2019年12月9日三河非天然事件定位和识别分析

王 凌，林向东，王占英，高 翔，于辰飞，奚冲霄，白永福

(北京市地震局，北京 100080)

0 引言

非天然地震类型的判定是判别地区发生爆破或塌陷的难点。国内外在天然与非天然地震识别方面进行了广泛研究，并提出了多种识别方法，如P波初动[1]、震源深度、体波震级和面波震级之比[2]，P波初动振幅与P波最大振幅比，P波与S波谱振幅比[3]，P波谱振幅与勒夫波谱振幅比[4]，最大振幅与尾波持续时间比[5]等。此外小波算法、人工神经网络、遗传算法等也被用于对天然与非天然地震的识别研究中[6-7]。

近年来，利用BP 神经网络对地震事件进行分类识别已有很多科研成果：边银菊等[7]对北京及周边地区的73次地震和9次爆破事件的P波和S波的频谱进行计算，并在0.1～ 10 Hz 频率范围内采用对数采样的方式分别得到P波和S波的对数谱振幅值，然后将获得的对数谱振幅值标准化后再进行网络识别；张帆等[8]通过提取地震事件的时空参数和小波能量比，对内蒙古阿拉善地区的天然地震和爆破事件进行自动识别；曲均浩等[9]采用Morlet 小波的时频分布方法来确定地震波信号主周期窗长，并以此为输入元进行网络识别[10]。尽管上述方法识别效果良好，但是提取特征值时相对繁琐且耗时较长，无法在较短时间内(如10min) 完成地震事件的定位及识别。因此，有必要选择其他典型的特征值来快速高效地识别地震事件。

北京地区的非天然地震主要集中在房山地区及门头沟地区，这些地震主要特征为初动明显、面波发育良好、衰减速度快。对于2019年12月9日发生的非天然地震事件位置的界定，有可能是由于地图版本原因，同样的经纬度在不同版本的MSDP地图下更新情况不同、且由于数据的不完全性及人工测量存在一定误差等特殊原因，地震类型识别困难。

1 地质背景及台站分布

三河—北京交界地区地理位置特殊，位于北京东部华北沉降带与燕山隆起区相交会的平原区。在地质构造单元上位于华北裂陷盆地东北端与北西向张家口—蓬莱断裂带的复合交会部位, 是新构造运动强烈的地区[11]。新构造时期以来, 在区域伸展构造环境的影响和作用下, 区内断裂相应产生了不同规模的引张正断(层) 活动, 即在两条或两条以上断裂的联合控制作用下, 发育了一些不对称的地堑式构造沉积盆地[12]。从地质构造单元上，该区位于华北裂陷盆地中大兴隆起、北京坳陷、冀中坳陷的北部[13]。

2019年12月9日MS1.0地震定位采用北京市地震局定位所使用的台站(图1)。对于区域台网的近震定位，台站对震中包围程度越高，定位精度越高。从首都圈地区测震台站布局来看，局部地区的台站分布不均匀，台站密度较稀疏，尤其在河北、天津、北京交界部位，存在较大面积空区，而北京东南和西南覆盖层较厚地区表现尤为突出，监测能力相对薄弱。此次MS1.0非天然地震事件正好发生在河北、天津、北京交界地区，也为精准定位带来一定程度的影响。

2 定位方法及类型分析过程

非天然地震是指人工干预或由人类活动影响间接造成的地震。可分为爆破型、爆炸型、打压型、灾害型等类型：爆破型主要指工程爆破、工业爆破、水下爆破及一切针对特定目标进行的爆破;爆炸型主要指核试验爆炸、军事爆炸和意外的、人为破坏的爆炸;打压型主要指大型工程施工时打桩、冲压(包括水和气压)、大型机械振动、声震等;灾害型主要指矿井崩塌、溶洞塌陷(地表)、泥石流、滑坡、大型建筑物和桥梁倒塌[14]。

2019年12月9日MS1.0地震事件定位使用了20个台站数据，从台站类型来看，北京市地震局和中国地震局地球物理研究所所使用的大部分属于宽频带台站，除MAF台外，其余大部分是基岩台。

2.1 定位方法

地震定位通常是指利用地震台网测定的震相到时计算震中坐标、震源深度和发震时刻，即测定地震的时空位置。

北京市地震局台网采用的是JOPENS系统中LOCSAT定位方法进行定位。值班员使用MSDP 软件对首都圈地区可监测地震进行分析处理，产出的区域地震目录，通过JOPENS 数字地震台网中心数据处理软件系统向中国地震台网中心提交[15]。 JOPENS系统中包含多种定位方法，而经常使用的有两种，即单纯形定位法和LOCSAT定位法。LOCSAT是通过采用阻尼最小二乘法将观测方程组化成正规方程组，然后用主元素法求解[16]。是一种集成定位程序，现已改写为java程序，被集成到JOPENS6.0系统的MSDP 中，用于地方震、近震和远震的定位。单纯型定位法用于地方震、近震和远震的定位方法。利用数学的单纯型搜索极值的方法，搜索残差最小的位置即震中[17]。从中国地震局每年的速报质量评比情况来看，速报误差均在允许范围内，未出现速报事故，通过这么多年的运行使用来看，两种方法均能满足速报要求(详情参见2015年—2019年北京市台网运行报告)。

2.2 定位精度

截至2020年3月28日，北京市台网经过15人次的定位比对，定位结果均在河北省三河市，定位结果如表1所示。

表1 三河平谷非天然地震定位结果一览表

2.3 类型判别

此次非天然地震发生后，北京市地震局测震台网工作人员根据非天然地震的周期特性判定事件为非天然地震事件，但根据记录波形难以甄别究竟是爆破或塌陷(图2)。

根据记录特征发现，最近的MAF台Δ约13km，体波记录头部较小，最大振幅比(As/Ap)很大，而爆炸(爆破)事件的近台体波记录为瞬时脉冲型记录，且振幅比(As/Ap)一般趋于1；其次，最近的MAF台初动方向无法识别；其三，记录波形可明显识别面波较发育，这也是爆破和塌陷共有的特征之一(图3)。

综其三点，判定该事件类型确实存在一定的难度，所以进行实体考察，经核实此事件为爆破事件。通过对震中位置进行的调查，当地相关人员确认了12月9日12时30分左右，在三河市黄土庄镇和段甲岭镇之间的采石场进行了一次爆破。该采石场位于黄土庄镇尚庄子村东北，早年前一直进行采石作业，北京市台网也经常记录到该地区的爆破事件。近年来，政府禁止了采石作业，现对该采石场进行矿山治理，于12月9日12时27分至31分前后，采取了多次爆破的方式，来填平原来的矿坑(洞)，见图4。

因此可以确定该事件为三河地区的爆破事件。

3 结论

本次事件为12月9日发生在河北三河的爆破地震，震级为MS1.0。在此事件中，对于非天然地震的定位精度及类型识别存在一定难度，是由于该非天然地震属于爆破事件，能量弱，传播路径短，波列衰减较快，而东南部地区覆盖层较厚，传播介质较疏松，高频信号被疏松介质快速吸收，且绝大部分是井下短周期台(蓟县、宝坻、沙井子、朱唐庄台除外)，对该事件记录不清晰甚至无法辨识。且由于同样的经纬度在不同版本地图更新情况下不同、数据的不完全性及人工测量存在一定误差等特殊原因，地震类型识别困难，因此用地震波型来识别该地区发生的地震事件类别这一手段具有十分重要的意义。未来我们将增加相应问题的学习，加强知识理论经验支持，以便更加准确迅速地做出非天然地震事件判别。