地震烈度速報與預警臺站選址相關問題探討

摘要：對地震烈度速報與預警臺站選址時涉及到的臺站布局、臺站選址與臺址測試要點、臺址環(huán)境地噪聲要求等相關問題進行了討論，提出了供參考的具體建議，可作為地震烈度速報與預警臺站建設規(guī)范的補充材料，供大家在開展相關工作時參考。

關鍵詞：地震烈度速報；地震預警；臺站選址

中圖分類號：P3159文獻標識碼：A文章編號：1000-0666（2017）01-0015-07

0引言

《地震臺站代碼》（DB/T 4—2003）中指出，地震臺站是開展地震觀測的基礎機構，其建設涉及到臺站空間位置的選址、臺址噪聲的測試、臺站的土建等多方面內容。臺站建設優(yōu)劣在很大程度上決定了其觀測資料的質量、臺網功能和性能的實現(xiàn)、臺站運維成本的高低等，可以說，臺站建設雖工程量小，卻是一項涉及內容多、技術要求高的綜合工程，且臺站建設完成后，考慮投資因素，一般情況下不便再遷址重建，因此，對臺站建設要給予足夠的重視，需精心設計、優(yōu)質施工。

目前，我國已建成不同形式的多個地震烈度速報和預警系統(tǒng)，如福建省地震局在2011年建成了由125個臺站組成的福建地震烈度速報與預警示范系統(tǒng)；中國地震局地球物理研究所和河北省地震局在2013年建成了由150個臺站組成的唐山地震烈度速報和預警試驗系統(tǒng)；甘肅省地震局在2015年建成了由80個臺站組成的蘭州地震預警示范系統(tǒng)；中國地震局地球物理研究所在2015年建成了由104個臺站組成的首都圈地震預警示范系統(tǒng)等。在2016年底，還將建成由220個臺站構成的京津冀地震預警協(xié)同網、由300個臺站構成的福建地震預警實驗網、由270個臺站構成的川滇地震預警驗證網①。此外，即將實施的國家地震烈度速報與預警工程項目將建設地震烈度速報與預警臺站15 000多個，將實現(xiàn)在地震發(fā)生后，首臺觸發(fā)3 s內原地報警，4～6 s生成地震預警第一報信息，震后3 min內生成實測地震烈度速報信息，10 min內生成地震烈度分布圖②。在如此短時間內要產出地震預警和烈度信息，對臺站位置分布、臺站建設等提出了更高的要求。同時，隨著社會經濟的發(fā)展，環(huán)境地噪聲干擾不斷增大，也對臺站位置選擇構成了不同程度的約束。如何進行地震烈度速報和預警臺站的選臺和建臺成為一個亟需認真研究的問題。筆者作為第一起草人曾編制過《地震臺站建設規(guī)范地震烈度速報與預警臺站》（DB/T 60—2015），但由于規(guī)范對內容描述有嚴謹的要求，某些內容在實際工作中需要，但未在規(guī)范文本中反映。本文探討的內容可作為規(guī)范的補充材料，供大家在進行地震烈度速報與預警臺站設計或建設時參考借鑒。

在本文中，地震烈度速報和預警臺站可以是基準站、基本站和一般站。地震預警盲區(qū)指的是不能在破壞性地震動到達前提供地震預警信息的地區(qū)，一般是以震中為圓心的圓形區(qū)域。預警目標區(qū)指需要提供地震預警服務的目標或區(qū)域范圍，一般是居民區(qū)、生命線工程、重要工業(yè)設施等。地震預警時間指破壞性地震動到達時刻和接收到地震預警信息時刻的時間差。

1臺站布局與地震預警

在地震預警系統(tǒng)的設計中，臺站整體布局及其具體位置確定對預警效果影響顯著，需要在系統(tǒng)建設之前對其影響做出評估或分析。

11單臺預（報）警地震預警盲區(qū)估算

地震臺網實際地震預警盲區(qū)范圍的精確計算需要對地下速度結構有詳細的了解，但對于預警臺站位置的初步選擇，可以在符合目標或任務要求的前提下，進行條件假設和近似估算以作為臺站位置確定的參考依據。

對單個臺站，可利用其P波n秒數據計算地震基本參數，對本地或異地S波造成破壞提供預（報）警信息。在地震波速是一維分層均勻近似情況下，有如下關系：

式中，Δ1為檢測到P波臺站的震中距，單位為km；Δ2為接收預警信息處的震中距，單位為km；h為震源深度，單位為km；VP為P波速度，單位為km/s；VS為S波速度，單位為km/s；t0為系統(tǒng)用時，單位為s，包括數據打包封裝、信號傳輸、計算地震參數的波形長度（n秒）、地震參數計算和判定、預警信息發(fā)布與接收等所用的時間；t為可提供的預警時間，單位為s。

（1）單臺預（報）警最小地震預警盲區(qū)估算?？衫硐氲丶僭O震源距最近的臺站在震中位置，即取Δ1=0、Δ2=Δ，則由式（1）得到：

（2）若僅考慮100 km震中距范圍，則P波和S波主要是Pg和Sg波，且考慮淺源地震、近臺記錄，取地殼上層厚度為22 km，且在地殼上層

，系統(tǒng)用時取t0=40 s。

若分別取預警時間t等于00 s和30 s，則由式（2）可得到不同深度地震的單臺預（報）警最小盲區(qū)距離，如表1和圖1所示。由表1可見，在上述條件下，若預警時間為00 s，震源深度在100～150 km時，預警盲區(qū)最大，為168 km；若預警時間30 s，震源深度220 km時，預警盲區(qū)最大，為297 km。地震研究40卷第1期何少林：地震烈度速報與預警臺站選址相關問題探討

（2）單臺預（報）警地震預警盲區(qū)估算。假設震源深度10 km，取預警時間t=0 s，則不同震中距臺站的預警盲區(qū)距離估計如表2和圖2所示。

2單臺預（報）警最大預警時間估算

對單個臺站，利用其P波n秒數據計算地震基本參數，對本地或異地S波破壞提供預警信息，在地震波速是一維分層均勻近似情況下，假設震源距最近的臺站在震中位置，由式（2）式得出：

若僅考慮100 km范圍，則P波和S波主要是Pg和Sg波。且考慮淺源地震、近臺記錄，假設地震震源在上地殼，取VP=VPg=57 km/s、VS=VSg=34 km/s、h=10 km、系統(tǒng)用時取t0=40 s，則由式（3）得到不同震中距時的最大預警時間（假設臺站震中距為00 km），如表3和圖3所示。

3多臺預警地震預警盲區(qū)估算

如采用2個臺站預警，理想情況是地震震中在2個臺站連線的中間，此時，地震預警盲區(qū)最小。取2臺站間距為L（km），則臺站間距和預警盲區(qū)的關系為（楊陳，2013）若僅考慮100 km震中距范圍，則P波和S波主要是Pg和Sg波。且考慮淺源地震，取震源深度h=8 km，且在地殼上層Vp=VPg=57 km/s、VS=VSg=34 km/s，系統(tǒng)用時取t0=40 s，取預警時間為t=0 s，由式（4）可得到2臺站間距和預警盲區(qū)對應關系。同樣，在相同條件下，也可得到3臺站預警時，臺站間距和預警盲區(qū)的對應關系，如表4和圖4所示。

從圖1～4可看出：

（1）對相同震源深度地震，臺站間距減?。ㄅ_站密度增加），地震預警盲區(qū)減小，但臺站間距減小與地震預警盲區(qū)減小是非線性關系。（2）隨震源深度增加，預警盲區(qū)先增加，之后減小。對于淺源地震，當臺間距低于某個值時，預警盲區(qū)趨于一個常值。對于較深的地震，稀疏的臺站分布也可滿足預警需求，且震源深度達到一定值時，將不存在地震預警盲區(qū)。

（3）需要提供的預警時間越長，預警盲區(qū)越大。

（4）減少計算地震參數所需要的臺站數，盲區(qū)的半徑也會減小。當臺站間距較大時，減少計算地震參數所需臺站數，地震預警盲區(qū)的減少較明顯；但臺站間距較小時，減少計算地震參數所需臺站數，地震預警盲區(qū)的減少不明顯。即對臺站密度較小的臺網，可減少計算地震參數所需臺站數，縮小地震預警盲區(qū)。對臺站密度較大的臺網，可采用較多的臺站計算地震參數，以保證結果的可靠性。

2臺站布局與烈度速報

對于完全基于儀器觀測值進行實測的地震烈度速報，或在實測地震烈度基礎上經過插值后進行地震烈度速報的臺網，臺站的空間分布也很重要，它將影響烈度速報的準確性，因此，需要對臺站分布和不同區(qū)域烈度衰減關系做分析，以便指導臺網臺站布局設計。

汪素云等（2000）采用橢圓長短軸聯(lián)合衰減的模型，給出了中國西部地區(qū)的烈度衰減關系，如式（5）、（6）所示，以及中國東部地區(qū)的烈度衰減關系，如式（7）、（8）所示。

中國西北地區(qū)長軸方向

由式（5）～（8）計算可知，中國地區(qū)地震烈度衰減Ⅰ度，短軸半徑差最小在6～17 km，長軸半徑差最小在14～27 km。

3臺網臺站布局建議

地震臺網的地震烈度速報和預警性能依賴于臺站分布。初步總結前面的分析，給出如下臺網臺站布局建議。

31總則

（1）臺站在整體上的布局應滿足地震烈度速報和預警服務能力的要求。單個臺站位置的確定宜符合《地震臺站建設規(guī)范 地震烈度速報與預警臺站》（DB/T 60—2015）中第4章“臺站選址”和第5章“臺址測試”的規(guī)定。

（2）臺站整體布局宜考慮烈度速報和預警目標區(qū)內已運行、可共享，且可用于地震烈度速報和預警服務的其他類型臺站的分布。

（3）臺站間距決定了地震預警盲區(qū)的大小。在相同的條件下，臺站間距越大，地震預警盲區(qū)越大。

（4）臺站應包圍潛在震源區(qū)，臺站宜離潛在震源區(qū)盡量近。

（5）在無法預測潛在震源區(qū)時，臺站宜包圍烈度速報和預警目標區(qū)。

（6）在無法預測潛在震源區(qū)和不能確定烈度速報和預警目標區(qū)時，臺站宜大體均勻分布。

32臺站間距

（1）在潛在震源區(qū)，臺站間距可在8～10 km。

（2）在預警目標區(qū)，為提供盡可能多的地震預警時間，臺站宜離預警目標區(qū)在2 s地震波傳播距離外。

（3）當臺站大體均勻分布時，對淺源地震，臺站平均間距應不大于20 km，宜在8～12 km。具體確定臺站間距時，可參照臺間距和目標區(qū)地震烈度衰減、地震預警盲區(qū)的依賴關系。對中源和深源地震，臺站間距小于50 km，對縮小預警盲區(qū)意義不大。

33計算地震參數前時間的估計

對地震預警服務，當臺網的臺站布局確定后，可根據計算地震參數需要的臺站數估計某個地震從發(fā)震到計算地震參數時需要的時間。對一定區(qū)域內每個震中進行估計，可得到臺網在一定區(qū)域內從發(fā)震到計算地震參數時需要的時間分布，據此，可為估計臺網地震預警能力提供參考數據。

4臺站選址和臺址測試

41臺站選址

臺站選址是建設高品質臺網的基礎，臺址的環(huán)境條件直接影響臺站產出數據的質量和臺網效能的實現(xiàn)。臺站選址時地理位置要符合整體臺網的功能和性能的需求，觀測環(huán)境條件要滿足臺站觀測環(huán)境技術要求，同時還要兼顧通信、供電、避雷、交通、安全、維護條件以及長期觀測需要。

臺站選址的過程可分為初步勘選（圖上作業(yè)）、現(xiàn)場踏勘、場地測試、編寫勘選報告和臺址確定5個階段，如圖5所示。

單個臺站的勘選報告中應包括：

（1）主要測試設備（至少包括傳感器和數據采集器）的描述（如型號、編號、生成廠家、主要技術參數）、儀器標定原始波形數據、標定波形處理分析（如處理程序來源、處理得到的儀器工作參數、儀器工作是否正常）。

（2）臺址環(huán)境地噪聲測試。包括儀器測試參數設置、測試環(huán)境條件、測試原始波形數據。

（3）測試數據的處理。包括測試時間說明、原始數據預處理說明、數據處理公式、處理軟件說明、處理結果（如表和圖）。

（4）傳輸信道說明。

（5）結論和說明。包括處理結果、判定依據、判定結論，相關說明。

當所有臺址確定后，對地震烈度速報和預警臺網，應有臺網臺站勘選總報告，內容至少包括：

（1）臺站信息匯總表。包括經度、緯度、高程、臺址地理位置、場地巖性、噪聲處理結果、場地噪聲類型、通訊方式、供電方式、交通條件、場地權屬、用地方式等。

（2）臺站位置分布圖。

（3）臺址噪聲分布圖。

（4）臺站間距的分段統(tǒng)計表和圖。

（5）臺網能力預估。對照臺網建設功能和性能指標進行評估，如臺網地震監(jiān)測能力、臺網烈度速報能力、臺網預警能力等。

42臺址測試

臺址選定后要進行臺址測試，包括以下要點：

（1）測試儀器采樣率宜盡量大，不應低于100點/秒，以采集到高頻脈動。

（2）測試儀器在保證不限幅條件下，宜使測試數據值盡量大，以采集到小振幅脈動。

（3）測試前和結束時，應在測試現(xiàn)場對儀器進行標定，以保證測試儀器正常、測試儀器參數設置合理，進而保證測試數據的正確性。

（4）應對測試點進行處理，即清除表面分化層，并做平整處理作為測試面。安放地震計后，應采取減少環(huán)境干擾措施，如加儀器罩、周圍密封等。

（5）做好測試的詳細記錄，包括文字和照片資料。

5臺址環(huán)境地噪聲要求探討

臺址環(huán)境地噪聲是具體地點的地噪聲，它是背景地噪聲和其他干擾地噪聲的總和。臺址環(huán)境地噪聲水平決定了臺站能記錄到地震的下限，也決定了臺網的地震監(jiān)測能力，是臺站選址的最重要約束指標。

（1）《地震臺站觀測環(huán)境技術要求 第1部分：測震》（GB/T 195311—2004）42節(jié)中規(guī)定：Ⅰ級環(huán)境地噪聲水平為小于316×10-8 m/s。依據寬頻帶面波震級MS（BB）（地震震級的規(guī)定，GB/T 17740—2016）可知，在震中距1°處，此噪聲相當于10級地震的最大幅度。

（2）若有2個臺站，震中距分別為Δ1和Δ2，觀測的速度最大振幅分別為（Vmax）1和（Vmax）2，對同一個地震，假設①：測定寬頻帶面波震級MS（BB），有：

假設②：臺站間距減小，使震中距減少1倍，即Δ2=Δ1/2，則由式（10）得到：（Vmax）2=316×（Vmax）1。即：保證監(jiān)測能力不變的前提下，震中距減小1倍（減小到1/2），地震最大幅度增加316倍；震中距再減小1倍（減小到1/4），地震最大幅度增加10（≈316×316）倍。若認為地震最大振幅和初動有相似的衰減特性，則可近似認為，記錄同樣的地震，當震中距減小1倍（減小到1/2）時，環(huán)境地噪聲允許增加316倍。當震中距再減小1倍時（減小到1/4），環(huán)境地噪聲也允許增加10倍。

（3）估算示例。若有一臺站，記錄MS（BB）=05地震，其震中距為Δ=2°，則根據式（9），計算得到：Vmax=315×10-9 m/s。按照上述（2）中的結論簡單推測，若震中距減小到69 km，即每次震中距減少一半，減少5次，則此處的Vmax=315×10-9×3165=993×10-7 m/s，若近似認為波形最大振幅是初至波最大振幅的8倍，則MS（BB）=05地震，在震中距69 km處，初至波最大振幅約為993×10-7/8=124×10-7 m/s，更進一步假設認為允許的噪聲是信號的1/2，即若在69 km處能記錄MS（BB）=05地震，可允許的臺址噪聲是62×10-8 m/s，即允許臺址是Ⅱ級環(huán)境地噪聲水平。

綜上，可得出：

（1）不同類型的臺站選址應滿足其對環(huán)境地噪聲的要求。

（2）對相同的監(jiān)測能力，當臺站間距減?。ㄅ_站密度增加）時，對臺址環(huán)境地噪聲的要求會降低，即允許相對高的環(huán)境地噪聲水平。

（3）若近似認為地震波形最大振幅是初至波最大振幅的8倍，則對MS（BB）=05地震，在震中距7 km處，初至波最大振幅約為124×10-7 m/s，允許的噪聲可是62×10-8 m/s，即允許臺址是Ⅱ級環(huán)境地噪聲水平。

（4）當某些特殊地點必須安裝儀器進行地震烈度速報或預警時，可根據該地點地震烈度速報或預警震級的下限，計算該地點需監(jiān)測的最小地面振動的加速度或速度峰值，臺址最大環(huán)境地噪聲加速度或速度峰值不應大于該地點需檢測的最小地面振動的加速度或速度峰值的1/2。

（5）其它目的的臺站選址，可根據觀測目的進行專門的研究和確定。

6小結

地震烈度速報與預警臺網要求在盡可能短的時間內提供信息服務，其臺站布局和選址不同于以地震基本參數速報為目的的地震臺網，在建設烈度速報與預警臺網前，要根據建設目的，對臺站布局、選址等有關問題進行全面、詳細的設計，并對擬建臺網的功能和性能進行評估，以保證所建臺網功能實現(xiàn)、性能優(yōu)異。

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