地震前兆數(shù)據(jù)分析與精確預(yù)警系統(tǒng)的研究

趙德才，趙 睿，劉 濤，謝博揚(yáng)，李小軍，王 銳，馬鵬程

（1．河北北方學(xué)院，河北 張家口075000；2．張家口市人民檢查院技術(shù)處，河北 張家口075000；3．張家口職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北 張家口075000；4．河北北方學(xué)院第三附屬醫(yī)院，河北 張家口075000；5．河北北方學(xué)院理學(xué)院，河北 張家口075000）

1 引 言

中國是地震多發(fā)國家，地震災(zāi)害極為嚴(yán)重，唐山大地震使24萬多人喪生，數(shù)十萬人受傷；四川汶川大地震，造成9萬人死亡和失蹤……一次次沉痛的地震災(zāi)難警示我們，必須加強(qiáng)地震科研聯(lián)合攻關(guān)，盡快提高地震預(yù)測預(yù)報(bào)水平，大力增強(qiáng)地震防御能力，有效減輕地震災(zāi)害造成的損失。

汶川大震后，國家就已提出把自然災(zāi)害預(yù)測預(yù)報(bào)、防災(zāi)減災(zāi)工作作為關(guān)系經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展全局的一項(xiàng)重大工作進(jìn)一步抓緊。中華人民共和國防震減災(zāi)法第八條規(guī)定：“任何單位和個(gè)人都有依法參加防震減災(zāi)活動的義務(wù)。國家鼓勵(lì)、引導(dǎo)社會組織和個(gè)人開展地震群測群防活動，對地震進(jìn)行監(jiān)測和預(yù)防。”

為了盡快提高地震預(yù)測預(yù)報(bào)水平，要積極整合各種地震研究資源，調(diào)動一切積極因素，堅(jiān)持專群結(jié)合、土洋結(jié)合、古今結(jié)合，采取傳統(tǒng)與現(xiàn)代、國內(nèi)與國外、民間與官方等多種預(yù)測方法相結(jié)合，進(jìn)行綜合分析研究，大力提高防震減災(zāi)水平。

不但要重視專業(yè)地震研究，更要重視民間的地震研究。進(jìn)一步完善提升地震預(yù)測預(yù)報(bào)科技水平，使中國地震科技水平走在世界前列，早日實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確預(yù)測預(yù)報(bào)地震，大大減少地震災(zāi)害損失。

2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展動態(tài)

2．1 地震檢波器、傾斜儀、地電流方法

中國的地球物理學(xué)家對海城地震的預(yù)測主要通過觀測許多先兆：用地震檢波器探測主震前幾天，次數(shù)和震級按指數(shù)規(guī)律增加的一系列小震；用傾斜儀記錄地殼的變形；埋電極探測地電流的尖脈沖。遺憾的是，具有上述這些明顯征兆的地震實(shí)屬罕見，即使出現(xiàn)這些征兆、也是十分微妙并讓人難以捉摸的。例如，跨越幾百公里地面的形狀或?qū)щ娐蕩啄陙淼淖兓?，都意味著地?yīng)力的緩慢集聚。探測這些微妙的變化要求配備非常精密的儀器，并要求解決許多典型的測試方法問題。

2．2 潮汐力諧振共振波 （簡稱HRT波）的方法［1］

中國地震局地球物理所退休研究員錢復(fù)業(yè)與趙玉林，1958年畢業(yè)于長春地質(zhì)學(xué)院物探系，從事地震預(yù)測已有40多年，在地電預(yù)測方法研究上擁有一批業(yè)界公認(rèn)的科研成果。1990年，他們率先提出潮汐力諧振的地震孕發(fā)機(jī)制。提出了潮汐力諧振共振波 （簡稱HRT波）的概念。他們認(rèn)為，HRT波是一種完全不同于傳統(tǒng)地震波概念的波，可以精確預(yù)測地震的來臨。他們研發(fā)的PS100系統(tǒng)精度高、具有很強(qiáng)的抗干擾能力，能夠捕捉到HRT波，當(dāng)臺網(wǎng)記錄到這種波動時(shí)，則預(yù)示地震即將來臨。2008年，安放于他們陋室中的電腦，通過互聯(lián)網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)，準(zhǔn)實(shí)時(shí)監(jiān)控到千里之外的四川紅格地震臺HRT波儀出現(xiàn)了臨震異常，但苦于臺站太少，未能精確確定地點(diǎn)，未能避免5·12大災(zāi)難的發(fā)生。

2．3 測量氫氣濃度法

國內(nèi)著名氣體傳感專家、中國地質(zhì)大學(xué)教授、博導(dǎo)王維熙帶領(lǐng)杭州電子科技大學(xué)等單位人員在內(nèi)的科研團(tuán)隊(duì)，經(jīng)長期攻關(guān)，終于研制出 “ATG6118E高靈敏度氫氣地震預(yù)測儀”。氫氣是目前世界公認(rèn)的地震預(yù)測中最靈敏的化學(xué)物質(zhì)之一，因此該儀器或許能在未來地震預(yù)測中發(fā)揮一定功效。

2．4 慣性擺地震儀

測震學(xué)方法使用的儀器是經(jīng)典慣性擺地震儀，它已成為地震預(yù)報(bào)人員最重要的觀測手段。但是，這種儀器很不完善。它是一種運(yùn)動學(xué)元件，只放置在地表，沒有與地殼緊密結(jié)合，因此所測信號的放大倍數(shù)不是特別大。另外，它受限于自身彈簧－擺系統(tǒng)的自振頻率，頻寬很窄，無法觀測到它的頻帶范圍之外的地殼運(yùn)動。

2．5 地聲觀測

地聲通常是地震發(fā)生的前兆之一，不過這種高頻波并不被地震學(xué)家看好，理由是高頻波在地層中衰減快，傳不遠(yuǎn)，難以被地震儀接收到。1973年，天津市地震局的伍富昆帶領(lǐng)著一批科研人員開始研制深井地聲儀。

選取油棕幼嫩的葉片經(jīng)液氨研磨后采用CTAB法提取基因組DNA。根據(jù)本課題組前期克隆得到的油棕DGAT2基因序列，在NCBI(https: //www.ncbi.nlm.nih.gov/)網(wǎng)站上比對油棕基因組序列后得到啟動子序列，采用Primer 6.0軟件設(shè)計(jì)引物并添加酶切位點(diǎn)與保護(hù)堿基(表1)，PCR擴(kuò)增程序如下：94℃預(yù)變性2 min；94℃變性30 s，60℃退火30 s，72℃延伸2 min，共30個(gè)循環(huán)擴(kuò)增；最后72℃延伸10 min。擴(kuò)增產(chǎn)物經(jīng)回收后連接到pMD19-T載體，轉(zhuǎn)化大腸桿菌得到含promoter-DGAT2-pMD19-T質(zhì)粒的陽性菌送測序。

3 建立基于網(wǎng)絡(luò)的多模式地震前兆參數(shù)監(jiān)測機(jī)制

對于典型地震前兆數(shù)據(jù)的監(jiān)測和采集，本項(xiàng)目采用 “無人值守地震參數(shù)監(jiān)測儀”（以下簡稱為 “監(jiān)測儀”，見圖1）來完成。首先，大量研究剖析國內(nèi)外的地震參數(shù)監(jiān)測儀器［2］，根據(jù)其監(jiān)測參數(shù)和工作原理的不同，將其分為幾個(gè)大類，如大地形變測量、地傾斜、重力、水位、水化、地磁、地電、地應(yīng)力、地聲、氣體濃度等等，然后從這些類中間選擇四類代表性很強(qiáng)的監(jiān)測方法，這些方法應(yīng)該能監(jiān)測各種類型級別的地震，從這四類方法的儀器中每類選取最經(jīng)典的一個(gè)儀器，將選出的這四種儀器工作原理應(yīng)用到本項(xiàng)研究要開發(fā)的 “監(jiān)測儀”［3］中，這幾種儀器按原設(shè)計(jì)原理工作，但統(tǒng)一受 “監(jiān)測儀”中單片機(jī)控制系統(tǒng)的統(tǒng)一調(diào)度，統(tǒng)一收發(fā)數(shù)據(jù)［4］。

“監(jiān)測儀”中包含8個(gè)系統(tǒng)子模塊：①電源模塊；②GPS衛(wèi)星定位模塊；③數(shù)據(jù)調(diào)制解調(diào)模塊；④數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送模塊；⑤地震參數(shù)監(jiān)測模塊1；⑥地震參數(shù)監(jiān)測模塊2；⑦地震參數(shù)監(jiān)測模塊3；⑧地震參數(shù)監(jiān)測模塊4。

其中：

①電源模塊。電源模塊是為該 “監(jiān)測儀”提供電力供應(yīng)的，是本設(shè)備中一個(gè)核心的部件，考慮到該設(shè)備使用環(huán)境的復(fù)雜性、和儀器內(nèi)部各地震參數(shù)監(jiān)測模塊需要提供穩(wěn)定的基準(zhǔn)電壓的要求，本電源模塊必須是多種供應(yīng)模式。采用 “市電＋太陽能蓄電”模式或 “市電＋風(fēng)力發(fā)電蓄電”模式提供電力供應(yīng)，以市電為主太陽能或風(fēng)力為輔的原則設(shè)計(jì)，在比較偏遠(yuǎn)的地方無法提供市電的環(huán)境中采用 “太陽能蓄電＋風(fēng)力蓄電”的模式供電，只有這樣 “監(jiān)測儀”方可輕松安放到任何需要的地方，不再被供電所牽制。

②GPS衛(wèi)星定位模塊［5］?！氨O(jiān)測儀”中4個(gè)檢測模塊監(jiān)測到的各類數(shù)據(jù)上傳到遠(yuǎn)程服務(wù)器后進(jìn)行數(shù)據(jù)分析時(shí)，必須知道這個(gè)數(shù)據(jù)是那個(gè)點(diǎn)的監(jiān)測數(shù)據(jù)，因此數(shù)據(jù)必須是帶 “地址”的，沒有 “地址”的數(shù)據(jù)沒有任何使用價(jià)值，“監(jiān)測儀”中巧妙的利用GPS衛(wèi)星定位的數(shù)據(jù)，該地址數(shù)據(jù)可以是經(jīng)緯度數(shù)據(jù)，也可以是K碼數(shù)據(jù)，都可以唯一標(biāo)識該 “監(jiān)測儀”的地址，只要能監(jiān)測到3顆以上衛(wèi)星就可以精確定位，精度可以達(dá)到5 m，將監(jiān)測到的數(shù)據(jù)加上地址碼和該 “監(jiān)測儀”的ID碼數(shù)據(jù)以及時(shí)間碼數(shù)據(jù) （既以后提到的“三碼數(shù)據(jù)”）一起打包上傳服務(wù)器，服務(wù)器會根據(jù)收到各點(diǎn)的數(shù)據(jù)計(jì)算點(diǎn)與點(diǎn)的距離，比較分析各種波形數(shù)據(jù)，得到精確的地震信息。

③數(shù)據(jù)調(diào)制解調(diào)模塊?！氨O(jiān)測儀”內(nèi)部集成了四個(gè)地震參數(shù)監(jiān)測模塊，這幾個(gè)模塊監(jiān)測到的數(shù)據(jù)有數(shù)字信號的有模擬信號的，在向遠(yuǎn)程服務(wù)器上傳時(shí)，必須統(tǒng)一變成數(shù)字信號，因?yàn)閿?shù)字信號抗干擾能力很強(qiáng)，還容易糾錯(cuò)，因此模擬信號還需要經(jīng)過A／D轉(zhuǎn)換電路變換，變換后的四路數(shù)字信號要通過一個(gè)網(wǎng)線或一個(gè)信道上傳，必須經(jīng)過調(diào)制才可以。

④數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送模塊。該模塊擔(dān)負(fù)數(shù)據(jù)上傳服務(wù)器的任務(wù)，使用地點(diǎn)的多樣性復(fù)雜性，使上傳任務(wù)變的復(fù)雜，考慮這些因素，該模塊的設(shè)計(jì)分為兩種：有線寬帶網(wǎng)的模式和無線3G的模式，如果安放點(diǎn)在野外，則采用無線3G的模式工作；如果在城鎮(zhèn)鄉(xiāng)村，可以考慮有線的方式。

⑤－⑧地震參數(shù)監(jiān)測模塊。該模塊是數(shù)據(jù)獲取的核心模塊，為該模塊的穩(wěn)定工作提供各種外界設(shè)施成為本項(xiàng)目成敗的關(guān)鍵，四個(gè)監(jiān)測模塊監(jiān)測到的四類數(shù)據(jù)分別分四路打包上傳，不能破壞數(shù)據(jù)的原始性。

圖1 多模式地震前兆參數(shù)監(jiān)測儀

4 建立遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)匯總與分析系統(tǒng)

對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析研究，需要構(gòu)建遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)分析服務(wù)器系統(tǒng) （包括分析軟件系統(tǒng)），該服務(wù)器系統(tǒng)包括兩部分內(nèi)容：①服務(wù)器硬件系統(tǒng)；②分析軟件系統(tǒng)。

①服務(wù)器硬件系統(tǒng)：包括服務(wù)器主系統(tǒng)兩套，其中一套備用；分類分析機(jī)四套；綜合分析機(jī)一套。

服務(wù)器主系統(tǒng)只負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)接收并保存來自全國地各點(diǎn)的四類數(shù)據(jù)，四類數(shù)據(jù)是四種不同的地震參數(shù)監(jiān)測模塊所得數(shù)據(jù)，在服務(wù)器上分類保存，因?yàn)槊款悢?shù)據(jù)都包含有 “三碼”，既地址碼、ID碼、時(shí)間碼。因此這些 “三碼數(shù)據(jù)”在后續(xù)的工作中將為數(shù)據(jù)分析軟件所使用。

分類分析機(jī)四套，分別和四類數(shù)據(jù)對應(yīng)，負(fù)責(zé)分析和顯示某一類信息的結(jié)果，以曲線、波形、或其它圖示法顯示。這種分析方法就是我們本項(xiàng)目中提到的橫向分析。

綜合分析機(jī)一套，將四類數(shù)據(jù)結(jié)果綜合進(jìn)行分析，得出我們最終的結(jié)論，判斷將要發(fā)生地震的三要素：時(shí)間、地點(diǎn)、震級。

經(jīng)過上述對四類數(shù)據(jù)的綜合分析，如果預(yù)測到某地要地震，可信度已經(jīng)很高。這種分析方法就是本項(xiàng)目中提到的縱向分析。

②分析軟件系統(tǒng)：是支撐上述的分類分析機(jī)和綜合分析機(jī)的軟件核心，分類分析機(jī)是工作在橫向分析模式，只分析一類數(shù)據(jù)，通過對一類數(shù)據(jù)的分析進(jìn)行預(yù)報(bào)；綜合分析機(jī)是工作在縱向分析模式，綜合分析四類數(shù)據(jù)，從而得到更為精準(zhǔn)的預(yù)報(bào)。

下面簡述擬所采用定位算法：

數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)的定位算法大致可以分為3類：確定震源的算法；確定震級的算法；確定地震時(shí)間的算法。

震源的確定算法：一種方法是利用信號強(qiáng)度差和大地衰減特性參數(shù)來確定，根據(jù)某一監(jiān)測數(shù)據(jù)不同監(jiān)測點(diǎn)采集到的信號強(qiáng)度的不同，計(jì)算分析得到震源位置，只要有3個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的數(shù)據(jù)，震源位置即可基本確定，但還存在一定的誤差，要精確預(yù)測震源，信號監(jiān)測點(diǎn)的數(shù)量應(yīng)該增多，越多越精確；另一種方法是利用同一種波形的數(shù)據(jù)在不同的監(jiān)測點(diǎn)出現(xiàn)的時(shí)間延時(shí)來確定，每個(gè)監(jiān)測點(diǎn)都安裝GPS衛(wèi)星定位模塊，為監(jiān)測設(shè)備提供精確的地址碼和標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間碼，同過分析同一個(gè)波形數(shù)據(jù)的時(shí)間碼的區(qū)別，也可大致確定震源位置，也需要多點(diǎn)才能精確預(yù)測。分析預(yù)測算法不僅限于上述兩種，具體采用哪種算法，要根據(jù)信號傳播特性來確定。

震級的確定算法：在震源初步確定的基礎(chǔ)上，通過分析計(jì)算和震源相距不同距離的不同監(jiān)測點(diǎn)信號強(qiáng)度，參照經(jīng)驗(yàn)值參數(shù)數(shù)據(jù)庫，初步確定震級的范圍，震級的精確預(yù)測很大程度決定于經(jīng)驗(yàn)值數(shù)據(jù)庫的完善，但本項(xiàng)研究最終采用的震級算法不限于以上這些表述，根據(jù)監(jiān)測參數(shù)的性質(zhì)不同還會有新的突破。

圖2 遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)

地震時(shí)間的確定算法：在上述兩要素已經(jīng)確定的前提下，根據(jù)同一種信號在同一個(gè)測試點(diǎn)強(qiáng)度的變化情況和經(jīng)驗(yàn)值數(shù)據(jù)庫的參數(shù)做比對，能從中找出一種對應(yīng)關(guān)系，經(jīng)驗(yàn)值數(shù)據(jù)庫尤其重要，需要不斷的完善和修改。

5 結(jié)束語

對地震的精確預(yù)報(bào)是世界級難題，不能因?yàn)槠潆y度大而放棄研究，隨著科學(xué)技術(shù)的日益發(fā)展，只有不斷地嘗試，不斷地探索，攻克這個(gè)難題也才會變得有可能［6］。本項(xiàng)研究從內(nèi)容上看是對中國現(xiàn)有地震預(yù)測技術(shù)的一個(gè)應(yīng)用深化和拓展的探索，擬通過多種監(jiān)測手段和方法，把各種地震的前兆信息一并采集并上傳遠(yuǎn)程服務(wù)器進(jìn)行分析。從實(shí)現(xiàn)的手段上看，采用了現(xiàn)代發(fā)達(dá)的互聯(lián)網(wǎng)傳輸技術(shù)，讓大量的數(shù)據(jù)匯集成為可能。是一個(gè)對多學(xué)科多途徑預(yù)測地震方法的跨學(xué)科的高度融合。

［1］ 趙玉林，錢復(fù)業(yè)．HRT波方法準(zhǔn)確預(yù)測強(qiáng)震時(shí)空強(qiáng)的可行性及其汶川8級等強(qiáng)震的震例 ［J］．中國工程科學(xué)，2009，11 （06）：111－122．

［2］ 吳忠良，蔣長勝．統(tǒng)計(jì)預(yù)測、經(jīng)驗(yàn)預(yù)測、物理預(yù)測—近期國際地震預(yù)測預(yù)報(bào)研究的啟示 ［J］．中國地震，2007，23（03）：211－224．

［3］ 楊軍，田韜，盧永．前兆波及其地震預(yù)測意義 ［J］．中國地震，2011，27（02）：113－125．

［4］ 陳運(yùn)泰．地震預(yù)測：回顧與展望 ［J］．中國科學(xué)D輯：地球科學(xué)，2009，39（12）：1633－1658．

［5］ 耿燦忠．GPS原理及應(yīng)用 ［J］．山東通信技術(shù)，2001（03）：45－46．

［6］ 高祥林．實(shí)現(xiàn)地震預(yù)測的可能性和地震預(yù)測技術(shù)的探索方向 ［J］．國際地震動態(tài)，2005（02）：25－28．