浅谈非天然地震

徐志双 文鑫涛 谭专条 吴天安

引言

2016年11月3日，一条地震速报消息在网上引起热议。“2016年11月03日19时43分在北京房山区(爆破）(北纬39.88度，东经115.77度）发生2.0级地震，震源深度0千米。”一方面，消息包含“爆破”或“塌陷”字样，部分网友误以为是地震引起地表塌陷，或者猜测出现安全事故；另一方面，震源深度仅为0千米理解起来不太容易，网友不禁猜测是滚石、爆炸，甚至是造谣。其实，这些地震可能发生在地表面，也可能在地下几十或几百米，大部分由人类活动所引起，我们称其为“非天然地震”。我国地震速报消息由中国地震台网测定并发布。从2021年起，中国地震台网正式速报消息已去掉“震源深度0千米”的表述。

地球上发生的地震大部分为天然地震，即构造地震。但也有10%～15%的地震与人类活动有关，即非天然地震。可能引起非天然地震的活动包括采矿、水库蓄水、石油和天然气开采、地热开采、核爆、研究实验、地下水开采、建筑施工等。我国大陆地区也曾发生过较显著的非天然地震事件，例如1962年3月19日广东新丰江水库6.1级地震、2015年8月12日天津市滨海新区2.9级爆炸地震、2017年5月23日北京门头沟2.6级塌陷地震、2019年3月21日江苏连云港2.2级化爆地震、2021年9月21日河南郑州新密市3.0级疑似塌陷地震等。此外，朝鲜境内核试验引发的地震，如2017年9月3日朝鲜6.3级核爆地震，对我国东北边境造成一定影响。

非天然地震并不神秘

“非天然地震”从字面上看略显神秘，其实它并不罕见，有的就发生在我们身边。世界范围内，各种资源开发工程或化工产业兴盛，而与这些人类活动伴随而来的地震即为非天然地震(图1）。例如，采矿时开挖深部岩体导致应力重新分布，岩体对地下结构的变形和破裂的响应形成矿震。水库蓄水后可能导致库区及附近地区的地震活动性发生明显变化，导致水库诱发地震。城市拆除旧楼、大烟囱，隧道开挖、公路改建时使用爆破技术也会引起地震。矿震、水库地震、爆破等与资源开发和建筑施工有关的非天然地震，在社会发展和生活生产过程中难以避免。也有一些非天然地震与公共安全有关，如物理爆炸、化学爆炸，还有近年朝鲜在中朝边境进行核试验，核爆炸形成冲击波导致地震。还有一些非天然地震是科学探索和工程应用主动触发的，例如人工震源用于探测地球内部结构和地表浅层地质结构，以及油气藏勘探开发等。

图1 非天然地震类别

1.矿震(含塌陷）

采矿诱发地震简称矿震，是指由采矿工程引起的地震活动。矿震在非天然地震中占比最大，约为38%。采矿过程中的岩爆、岩崩、瓦斯突出、矿井塌陷，包括开采过后留下的采空区发生塌陷，都能引发矿震。我国矿震一般不超过4级，地质破坏力不会太大，但有小部分采矿企业距城区较近，公众关心程度较高。例如，2016年、2017年北京房山地区发生几例不到3级的矿震，其实只有极少数敏感的人能感觉到震动，但因为速报消息含“塌陷”二字，部分公众缺乏相关科学知识，误以为是地震导致地表塌陷，从而感到恐慌。事件发生后，北京市市长批示北京市地震局及其他相关单位尽快形成工作机制，震后立即开展应急响应，前往现场核查信息并向公众说明情况。

辽宁省抚顺采矿企业距离城区较近，一般3级以上的矿震在城区范围内震感明显。矿震发生后，抚顺当地居民曾频繁致电台站，询问事件属于天然地震还是矿震，是否有余震，以及住房是否存在安全隐患。针对群众关心的问题，抚顺市地震局于2014年在《抚顺日报》《抚顺晚报》发表专题文章《帮你科学认识矿震》，从矿震的原理、潜在威胁、抚顺的矿震历史和现状、矿震的治理和预防等方面进行通俗易懂的分析介绍，主动引导舆论导向，疏导缓解社会焦虑情绪，自此群众电话问询的问题明显减少，取得了较好的社会反响。

一般情况下，对于2~4级天然地震，人们能感觉到，但通常不会直接造成人员重伤或死亡。然而，矿震与采矿作业有关，少数矿震发生后，可能诱发煤矿井下冲击地压、煤和瓦斯突出等灾害，甚至造成地表塌陷、建筑物损坏等后果。例如2019年6月9日吉林省龙家堡矿业发生2.3级矿震，导致9人遇难，10人受伤。

世界范围内矿震也屡见不鲜。南非矿业随着开采深度超过1.5千米后频发矿震，岩爆和岩崩是金矿事故和死亡的最主要原因。2005年和2014年，克拉克斯多普地区分别发生5.3级和5.5级地震，各导致2死78伤和1死17伤。加拿大安大略省分布着世界上最深的矿区(>2千米）之一，2006年曾发生4.1级地震，造成一定破坏。有些国家对于发生过矿震的矿区监管很严，重新作业前要递交再开采协议，确认矿区地震活动性回到正常水平才能获得授权。

2.水库地震

水库诱发地震简称水库地震，在非天然地震数量中占比排名第二。20世纪60年代，全球有4座水库诱发了6级以上地震，即印度柯伊纳(Koyna）水库、希腊克里马斯塔(Kremasta）水库、赞比亚-津巴布韦边界卡里巴(Kariba）水库和我国广东新丰江水库。

1962年3月19日广东新丰江水库6.1级地震是我国已发生的最大非天然地震，造成7死63伤，广西、江西、福建等多地有感。地震发生前，老一辈科学家们已经预见到可能的危险性，因此决定对大坝开展一期加固，工程竣工之际主震发生，开创了水利工程史上抗御诱发地震的先例。相比之下，印度柯伊纳水库大坝设计没有考虑任何抗震设防措施，1967年12月11日柯伊纳水库6.3级地震导致180人死亡和2000多人受伤(图2）。

图2 1967年柯伊纳水库大坝建成后附近地区发生地震

水库地震是水库蓄水与天然构造环境交织下发生的地震，成因复杂，大多数属于中小地震，但由于震源深度一般比构造地震浅，因此可能对地表造成较大破坏。此外，水库附近生态环境优美，库区城市旅游服务发达，水库地震可能对旅游经济造成影响。更严重的是水库地震可能直接影响到大坝的安全，进而威胁下游老百姓的生命财产安全。

3.爆破

炸药或弹药在地表或近地表爆炸产生应力波，也是非天然地震形成的原因之一。铁路建设、矿山开采、隧道开挖、水(核）电站修建、城市拆旧等领域都涉及工程爆破。人工爆破所产生的应力波有限，因而地震震级一般不大，破坏力也有限，但炸药当量及其瞬时性会对周围岩土环境产生一定的冲击力和危害。

“塌陷”和“爆破”是速报消息中最常见的非天然地震类别。在北京地区，由于煤窑全面关停，塌陷一般为废弃煤窑采空区导致，震级不大，无需过多处理。然而，“爆破”涉及生产作业和公共安全，需官方进一步调查。“爆破”和“爆炸”一字之差，意义也不一样。爆破是利用炸药爆炸产生的作用达到预期目的的工程技术，而爆炸是指瞬间释放大量能量、形成高温高压环境、破坏性较强的现象，可简单理解为爆破是有目的地实施爆炸，能量可知可控。

4.爆炸

危化品是石化、医药、日化等行业不可或缺的原料，危化品运输、存储和使用中均存在发生化学爆炸的风险，继而引起非天然地震事件。例如，2015年8月12日天津滨海新区危险品仓库发生两次爆炸，释放的能量分别相当于2.1级和2.9级地震(图3），爆炸造成114人遇难，65人失联，附近建筑物及数千辆汽车受损。2019年3月21日江苏响水天嘉宜化工厂发生爆炸，事件能量相当于天然地震2.7级，造成78人遇难，周边十余家企业及多处村庄被毁。

图3 2015年天津港爆炸波形

此外，威力较大的核试验也会引起近地表地震的发生。2017年9月3日朝鲜6.3级(疑爆）、4.6级地震(塌陷）在我国境内造成一定影响。吉林省政府针对此类核试验事件制定了应急预案，规定了相关成员单位在事件发生后的工作职责。事件发生后，省地震局监测专家对事件进行精定位，判断并上报爆破当量。延边地区有感天然地震较少，相较于地震对生命财产造成的损失，人们更关心核试验是否会造成放射性污染。延边州距离朝鲜核试验点距离较近，核试验对州内人民日常生活影响较大。在事件发生后，省环保厅加强空气质量监测，每日向社会公开发布监测信息。州地震局在与省地震局核实信息后一般会接受当地电视台采访，介绍事件相关情况，此为应急预案规定的必要环节。

5.人工震源

大部分非天然地震属于人类活动的负效应，但也有一些非天然地震是科学探索和工程应用主动触发的，如勘探地震。地球内部不是处处均匀的，而是由许多成分、密度和结构不同的物质组成，人类没有办法直接观察和研究地下，就要借助其他手段，比如利用地震波给地球做CT。地球被划分为地壳、地幔和地核三大圈层，依据就是地震波在壳幔界面和核幔界面波速发生明显改变，说明组成物质在这一深度发生显著变化。另外，横波能穿过固体，不能穿过液体，横波在外核消失，反映了外核是液态的。科学家们利用地震波的传播特点，就能探测地下结构和物质组成，进而实现科学研究或能源勘探。

地震勘探常用的人工震源包括炸药震源和非炸药震源(可控震源）。炸药震源存在安全隐患，且有效利用率不高，因此成本低、安全环保的可控震源已成为国际上勘探地震的重要震源，广泛应用于油气、煤田等地震勘探和高原冻土、戈壁等复杂地区地质勘探。

6.其他

除了矿震、水库地震、爆破和爆炸以外，地热和油气开采、废水注入、二氧化碳储存等工程都可能诱发一定级别的非天然地震。瑞士等国家在应对可能引发非天然地震的能源项目时，为每一类项目设置地震活动性阈值，实时公布地震监测信息，建立预警系统，采用红绿灯策略衡量诱发非天然地震的风险程度并制定相应级别的处置措施。

与天然地震的比较

天然地震大部分与地壳构造活动有关，非天然地震则直接或间接地与人类活动有关。二者在发震规律、地震波传播规律、应急处置侧重点等方面也有明显差别。

1.发震时间规律不同

非天然地震与人类社会活动相关，时间规律性较强。例如，北方地区10月至4月，受冷空气影响，爆破地震不多。4 月份天气回暖后，建筑企业纷纷开展爆破作业，且大多数发生在日间。对于水库地震，水位发生急剧变化(涨高或泄洪）时地震活动性可能增强。而天然地震与四时变化没有明显的关系。

2.震级范围不同

广东新丰江水库6.1级地震是我国迄今为止最大的非天然地震，除此之外，大部分非天然地震震级不超过5级。相比之下，大震级天然地震的发生频次更高，我国山东、河北、四川等多个省份都曾发生8级及以上大地震，时间最近的是2008年汶川8.0级大地震。7级以上地震也不少见，例如2021年5月22日青海玛多7.4级地震。

3.发震区域不同

非天然地震与人类活动相关，因此常发生在工业活动频繁的地区，如水库、矿业、化工厂和核试验基地附近。天然地震与地下构造运动相关，一般发生在板块交界处(如青藏高原地区、西南地区和台湾地区）和板块内部活动断裂发育的地区(如华北地震带和南北地震带）。

4.震源深度不同

与天然地震相比，非天然地震一般深度较浅，水库地震一般不超过15千米，矿震、爆破和爆炸引起的地震发生在近地表，深度为0至几千米。天然地震大多数发生在地壳范围，或称为浅源地震(深度70千米以内），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），最深可达下地幔深度。

5.地震波传播规律不同

非天然地震和天然地震由于成因不同，所以在地震波激发机制、纵波与横波最大振幅比、面波与高低频地震波成分等方面有明显差异。例如，天然地震与断层滑动有关，形变和能量辐射通常具有一定的方向性，所以大地震的烈度图常呈现方向性；爆炸和爆破以震源为中心向四周扩散，形变和能量衰减没有方向性；塌陷只有垂直向运动，纵波首先向下传播。此外，非天然地震一般破裂尺度较小，能量衰减较快，持续时间也较短。

6.破坏特点不同

由于震源深度浅，较小震级的非天然地震就可能造成较大的破坏。例如2019年吉林省龙家堡矿业2.3级矿震造成9死10伤，若发生同等震级天然地震，则一般不会造成破坏和伤亡。天然地震的破坏主要是建筑物、生命线工程的破坏，可能引起的次生地质灾害包括滑坡、滚石、崩塌、地裂缝、泥石流等。非天然地震的破坏则各有特殊性，如水库地震除了可能造成工程建筑物和设备破坏，还可能引起大坝失稳、大坝渗漏、引起涌浪，对下游居民的生命财产造成灾难性损失；朝鲜核爆则可能对我国边境地区造成环境污染。

7.应急处置侧重点不同

天然地震是自然灾害，应急处置侧重“快”，发生震害后应迅速开展应急救援和恢复重建。非天然地震与社会经济活动有关，可能涉及问责，应急响应侧重“准”。例如，在矿震事件处置中，精准的发震时间、震中和震级是明确采矿企业责任的主要依据之一。

结论

非天然地震与人类活动相伴随，在某些情况下可通过人类行为来减轻其灾害。例如，柯伊纳水库6.3级地震与新丰江水库6.1级地震相比，震级大0.2级，释放的能量大约是后者2倍，造成的人员伤亡高达25倍之多，原因之一是新丰江大坝进行了加固(图4），而柯伊纳大坝完全没有进行抗震设防，可见构筑物抗震设防对减轻非天然地震灾害意义重大。此外，部分非天然地震与天然地震之间没有不可逾越的界限，例如，如果核试验地区地下岩石不够坚硬且先存裂隙多，威力巨大的核爆就可能引发天然构造地震。水库地震亦如此，部分水库建在构造复杂、地震频发的地区，蓄水导致水库区域应力场的变化，也可能引发天然地震。

非天然地震并不神秘，并且将与人类长期共存。在面对非天然地震时，要坚持“以人为本、尊重科学”的法则，地震部门应对地震类型进行专业判别并核准地震参数信息，相关企业注意规范作业行为，各相关单位建立合作协调机制，做好舆论宣传，社会公众保持科学的态度，方能从容应对非天然地震事件。