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(爆破）(北緯39.88度，東經115.77度）發生2.0級地震，震源深度0千米?！币环矫?，消息包含“爆破”或“塌陷”字樣，部分網友誤以為是地震引起地表塌陷，或者猜測出現安全事故；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?？赡芤鸱翘烊坏卣鸬幕顒影ú傻V、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。我國大陸地區也曾發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，有的就發生在我們身邊。世界范圍內，各種資源開發工程或化工產業興盛，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及附近地區的地震活動性發生明顯變化，導致水庫誘發地震。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、爆破等與資源開發和建筑施工有關的非天然地震，在社會發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等。

圖1 非天然地震類別

1.礦震(含塌陷）

采礦誘發地震簡稱礦震，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發生塌陷，都能引發礦震。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距城區較近，公眾關心程度較高。例如，2016年、2017年北京房山地區發生幾例不到3級的礦震，其實只有極少數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，前往現場核查信息并向公眾說明情況。

遼寧省撫順采礦企業距離城區較近，一般3級以上的礦震在城區范圍內震感明顯。礦震發生后，撫順當地居民曾頻繁致電臺站，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，礦震與采礦作業有關，少數礦震發生后，可能誘發煤礦井下沖擊地壓、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發生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。南非礦業隨著開采深度超過1.5千米后頻發礦震，巖爆和巖崩是金礦事故和死亡的最主要原因。2005年和2014年，克拉克斯多普地區分別發生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(>2千米）之一，2006年曾發生4.1級地震，造成一定破壞。有些國家對于發生過礦震的礦區監管很嚴，重新作業前要遞交再開采協議，確認礦區地震活動性回到正常水平才能獲得授權。

2.水庫地震

水庫誘發地震簡稱水庫地震，在非天然地震數量中占比排名第二。20世紀60年代，全球有4座水庫誘發了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生，開創了水利工程史上抗御誘發地震的先例。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）。

圖2 1967年柯伊納水庫大壩建成后附近地區發生地震

水庫地震是水庫蓄水與天然構造環境交織下發生的地震，成因復雜，大多數屬于中小地震，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，水庫附近生態環境優美，庫區城市旅游服務發達，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，由于煤窯全面關停，塌陷一般為廢棄煤窯采空區導致，震級不大，無需過多處理。然而，“爆破”涉及生產作業和公共安全，需官方進一步調查。“爆破”和“爆炸”一字之差，意義也不一樣。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、形成高溫高壓環境、破壞性較強的現象，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?、醫藥、日化等行業不可或缺的原料，?；愤\輸、存儲和使用中均存在發生化學爆炸的風險，繼而引起非天然地震事件。例如，2015年8月12日天津濱海新區危險品倉庫發生兩次爆炸，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，附近建筑物及數千輛汽車受損。2019年3月21日江蘇響水天嘉宜化工廠發生爆炸，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，威力較大的核試驗也會引起近地表地震的發生。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，規定了相關成員單位在事件發生后的工作職責。事件發生后，省地震局監測專家對事件進行精定位，判斷并上報爆破當量。延邊地區有感天然地震較少，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。在事件發生后，省環保廳加強空氣質量監測，每日向社會公開發布監測信息。州地震局在與省地震局核實信息后一般會接受當地電視臺采訪，介紹事件相關情況，此為應急預案規定的必要環節。

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，依據就是地震波在殼幔界面和核幔界面波速發生明顯改變，說明組成物質在這一深度發生顯著變化。另外，橫波能穿過固體，不能穿過液體，橫波在外核消失，反映了外核是液態的。科學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一定級別的非天然地震。瑞士等國家在應對可能引發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，實時公布地震監測信息，建立預警系統，采用紅綠燈策略衡量誘發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。二者在發震規律、地震波傳播規律、應急處置側重點等方面也有明顯差別。

1.發震時間規律不同

非天然地震與人類社會活動相關，時間規律性較強。例如，北方地區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，建筑企業紛紛開展爆破作業，且大多數發生在日間。對于水庫地震，水位發生急劇變化(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生頻次更高，我國山東、河北、四川等多個省份都曾發生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.發震區域不同

非天然地震與人類活動相關，因此常發生在工業活動頻繁的地區，如水庫、礦業、化工廠和核試驗基地附近。天然地震與地下構造運動相關，一般發生在板塊交界處(如青藏高原地區、西南地區和臺灣地區）和板塊內部活動斷裂發育的地區(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生在近地表，深度為0至幾千米。天然地震大多數發生在地殼范圍，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2.3級礦震造成9死10傷，若發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、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造成環境污染。

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，精準的發震時間、震中和震級是明確采礦企業責任的主要依據之一。

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、地震頻發的地區，蓄水導致水庫區域應力場的變化，也可能引發天然地震。

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判別并核準地震參數信息，相關企業注意規范作業行為，各相關單位建立合作協調機制，做好輿論宣傳，社會公眾保持科學的態度，方能從容應對非天然地震事件。