陕西榆神府矿区塌陷地震波形时频特征分析*
文章编号：2095-6835（2023）14-0032-04
陕西榆神府矿区塌陷地震波形时频特征分析＊
姬东姣1，2，3，季灵运4，古云鹤1，张雪娟1，史会忍1，梁向东1
（1.陕西省地震局，陕西西安710068；2.西安石油大学，陕西西安710065；
3.陕西省油气成藏地质学重点实验室，陕西西安710065；
4.中国地震局第二监测中心，陕西西安710054）
摘要：选取2020—2021年陕西测震台网三分向宽频带地震仪记录到的陕西榆神府矿区M L＞2.7塌陷地震和陕西省内M L＞2.7天然地震的地震波形资料。采用波形特征、频域信号特征和时频特征对比等多种方法相结合，分析陕西榆神府矿区塌陷地震特征。结果显示，塌陷地震的P波初动方向一般向下，波形较简单，高频成分较少。塌陷的时频图比较“集中”，以低频成分为主，时频谱能量最强点位于面波。塌陷地震S/P振幅比在近台明显大于天然地震。天然地震频率域较宽，频率成分复杂，时频分布图比较“分散”，时频谱最强点位于横波。关于该地区塌陷地震的研究，对快速识别周边地震类型及地震灾害的评估与防治可以提供一定参考。
关键词：榆神府矿区；塌陷地震；波形特征；时频
中图分类号：P315文献标志码：A DOI：10.15913/jki.kjycx.2023.14.009
榆神府矿区位处陕北地区，由榆林、神木、府谷的矿区组成，在鄂尔多斯盆地的东北部。近年来，陕西原煤产量创历史新高，陕西省统计局数据显示，2021年陕西省规模以上工业原煤产量达7.00亿t。随着煤炭资源的大量开采，当地采空区塌陷事故日渐频繁。陕西省测震台网统计数据显示，陕北地区平均每年监测记录到的M L≥2.0塌陷地震20次左右[1]。有记录以来，陕西省最早的塌陷地震为2004-10-14发生的陕西神木M L4.2级塌陷地震[2]。塌陷地震频发逐渐引起政府部门和当地人民的广泛关注，因此塌陷地震的快速识别和速报变得愈发重要。
塌陷地震是在外力作用影响下岩层突然崩塌陷落形成的地震，具有震源浅、震级低、烈度高的特点，塌陷地震在所有地震总数中占比约为3%[3]。影响矿区地震的因素有构造环境特点、采空区塌陷、井下爆破施工等。在地震危险性研判的过程中，往往需要判定事件的类型，判定的方法主要含地震波初动方向、周期和振幅的大小、频谱特征等[4]。本文将分析研究塌陷地震与天然地震在波形特征、频域信号特征和时频特征方面的区别，从而为识别不同类型的地震事件提供参考依据。
1地质构造背景及现场踏勘
榆神府矿区地处陕北黄土高原与毛乌素沙漠的过渡地带。该地区地质构造简单，地层向西倾斜且平缓[5]。榆神府矿区处于古老的鄂尔多斯地台之上，地震活动较少。从公元前780年有地震记录以来到1960
年，该地区共记载了9次地震，震级均为6.0级以下，而1990年至今没有发生过天然有感地震，也没有地震形成的灾情记录[6]。本文总结了3次典型的塌陷地震现场勘踏得到的结果。
1.1府谷塌陷
2020-05-08T11：28，府谷县三道沟镇发生M L3.0级塌陷地震。经无人机航拍、手持GPS等设备进一步踏勘和调查，此次矿震发生在府谷县老虎沟煤矿井田范围（该煤矿2011年至今一直停产）。初步勘测地面塌陷区位于三道沟镇玉则焉行政村兴伙盘和油房渠自然村，地面塌陷区水平投影面积约335350m2（约503亩），塌陷区域上下错位最高约30cm，裂缝最宽约20cm，震中周边的采空区地表出现不同程度裂缝。塌陷还诱发附近多处黄土陡崖坍塌，塌陷区域内无村庄及居民住房，未造成人员伤亡和财产损失。府谷塌陷及裂缝示意图如图1所示。
1.2榆林榆阳地震
2020-12-15陕西省榆林市榆阳区金鸡滩镇发生M L2.6级地震。现场考察发现，一条乡村水泥道路路面出现7条明显断裂塌陷，每条断裂走向近乎与道路走向垂直，7条断裂在水泥路面形成长约50m的破裂带，断裂在地面造成的裂缝，最大垂直落差达33cm，最大宽度约30cm。除了道路破坏，断裂在道路两侧田地造成长度大约200m的地面裂缝。现场考察还发现附近
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＊［基金项目］陕西省地震局启航与创新基金项目（编号：QC202017）
1km范围内居民房屋有裂缝和墙面砖块脱落现象。榆
林榆阳区塌陷及裂缝示意图如图2所示。
图1府谷塌陷及裂缝示意图
图2榆林榆阳区塌陷及裂缝示意图
1.3神木塌陷
2021-03-11，榆林市神木市（39.08°N，110.23°E）
发生M L3.2级非天然地震事件（塌陷），经现场踏勘，
影响区域位于崔家沟煤矿井田西南部，此处为农田和
荒地，无人员居住，也无建筑物，地震主要造成地表
环境破坏，形成多条地表裂缝。塌陷区有5条较为明
显的东西向断裂塌陷，断裂带宽1～12cm不等，长度
约50～60m，裂缝最大垂直落差30多厘米。塌陷区东
西两侧土崖出现明显坍塌。神木塌陷及裂缝示意图如
图3所示。
图3神木塌陷及裂缝示意图
2资料来源
陕西测震台网经过“十五”“十一五”数字化改
造后，地震监测能力得到了很大的提高，尤其是2008
年汶川地震后建设了陕西灾后重建项目，增强了陕西
北部及相邻的甘肃、山西、四川等省的地震监测能力。
本文选取2020—2021年陕西测震台网记录到的陕西榆
神府矿区震级范围为M L＞2.7的塌陷地震事件6个和
陕西省内M L＞2.7天然地震12个的垂直向波形记录。
选用了距离震中200km以内的地震记录，分别对每一
个地震事件选取5个以上记录特征较好的测震台站数
据，增加了陕西北部周边的山西台网部分台站原始记
录并对其进行了分析处理。陕西北部的天然地震较少，
所以选择了陕西省内的天然地震与榆神府矿区塌陷地
震进行对比分析。
3波形特征分析
时间域的地震波形记录具有图形最直观、量取最
方便、识别最快速等特征。本研究对发生在榆神府矿
区的2020—2021年全部塌陷地震和天然地震进行了波
形对比，结果表明该地区的地震事件波形特征具有一
致性。如图4所示，选取了相同震级的2020-05-08发
生在陕西府谷（39.11°N，110.43°E）M L3.0级塌陷地
震和2021-02-10陕西宁陕（33.71°N，108.13°E）M L3.0
级天然地震作对比，得到以下结论。
图4塌陷地震和天然地震波形图
P波初动方向：塌陷地震记录的P波初动，理论
上垂直向一般向下。这是因为塌陷地震一般发生在采
空区，是岩石崩塌向下陷落时向周围产生力，故初动
方向一般向下。选取的6个塌陷震例中，选取干扰比
较少的波形记录，每个地震事件至少有5个台站记录
到。在36个地震记录中，28个向下，识别率为78%。
本文数据较少，识别率可能存在误差。天然地震的P
波初动一般较强、幅度较大，塌陷地震P波初动较平
缓。在震中距较小时，天然地震的垂直向P波初动方
向一般呈四象限分布。
面波发育情况：塌陷地震波形较简单、规则，Sg 波后有明显的瑞利面波，周期比天然地震面波大，具有明显的正频散特征[7]。在震中周边200km 内，天然地震一般没有面波，这可以作为近震时塌陷地震和天然地震的区别标志之一。
持续时间与衰减情况：塌陷地震记录持续时间通常为1～2min 。天然地震一般要持续几分钟。塌陷地震事件水平分向与垂直分向持续时间的比值小于天然地震[8]。
S/P 最大振幅比：振幅的大小反映地震能量的大小。随着震中距的增大，地震波的振幅逐渐降低。除去地震记录特征不好的台站，确保所选地震事件有5个以上台站记录到[9]。地震波形均使用JOPENS-MSDP 软件处理，使用W.A 仿真法将所有台站的三分道数据速度记录转换为位移记录后，量取P 波最大振幅和S 波最大振幅计算出振幅比，单位统一为μm 。在震中距较小时，塌陷地震的S/P 振幅比明显大于天然地震。在震中距大于40km 后，随着震中距的增大，塌陷地震最大振幅比值逐渐衰减并最终与天然地震接近。天然地震S/P 振幅比主要集中在3以下。塌陷地震S/P 振幅比在近台明显大于天然地震。由两次事件的衰减曲线可以得出，近台的波形记录数据对判断地震类别更有用[10]。塌陷地震和天然地震S/P 振幅比在不同震中距的变化图如图5所示。
图5塌陷地震和天然地震S/P 振幅比在不同震中距的变化图
4频谱特征分析
用傅里叶变换法进行的频谱分析被广泛应用，它在提取地震波中的频谱信息方面具有可靠、便捷等诸多优势，可以直接获得信号的幅值大小、信息总能量等。在地震信号振幅谱计算过程中，使用MSDP 软件，将SEED 格式的波形文件导出为ASCⅡ格式，然后导入Matlab 进行计算并绘图。对于要在JOPENS-MSDP 以外处理地震波形数据的情况，ASCⅡ的波形数据易于被自行开发的程序读取。对于处理的数据量不大的情况，这是最简单易行的方法。选取距府谷最近的FGU 台（距震中为22.9km ）、距宁陕最近的FEP 台（距震中为18.41km ）垂直分量记录初至波，截取到时前20s 、长度40s 的完整波形作为样本，预处理采用最大值归一化，经傅里叶变换后绘制出的振幅谱图如图6所示。
图6塌陷地震和天然地震归一化频谱图
频谱分析显示，FGU 台记录的2020-05-08陕西府谷M L 3.0级塌陷地震，主要由低频成分为主，高频成分较少，波形简单规则。高频成分主要集中在0～3Hz ，随着时间的推移逐渐降低。塌陷地震震源较浅，介质的密度小，在传播地震波时高频成分容易被介质吸收。FEP 台记录的2021-02-10陕西宁陕M L 3.0级天然地震傅里叶频谱表现为频率域较宽，频率成分复杂，振幅没有从高到低的变化，它随时间的变化没有呈现出很好的规律性。
5时频特征分析
随时间变化引起统计特性变化的非平稳信号或时变信号，通常采用时频分析法进行分析处理。时频分析法结合时域和频域的分析，既反映信号的频率，还反映频率随时间的变化。短时傅里叶变换（Short-Time Fourier Transform ，STFT ）、小波变换、Gabor 变化等是常见的几种时频分析法。地震信号就是非平稳信号中的一种，可以采用时频分析法进行进一步的分析研究。
本文采用STFT 即短时傅里叶变换方法，其基本思想是通过加窗的方法来截取信号的片段。定义一个
窗函数w （t ），将窗口移动到信号的开端位置，在t =τ0窗函数的中心位置对信号加窗处理为：
y （t ）=x （t ）·w （t －τ0）
然后进行傅里叶变换为：
⎰
∞
+∞
-
⋅=
=t
e t w t x t y F X t j d    -0ωτω）（）（））（（）（定义函数S （ω，τ），它表示在窗函数中心为τ时，对原函数进行变换后的频谱结果X （ω），即：
=
-⋅=））（）（（），（ττωt w t x F S 频率/Hz
频率/Hz
⎰
+∞
∞
-⋅t
e t w t x t j d
-ωτ）（）（在利用STFT 分析信号时，要根据信号的实际情况选择适当的窗函数，本文选取海明窗。塌陷地震和天然地震时频谱分布图如图7所示，FGU 台记录的塌陷地震频率成分主要是1Hz 以下的低频成分，塌陷地震的时频图比较“集中”，在50—90s 集中分布。由图可知，塌陷地震时频谱能量最强点位于面波。FEP 台记录的天然地震的时频分布比较“分散”，频率域较宽，频率成分复杂，主要集中在40—100s ，天然地震的时频谱最强点位于横波。
（a ）塌陷地震
（b ）天然地震
图7塌陷地震和天然地震时频谱分布图
6结论
本文主要从时间域、频率域和时频域对塌陷地震和天然地震进行了对比分析，主要有以下特征。
塌陷地震的P 波初动方向一般向下，识别率为78%。波形较简单规律，高频成分较少。塌陷地震的持续时间较短，衰减迅速。Sg 波后有大周期的瑞利面波。由S/P 最大振幅比可以区分塌陷地震和天然地震。塌陷地震S/P 振幅比在近台明显大于天然地震。因此，
近台的波形记录数据对判断地震类别时更有用。频谱分析显示，塌陷地震主要由低频成分为主，高频成分较少，波形简单规则。天然地震频率域较宽，频率成分复杂，振幅没有从高到低的变化，它随时间的变化没有很好的规律性。塌陷地震的时频图比较“集中”，以低频成分为主，塌陷地震时频谱能量最强点位于面波。天然地震的时频分布图比较“分散”，频率域较宽，频率成分复杂，天然地震时频谱能量最强点位于横波。
榆神府矿区近年来发生了大量塌陷地震，对区域测震台网日常的地震速报等工作造成了一定影响，因此对该区域塌陷地震的研究总结有利于非天然地震的识别，对该地区生产安全工作具有重要意义。
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作者简介：姬东姣（1995—），女，研究生在读，助理工程师，研究方向为地震观测。
（编辑：张超）
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