河北遥测台网在地震速报中遇到的问题及分析

2021-10-18毛国良李冬圣蔡玲玲王莉婵王亚茹

华北地震科学 2021年4期

毛国良，李冬圣，蔡玲玲，贾炯，王宁，王莉婵，王亚茹

（河北省地震局，石家庄 050021）

0 引言

地震速报指地震发生后迅速测定地震发生的时间、地点和震级。一次大地震发生后，人民群众最关心的问题就是地震发生的地点和震级，以及后续是否还有地震发生。大地震发生后地震速报的参数，对于政府开展抗震救灾和专家研讨震情跟踪等都是一项非常重要的参考依据。

每一次快速准确地测定大地震的三要素（时间、地点、震级）都是对速报人员的考验，地震速报的时效性和准确性受地震波的传播、速报人员震相识别和定位处理能力、数据传输等多因素的影响。2008年11月华北区域数字地震台网实时速报系统在河北遥测台网开始运行，通过对自动定位结果与编目结果统计分析表明，实时速报系统对网内天然地震定位结果可靠，震中位置偏差2.12±1.46 km，平均震级偏差0.1，平均速报用时86 s[1]。而人工速报用时最短也需要3 min以上，尽管在速度上自动速报优于人工速报，但其存在流服务异常导致死机、不能自动区分事件类型、不能分辨短时间内双震等问题，当前地震速报工作仍然是以人工速报为主，自动速报为辅。因此，本文着重介绍河北遥测台网人工速报过程中遇到的问题及处理情况，为进一步提高速报质量提供参考。

1 河北省遥测台网地震速报工作介绍

1.1 速报任务及要求

根据中国地震局《全国地震速报技术管理规定》要求，河北省遥测台网在8 min内完成首都圈地区M≥3.0地震的初报（唐山地区M≥2.0，石家庄市区M≥2.5），15分钟内完成河北省行政区边线外100 km范围内M≥4.0地震、200 km范围内M≥5.0地震、300 km范围内M≥6.0地震的初报任务。

《省级测震台网地震速报评比标准》对地震速报的速度、震中位置、震级、深度、震中参考地名等给出了非常明确的要求，本文依据此标准对河北遥测台网在地震速报中出现的问题进行分析。

1.2 河北遥测台网台站分布及概况

河北省数字遥测台网由1个测震台网部、71个直接管理的数字地震台站组成，野外台站均为通过“首都圈”项目和“十五”项目新建和改造的数字化台站，台网中心实时接收直传或汇集后传回的所有台站数据，并通过SDH行业网从国家测震台网中心回传周边山西、山东、河南、内蒙等省市97个台站的数据，台网中心接收实时波形的台站数量最终为168个。省内大部分地区监测能力达到ML1.5，周边地区及邻近海域监测能力达到ML2.0（图1）。

图1 河北省遥测台网台站分布及地震监测能力

1.3 速报程式与速报软件

地震事件触发后，台网中心接收到地震警报信息，值班人员迅速通过ISDP速报软件提取各台站记录波形数据（图2），对事件波形进行震相分析。在满足台站方位角、定位残差等各项条件的约束下，将测定地震的发震时刻、震中经度与纬度、震级、深度等参数上报国家地震台网中心，同时将地震速报的正式结果通过河北省信息管理平台上报河北省委、河北省政府、河北省应急厅。

图2 ISDP速报软件界面

河北省遥测台网速报使用ISDP软件，软件近震定位调用Regloc近震定位程序，该定位程序的基本原理是盖革法，最优化方法采用阻尼最小二乘法（共轭梯度法）。盖格（1912）将高斯-牛顿法用于求解地震定位问题，最早盖格提出的是测定震中经纬度和发震时刻的方法，后被扩展到同时测定震源深度。该软件主要有AIC算法检测到时功能，用于自回归算法自动检测标注Pg波到时。程序首先检测所有台站首波到时（首先到达的波），然后根据误差估计和到时先后保留8个台站的到时，这主要是服务于地震速报时快速处理的需要，因为根据研究结果选择8个左右台站参加定位得到的结果是适宜的[2]。另外软件有检测S波最大振幅的功能，根据地震定位得到的Sg波理论到时自动检测最大振幅，检测时只选择震中距在75～150 km的台站，并过滤掉周期小于0.1 s的振幅。根据对首都圈台网的研究结果，这个震中距段的台站计算的速度震级比较稳定[3]。

ISDP在使用过程中结合日常编目软件MSDP不断进行改进升级，先后增加了快速挑选台站、一键式量取振幅、删除振幅，速报用时提醒等功能，以方便速报地震过程中快速地处理波形数据。

2 地震速报常见问题及分析

河北省遥测台网从2013—2019年速报事件135条，其中由于深度、震级、震中地名等错误导致的重复报送有7条，未参与全国地震速报评比的事件10条，参与评比事件118条（天然地震有115条，非天然地震3条），按照《省级测震台网地震速报评比标准》，参与评比得100分的事件有5条占4.24%，100分以上有106条占89.83%，100分以下有7条占5.93%。分析扣分事件原因主要是：①地震速报使用实时流数据，警报触发后部分台站记录波形还未完全显示出来，且双震波形持续时间比单一地震时间略长，这在一定程度上延长了速报时间；②按照地震速报管理规定，双震需优先处理参考地名不规范，例如2018年4月15日山西晋中市和顺县的爆破事件，在参考地名中未标注事件类型；②震中位置偏差较大，如2016年5月1日天津东丽地震，速报定位到天津西青，震中位置相差25 km；③速报超时，如2016年5月22日辽宁朝阳市朝阳县M4.5地震事件，虽然震中位置距离本行政区边界较远但根据其震级大小仍处在速报范围内。

速报事件主要分天然地震事件和非天然地震事件，非天然地震事件主要包含了爆破、爆炸和塌陷。爆炸是极高（瞬间）的能量转换或释放过程，如2015年天津滨海的爆炸事件；爆破是爆炸产生的工程效应，如2007年河北怀来的爆破事件；塌陷是地表岩、土体在自然或人为因素作用下向下陷落，如2019年8月唐山巷道塌陷事件。无论是天然地震事件和非天然地震事件在速报过程中都可能会出现速报超时、震中地名不规范、震中位置偏差等问题。速报超时可由多种因素导致，事件类型判断时间过长、事件处理时间过长、多次修改速报地震参数造成多次上报超时等。震中地名不规范集中在震中位于交界地区或非天然地震的震中地名上，由于相关规定不断地调整和更新，对震中地名的要求也在变化，这需要速报值班人员要把相关规定熟记于心。位置偏差的原因主要是由于震相识别错误或定位时使用了存在钟差的台站，这需要速报人员提高震相综合分析能力、及时了解所用台站的运行状况。

下面将以震例具体分析速报过程中出现的问题（表1）。2007年怀来爆破事件虽然不在统计分析时段内，但因其是科学探测爆破，资料真实可靠也具有代表性，所以在本文中作为爆破的典型事例分析。

表1 河北省遥测台网速报震例分析目录

2.1 天然地震事件的分析

2016年8月27日15时50分河北唐山连续发生了ML3.2和ML3.7地震，两次地震发震时刻相隔12.8 s（图3）。最近的陡河（DOH）台Sg与Pg时间差1.5 s，第一个事件很快衰减到背景噪声水平，又清楚地记录到了第二个事件的pg震相，故能明确分辨出是双震，其他台站记录的则是两次地震事件波形重叠。这次地震速报用时稍长，具体原因为：较大震级的地震，从波形震动幅度上来看第二个地震的震级更大，然而该地震只有陡河（DOH）台Pg震相清晰，其他的台站Pg震相均淹没在第一个地震的后续波形中，这给震相识别带来了一定的困难，相比于单一地震事件，双震事件震相识别用时较多；③日常单一地震速报，一般多标注Pg震相，少标注Sg震相，主要因为Pg震相相比Sg震相更加清晰，易于分辨，而本次双震震后总结发现，确定后续地震使用少量Pg与大量Sg的震相组合也可获得很好的定位结果。

图3 2016年8月27日河北唐山ML3.2、ML3.7波形记录

对某些震源深度超过15 km的地震进行速报时，Sg震相的识别对定位结果影响很大，特别是在深度变化上。深度变化会导致定位结果误差很大，体现在台站观测到时与理论到时差较大。这与个别台站存在钟差的情况很相似，会误导速报人员的判断，所以处理这样的地震事件时要特别注意Sg震相的识别，导致这种问题的原因与速度模型和定位方法有关。速度模型较合理时，震源深度对震相到时残差的影响并不明显，影响较大的主要是震中距较小的近台震相走时，速度模型与实际情况相差甚远时，震源深度对震相到时残差的影响将变大[4]。首都圈地区受多期构造运动的影响，形成坳、隆相邻，盆、山相间，壳内构造与莫霍面埋深相差比较大的地壳分块构造格局[5]，地质构造复杂。河北遥测台网目前所用三层速度模型显然不能满足速报任务范围内所有地震的定位要求，短期内只能通过用Pg到时先定位，再根据理论到时去识别与其误差较小的Sg震相，前提是Sg震相在波形上突出，而不能一味地去满足残差的要求。要想从根本上解决深度误差的问题，建议在速报软件中增加其他定位方法，例如单纯型、Hypo2000等。

分析2019年12月5日河北丰南ML4.9地震速报，此次地震速报超时的原因主要是该地震有多个台站存在钟差问题（图4）。如果只有个别台站存在钟差问题很容易判断，但同时多个近台存在钟差问题与深度误差情况相似则误导了速报人员。另外，在这个地震的尾波处又触发了第二个事件，使得速报人员在刷新地震波形的过程中，误以为震相丢失，浪费了时间。

图4 2019年12月5日河北丰南ML4.9地震波形记录图

2.2 非天然地震事件的分析

2019年为强化非天然地震事件监测业务能力建设、拓宽地震监测台网服务领域，河北省地震局按照要求对非天然地震事件进行信息专报。相较于天然地震的速报，非天然地震速报时间相对宽松，关键问题在事件类型的判定、震相的识别和振幅的量取。

非天然地震事件类型有爆破、爆炸、塌陷、核试验等。由于发生在地表浅层附近，在速报时震源深度均按0 km处理。在速报非天然地震事件的过程中对事件类型的判定主要还是依靠记录波形的特征，以河北遥测台网记录的典型非天然地震事件为例具体分析。

2007年12月12日凌晨3时，中国地震局地球物理研究所启动了“明灯1号”计划，在河北省怀来县境内顺利实施了50 t炸药的大当量科学探测爆破。河北省遥测台网按照局监测预报处要求做好了各项准备工作，在系统对爆破事件触发记录后，当班技术人员立即用速报系统按速报事件进行波形分析处理（图5）。由于事前技术人员已知事件类型，这次事件震相也易于识别，在量取振幅时避免了量取大周期面波振幅，整个速报过程比较顺利。

图5 2007年河北怀来爆破波形记录图

炸药爆炸，激发点附近产生的强大压力超过岩石的极限强度，形成一个破碎区，爆破地震波是经过破碎区、裂隙区滤波后传播，在破坏圈、塑性带和弹性形变区各自激发了不同的脉冲和弹性波，使得爆破地震波既具有明显的脉冲特征，又有弹性波的特征[6]。在不同震中距，记录的爆破地震波是不同的，在爆破中心区，只能记录到脉冲P波。爆破是膨胀源，因此一般垂直方向初动向上，而构造地震初动呈四象限分布；对比天然地震Sg震相之后周期明显增大；爆破波形具有衰减速度要快、短周期面波发育；纵波横波振幅比约为1；频谱单调等特征，这些特征可以在速报时作为主要参考依据。

2019年8月2日，开滦集团唐山矿业分公司风井煤柱区F5010联络巷发生动力现象事故（图6）。根据中国地震局对非天然地震事件信息报送要求，河北遥测台网首次按照流程对事件进行了相应处理，处理结果得到上级主管部门的肯定。首先，快速准确确定事件三要素（时间、地点、震级），在识别震相的过程中仅拾取记录特别清楚的震相（图6中陡河台（DOH）的Pg和Sg震相）；在量取振幅的过程中不使用自动量取振幅功能，因为其会自动量取最大面波振幅，导致震级计算错误，此类事件应手动量取Sg震相后面波出现前的最大振幅。然后判断事件类型，依据事件波形具有台站记录初动一般向下、大周期面波和波列持续时间长的特征，判定该事件为塌陷事件。塌陷由于岩层下出现空区，当大面积受压后下落的一瞬间，向周围介质施加的是拉力，表现为膨胀波的特征，因此塌陷一般有初动向下、周期大小不均、有大周期面波出现、波列持续时间长及衰减慢的特征。

图6 2019年河北唐山巷道塌陷波形记录图

2015年8月12日23点30分位于天津市滨海新区的天津港的瑞海公司危险品仓库发生火灾爆炸事故，这次事件不在速报范围内，没有按照速报的流程处理。由于之前没有处理过此类事件，所以从波形特征上没有判断出事件的类型。从图7中可以看到台站记录了两次爆炸事件，第二次爆炸能量比第一次要强。根据分析23时34分06秒发生第一次爆炸，震级约ML2.3；同日23时34分36秒发生第二次爆炸，震级约ML2.9。两次爆炸事件中有两组能量较强的震相，第一组震相频率较高，第二组震相频率较低，波形持续衰减时间长。高频震相可能是沿沉积层顶部传播的P波震相，低频震相可能是Rg面波震相，且距离事故地点最近的DAG台和BET台站在记录到第一次爆炸直达波前存在疑似小爆炸事件[7]。此次爆炸事件与以往爆破事件波形特征不同，特别是第二组低频震相，有的专家认为是地表爆炸浅层的面波，而有的专家认为频率太低，怀疑是声波，或声波与地球介质耦合。这次事件在非天然地震事件中是比较罕见的，处理这类事件在拾取Pg和Sg震相时还需要仔细考虑，主要使用近台资料并综合其他台站的波形记录，在量取振幅时避免量取低频面波振幅。

图7 2015年天津滨海爆炸事件波形记录图

非天然地震事件受事件类型和震级的影响，一些台站Sg震相不清晰，在标注Sg震相时可有选择地考虑在震相清晰的地方标注，在量取振幅的过程中要注意避免量取大周期面波的振幅，所以不建议使用自动振幅量取功能。遇到可疑事件时，可查看震中距较近的台站资料，通过对波形进行初动识别、波形仿真、波形基本特征等综合分析，不断总结经验来有效地判定事件类型。