记录台站范围划分三维网格节点，运用理论走时表与拾取的P和S波走时差搜索地震，很大程度减少了计算时间；最后定义记录到时个数最多且走时残差最小的网格点为识别微震的位置.结合矿区范围小及震源深度相对较浅的特点，本研究扫描微震事件在经度方向和纬度方向搜索间隔为0.01°，深度方向上在0~2 km范围内每0.1 km间隔搜索.为更准确的判定微震事件，设定至少有8个台站记录的事件为一次微震事件.微震震级评估将水平分量地震波形仿真到Wood-Anderson地震仪进行计算(Hutton and Boore, 1987; Zhang et al., 2019b).获取微震事件后，进一步运用双差定位法对地震位置进行修正(Waldhauser and Ellsworth, 2000).

本研究联合使用短周期流动台站和宽频带固定台站记录到的波形数据，反演获得了2019年11月12日辽宁抚顺M2.4矿震的矩张量解.图 2a展示了地震矩张量解(下半球投影)以及理论和实际波形拟合图，整体上波形的拟合相关系数较高，反演结果可靠.得到矿震矩震级为2.8级，非双力偶参数ζ和χ分别为-0.62和-0.01.通过求取不同深度地震矩张量，得到最佳矩心深度为0.6 km(图 2b).我们将地震投影到震源类型图上(图 2c)，震源位于体积闭合区域，表现为明显的塌陷压缩机制(-ISO).为了评价双力偶成分的相对强度，将地震矩张量按公式(2)进行分解，其中DC、ISO和CLVD分量分别占比61.3%、38.7%及0%.数值测试研究表明，速度模型误差、数据噪声及介质各向异性能够造成矩张量中非双力偶成分的误差最多为15%(Vavryčuk, 2005; Wang et al., 2019; Zhang et al., 2019a)，而本研究结果ISO分量占38.7%，表明震源破裂过程中的确存在体积的压缩闭合.另外，DC分量占61.3%，其最佳双力偶节面解为：节面1走向228°、倾角67°和滑动角40°，节面2走向120°、倾角54°和滑动角150°.地震矩张量解中包含较高的DC分量说明震源塌陷破裂伴随剪切滑动，并不是单纯的塌陷型矿震破裂机制.

图 2

Fig. 2

图 2 (a) 2019年11月12日M2.4矿震矩张量及理论(红色)和实际(黑色)波形对比图，波形下方数字表示理论相对实际波形的相对移动时间和二者的相关系数；左侧大写字母表示台站名，台站下方数字为震中距和相对偏移时间；(b) 不同深度上矩张量解及其反演方差；(c) M2.4矿震震源类型图，等值线代表DC分量的百分比 Fig. 2 Seismic moment tensor solution and comparison between synthetic (red) and observed (black) waveforms of the 12 Nov. 2019 M2.4 earthquake. The numbers below each trace are relative time shifts and cross-correlation coefficients. The station names are given on the left and the numbers below each station are epicentral distance and relative time shift; (b) Focal mechanism solutions and rms of the mining earthquake at different depths; (c) Source type plot of the M2.4 mining earthquake. The contours show the percentages of DC component, and the red dot represents the mining earthquake

为了更好地探讨矿震前后微震的时空变化特征，我们详细扫描了11月3日至25日记录的连续地震波形.相比较初始地震目录只有一个M2.4地震，我们新检测出324个微震事件，震级范围为-0.5~2.0.采用本研究的震级评估方法获得11月12日矿震的震级为2.7级，地震矩张量反演得到矩震级为2.8，两者震级大小较为一致，但与地震目录中给出的M2.4有一定差异，可能是由于测定仪器记录响应差异造成.为了统一性，在本文中矿震震级的表述采用中国地震台网中心给出的震级值M2.4.图 3展示出检测的M0.3、M0.7及M1.4地震事件波形，检测结果表明在连续波形中能够有效地识别不同震级的微震.在我们台站布设期间，平均每天约发生15个地震.地震在平面上分布显示，矿震发生位置存在一个明显的南北向条带(图 4a)，且地震序列随着时间逐渐向南迁移.另外，从MT图上可以看出(图 4b)，11月4日发生一次M2.0地震，而在11月12日M2.4矿震发生的前2天，M＞1.0事件显著增加；在矿震发生后，微震的发生频率增强，特别是M＜1.0地震，可能表明此次矿震导致微破裂事件增多.我们进一步采用双差定位法对初始检测地震进行重定位(Waldhauser and Ellsworth, 2000)，获得212个精定位结果，其东西、南北及垂直向的相对误差分别为46 m、44 m和61 m.三维分布图显示(图 5)，在矿震发生的区域，微震序列随时间向南并往深部迁移(约1.5 km)，结合矿震震源破裂过程中表现出一定的双力偶机制，我们认为该区域分布有先存断裂，矿震促使断裂活化发生剪切滑动.

图 3

Fig. 3

图 3 检测到微震在不同地震台站上的波形图 其中灰色波形为背景连续波形，红色波形为检测的微震事件波形. Fig. 3 Waveforms of the detected microseismic events at different stations The gray waveforms denote continuous seismic records, and the red waveforms are detected events.

图 4

Fig. 4

图 4 (a) 检测微震事件平面分布图；(b) M-T图，颜色代表不同的发震日期 Fig. 4 (a) Map view of detected microseismic events; (b) Magnitude-time plot. Colors indicate the date of event occurrences

图 5

Fig. 5

图 5 重定位微震三维空间分布图 颜色代表不同的发震日期. Fig. 5 3D distribution of the relocated microseismic events Colors indicate the date of event occurrences.

小震级地震波形受到背景噪声的污染，采用区域地震台站波形(如震中距＜300 km)反演震源机制通常只能获得M＞3.5地震的结果(Tan et al., 2006；Wang et al., 2019; Zhang et al., 2019a)；在已知较大震级(M＞4.0)震源机制的情况下，通过校正传播路径的影响，能够获得M＞2.0的小震震源机制(Tan and Helmberger, 2007).而如果有密集近台观测可以反演得到M＜2.0地震的震源机制解(Julia et al., 2009).本研究基于密集台阵观测，结合固定台站资料较好地约束了M2.4地震的震源机制.震源破裂表现为塌陷型机制，最佳矩心深度为0.6 km，证实为一次矿震事件.

前人研究表明，矿震与天然构造型地震不同，其破裂机制受重力场的诱发作用突出，表现为围岩产生指向开挖空间的位移(李铁等，2005).本研究地震矩张量中表示体积压缩的ISO分量占38.7%，DC分量占61.3%，表明震源破裂为塌陷闭合，同时也存在剪切滑动，这种剪切运动与矿区先存断裂有关.地质调查显示老虎台矿区存在14条断裂，在开采掘进面通过断层时，地震事件明显增多(孙晓元等，2011)，说明卸荷作用容易在先存破裂面上诱发较大震级地震，大事件打破了围岩的应力平衡，进而引发剪切运动(唐礼忠等，2017).结合本研究微震检测结果，在11月12日M2.4矿震前M＞1.0地震的频度增加，暗示存在局部的应力集中.M2.4矿震发生后，在矿震发生区域出现一个南北向微震条带(图 4a).在平面上，微震事件随时间逐渐向南迁移；在深度上，微震向深部倾斜扩展，破裂延展到较深区域(图 5)，说明主震触发了较多的余震序列，该区域呈现为微震频发区，可能表明矿震促使先存断裂活化，应加强该区域的矿震危害监测.另外，在两条地震台站测线中间存在一个微震丛集(图 4a)，从发震时间上可以看出，主要是在M2.4矿震后频度增加(图 4)，推测是M2.4矿震的触发事件，其发震机制需要进一步的研究.

矿震的破裂机制具有复杂性和多样性(Hasegawa et al., 1989; 李铁等，2005; 唐礼忠等，2017；杨慧等，2018；陈栋等，2019)，有效判定矿震事件是一个重要的研究课题.从记录波形上可以直观看出矿震初动向下(图 1)，并且震源深度浅(图 2).波谱分析显示矿震波形的高频成分能量衰减快(刘莎等，2012).从震源破裂机制的角度，本研究表明采用密集台阵观测能够反演M＞2.0地震的矩张量解.老虎台矿区M＞2.0事件较多，通过统计非双力偶分量的强度，可以为判定矿震类型提供更为可靠的依据.另外，加入微震的检测和定位，能够为识别断层或裂隙活化的位置提供参考，进而指导矿区作业活动，例如适时调整开采方式，缓解局部应力集中，从而达到避开矿震灾害的目的.

本研究短周期密集台阵观测系统主要在矿区呈现两条测线式分布，加入固定台站一定程度改善了方位覆盖，虽然可以检测出较多的微震事件，但对于地震定位依然不理想.理论测试结果表明，当记录台站的方位覆盖集中位于地震事件的一侧，采用双差定位法可以很好地还原地震的相对位置，而绝对位置会整体偏向台站方向(张广伟，2011).本研究重定位给出的是微震的相对空间位置，东西、南北及垂直三方向的平均相对误差在61 m以内，其在深度上能够展示出破裂的展布范围及形态，并且微震随时间的演化也可以很好地描述矿震前后微破裂的迁移特征(图 4和图 5).下一步的研究工作可以采用合理的台站布设方式(面状或环状)以及利用三维速度模型，能够更好地约束震源机制及微震的绝对位置.

本研究基于密集台阵观测对2019年11月12日辽宁抚顺2.4级矿震开展矩张量反演及微震检测研究.震源机制解包含明显的非双力偶分量(ISO占38.7%)，表现为体积压缩的塌陷机制，并且震源深度较浅，最佳拟合矩心深度为0.6 km.相比较台网目录只有一个矿震事件，微震扫描新检测出324个微震事件(-0.5~2.0级)，结果显示在M2.4矿震发生前M＞1.0事件显著增多，且在矿震位置存在近南北向的微震条带，微震序列随时间向深部迁移，暗示存在断层活化迹象.我们的研究结果表明，此次事件与矿区塌陷破裂密切相关，同时伴随先存断裂的剪切运动.本研究结果表明基于密集台阵观测的地震矩张量反演和微震检测研究，对判定矿震类型和防范矿区灾害具有重要的研究意义.