淺談非天然地震

引言

2016年11月3日，一條地震速報消息在網上引起熱議?！?016年11月03日19時43分在北京房山區(qū)（爆破）（北緯39.88度，東經115.77度）發(fā)生2.0級地震，震源深度0千米。”一方面，消息包含“爆破”或“塌陷”字樣，部分網友誤以為是地震引起地表塌陷，或者猜測出現(xiàn)安全事故；另一方面，震源深度僅為0千米理解起來不太容易，網友不禁猜測是滾石、爆炸，甚至是造謠。其實，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，大部分由人類活動所引起，我們稱其為“非天然地震”。我國地震速報消息由中國地震臺網測定并發(fā)布。從2021年起，中國地震臺網正式速報消息已去掉“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，即構造地震。但也有10%～15%的地震與人類活動有關，即非天然地震。可能引起非天然地震的活動包括采礦、水庫蓄水、石油和天然氣開采、地熱開采、核爆、研究實驗、地下水開采、建筑施工等。我國大陸地區(qū)也曾發(fā)生過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6.1級地震、2015年8月12日天津市濱海新區(qū)2.9級爆炸地震、2017年5月23日北京門頭溝2.6級塌陷地震、2019年3月21日江蘇連云港2.2級化爆地震、2021年9月21日河南鄭州新密市3.0級疑似塌陷地震等。此外，朝鮮境內核試驗引發(fā)的地震，如2017年9月3日朝鮮6.3級核爆地震，對我國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，其實它并不罕見，有的就發(fā)生在我們身邊。世界范圍內，各種資源開發(fā)工程或化工產業(yè)興盛，而與這些人類活動伴隨而來的地震即為非天然地震（圖1）。例如，采礦時開挖深部巖體導致應力重新分布，巖體對地下結構的變形和破裂的響應形成礦震。水庫蓄水后可能導致庫區(qū)及附近地區(qū)的地震活動性發(fā)生明顯變化，導致水庫誘發(fā)地震。城市拆除舊樓、大煙囪，隧道開挖、公路改建時使用爆破技術也會引起地震。礦震、水庫地震、爆破等與資源開發(fā)和建筑施工有關的非天然地震，在社會發(fā)展和生活生產過程中難以避免。也有一些非天然地震與公共安全有關，如物理爆炸、化學爆炸，還有近年朝鮮在中朝邊境進行核試驗，核爆炸形成沖擊波導致地震。還有一些非天然地震是科學探索和工程應用主動觸發(fā)的，例如人工震源用于探測地球內部結構和地表淺層地質結構，以及油氣藏勘探開發(fā)等。

1. 礦震（含塌陷）采礦誘發(fā)地震簡稱礦震，是指由采礦工程引起的地震活動。礦震在非天然地震中占比最大，約為38%。采礦過程中的巖爆、巖崩、瓦斯突出、礦井塌陷，包括開采過后留下的采空區(qū)發(fā)生塌陷，都能引發(fā)礦震。我國礦震一般不超過4級，地質破壞力不會太大，但有小部分采礦企業(yè)距城區(qū)較近，公眾關心程度較高。例如，2016年、2017年北京房山地區(qū)發(fā)生幾例不到3級的礦震，其實只有極少數(shù)敏感的人能感覺到震動，但因為速報消息含“塌陷”二字，部分公眾缺乏相關科學知識，誤以為是地震導致地表塌陷，從而感到恐慌。事件發(fā)生后，北京市市長批示北京市地震局及其他相關單位盡快形成工作機制，震后立即開展應急響應，前往現(xiàn)場核查信息并向公眾說明情況。

遼寧省撫順采礦企業(yè)距離城區(qū)較近，一般3級以上的礦震在城區(qū)范圍內震感明顯。礦震發(fā)生后，撫順當?shù)鼐用裨l繁致電臺站，詢問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。針對群眾關心的問題，撫順市地震局于2014年在《撫順日報》《撫順晚報》發(fā)表專題文章《幫你科學認識礦震》，從礦震的原理、潛在威脅、撫順的礦震歷史和現(xiàn)狀、礦震的治理和預防等方面進行通俗易懂的分析介紹，主動引導輿論導向，疏導緩解社會焦慮情緒，自此群眾電話問詢的問題明顯減少，取得了較好的社會反響。

一般情況下，對于2～4級天然地震，人們能感覺到，但通常不會直接造成人員重傷或死亡。然而，礦震與采礦作業(yè)有關，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級礦震，導致9人遇難，10人受傷。

世界范圍內礦震也屢見不鮮。南非礦業(yè)隨著開采深度超過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級和5.5級地震，各導致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級地震，造成一定破壞。有些國家對于發(fā)生過礦震的礦區(qū)監(jiān)管很嚴，重新作業(yè)前要遞交再開采協(xié)議，確認礦區(qū)地震活動性回到正常水平才能獲得授權。

2. 水庫地震

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

1962年3月19日廣東新豐江水庫6.1級地震是我國已發(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，老一輩科學家們已經預見到可能的危險性，因此決定對大壩開展一期加固，工程竣工之際主震發(fā)生，開創(chuàng)了水利工程史上抗御誘發(fā)地震的先例。相比之下，印度柯伊納水庫大壩設計沒有考慮任何抗震設防措施，1967年12月11日柯伊納水庫6.3級地震導致180人死亡和2000多人受傷（圖2）。

水庫地震是水庫蓄水與天然構造環(huán)境交織下發(fā)生的地震，成因復雜，大多數(shù)屬于中小地震，但由于震源深度一般比構造地震淺，因此可能對地表造成較大破壞。此外，水庫附近生態(tài)環(huán)境優(yōu)美，庫區(qū)城市旅游服務發(fā)達，水庫地震可能對旅游經濟造成影響。更嚴重的是水庫地震可能直接影響到大壩的安全，進而威脅下游老百姓的生命財產安全。

3. 爆破炸藥或彈藥在地表或近地表爆炸產生應力波，也是非天然地震形成的原因之一。鐵路建設、礦山開采、隧道開挖、水（核）電站修建、城市拆舊等領域都涉及工程爆破。人工爆破所產生的應力波有限，因而地震震級一般不大，破壞力也有限，但炸藥當量及其瞬時性會對周圍巖土環(huán)境產生一定的沖擊力和危害。

“塌陷”和“爆破”是速報消息中最常見的非天然地震類別。在北京地區(qū)，由于煤窯全面關停，塌陷一般為廢棄煤窯采空區(qū)導致，震級不大，無需過多處理。然而，“爆破”涉及生產作業(yè)和公共安全，需官方進一步調查?！氨啤焙汀氨ā币蛔种睿饬x也不一樣。爆破是利用炸藥爆炸產生的作用達到預期目的的工程技術，而爆炸是指瞬間釋放大量能量、形成高溫高壓環(huán)境、破壞性較強的現(xiàn)象，可簡單理解為爆破是有目的地實施爆炸，能量可知可控。

4. 爆炸

?；肥鞘?、醫(yī)藥、日化等行業(yè)不可或缺的原料，?；愤\輸、存儲和使用中均存在發(fā)生化學爆炸的風險，繼而引起非天然地震事件。例如，2015年8月12日天津濱海新區(qū)危險品倉庫發(fā)生兩次爆炸，釋放的能量分別相當于2.1級和2.9級地震（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，事件能量相當于天然地震2.7級，造成78人遇難，周邊十余家企業(yè)及多處村莊被毀。

此外，威力較大的核試驗也會引起近地表地震的發(fā)生。2017年9月3日朝鮮6.3級（疑爆）、4.6級地震（塌陷）在我國境內造成一定影響。吉林省政府針對此類核試驗事件制定了應急預案，規(guī)定了相關成員單位在事件發(fā)生后的工作職責。事件發(fā)生后，省地震局監(jiān)測專家對事件進行精定位，判斷并上報爆破當量。延邊地區(qū)有感天然地震較少，相較于地震對生命財產造成的損失，人們更關心核試驗是否會造成放射性污染。延邊州距離朝鮮核試驗點距離較近，核試驗對州內人民日常生活影響較大。在事件發(fā)生后，省環(huán)保廳加強空氣質量監(jiān)測，每日向社會公開發(fā)布監(jiān)測信息。州地震局在與省地震局核實信息后一般會接受當?shù)仉娨暸_采訪，介紹事件相關情況，此為應急預案規(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的負效應，但也有一些非天然地震是科學探索和工程應用主動觸發(fā)的，如勘探地震。地球內部不是處處均勻的，而是由許多成分、密度和結構不同的物質組成，人類沒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，說明組成物質在這一深度發(fā)生顯著變化。另外，橫波能穿過固體，不能穿過液體，橫波在外核消失，反映了外核是液態(tài)的?？茖W家們利用地震波的傳播特點，就能探測地下結構和物質組成，進而實現(xiàn)科學研究或能源勘探。

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際上勘探地震的重要震源，廣泛應用于油氣、煤田等地震勘探和高原凍土、戈壁等復雜地區(qū)地質勘探。

6. 其他

除了礦震、水庫地震、爆破和爆炸以外，地熱和油氣開采、廢水注入、二氧化碳儲存等工程都可能誘發(fā)一定級別的非天然地震。瑞士等國家在應對可能引發(fā)非天然地震的能源項目時，為每一類項目設置地震活動性閾值，實時公布地震監(jiān)測信息，建立預警系統(tǒng)，采用紅綠燈策略衡量誘發(fā)非天然地震的風險程度并制定相應級別的處置措施。

與天然地震的比較天然地震大部分與地殼構造活動有關，非天然地震則直接或間接地與人類活動有關。二者在發(fā)震規(guī)律、地震波傳播規(guī)律、應急處置側重點等方面也有明顯差別。

1.發(fā)震時間規(guī)律不同

非天然地震與人類社會活動相關，時間規(guī)律性較強。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)紛紛開展爆破作業(yè)，且大多數(shù)發(fā)生在日間。對于水庫地震，水位發(fā)生急劇變化（漲高或泄洪）時地震活動性可能增強。而天然地震與四時變化沒有明顯的關系。

2.震級范圍不同

廣東新豐江水庫6.1級地震是我國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不超過5級。相比之下，大震級天然地震的發(fā)生頻次更高，我國山東、河北、四川等多個省份都曾發(fā)生8級及以上大地震，時間最近的是2008年汶川8.0級大地震。7級以上地震也不少見，例如2021年5月22日青?，敹?.4級地震。

3.發(fā)震區(qū)域不同

非天然地震與人類活動相關，因此常發(fā)生在工業(yè)活動頻繁的地區(qū)，如水庫、礦業(yè)、化工廠和核試驗基地附近。天然地震與地下構造運動相關，一般發(fā)生在板塊交界處（如青藏高原地區(qū)、西南地區(qū)和臺灣地區(qū)）和板塊內部活動斷裂發(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，水庫地震一般不超過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），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有關，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散，形變和能量衰減沒有方向性；塌陷只有垂直向運動，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)時間也較短。

6.破壞特點不同由于震源深度淺，較小震級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級礦震造成9死10傷，若發(fā)生同等震級天然地震，則一般不會造成破壞和傷亡。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災害包括滑坡、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，如水庫地震除了可能造成工程建筑物和設備破壞，還可能引起大壩失穩(wěn)、大壩滲漏、引起涌浪，對下游居民的生命財產造成災難性損失；朝鮮核爆則可能對我國邊境地區(qū)造成環(huán)境污染。

7.應急處置側重點不同

天然地震是自然災害，應急處置側重“快”，發(fā)生震害后應迅速開展應急救援和恢復重建。非天然地震與社會經濟活動有關，可能涉及問責，應急響應側重“準”。例如，在礦震事件處置中，精準的發(fā)震時間、震中和震級是明確采礦企業(yè)責任的主要依據(jù)之一。

結論非天然地震與人類活動相伴隨，在某些情況下可通過人類行為來減輕其災害。例如，柯伊納水庫6.3級地震與新豐江水庫6.1級地震相比，震級大0.2級，釋放的能量大約是后者2倍，造成的人員傷亡高達25倍之多，原因之一是新豐江大壩進行了加固（圖4），而柯伊納大壩完全沒有進行抗震設防，可見構筑物抗震設防對減輕非天然地震災害意義重大。此外，部分非天然地震與天然地震之間沒有不可逾越的界限，例如，如果核試驗地區(qū)地下巖石不夠堅硬且先存裂隙多，威力巨大的核爆就可能引發(fā)天然構造地震。水庫地震亦如此，部分水庫建在構造復雜、地震頻發(fā)的地區(qū)，蓄水導致水庫區(qū)域應力場的變化，也可能引發(fā)天然地震。

非天然地震并不神秘，并且將與人類長期共存。在面對非天然地震時，要堅持“以人為本、尊重科學”的法則，地震部門應對地震類型進行專業(yè)判別并核準地震參數(shù)信息，相關企業(yè)注意規(guī)范作業(yè)行為，各相關單位建立合作協(xié)調機制，做好輿論宣傳，社會公眾保持科學的態(tài)度，方能從容應對非天然地震事件。