2018, Vol. 39
2016年6月25日—8月10日，湖南省共发生地震27次，其中ML 3.0以上地震6次，分别为7月8日郴州ML 4.1、7月13日邵东ML 3.8、7月19日涟源ML 3.8、8月3日保靖ML 3.3、8月4日保靖ML 3.1以及8月9日郴州ML 3.7。与以往相比，在短时间内连续发生小震活动，特别是多次发生ML 3.0以上地震，且分布在不同构造和区域，在湖南地区有仪器记录以来较为罕见。其中，7月19日涟源ML 3.8地震震中位于煤矿采空区边缘，既具有天然地震特征，又具有采矿诱发的塌陷(即塌陷型矿震)特征，事件类型判定此前存在争议。
根据湖南省地震台网监测，2016年7月19日湖南涟源发生ML 3.8地震，微观震中位于(27.68°N，111.84°E)，宏观震中在涟源市斗笠山镇，有感范围较大，震中最大烈度为Ⅴ度，微观震中和宏观震中基本吻合。该地震震中距斗笠山煤矿较近，且地震波形具有天然地震和塌陷(矿震)特征，给地震类型判定增加了难度。
多年来，一些专家学者对天然地震、爆破和塌陷的记录特征及识别方法开展了许多研究工作(张小东，1980；赵永等，1995；狄莉莎，2004；汪贵章等，2010)，提出一些有效的识别方法和手段。闫俊岗等(2011)、杨柳等(2015)和靳玉贞等(2015)通过震相特征、波形对比及频谱分析等方法来识别天然地震、爆破和塌陷(矿震)，取得了较好效果。本文将通过波形特征、频谱特征及震源机制解等方法，综合判断此次涟源ML 3.8事件类型。
1 资料选取 1.1 地震资料根据中国地震台网中心统一地震目录结果，自1971年1月1日至2016年8月31日，湖南省涟源市共发生地震106次，震级范围ML 1.0—3.8，这些地震主要分布在涟源市斗笠山镇、石马山镇一带。2009年后，湖南省开始进行数字化记录，地震波形资料保存完整，2009年1月1日至2016年8月31日，涟源市共发生地震29次，震级范围ML 1.5—3.8，其中ML ≥2.5地震5个，见表 1，最大地震为本次ML 3.8地震，距宁乡—娄底—新宁断裂约10 km，地震类型判定此前存在争议，本文通过波形及频谱特征与震源机制解等方法进行综合判定。
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表 1 2009年1月1日至2016年8月31日湖南涟源ML ≥2.5地震目录 Tab.1 Lianyuan ML≥ 2.5 earthquake catalog in Hunan Province from January 1, 2009 to August 31, 2016 |
2016年7月19日涟源ML 3.8地震震中在斗笠山镇沙坪村，位于斗笠山煤矿采空区。斗笠山煤矿开办于1958年，下辖斗笠山镇黄港、香花台、甘织乡柑子山、杨市镇湖坪、枫坪镇观山5个工区。柑子山、湖坪、观山3个工区2000年关闭，黄港和香花台2个工区开采范围包括14个村(含沙坪村部分区域)，于2015年11月27日关闭。
将原始矿区拐点数据及图形显示由大地坐标转换到地理坐标(汪新庆等，2014；康承旭等，2015)，得到黄港和香花台2个煤矿的开采区域(图 1)，本次涟源ML 3.8地震宏观震中与微观震中相距300多米，微观震中2 km范围内分布黄港和香花台矿井的多个拐点。微观震中(图 1中黄色实心圆)距最近的黄港井矿井拐点约200 m，在采空区边缘，而宏观震中(图 1中紫色实心圆)位于黄港采矿区。
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图 1 ML 3.8地震与矿区位置 Fig.1 The location of ML 3.8 earthquake and the mining area |
在2009年开展数字化地震记录以前，湖南测震台网地震波形资料不完整，且ML＜2.5地震波形不清晰。2009年以来湖南测震台网进行一系列数字化和信息化改造(唐红亮，2014)，资料相对完整，故主要对2009年后涟源地区5个ML ≥2.5事件(表 1)波形进行对比分析。
图 2为事件1的波形记录，从图中可以看出，P波初动小且多为向下，体波周期较大，在S波后有较大周期的瑞雷面波出现，整体波形单一，高频成分少，持续时间较短，能量衰减较快；事件2至事件5的波形大体相似，以事件4为例，波形见图 3，可见P波初动相对较大且较清晰，有的台站记录的初动向上，有的向下，呈四象限分布，体波周期较小，Pg波周期约0.05—0.2 s，Sg波周期约0.1—0.5 s，面波不发育，整体波形较复杂，高频成分相对丰富，波动振幅衰减较慢。
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图 2 湖南涟源2010年2月15日ML 2.7事件波形（事件1） Fig.2 The waveform of Lianyuan ML 2.7 event in Hunan Province on February 15, 2010 (Event one) |
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图 3 湖南涟源2016年7月19日ML 3.8事件波形（事件4） Fig.3 The waveform of Lianyuan ML 3.8 event in Hunan Province on July 19, 2016 (Event four) |
从天然地震、爆破与塌陷(矿震)的特征(表 2)来看，图 2所示事件波形特征主要表现为塌陷，且与湖南地区典型塌陷波形(图 4)特征相似，因此判定事件1为塌陷。其余4个事件波形主要表现出天然地震特征(表 2)，在此仅绘出事件4波形曲线，部分台站(邵阳台、宁乡台)记录波形在Sg波后出现一组周期较大、类似瑞雷面波的震相，波形特征类似塌陷，不能准确判定事件类型。
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表 2 天然地震、爆破、塌陷(矿震)记录的基本特征(杨柳等，2015) Tab.2 Basic characteristics of natural earthquake, blasting and collapse records(Yang L et al, 2015) |
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图 4 湖南郴州2012年6月21日ML 3.0塌陷波形 Fig.4 The waveform of Chenzhou ML 3.0 collapse in Hunan Province on June 21, 2012 |
近年来，一些地震学者对频谱分析进行了相关研究(万永革，2012；田优平，2015；田优平，赵爱华，2016)。事件类型不同，波的频谱也不相同，故可根据频谱分析来辨别天然地震与塌陷。图 5为湖南郴州地区典型的天然地震和塌陷记录及其频谱分析，从图 5(b)中可以看出，塌陷的优势频率较低，集中在0—2 Hz，而图 5(a)中天然地震的优势频率相对较宽，集中在0—10 Hz。频谱的差异与天然地震、爆破在震源尺度、震源深度、震源机制、地震波衰减、传播路径等特性有关。塌陷是能量的瞬间释放，故频谱集中在较窄频段，而天然地震是一个能量缓慢积累的过程，故频谱散布在低频到高频的较大范围(靳玉贞等，2015)。
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图 5 湖南郴州地区典型的天然地震和塌陷记录及频谱分析 （a）郴州2016年7月8日ML 4.1地震；（b）郴州2012年6月21日ML 3.0塌陷 Fig.5 Record and spectrum analysis of typical natural earthquake and collapse in Chenzhou, Hunan |
图 6—图 10为涟源地区5个ML ≥2.5事件(表 1)波形记录及频谱分析图，为了对比分析，对于不同事件，选取震中距相近的4个地震台站记录，分别进行频谱分析。从图 6—图 10中的(e)—(h)图可以看出，事件1的波形优势频率主要集中在0—2 Hz，与塌陷的频谱特征一致，据此可判定事件1为塌陷；事件2—事件5的波形优势频率主要集中在0—10 Hz，与天然地震的频谱特征相一致，据此可判定为天然地震。
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图 6 涟源2010年2月15日ML 2.7事件记录及频谱分析（事件1） (a)娄底台记录；(b)宁乡台记录；(c)邵阳台记录；(d)长沙台记录；(e)娄底台频谱分析；(f)宁乡台频谱分析；(g)邵阳台频谱分析；(h)长沙台频谱分析 Fig.6 Record and spectral analysis of Lianyuan ML 2.7 event on February 15, 2010 (Event one) |
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图 7 涟源2009年2月19日ML 2.9事件记录及频谱分析（事件2） (a)娄底台记录；(b)宁乡台记录；(c)邵阳台记录；(d)长沙台记录；(e)娄底台频谱；(f)宁乡台频谱；(g)邵阳台频谱；(h)长沙台频谱 Fig.7 Record and spectral analysis of Lianyuan ML 2.9 event on February 19, 2009 (Event two) |
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图 8 涟源2015年12月23日ML 2.5事件记录及频谱分析（事件3） (a)娄底台记录；(b)宁乡台记录；(c)邵阳台记录；(d)长沙台记录；(e)娄底台频谱；(f)宁乡台频谱；(g)邵阳台频谱；(h)长沙台频谱 Fig.8 Record and spectral analysis of Lianyuan ML 2.5 event on December 23, 2015 (Event three) |
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图 9 涟源2016年7月19日ML 3.8事件记录及频谱分析（事件4） (a) 娄底台记录；(b) 宁乡台记录；(c) 邵阳台记录；(d) 长沙台记录；(e) 娄底台频谱；(f) 宁乡台频谱；(g) 邵阳台频谱；(h) 长沙台频谱 Fig.9 Record and spectral analysis of Lianyuan ML 3.8 event on July 19, 2016 (Event four) |
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图 10 涟源2016年7月28日ML 2.7事件记录及频谱分析（事件5） (a) 娄底台记录；(b) 宁乡台记录；(c) 邵阳台记录；(d) 长沙台记录；(e) 娄底台频谱；(f) 宁乡台频谱；(g) 邵阳台频谱；(h) 长沙台频谱 Fig.10 Record and spectral analysis of Lianyuan ML 2.7 event on July 28, 2016 (Event fve) |
单从波形上看，对于事件2—事件5，邵阳台、宁乡台在Sg波后出现一组周期较大、类似瑞雷面波的震相，但其频谱分布与事件1中台站的频谱分布及典型塌陷频谱特征明显不同，故不能将4个事件归为塌陷。2个地震台波形记录出现类似面波的现象，可能与地下介质和传播路径有关(邵阳和宁乡分布有采空区)。
综合波形对比和频谱分析，判定事件1为塌陷，事件2—事件5为天然地震，即本次7月19日涟源ML 3.8事件(事件4)判定为天然地震。
4 震源机制解选取10个地震台站记录的较清晰的P波初动资料，计算此次涟源ML 3.8地震的震源机制解，结果见表 3。根据此次地震烈度等震线长轴呈NE方向，参考区域地震地质构造特征(此次地震距附近NE向宁乡—娄底—新宁断裂约10 km)，推断节面Ⅰ(走向N12°E)为本次地震的主破裂面。
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表 3 涟源ML 3.8地震震源机制解参数 Tab.3 Focal mechanism solution parameters of Lianyuan ML 3.8 earthquake |
通过波形特征、频谱特征、震源机制解等方法，对此次涟源ML 3.8地震类型进行分析判断，得到以下结论。
(1) 波形。此次地震初动较大，呈四象限分布，Pg波周期约0.05—0.2 s，Sg波周期约0.1—0.5 s，面波不发育，波形较复杂，高频成分相对丰富，波动振幅衰减，整体表现为天然地震特征。
(2) 频谱。此次地震各台站记录的优势频率分布较宽，主要集中在0—10 Hz，这与天然地震的频谱特征相一致。
(3) 震源机制解。此次地震的主破裂面走向N12°E，与地震烈度等震线长轴方向及附近的宁乡—娄底—新宁断裂走向大体一致。
斗笠山煤矿震前已经关闭半年有余，综上所述，判定此次涟源ML 3.8地震为天然地震。此次地震发震时间(发生在湖南2016年度小震频发时期)和地点(位于华南地区新增粤闽赣湘NW向地震条带内边缘)特殊，地震类型的正确判定对湖南乃至华南地区的地震研究及地震活动趋势判断具有重要意义。
感谢涟源ML 3.8地震现场调查组提供的考察报告；感谢娄底市地震局、涟源市地震局提供的帮助；特别感谢斗笠山煤业公司刘主任提供的斗笠山煤矿资料。| 狄莉莎. 三峡数字地震台网中心记录典型波形初步分析[J]. 大地测量与地球动力学, 2004, 24(2): 52-57. | |
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