毛國(guó)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(bào)指地震發(fā)生后迅速測(cè)定地震發(fā)生的時(shí)間、地點(diǎn)和震級(jí)。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(diǎn)和震級(jí)，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(bào)的參數(shù)，對(duì)于政府開展抗震救災(zāi)和專家研討震情跟蹤等都是一項(xiàng)非常重要的參考依據(jù)。

每一次快速準(zhǔn)確地測(cè)定大地震的三要素（時(shí)間、地點(diǎn)、震級(jí)）都是對(duì)速報(bào)人員的考驗(yàn)，地震速報(bào)的時(shí)效性和準(zhǔn)確性受地震波的傳播、速報(bào)人員震相識(shí)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(tái)網(wǎng)實(shí)時(shí)速報(bào)系統(tǒng)在河北遙測(cè)臺(tái)網(wǎng)開始運(yùn)行，通過對(duì)自動(dòng)定位結(jié)果與編目結(jié)果統(tǒng)計(jì)分析表明，實(shí)時(shí)速報(bào)系統(tǒng)對(duì)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(jí)偏差0.1，平均速報(bào)用時(shí)86 s[1]。而人工速報(bào)用時(shí)最短也需要3 min以上，盡管在速度上自動(dòng)速報(bào)優(yōu)于人工速報(bào)，但其存在流服務(wù)異常導(dǎo)致死機(jī)、不能自動(dòng)區(qū)分事件類型、不能分辨短時(shí)間內(nèi)雙震等問題，當(dāng)前地震速報(bào)工作仍然是以人工速報(bào)為主，自動(dòng)速報(bào)為輔。因此，本文著重介紹河北遙測(cè)臺(tái)網(wǎng)人工速報(bào)過程中遇到的問題及處理情況，為進(jìn)一步提高速報(bào)質(zhì)量提供參考。

1 河北省遙測(cè)臺(tái)網(wǎng)地震速報(bào)工作介紹

1.1 速報(bào)任務(wù)及要求

根據(jù)中國(guó)地震局《全國(guó)地震速報(bào)技術(shù)管理規(guī)定》要求，河北省遙測(cè)臺(tái)網(wǎng)在8 min內(nèi)完成首都圈地區(qū)M≥3.0地震的初報(bào)（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(bào)任務(wù)。

《省級(jí)測(cè)震臺(tái)網(wǎng)地震速報(bào)評(píng)比標(biāo)準(zhǔn)》對(duì)地震速報(bào)的速度、震中位置、震級(jí)、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(biāo)準(zhǔn)對(duì)河北遙測(cè)臺(tái)網(wǎng)在地震速報(bào)中出現(xiàn)的問題進(jìn)行分析。

1.2 河北遙測(cè)臺(tái)網(wǎng)臺(tái)站分布及概況

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

圖1 河北省遙測(cè)臺(tái)網(wǎng)臺(tái)站分布及地震監(jiān)測(cè)能力

1.3 速報(bào)程式與速報(bào)軟件

地震事件觸發(fā)后，臺(tái)網(wǎng)中心接收到地震警報(bào)信息，值班人員迅速通過ISDP速報(bào)軟件提取各臺(tái)站記錄波形數(shù)據(jù)（圖2），對(duì)事件波形進(jìn)行震相分析。在滿足臺(tái)站方位角、定位殘差等各項(xiàng)條件的約束下，將測(cè)定地震的發(fā)震時(shí)刻、震中經(jīng)度與緯度、震級(jí)、深度等參數(shù)上報(bào)國(guó)家地震臺(tái)網(wǎng)中心，同時(shí)將地震速報(bào)的正式結(jié)果通過河北省信息管理平臺(tái)上報(bào)河北省委、河北省政府、河北省應(yīng)急廳。

圖2 ISDP速報(bào)軟件界面

河北省遙測(cè)臺(tái)網(wǎng)速報(bào)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(cè)定震中經(jīng)緯度和發(fā)震時(shí)刻的方法，后被擴(kuò)展到同時(shí)測(cè)定震源深度。該軟件主要有AIC算法檢測(cè)到時(shí)功能，用于自回歸算法自動(dòng)檢測(cè)標(biāo)注Pg波到時(shí)。程序首先檢測(cè)所有臺(tái)站首波到時(shí)（首先到達(dá)的波），然后根據(jù)誤差估計(jì)和到時(shí)先后保留8個(gè)臺(tái)站的到時(shí)，這主要是服務(wù)于地震速報(bào)時(shí)快速處理的需要，因?yàn)楦鶕?jù)研究結(jié)果選擇8個(gè)左右臺(tái)站參加定位得到的結(jié)果是適宜的[2]。另外軟件有檢測(cè)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(shí)自動(dòng)檢測(cè)最大振幅，檢測(cè)時(shí)只選擇震中距在75～150 km的臺(tái)站，并過濾掉周期小于0.1 s的振幅。根據(jù)對(duì)首都圈臺(tái)網(wǎng)的研究結(jié)果，這個(gè)震中距段的臺(tái)站計(jì)算的速度震級(jí)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(jìn)行改進(jìn)升級(jí)，先后增加了快速挑選臺(tái)站、一鍵式量取振幅、刪除振幅，速報(bào)用時(shí)提醒等功能，以方便速報(bào)地震過程中快速地處理波形數(shù)據(jù)。

2 地震速報(bào)常見問題及分析

河北省遙測(cè)臺(tái)網(wǎng)從2013—2019年速報(bào)事件135條，其中由于深度、震級(jí)、震中地名等錯(cuò)誤導(dǎo)致的重復(fù)報(bào)送有7條，未參與全國(guó)地震速報(bào)評(píng)比的事件10條，參與評(píng)比事件118條（天然地震有115條，非天然地震3條），按照《省級(jí)測(cè)震臺(tái)網(wǎng)地震速報(bào)評(píng)比標(biāo)準(zhǔn)》，參與評(píng)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(bào)使用實(shí)時(shí)流數(shù)據(jù)，警報(bào)觸發(fā)后部分臺(tái)站記錄波形還未完全顯示出來(lái)，且雙震波形持續(xù)時(shí)間比單一地震時(shí)間略長(zhǎng)，這在一定程度上延長(zhǎng)了速報(bào)時(shí)間；②按照地震速報(bào)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(biāo)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(bào)定位到天津西青，震中位置相差25 km；③速報(bào)超時(shí)，如2016年5月22日遼寧朝陽(yáng)市朝陽(yáng)縣M4.5地震事件，雖然震中位置距離本行政區(qū)邊界較遠(yuǎn)但根據(jù)其震級(jí)大小仍處在速報(bào)范圍內(nèi)。

速報(bào)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?yàn)I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(lái)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(wú)論是天然地震事件和非天然地震事件在速報(bào)過程中都可能會(huì)出現(xiàn)速報(bào)超時(shí)、震中地名不規(guī)范、震中位置偏差等問題。速報(bào)超時(shí)可由多種因素導(dǎo)致，事件類型判斷時(shí)間過長(zhǎng)、事件處理時(shí)間過長(zhǎng)、多次修改速報(bào)地震參數(shù)造成多次上報(bào)超時(shí)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(duì)震中地名的要求也在變化，這需要速報(bào)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(shí)別錯(cuò)誤或定位時(shí)使用了存在鐘差的臺(tái)站，這需要速報(bào)人員提高震相綜合分析能力、及時(shí)了解所用臺(tái)站的運(yùn)行狀況。

下面將以震例具體分析速報(bào)過程中出現(xiàn)的問題（表1）。2007年懷來(lái)爆破事件雖然不在統(tǒng)計(jì)分析時(shí)段內(nèi)，但因其是科學(xué)探測(cè)爆破，資料真實(shí)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(cè)臺(tái)網(wǎng)速報(bào)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(shí)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(shí)刻相隔12.8 s（圖3）。最近的陡河（DOH）臺(tái)Sg與Pg時(shí)間差1.5 s，第一個(gè)事件很快衰減到背景噪聲水平，又清楚地記錄到了第二個(gè)事件的pg震相，故能明確分辨出是雙震，其他臺(tái)站記錄的則是兩次地震事件波形重疊。這次地震速報(bào)用時(shí)稍長(zhǎng)，具體原因?yàn)椋狠^大震級(jí)的地震，從波形震動(dòng)幅度上來(lái)看第二個(gè)地震的震級(jí)更大，然而該地震只有陡河（DOH）臺(tái)Pg震相清晰，其他的臺(tái)站Pg震相均淹沒在第一個(gè)地震的后續(xù)波形中，這給震相識(shí)別帶來(lái)了一定的困難，相比于單一地震事件，雙震事件震相識(shí)別用時(shí)較多；③日常單一地震速報(bào)，一般多標(biāo)注Pg震相，少標(biāo)注Sg震相，主要因?yàn)镻g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(duì)某些震源深度超過15 km的地震進(jìn)行速報(bào)時(shí)，Sg震相的識(shí)別對(duì)定位結(jié)果影響很大，特別是在深度變化上。深度變化會(huì)導(dǎo)致定位結(jié)果誤差很大，體現(xiàn)在臺(tái)站觀測(cè)到時(shí)與理論到時(shí)差較大。這與個(gè)別臺(tái)站存在鐘差的情況很相似，會(huì)誤導(dǎo)速報(bào)人員的判斷，所以處理這樣的地震事件時(shí)要特別注意Sg震相的識(shí)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(shí)，震源深度對(duì)震相到時(shí)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(tái)震相走時(shí)，速度模型與實(shí)際情況相差甚遠(yuǎn)時(shí)，震源深度對(duì)震相到時(shí)殘差的影響將變大[4]。首都圈地區(qū)受多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)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(cè)臺(tái)網(wǎng)目前所用三層速度模型顯然不能滿足速報(bào)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(shí)先定位，再根據(jù)理論到時(shí)去識(shí)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(bào)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(bào)，此次地震速報(bào)超時(shí)的原因主要是該地震有多個(gè)臺(tái)站存在鐘差問題（圖4）。如果只有個(gè)別臺(tái)站存在鐘差問題很容易判斷，但同時(shí)多個(gè)近臺(tái)存在鐘差問題與深度誤差情況相似則誤導(dǎo)了速報(bào)人員。另外，在這個(gè)地震的尾波處又觸發(fā)了第二個(gè)事件，使得速報(bào)人員在刷新地震波形的過程中，誤以為震相丟失，浪費(fèi)了時(shí)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(qiáng)化非天然地震事件監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)能力建設(shè)、拓寬地震監(jiān)測(cè)臺(tái)網(wǎng)服務(wù)領(lǐng)域，河北省地震局按照要求對(duì)非天然地震事件進(jìn)行信息專報(bào)。相較于天然地震的速報(bào)，非天然地震速報(bào)時(shí)間相對(duì)寬松，關(guān)鍵問題在事件類型的判定、震相的識(shí)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(yàn)等。由于發(fā)生在地表淺層附近，在速報(bào)時(shí)震源深度均按0 km處理。在速報(bào)非天然地震事件的過程中對(duì)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(cè)臺(tái)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(shí)，中國(guó)地震局地球物理研究所啟動(dòng)了“明燈1號(hào)”計(jì)劃，在河北省懷來(lái)縣境內(nèi)順利實(shí)施了50 t炸藥的大當(dāng)量科學(xué)探測(cè)爆破。河北省遙測(cè)臺(tái)網(wǎng)按照局監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)處要求做好了各項(xiàng)準(zhǔn)備工作，在系統(tǒng)對(duì)爆破事件觸發(fā)記錄后，當(dāng)班技術(shù)人員立即用速報(bào)系統(tǒng)按速報(bào)事件進(jìn)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(shí)別，在量取振幅時(shí)避免了量取大周期面波振幅，整個(gè)速報(bào)過程比較順利。

圖5 2007年河北懷來(lái)爆破波形記錄圖

炸藥爆炸，激發(fā)點(diǎn)附近產(chǎn)生的強(qiáng)大壓力超過巖石的極限強(qiáng)度，形成一個(gè)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(dòng)向上，而構(gòu)造地震初動(dòng)呈四象限分布；對(duì)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(bào)時(shí)作為主要參考依據(jù)。

2019年8月2日，開灤集團(tuán)唐山礦業(yè)分公司風(fēng)井煤柱區(qū)F5010聯(lián)絡(luò)巷發(fā)生動(dòng)力現(xiàn)象事故（圖6）。根據(jù)中國(guó)地震局對(duì)非天然地震事件信息報(bào)送要求，河北遙測(cè)臺(tái)網(wǎng)首次按照流程對(duì)事件進(jìn)行了相應(yīng)處理，處理結(jié)果得到上級(jí)主管部門的肯定。首先，快速準(zhǔn)確確定事件三要素（時(shí)間、地點(diǎn)、震級(jí)），在識(shí)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(tái)（DOH）的Pg和Sg震相）；在量取振幅的過程中不使用自動(dòng)量取振幅功能，因?yàn)槠鋾?huì)自動(dòng)量取最大面波振幅，導(dǎo)致震級(jí)計(jì)算錯(cuò)誤，此類事件應(yīng)手動(dòng)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(tái)站記錄初動(dòng)一般向下、大周期面波和波列持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)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(dāng)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(dòng)向下、周期大小不均、有大周期面波出現(xiàn)、波列持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)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(diǎn)30分位于天津市濱海新區(qū)的天津港的瑞海公司危險(xiǎn)品倉(cāng)庫(kù)發(fā)生火災(zāi)爆炸事故，這次事件不在速報(bào)范圍內(nèi)，沒有按照速報(bào)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(tái)站記錄了兩次爆炸事件，第二次爆炸能量比第一次要強(qiáng)。根據(jù)分析23時(shí)34分06秒發(fā)生第一次爆炸，震級(jí)約ML2.3；同日23時(shí)34分36秒發(fā)生第二次爆炸，震級(jí)約ML2.9。兩次爆炸事件中有兩組能量較強(qiáng)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(shí)間長(zhǎng)。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(diǎn)最近的DAG臺(tái)和BET臺(tái)站在記錄到第一次爆炸直達(dá)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(rèn)為是地表爆炸淺層的面波，而有的專家認(rèn)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(shí)還需要仔細(xì)考慮，主要使用近臺(tái)資料并綜合其他臺(tái)站的波形記錄，在量取振幅時(shí)避免量取低頻面波振幅。

圖7 2015年天津?yàn)I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(jí)的影響，一些臺(tái)站Sg震相不清晰，在標(biāo)注Sg震相時(shí)可有選擇地考慮在震相清晰的地方標(biāo)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(dòng)振幅量取功能。遇到可疑事件時(shí)，可查看震中距較近的臺(tái)站資料，通過對(duì)波形進(jìn)行初動(dòng)識(shí)別、波形仿真、波形基本特征等綜合分析，不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)來(lái)有效地判定事件類型。

3 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，影響地震參數(shù)速報(bào)質(zhì)量的因素很多，要既“快”又“準(zhǔn)”的處理好每一條地震，對(duì)所有速報(bào)人員都是一個(gè)考驗(yàn)。為提升河北遙測(cè)臺(tái)網(wǎng)速報(bào)質(zhì)量，提出如下建議。

1）提高地震速報(bào)技能，加強(qiáng)崗位練兵，提高應(yīng)對(duì)數(shù)據(jù)流中斷、處理系統(tǒng)故障、特殊震相識(shí)別等特殊情況的應(yīng)對(duì)能力。首都圈地區(qū)近些年中強(qiáng)地震不多，速報(bào)人員處理較大地震的經(jīng)驗(yàn)不足，特別是如何應(yīng)對(duì)雙震、應(yīng)對(duì)多個(gè)臺(tái)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(qiáng)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(qiáng)臺(tái)網(wǎng)值班人員心理素質(zhì)建設(shè)，熟練的速報(bào)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(bào)的基礎(chǔ)，但是過度的緊張和興奮會(huì)起反作用。

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