河北遙測臺網(wǎng)在地震速報中遇到的問題及分析

毛國良，李冬圣，蔡玲玲，賈 炯，王 寧，王莉嬋，王亞茹

（河北省地震局，石家莊 050021）

0 引言

地震速報指地震發(fā)生后迅速測定地震發(fā)生的時間、地點和震級。一次大地震發(fā)生后，人民群眾最關(guān)心的問題就是地震發(fā)生的地點和震級，以及后續(xù)是否還有地震發(fā)生。大地震發(fā)生后地震速報的參數(shù)，對于政府開展抗震救災(zāi)和專家研討震情跟蹤等都是一項非常重要的參考依據(jù)。

每一次快速準確地測定大地震的三要素（時間、地點、震級）都是對速報人員的考驗，地震速報的時效性和準確性受地震波的傳播、速報人員震相識別和定位處理能力、數(shù)據(jù)傳輸?shù)榷嘁蛩氐挠绊憽?008年11月華北區(qū)域數(shù)字地震臺網(wǎng)實時速報系統(tǒng)在河北遙測臺網(wǎng)開始運行，通過對自動定位結(jié)果與編目結(jié)果統(tǒng)計分析表明，實時速報系統(tǒng)對網(wǎng)內(nèi)天然地震定位結(jié)果可靠，震中位置偏差2.12±1.46 km，平均震級偏差0.1，平均速報用時86 s[1]。而人工速報用時最短也需要3 min以上，盡管在速度上自動速報優(yōu)于人工速報，但其存在流服務(wù)異常導(dǎo)致死機、不能自動區(qū)分事件類型、不能分辨短時間內(nèi)雙震等問題，當前地震速報工作仍然是以人工速報為主，自動速報為輔。因此，本文著重介紹河北遙測臺網(wǎng)人工速報過程中遇到的問題及處理情況，為進一步提高速報質(zhì)量提供參考。

1 河北省遙測臺網(wǎng)地震速報工作介紹

1.1 速報任務(wù)及要求

根據(jù)中國地震局《全國地震速報技術(shù)管理規(guī)定》要求，河北省遙測臺網(wǎng)在8 min內(nèi)完成首都圈地區(qū)M≥3.0地震的初報（唐山地區(qū)M≥2.0，石家莊市區(qū)M≥2.5），15分鐘內(nèi)完成河北省行政區(qū)邊線外100 km范圍內(nèi)M≥4.0地震、200 km范圍內(nèi)M≥5.0地震、300 km范圍內(nèi)M≥6.0地震的初報任務(wù)。

《省級測震臺網(wǎng)地震速報評比標準》對地震速報的速度、震中位置、震級、深度、震中參考地名等給出了非常明確的要求，本文依據(jù)此標準對河北遙測臺網(wǎng)在地震速報中出現(xiàn)的問題進行分析。

1.2 河北遙測臺網(wǎng)臺站分布及概況

河北省數(shù)字遙測臺網(wǎng)由1個測震臺網(wǎng)部、71個直接管理的數(shù)字地震臺站組成，野外臺站均為通過“首都圈”項目和“十五”項目新建和改造的數(shù)字化臺站，臺網(wǎng)中心實時接收直傳或匯集后傳回的所有臺站數(shù)據(jù)，并通過SDH行業(yè)網(wǎng)從國家測震臺網(wǎng)中心回傳周邊山西、山東、河南、內(nèi)蒙等省市97個臺站的數(shù)據(jù)，臺網(wǎng)中心接收實時波形的臺站數(shù)量最終為168個。省內(nèi)大部分地區(qū)監(jiān)測能力達到ML1.5，周邊地區(qū)及鄰近海域監(jiān)測能力達到ML2.0（圖1）。

圖1 河北省遙測臺網(wǎng)臺站分布及地震監(jiān)測能力

1.3 速報程式與速報軟件

地震事件觸發(fā)后，臺網(wǎng)中心接收到地震警報信息，值班人員迅速通過ISDP速報軟件提取各臺站記錄波形數(shù)據(jù)（圖2），對事件波形進行震相分析。在滿足臺站方位角、定位殘差等各項條件的約束下，將測定地震的發(fā)震時刻、震中經(jīng)度與緯度、震級、深度等參數(shù)上報國家地震臺網(wǎng)中心，同時將地震速報的正式結(jié)果通過河北省信息管理平臺上報河北省委、河北省政府、河北省應(yīng)急廳。

圖2 ISDP速報軟件界面

河北省遙測臺網(wǎng)速報使用ISDP軟件，軟件近震定位調(diào)用Regloc近震定位程序，該定位程序的基本原理是蓋革法，最優(yōu)化方法采用阻尼最小二乘法（共軛梯度法）。蓋格（1912）將高斯-牛頓法用于求解地震定位問題，最早蓋格提出的是測定震中經(jīng)緯度和發(fā)震時刻的方法，后被擴展到同時測定震源深度。該軟件主要有AIC算法檢測到時功能，用于自回歸算法自動檢測標注Pg波到時。程序首先檢測所有臺站首波到時（首先到達的波），然后根據(jù)誤差估計和到時先后保留8個臺站的到時，這主要是服務(wù)于地震速報時快速處理的需要，因為根據(jù)研究結(jié)果選擇8個左右臺站參加定位得到的結(jié)果是適宜的[2]。另外軟件有檢測S波最大振幅的功能，根據(jù)地震定位得到的Sg波理論到時自動檢測最大振幅，檢測時只選擇震中距在75～150 km的臺站，并過濾掉周期小于0.1 s的振幅。根據(jù)對首都圈臺網(wǎng)的研究結(jié)果，這個震中距段的臺站計算的速度震級比較穩(wěn)定[3]。

ISDP在使用過程中結(jié)合日常編目軟件MSDP不斷進行改進升級，先后增加了快速挑選臺站、一鍵式量取振幅、刪除振幅，速報用時提醒等功能，以方便速報地震過程中快速地處理波形數(shù)據(jù)。

2 地震速報常見問題及分析

河北省遙測臺網(wǎng)從2013—2019年速報事件135條，其中由于深度、震級、震中地名等錯誤導(dǎo)致的重復(fù)報送有7條，未參與全國地震速報評比的事件10條，參與評比事件118條（天然地震有115條，非天然地震3條），按照《省級測震臺網(wǎng)地震速報評比標準》，參與評比得100分的事件有5條占4.24%，100分 以 上 有106條 占89.83%，100分 以 下 有7條占5.93%。分析扣分事件原因主要是：①地震速報使用實時流數(shù)據(jù)，警報觸發(fā)后部分臺站記錄波形還未完全顯示出來，且雙震波形持續(xù)時間比單一地震時間略長，這在一定程度上延長了速報時間；②按照地震速報管理規(guī)定，雙震需優(yōu)先處理參考地名不規(guī)范，例如2018年4月15日山西晉中市和順縣的爆破事件，在參考地名中未標注事件類型；②震中位置偏差較大，如2016年5月1日天津東麗地震，速報定位到天津西青，震中位置相差25 km；③速報超時，如2016年5月22日遼寧朝陽市朝陽縣M4.5地震事件，雖然震中位置距離本行政區(qū)邊界較遠但根據(jù)其震級大小仍處在速報范圍內(nèi)。

速報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。爆炸是極高（瞬間）的能量轉(zhuǎn)換或釋放過程，如2015年天津濱海的爆炸事件；爆破是爆炸產(chǎn)生的工程效應(yīng)，如2007年河北懷來的爆破事件；塌陷是地表巖、土體在自然或人為因素作用下向下陷落，如2019年8月唐山巷道塌陷事件。無論是天然地震事件和非天然地震事件在速報過程中都可能會出現(xiàn)速報超時、震中地名不規(guī)范、震中位置偏差等問題。速報超時可由多種因素導(dǎo)致，事件類型判斷時間過長、事件處理時間過長、多次修改速報地震參數(shù)造成多次上報超時等。震中地名不規(guī)范集中在震中位于交界地區(qū)或非天然地震的震中地名上，由于相關(guān)規(guī)定不斷地調(diào)整和更新，對震中地名的要求也在變化，這需要速報值班人員要把相關(guān)規(guī)定熟記于心。位置偏差的原因主要是由于震相識別錯誤或定位時使用了存在鐘差的臺站，這需要速報人員提高震相綜合分析能力、及時了解所用臺站的運行狀況。

下面將以震例具體分析速報過程中出現(xiàn)的問題（表1）。2007年懷來爆破事件雖然不在統(tǒng)計分析時段內(nèi)，但因其是科學(xué)探測爆破，資料真實可靠也具有代表性，所以在本文中作為爆破的典型事例分析。

表1 河北省遙測臺網(wǎng)速報震例分析目錄

2.1 天然地震事件的分析

2016年8月27日15時50分河北唐山連續(xù)發(fā)生了ML3.2和ML3.7地震，兩次地震發(fā)震時刻相隔12.8 s（圖3）。最近的陡河（DOH）臺Sg與Pg時間差1.5 s，第一個事件很快衰減到背景噪聲水平，又清楚地記錄到了第二個事件的pg震相，故能明確分辨出是雙震，其他臺站記錄的則是兩次地震事件波形重疊。這次地震速報用時稍長，具體原因為：較大震級的地震，從波形震動幅度上來看第二個地震的震級更大，然而該地震只有陡河（DOH）臺Pg震相清晰，其他的臺站Pg震相均淹沒在第一個地震的后續(xù)波形中，這給震相識別帶來了一定的困難，相比于單一地震事件，雙震事件震相識別用時較多；③日常單一地震速報，一般多標注Pg震相，少標注Sg震相，主要因為Pg震相相比Sg震相更加清晰，易于分辨，而本次雙震震后總結(jié)發(fā)現(xiàn)，確定后續(xù)地震使用少量Pg與大量Sg的震相組合也可獲得很好的定位結(jié)果。

圖3 2016年8月27日河北唐山ML3.2、ML3.7波形記錄

對某些震源深度超過15 km的地震進行速報時，Sg震相的識別對定位結(jié)果影響很大，特別是在深度變化上。深度變化會導(dǎo)致定位結(jié)果誤差很大，體現(xiàn)在臺站觀測到時與理論到時差較大。這與個別臺站存在鐘差的情況很相似，會誤導(dǎo)速報人員的判斷，所以處理這樣的地震事件時要特別注意Sg震相的識別，導(dǎo)致這種問題的原因與速度模型和定位方法有關(guān)。速度模型較合理時，震源深度對震相到時殘差的影響并不明顯，影響較大的主要是震中距較小的近臺震相走時，速度模型與實際情況相差甚遠時，震源深度對震相到時殘差的影響將變大[4]。首都圈地區(qū)受多期構(gòu)造運動的影響，形成坳、隆相鄰，盆、山相間，殼內(nèi)構(gòu)造與莫霍面埋深相差比較大的地殼分塊構(gòu)造格局[5]，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜。河北遙測臺網(wǎng)目前所用三層速度模型顯然不能滿足速報任務(wù)范圍內(nèi)所有地震的定位要求，短期內(nèi)只能通過用Pg到時先定位，再根據(jù)理論到時去識別與其誤差較小的Sg震相，前提是Sg震相在波形上突出，而不能一味地去滿足殘差的要求。要想從根本上解決深度誤差的問題，建議在速報軟件中增加其他定位方法，例如單純型、Hypo2000等。

分析2019年12月5日河北豐南ML4.9地震速報，此次地震速報超時的原因主要是該地震有多個臺站存在鐘差問題（圖4）。如果只有個別臺站存在鐘差問題很容易判斷，但同時多個近臺存在鐘差問題與深度誤差情況相似則誤導(dǎo)了速報人員。另外，在這個地震的尾波處又觸發(fā)了第二個事件，使得速報人員在刷新地震波形的過程中，誤以為震相丟失，浪費了時間。

圖4 2019年12月5日河北豐南ML4.9地震波形記錄圖

2.2 非天然地震事件的分析

2019年為強化非天然地震事件監(jiān)測業(yè)務(wù)能力建設(shè)、拓寬地震監(jiān)測臺網(wǎng)服務(wù)領(lǐng)域，河北省地震局按照要求對非天然地震事件進行信息專報。相較于天然地震的速報，非天然地震速報時間相對寬松，關(guān)鍵問題在事件類型的判定、震相的識別和振幅的量取。

非天然地震事件類型有爆破、爆炸、塌陷、核試驗等。由于發(fā)生在地表淺層附近，在速報時震源深度均按0 km處理。在速報非天然地震事件的過程中對事件類型的判定主要還是依靠記錄波形的特征，以河北遙測臺網(wǎng)記錄的典型非天然地震事件為例具體分析。

2007年12月12日凌晨3時，中國地震局地球物理研究所啟動了“明燈1號”計劃，在河北省懷來縣境內(nèi)順利實施了50 t炸藥的大當量科學(xué)探測爆破。河北省遙測臺網(wǎng)按照局監(jiān)測預(yù)報處要求做好了各項準備工作，在系統(tǒng)對爆破事件觸發(fā)記錄后，當班技術(shù)人員立即用速報系統(tǒng)按速報事件進行波形分析處理（圖5）。由于事前技術(shù)人員已知事件類型，這次事件震相也易于識別，在量取振幅時避免了量取大周期面波振幅，整個速報過程比較順利。

圖5 2007年河北懷來爆破波形記錄圖

炸藥爆炸，激發(fā)點附近產(chǎn)生的強大壓力超過巖石的極限強度，形成一個破碎區(qū)，爆破地震波是經(jīng)過破碎區(qū)、裂隙區(qū)濾波后傳播，在破壞圈、塑性帶和彈性形變區(qū)各自激發(fā)了不同的脈沖和彈性波，使得爆破地震波既具有明顯的脈沖特征，又有彈性波的特征[6]。在不同震中距，記錄的爆破地震波是不同的，在爆破中心區(qū)，只能記錄到脈沖P波。爆破是膨脹源，因此一般垂直方向初動向上，而構(gòu)造地震初動呈四象限分布；對比天然地震Sg震相之后周期明顯增大；爆破波形具有衰減速度要快、短周期面波發(fā)育；縱波橫波振幅比約為1；頻譜單調(diào)等特征，這些特征可以在速報時作為主要參考依據(jù)。

2019年8月2日，開灤集團唐山礦業(yè)分公司風井煤柱區(qū)F5010聯(lián)絡(luò)巷發(fā)生動力現(xiàn)象事故（圖6）。根據(jù)中國地震局對非天然地震事件信息報送要求，河北遙測臺網(wǎng)首次按照流程對事件進行了相應(yīng)處理，處理結(jié)果得到上級主管部門的肯定。首先，快速準確確定事件三要素（時間、地點、震級），在識別震相的過程中僅拾取記錄特別清楚的震相（圖6中陡河臺（DOH）的Pg和Sg震相）；在量取振幅的過程中不使用自動量取振幅功能，因為其會自動量取最大面波振幅，導(dǎo)致震級計算錯誤，此類事件應(yīng)手動量取Sg震相后面波出現(xiàn)前的最大振幅。然后判斷事件類型，依據(jù)事件波形具有臺站記錄初動一般向下、大周期面波和波列持續(xù)時間長的特征，判定該事件為塌陷事件。塌陷由于巖層下出現(xiàn)空區(qū)，當大面積受壓后下落的一瞬間，向周圍介質(zhì)施加的是拉力，表現(xiàn)為膨脹波的特征，因此塌陷一般有初動向下、周期大小不均、有大周期面波出現(xiàn)、波列持續(xù)時間長及衰減慢的特征。

圖6 2019年河北唐山巷道塌陷波形記錄圖

2015年8月12日23點30分位于天津市濱海新區(qū)的天津港的瑞海公司危險品倉庫發(fā)生火災(zāi)爆炸事故，這次事件不在速報范圍內(nèi)，沒有按照速報的流程處理。由于之前沒有處理過此類事件，所以從波形特征上沒有判斷出事件的類型。從圖7中可以看到臺站記錄了兩次爆炸事件，第二次爆炸能量比第一次要強。根據(jù)分析23時34分06秒發(fā)生第一次爆炸，震級約ML2.3；同日23時34分36秒發(fā)生第二次爆炸，震級約ML2.9。兩次爆炸事件中有兩組能量較強的震相，第一組震相頻率較高，第二組震相頻率較低，波形持續(xù)衰減時間長。高頻震相可能是沿沉積層頂部傳播的P波震相，低頻震相可能是Rg面波震相，且距離事故地點最近的DAG臺和BET臺站在記錄到第一次爆炸直達波前存在疑似小爆炸事件[7]。此次爆炸事件與以往爆破事件波形特征不同，特別是第二組低頻震相，有的專家認為是地表爆炸淺層的面波，而有的專家認為頻率太低，懷疑是聲波，或聲波與地球介質(zhì)耦合。這次事件在非天然地震事件中是比較罕見的，處理這類事件在拾取Pg和Sg震相時還需要仔細考慮，主要使用近臺資料并綜合其他臺站的波形記錄，在量取振幅時避免量取低頻面波振幅。

圖7 2015年天津濱海爆炸事件波形記錄圖

非天然地震事件受事件類型和震級的影響，一些臺站Sg震相不清晰，在標注Sg震相時可有選擇地考慮在震相清晰的地方標注，在量取振幅的過程中要注意避免量取大周期面波的振幅，所以不建議使用自動振幅量取功能。遇到可疑事件時，可查看震中距較近的臺站資料，通過對波形進行初動識別、波形仿真、波形基本特征等綜合分析，不斷總結(jié)經(jīng)驗來有效地判定事件類型。

3 結(jié)束語

綜上所述，影響地震參數(shù)速報質(zhì)量的因素很多，要既“快”又“準”的處理好每一條地震，對所有速報人員都是一個考驗。為提升河北遙測臺網(wǎng)速報質(zhì)量，提出如下建議。

1）提高地震速報技能，加強崗位練兵，提高應(yīng)對數(shù)據(jù)流中斷、處理系統(tǒng)故障、特殊震相識別等特殊情況的應(yīng)對能力。首都圈地區(qū)近些年中強地震不多，速報人員處理較大地震的經(jīng)驗不足，特別是如何應(yīng)對雙震、應(yīng)對多個臺站存在鐘差、深度引起定位誤差較大等。

2）不斷總結(jié)不同類型非天然地震事件的波形特征，增強非天然地震事件的判定能力。文中以震例分析給出了爆炸、爆破和塌陷等事件波形的基本特征，但不同距離上記錄的波形特征不同。

3）加強臺網(wǎng)值班人員心理素質(zhì)建設(shè)，熟練的速報技能和清醒的頭腦、平靜的心態(tài)，是高質(zhì)量完成地震速報的基礎(chǔ)，但是過度的緊張和興奮會起反作用。

4）進一步加強地殼速度結(jié)構(gòu)和定位方法的研究，及時更新速度模型或增加不同的定位方法，以應(yīng)對速報任務(wù)范圍內(nèi)不同地區(qū)的地震速報。