淺談非天然地震

徐志雙 文鑫濤 譚專條 吳天安

引言

2016年11月3日，一條地震速報(bào)消息在網(wǎng)上引起熱議?！?016年11月03日19時(shí)43分在北京房山區(qū)(爆破）(北緯39.88度，東經(jīng)115.77度）發(fā)生2.0級(jí)地震，震源深度0千米?！币环矫?，消息包含“爆破”或“塌陷”字樣，部分網(wǎng)友誤以為是地震引起地表塌陷，或者猜測(cè)出現(xiàn)安全事故；另一方面，震源深度僅為0千米理解起來(lái)不太容易，網(wǎng)友不禁猜測(cè)是滾石、爆炸，甚至是造謠。其實(shí)，這些地震可能發(fā)生在地表面，也可能在地下幾十或幾百米，大部分由人類活動(dòng)所引起，我們稱其為“非天然地震”。我國(guó)地震速報(bào)消息由中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)測(cè)定并發(fā)布。從2021年起，中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)正式速報(bào)消息已去掉“震源深度0千米”的表述。

地球上發(fā)生的地震大部分為天然地震，即構(gòu)造地震。但也有10%～15%的地震與人類活動(dòng)有關(guān)，即非天然地震。可能引起非天然地震的活動(dòng)包括采礦、水庫(kù)蓄水、石油和天然氣開(kāi)采、地?zé)衢_(kāi)采、核爆、研究實(shí)驗(yàn)、地下水開(kāi)采、建筑施工等。我國(guó)大陸地區(qū)也曾發(fā)生過(guò)較顯著的非天然地震事件，例如1962年3月19日廣東新豐江水庫(kù)6.1級(jí)地震、2015年8月12日天津市濱海新區(qū)2.9級(jí)爆炸地震、2017年5月23日北京門頭溝2.6級(jí)塌陷地震、2019年3月21日江蘇連云港2.2級(jí)化爆地震、2021年9月21日河南鄭州新密市3.0級(jí)疑似塌陷地震等。此外，朝鮮境內(nèi)核試驗(yàn)引發(fā)的地震，如2017年9月3日朝鮮6.3級(jí)核爆地震，對(duì)我國(guó)東北邊境造成一定影響。

非天然地震并不神秘

“非天然地震”從字面上看略顯神秘，其實(shí)它并不罕見(jiàn)，有的就發(fā)生在我們身邊。世界范圍內(nèi)，各種資源開(kāi)發(fā)工程或化工產(chǎn)業(yè)興盛，而與這些人類活動(dòng)伴隨而來(lái)的地震即為非天然地震(圖1）。例如，采礦時(shí)開(kāi)挖深部巖體導(dǎo)致應(yīng)力重新分布，巖體對(duì)地下結(jié)構(gòu)的變形和破裂的響應(yīng)形成礦震。水庫(kù)蓄水后可能導(dǎo)致庫(kù)區(qū)及附近地區(qū)的地震活動(dòng)性發(fā)生明顯變化，導(dǎo)致水庫(kù)誘發(fā)地震。城市拆除舊樓、大煙囪，隧道開(kāi)挖、公路改建時(shí)使用爆破技術(shù)也會(huì)引起地震。礦震、水庫(kù)地震、爆破等與資源開(kāi)發(fā)和建筑施工有關(guān)的非天然地震，在社會(huì)發(fā)展和生活生產(chǎn)過(guò)程中難以避免。也有一些非天然地震與公共安全有關(guān)，如物理爆炸、化學(xué)爆炸，還有近年朝鮮在中朝邊境進(jìn)行核試驗(yàn)，核爆炸形成沖擊波導(dǎo)致地震。還有一些非天然地震是科學(xué)探索和工程應(yīng)用主動(dòng)觸發(fā)的，例如人工震源用于探測(cè)地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)和地表淺層地質(zhì)結(jié)構(gòu)，以及油氣藏勘探開(kāi)發(fā)等。

圖1 非天然地震類別

1.礦震(含塌陷）

采礦誘發(fā)地震簡(jiǎn)稱礦震，是指由采礦工程引起的地震活動(dòng)。礦震在非天然地震中占比最大，約為38%。采礦過(guò)程中的巖爆、巖崩、瓦斯突出、礦井塌陷，包括開(kāi)采過(guò)后留下的采空區(qū)發(fā)生塌陷，都能引發(fā)礦震。我國(guó)礦震一般不超過(guò)4級(jí)，地質(zhì)破壞力不會(huì)太大，但有小部分采礦企業(yè)距城區(qū)較近，公眾關(guān)心程度較高。例如，2016年、2017年北京房山地區(qū)發(fā)生幾例不到3級(jí)的礦震，其實(shí)只有極少數(shù)敏感的人能感覺(jué)到震動(dòng)，但因?yàn)樗賵?bào)消息含“塌陷”二字，部分公眾缺乏相關(guān)科學(xué)知識(shí)，誤以為是地震導(dǎo)致地表塌陷，從而感到恐慌。事件發(fā)生后，北京市市長(zhǎng)批示北京市地震局及其他相關(guān)單位盡快形成工作機(jī)制，震后立即開(kāi)展應(yīng)急響應(yīng)，前往現(xiàn)場(chǎng)核查信息并向公眾說(shuō)明情況。

遼寧省撫順采礦企業(yè)距離城區(qū)較近，一般3級(jí)以上的礦震在城區(qū)范圍內(nèi)震感明顯。礦震發(fā)生后，撫順當(dāng)?shù)鼐用裨l繁致電臺(tái)站，詢問(wèn)事件屬于天然地震還是礦震，是否有余震，以及住房是否存在安全隱患。針對(duì)群眾關(guān)心的問(wèn)題，撫順市地震局于2014年在《撫順日?qǐng)?bào)》《撫順晚報(bào)》發(fā)表專題文章《幫你科學(xué)認(rèn)識(shí)礦震》，從礦震的原理、潛在威脅、撫順的礦震歷史和現(xiàn)狀、礦震的治理和預(yù)防等方面進(jìn)行通俗易懂的分析介紹，主動(dòng)引導(dǎo)輿論導(dǎo)向，疏導(dǎo)緩解社會(huì)焦慮情緒，自此群眾電話問(wèn)詢的問(wèn)題明顯減少，取得了較好的社會(huì)反響。

一般情況下，對(duì)于2~4級(jí)天然地震，人們能感覺(jué)到，但通常不會(huì)直接造成人員重傷或死亡。然而，礦震與采礦作業(yè)有關(guān)，少數(shù)礦震發(fā)生后，可能誘發(fā)煤礦井下沖擊地壓、煤和瓦斯突出等災(zāi)害，甚至造成地表塌陷、建筑物損壞等后果。例如2019年6月9日吉林省龍家堡礦業(yè)發(fā)生2.3級(jí)礦震，導(dǎo)致9人遇難，10人受傷。

世界范圍內(nèi)礦震也屢見(jiàn)不鮮。南非礦業(yè)隨著開(kāi)采深度超過(guò)1.5千米后頻發(fā)礦震，巖爆和巖崩是金礦事故和死亡的最主要原因。2005年和2014年，克拉克斯多普地區(qū)分別發(fā)生5.3級(jí)和5.5級(jí)地震，各導(dǎo)致2死78傷和1死17傷。加拿大安大略省分布著世界上最深的礦區(qū)(>2千米）之一，2006年曾發(fā)生4.1級(jí)地震，造成一定破壞。有些國(guó)家對(duì)于發(fā)生過(guò)礦震的礦區(qū)監(jiān)管很嚴(yán)，重新作業(yè)前要遞交再開(kāi)采協(xié)議，確認(rèn)礦區(qū)地震活動(dòng)性回到正常水平才能獲得授權(quán)。

2.水庫(kù)地震

水庫(kù)誘發(fā)地震簡(jiǎn)稱水庫(kù)地震，在非天然地震數(shù)量中占比排名第二。20世紀(jì)60年代，全球有4座水庫(kù)誘發(fā)了6級(jí)以上地震，即印度柯伊納(Koyna）水庫(kù)、希臘克里馬斯塔(Kremasta）水庫(kù)、贊比亞-津巴布韋邊界卡里巴(Kariba）水庫(kù)和我國(guó)廣東新豐江水庫(kù)。

1962年3月19日廣東新豐江水庫(kù)6.1級(jí)地震是我國(guó)已發(fā)生的最大非天然地震，造成7死63傷，廣西、江西、福建等多地有感。地震發(fā)生前，老一輩科學(xué)家們已經(jīng)預(yù)見(jiàn)到可能的危險(xiǎn)性，因此決定對(duì)大壩開(kāi)展一期加固，工程竣工之際主震發(fā)生，開(kāi)創(chuàng)了水利工程史上抗御誘發(fā)地震的先例。相比之下，印度柯伊納水庫(kù)大壩設(shè)計(jì)沒(méi)有考慮任何抗震設(shè)防措施，1967年12月11日柯伊納水庫(kù)6.3級(jí)地震導(dǎo)致180人死亡和2000多人受傷(圖2）。

圖2 1967年柯伊納水庫(kù)大壩建成后附近地區(qū)發(fā)生地震

水庫(kù)地震是水庫(kù)蓄水與天然構(gòu)造環(huán)境交織下發(fā)生的地震，成因復(fù)雜，大多數(shù)屬于中小地震，但由于震源深度一般比構(gòu)造地震淺，因此可能對(duì)地表造成較大破壞。此外，水庫(kù)附近生態(tài)環(huán)境優(yōu)美，庫(kù)區(qū)城市旅游服務(wù)發(fā)達(dá)，水庫(kù)地震可能對(duì)旅游經(jīng)濟(jì)造成影響。更嚴(yán)重的是水庫(kù)地震可能直接影響到大壩的安全，進(jìn)而威脅下游老百姓的生命財(cái)產(chǎn)安全。

3.爆破

炸藥或彈藥在地表或近地表爆炸產(chǎn)生應(yīng)力波，也是非天然地震形成的原因之一。鐵路建設(shè)、礦山開(kāi)采、隧道開(kāi)挖、水(核）電站修建、城市拆舊等領(lǐng)域都涉及工程爆破。人工爆破所產(chǎn)生的應(yīng)力波有限，因而地震震級(jí)一般不大，破壞力也有限，但炸藥當(dāng)量及其瞬時(shí)性會(huì)對(duì)周圍巖土環(huán)境產(chǎn)生一定的沖擊力和危害。

“塌陷”和“爆破”是速報(bào)消息中最常見(jiàn)的非天然地震類別。在北京地區(qū)，由于煤窯全面關(guān)停，塌陷一般為廢棄煤窯采空區(qū)導(dǎo)致，震級(jí)不大，無(wú)需過(guò)多處理。然而，“爆破”涉及生產(chǎn)作業(yè)和公共安全，需官方進(jìn)一步調(diào)查?！氨啤焙汀氨ā币蛔种?，意義也不一樣。爆破是利用炸藥爆炸產(chǎn)生的作用達(dá)到預(yù)期目的的工程技術(shù)，而爆炸是指瞬間釋放大量能量、形成高溫高壓環(huán)境、破壞性較強(qiáng)的現(xiàn)象，可簡(jiǎn)單理解為爆破是有目的地實(shí)施爆炸，能量可知可控。

4.爆炸

?；肥鞘⑨t(yī)藥、日化等行業(yè)不可或缺的原料，?；愤\(yùn)輸、存儲(chǔ)和使用中均存在發(fā)生化學(xué)爆炸的風(fēng)險(xiǎn)，繼而引起非天然地震事件。例如，2015年8月12日天津?yàn)I海新區(qū)危險(xiǎn)品倉(cāng)庫(kù)發(fā)生兩次爆炸，釋放的能量分別相當(dāng)于2.1級(jí)和2.9級(jí)地震(圖3），爆炸造成114人遇難，65人失聯(lián)，附近建筑物及數(shù)千輛汽車受損。2019年3月21日江蘇響水天嘉宜化工廠發(fā)生爆炸，事件能量相當(dāng)于天然地震2.7級(jí)，造成78人遇難，周邊十余家企業(yè)及多處村莊被毀。

圖3 2015年天津港爆炸波形

此外，威力較大的核試驗(yàn)也會(huì)引起近地表地震的發(fā)生。2017年9月3日朝鮮6.3級(jí)(疑爆）、4.6級(jí)地震(塌陷）在我國(guó)境內(nèi)造成一定影響。吉林省政府針對(duì)此類核試驗(yàn)事件制定了應(yīng)急預(yù)案，規(guī)定了相關(guān)成員單位在事件發(fā)生后的工作職責(zé)。事件發(fā)生后，省地震局監(jiān)測(cè)專家對(duì)事件進(jìn)行精定位，判斷并上報(bào)爆破當(dāng)量。延邊地區(qū)有感天然地震較少，相較于地震對(duì)生命財(cái)產(chǎn)造成的損失，人們更關(guān)心核試驗(yàn)是否會(huì)造成放射性污染。延邊州距離朝鮮核試驗(yàn)點(diǎn)距離較近，核試驗(yàn)對(duì)州內(nèi)人民日常生活影響較大。在事件發(fā)生后，省環(huán)保廳加強(qiáng)空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)，每日向社會(huì)公開(kāi)發(fā)布監(jiān)測(cè)信息。州地震局在與省地震局核實(shí)信息后一般會(huì)接受當(dāng)?shù)仉娨暸_(tái)采訪，介紹事件相關(guān)情況，此為應(yīng)急預(yù)案規(guī)定的必要環(huán)節(jié)。

5.人工震源

大部分非天然地震屬于人類活動(dòng)的負(fù)效應(yīng)，但也有一些非天然地震是科學(xué)探索和工程應(yīng)用主動(dòng)觸發(fā)的，如勘探地震。地球內(nèi)部不是處處均勻的，而是由許多成分、密度和結(jié)構(gòu)不同的物質(zhì)組成，人類沒(méi)有辦法直接觀察和研究地下，就要借助其他手段，比如利用地震波給地球做CT。地球被劃分為地殼、地幔和地核三大圈層，依據(jù)就是地震波在殼幔界面和核幔界面波速發(fā)生明顯改變，說(shuō)明組成物質(zhì)在這一深度發(fā)生顯著變化。另外，橫波能穿過(guò)固體，不能穿過(guò)液體，橫波在外核消失，反映了外核是液態(tài)的?？茖W(xué)家們利用地震波的傳播特點(diǎn)，就能探測(cè)地下結(jié)構(gòu)和物質(zhì)組成，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)科學(xué)研究或能源勘探。

地震勘探常用的人工震源包括炸藥震源和非炸藥震源(可控震源）。炸藥震源存在安全隱患，且有效利用率不高，因此成本低、安全環(huán)保的可控震源已成為國(guó)際上勘探地震的重要震源，廣泛應(yīng)用于油氣、煤田等地震勘探和高原凍土、戈壁等復(fù)雜地區(qū)地質(zhì)勘探。

6.其他

除了礦震、水庫(kù)地震、爆破和爆炸以外，地?zé)岷陀蜌忾_(kāi)采、廢水注入、二氧化碳儲(chǔ)存等工程都可能誘發(fā)一定級(jí)別的非天然地震。瑞士等國(guó)家在應(yīng)對(duì)可能引發(fā)非天然地震的能源項(xiàng)目時(shí)，為每一類項(xiàng)目設(shè)置地震活動(dòng)性閾值，實(shí)時(shí)公布地震監(jiān)測(cè)信息，建立預(yù)警系統(tǒng)，采用紅綠燈策略衡量誘發(fā)非天然地震的風(fēng)險(xiǎn)程度并制定相應(yīng)級(jí)別的處置措施。

與天然地震的比較

天然地震大部分與地殼構(gòu)造活動(dòng)有關(guān)，非天然地震則直接或間接地與人類活動(dòng)有關(guān)。二者在發(fā)震規(guī)律、地震波傳播規(guī)律、應(yīng)急處置側(cè)重點(diǎn)等方面也有明顯差別。

1.發(fā)震時(shí)間規(guī)律不同

非天然地震與人類社會(huì)活動(dòng)相關(guān)，時(shí)間規(guī)律性較強(qiáng)。例如，北方地區(qū)10月至4月，受冷空氣影響，爆破地震不多。4 月份天氣回暖后，建筑企業(yè)紛紛開(kāi)展爆破作業(yè)，且大多數(shù)發(fā)生在日間。對(duì)于水庫(kù)地震，水位發(fā)生急劇變化(漲高或泄洪）時(shí)地震活動(dòng)性可能增強(qiáng)。而天然地震與四時(shí)變化沒(méi)有明顯的關(guān)系。

2.震級(jí)范圍不同

廣東新豐江水庫(kù)6.1級(jí)地震是我國(guó)迄今為止最大的非天然地震，除此之外，大部分非天然地震震級(jí)不超過(guò)5級(jí)。相比之下，大震級(jí)天然地震的發(fā)生頻次更高，我國(guó)山東、河北、四川等多個(gè)省份都曾發(fā)生8級(jí)及以上大地震，時(shí)間最近的是2008年汶川8.0級(jí)大地震。7級(jí)以上地震也不少見(jiàn)，例如2021年5月22日青?，敹?.4級(jí)地震。

3.發(fā)震區(qū)域不同

非天然地震與人類活動(dòng)相關(guān)，因此常發(fā)生在工業(yè)活動(dòng)頻繁的地區(qū)，如水庫(kù)、礦業(yè)、化工廠和核試驗(yàn)基地附近。天然地震與地下構(gòu)造運(yùn)動(dòng)相關(guān)，一般發(fā)生在板塊交界處(如青藏高原地區(qū)、西南地區(qū)和臺(tái)灣地區(qū)）和板塊內(nèi)部活動(dòng)斷裂發(fā)育的地區(qū)(如華北地震帶和南北地震帶）。

4.震源深度不同

與天然地震相比，非天然地震一般深度較淺，水庫(kù)地震一般不超過(guò)15千米，礦震、爆破和爆炸引起的地震發(fā)生在近地表，深度為0至幾千米。天然地震大多數(shù)發(fā)生在地殼范圍，或稱為淺源地震(深度70千米以內(nèi)），也有深度更深的，如中源地震(70 到300 千米）和深源地震(大于300 千米），最深可達(dá)下地幔深度。

5.地震波傳播規(guī)律不同

非天然地震和天然地震由于成因不同，所以在地震波激發(fā)機(jī)制、縱波與橫波最大振幅比、面波與高低頻地震波成分等方面有明顯差異。例如，天然地震與斷層滑動(dòng)有關(guān)，形變和能量輻射通常具有一定的方向性，所以大地震的烈度圖常呈現(xiàn)方向性；爆炸和爆破以震源為中心向四周擴(kuò)散，形變和能量衰減沒(méi)有方向性；塌陷只有垂直向運(yùn)動(dòng)，縱波首先向下傳播。此外，非天然地震一般破裂尺度較小，能量衰減較快，持續(xù)時(shí)間也較短。

6.破壞特點(diǎn)不同

由于震源深度淺，較小震級(jí)的非天然地震就可能造成較大的破壞。例如2019年吉林省龍家堡礦業(yè)2.3級(jí)礦震造成9死10傷，若發(fā)生同等震級(jí)天然地震，則一般不會(huì)造成破壞和傷亡。天然地震的破壞主要是建筑物、生命線工程的破壞，可能引起的次生地質(zhì)災(zāi)害包括滑坡、滾石、崩塌、地裂縫、泥石流等。非天然地震的破壞則各有特殊性，如水庫(kù)地震除了可能造成工程建筑物和設(shè)備破壞，還可能引起大壩失穩(wěn)、大壩滲漏、引起涌浪，對(duì)下游居民的生命財(cái)產(chǎn)造成災(zāi)難性損失；朝鮮核爆則可能對(duì)我國(guó)邊境地區(qū)造成環(huán)境污染。

7.應(yīng)急處置側(cè)重點(diǎn)不同

天然地震是自然災(zāi)害，應(yīng)急處置側(cè)重“快”，發(fā)生震害后應(yīng)迅速開(kāi)展應(yīng)急救援和恢復(fù)重建。非天然地震與社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)有關(guān)，可能涉及問(wèn)責(zé)，應(yīng)急響應(yīng)側(cè)重“準(zhǔn)”。例如，在礦震事件處置中，精準(zhǔn)的發(fā)震時(shí)間、震中和震級(jí)是明確采礦企業(yè)責(zé)任的主要依據(jù)之一。

結(jié)論

非天然地震與人類活動(dòng)相伴隨，在某些情況下可通過(guò)人類行為來(lái)減輕其災(zāi)害。例如，柯伊納水庫(kù)6.3級(jí)地震與新豐江水庫(kù)6.1級(jí)地震相比，震級(jí)大0.2級(jí)，釋放的能量大約是后者2倍，造成的人員傷亡高達(dá)25倍之多，原因之一是新豐江大壩進(jìn)行了加固(圖4），而柯伊納大壩完全沒(méi)有進(jìn)行抗震設(shè)防，可見(jiàn)構(gòu)筑物抗震設(shè)防對(duì)減輕非天然地震災(zāi)害意義重大。此外，部分非天然地震與天然地震之間沒(méi)有不可逾越的界限，例如，如果核試驗(yàn)地區(qū)地下巖石不夠堅(jiān)硬且先存裂隙多，威力巨大的核爆就可能引發(fā)天然構(gòu)造地震。水庫(kù)地震亦如此，部分水庫(kù)建在構(gòu)造復(fù)雜、地震頻發(fā)的地區(qū)，蓄水導(dǎo)致水庫(kù)區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)的變化，也可能引發(fā)天然地震。

非天然地震并不神秘，并且將與人類長(zhǎng)期共存。在面對(duì)非天然地震時(shí)，要堅(jiān)持“以人為本、尊重科學(xué)”的法則，地震部門應(yīng)對(duì)地震類型進(jìn)行專業(yè)判別并核準(zhǔn)地震參數(shù)信息，相關(guān)企業(yè)注意規(guī)范作業(yè)行為，各相關(guān)單位建立合作協(xié)調(diào)機(jī)制，做好輿論宣傳，社會(huì)公眾保持科學(xué)的態(tài)度，方能從容應(yīng)對(duì)非天然地震事件。