地震預(yù)警技術(shù)關(guān)鍵問題研究

摘 要：地震預(yù)警是防御和減輕地震災(zāi)害的一種工程技術(shù)，其原理是利用地震波與電磁波、P波與S波的速度差來(lái)實(shí)現(xiàn)震前或震后報(bào)警。基于此，本文對(duì)地震預(yù)警技術(shù)的若干關(guān)鍵問題進(jìn)行研究探討，為相關(guān)研究提供一定的參考。

關(guān)鍵詞：地震預(yù)警；地震災(zāi)害；預(yù)警臺(tái)網(wǎng)

中圖分類號(hào)：P315 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2018）01-0152-02

Discussion on Key Problems of Earthquake Warning Technology

DU Ruipan CHEN Quanzhi

（Baoji Center Seismic Station， Seismic Bureau of Shanxi Province，Baoji Shanxi 721008）

Abstract： Earthquake warning is an engineering technique to prevent and mitigate earthquakes. The principle is to use the velocity difference between seismic wave and electromagnetic wave， P wave and S wave to realize the alarm before the earthquake or after the earthquake. Based on this， this paper studied some key problems of earthquake early warning technology， to provide some reference for related research.

Keywords： earthquake warning；earthquake disaster；early warning network

我國(guó)是地震頻發(fā)的國(guó)家，是全球地震災(zāi)害最嚴(yán)重的國(guó)家之一。地震預(yù)警是減輕地震災(zāi)害的一種關(guān)鍵技術(shù)[1]。

1 地震預(yù)警相關(guān)概念

1.1 地震預(yù)警的提出

地震預(yù)警最早是美國(guó)的Cooper博士于1986年提出的。他設(shè)想，在距離圣菲爾南多約100km外，將測(cè)震儀器放置在地震活動(dòng)性高的區(qū)域，該測(cè)震儀器檢測(cè)到地震之后隨即發(fā)出預(yù)警電信號(hào)，電信號(hào)波速遠(yuǎn)遠(yuǎn)快于地震波，因此可以比地震波提前到達(dá)設(shè)防區(qū)圣菲爾南多，及時(shí)發(fā)出地震預(yù)警信號(hào)。但是，限于當(dāng)時(shí)的技術(shù)水平，這個(gè)設(shè)想沒有實(shí)現(xiàn)。直到20世紀(jì)90年代，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，地震預(yù)警技術(shù)才得以初步形成。

1.2 地震預(yù)警原理

按傳播方式分類，地震波包括橫波（S波）、縱波（P波）及面波（L波）。其中，縱波的傳播速度為5.5～7.0km/s，縱波破壞性較弱，最先到達(dá)震中；橫波的傳播速度為3.2～4.0km/s，橫波破壞力一般比較大，比縱波晚一些抵達(dá)震中；面波是一種混合波，由縱波和橫波在傳播過程中相遇混合而成，破壞力更大，只能沿地表傳播，是造成地震災(zāi)害的首要因素。P波的波速要快于S波，而電磁波的傳播速度約為3×105km/s，遠(yuǎn)快于P波。在捕捉到P波數(shù)據(jù)后，迅速計(jì)算地震相關(guān)參數(shù)，搶在破壞性的S波和L波到來(lái)之前，向設(shè)防地區(qū)發(fā)出預(yù)警，這就是地震預(yù)警技術(shù)的原理。需要注意的是，地震預(yù)警區(qū)別于地震預(yù)報(bào)，其不能像天氣預(yù)報(bào)那樣進(jìn)行未來(lái)某時(shí)刻的地震預(yù)測(cè)，只是在地震發(fā)生后及時(shí)對(duì)設(shè)防區(qū)進(jìn)行地震警報(bào)信息發(fā)布?？偟膩?lái)看，地震預(yù)警是指布設(shè)在震中附近的監(jiān)測(cè)設(shè)備在地震發(fā)生后向地震預(yù)警設(shè)防區(qū)發(fā)出電磁信號(hào)。

1.3 地震預(yù)警盲區(qū)

20km以內(nèi)的地區(qū)若發(fā)生直下型地震，即地震正好發(fā)生在設(shè)防區(qū)，除可以安裝P波自動(dòng)觸發(fā)控制裝置外，基本沒有時(shí)間進(jìn)行地震預(yù)警。因此，震中距20km之內(nèi)的區(qū)域，通常稱為預(yù)警盲區(qū)。

發(fā)展地震預(yù)警技術(shù)的目的就是要盡最大努力使預(yù)警盲區(qū)最小化，從而擴(kuò)大可以設(shè)防的區(qū)域。這與高密度的臺(tái)網(wǎng)建設(shè)、地震參數(shù)智能判定系統(tǒng)、警報(bào)發(fā)布系統(tǒng)及預(yù)警接收端接收速度等息息相關(guān)。參照我國(guó)的實(shí)際研究應(yīng)用情況，預(yù)警時(shí)間至少在20s以上，即地震預(yù)警需要的最小反應(yīng)半徑是36km，低于這個(gè)距離地震預(yù)警將無(wú)法發(fā)揮作用。另外，地震的破裂方式對(duì)盲區(qū)也有一定影響，單側(cè)破裂預(yù)警效果較好，雙側(cè)破裂有效預(yù)警區(qū)域會(huì)縮小。

1.4 地震預(yù)警應(yīng)急時(shí)間

預(yù)警應(yīng)急時(shí)間是在收到地震警報(bào)信號(hào)之后，政府、人們、社會(huì)群體、企業(yè)單位等對(duì)即將來(lái)臨的地震采取應(yīng)急措施的有效時(shí)間。預(yù)警反應(yīng)時(shí)間與人的因素關(guān)系較大，從日本歷次地震的經(jīng)驗(yàn)可以看出，通過有關(guān)系統(tǒng)的公眾教育培訓(xùn)而具有防震減災(zāi)意識(shí)的人更容易在地震中躲過襲擊存活下來(lái)。因此，從國(guó)家到個(gè)人做好全面的防震減災(zāi)常識(shí)教育，以及對(duì)民眾進(jìn)行災(zāi)害自救知識(shí)培訓(xùn)顯得異常重要。

2 地震預(yù)警關(guān)鍵技術(shù)

地震預(yù)警需要一套能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)警的地震數(shù)據(jù)分析處理發(fā)布智能系統(tǒng)。這套智能發(fā)布系統(tǒng)包括地震監(jiān)測(cè)網(wǎng)、參數(shù)智能計(jì)算判斷系統(tǒng)、警報(bào)發(fā)布系統(tǒng)、信號(hào)接收系統(tǒng)等4層架構(gòu)。該智能系統(tǒng)的整體反應(yīng)時(shí)間和警報(bào)發(fā)布準(zhǔn)確率是影響預(yù)警能力的關(guān)鍵因素。因此，要實(shí)現(xiàn)快速、準(zhǔn)確的地震預(yù)警，就必須提高系統(tǒng)內(nèi)各個(gè)子系統(tǒng)的響應(yīng)和處理能力。關(guān)鍵就是要實(shí)現(xiàn)對(duì)地震相關(guān)參數(shù)的快速計(jì)算和測(cè)定。

2.1 地震觸發(fā)判定技術(shù)

根據(jù)記錄短長(zhǎng)比、三分量記錄的振幅關(guān)系進(jìn)行事件觸發(fā)，最終進(jìn)行地震預(yù)警。地震觸發(fā)判定技術(shù)由于地脈動(dòng)和一些噪聲的影響，初動(dòng)周期會(huì)超過2s，可能導(dǎo)致誤觸發(fā)。

2.2 P波判定地震技術(shù)

地震預(yù)警就是要搶在破快性地震之前快速對(duì)相關(guān)區(qū)域進(jìn)行警報(bào)，那么關(guān)鍵問題就是如何對(duì)地震參數(shù)進(jìn)行快速判斷。根據(jù)P波前3s數(shù)據(jù)判定地震技術(shù)便應(yīng)運(yùn)而生。但是，該技術(shù)目前主要是以經(jīng)驗(yàn)和統(tǒng)計(jì)為基礎(chǔ)，雖然判定很快，但出現(xiàn)誤差的可能性很大。

2.3 第一報(bào)技術(shù)

第一報(bào)技術(shù)在地震預(yù)警的實(shí)際應(yīng)用中非常重要，第一報(bào)的時(shí)間每延遲1s，設(shè)防區(qū)半徑就縮小4km。第一報(bào)目前多采取地震監(jiān)測(cè)臺(tái)網(wǎng)聯(lián)報(bào)，因?yàn)閱闻_(tái)進(jìn)行第一報(bào)的準(zhǔn)確率難以保證，而且往往誤報(bào)較多。為提高第一報(bào)的震級(jí)準(zhǔn)確度，需要加強(qiáng)地震預(yù)警秒級(jí)甚至毫秒級(jí)處理技術(shù)的研究和創(chuàng)新。以當(dāng)前的技術(shù)水平，對(duì)于公眾應(yīng)及時(shí)發(fā)出地震預(yù)警信息，而不是苛求于第一報(bào)相關(guān)地震參數(shù)的準(zhǔn)確度，讓公眾及時(shí)采取應(yīng)急避險(xiǎn)措施。另外，科研人員應(yīng)在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上提高第一報(bào)地震參數(shù)的準(zhǔn)確度。

2.4 地震提前預(yù)警技術(shù)

根據(jù)相關(guān)理論，大地震破裂發(fā)生的初期存在緩慢破裂現(xiàn)象。緩慢破裂識(shí)別技術(shù)也是未來(lái)發(fā)展的一個(gè)重要方向，可以解決地震盲區(qū)問題。

2.5 地震預(yù)警的快速判定和解除技術(shù)

地震預(yù)警系統(tǒng)是否完善的一個(gè)重要指標(biāo)即為是否具備快速判定與解除技術(shù)。每一次地震或多或少都會(huì)對(duì)社會(huì)和個(gè)人產(chǎn)生一些影響。因此，要求地震預(yù)警系統(tǒng)可以快速判定基本的地震參數(shù)，哪里發(fā)生的，震級(jí)是多少，影響有多大。此外，如果是誤報(bào)，那么就要求地震預(yù)警系統(tǒng)具備對(duì)于地震誤報(bào)的快速解除技術(shù)，最大限度地減少對(duì)國(guó)家、社會(huì)和個(gè)人的不良影響。

3 地震預(yù)警現(xiàn)狀及效果

2005年，墨西哥國(guó)家理工學(xué)院的巴埃納·迪亞斯等研制了一種地震預(yù)警系統(tǒng)，該系統(tǒng)可在地震波到達(dá)前200s通過手機(jī)向公眾發(fā)送預(yù)警信號(hào)。經(jīng)過幾次對(duì)墨西哥南部太平洋沿海地震活動(dòng)的跟蹤，該系統(tǒng)預(yù)警成功率在90%以上。2010年，墨西哥聯(lián)邦政府對(duì)地震預(yù)警統(tǒng)進(jìn)行了升級(jí)，在墨西哥市周邊幾個(gè)州布置了64個(gè)地震探測(cè)臺(tái)站。2012年，沿著“格雷羅”地震帶布置了12個(gè)地震探測(cè)器，提高了墨西哥地震預(yù)警系統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施的現(xiàn)代化水平，促進(jìn)了其與其他地震預(yù)警系統(tǒng)的兼容性，擴(kuò)大了地震預(yù)警范圍。

2017年8月8日21：19，四川省阿壩州九寨溝縣發(fā)生Ml7.0地震，汶川縣電視臺(tái)的一套“地震前兆應(yīng)急系統(tǒng)”提前數(shù)十秒發(fā)出了地震警報(bào)，提醒人們緊急撤離。這套系統(tǒng)是近幾年四川省地震局和地震辦合作開發(fā)的一種地震預(yù)警系統(tǒng)，在非震中區(qū)可以提前數(shù)十秒發(fā)出地震警報(bào)，但是該系統(tǒng)在震中區(qū)將會(huì)失去作用。

我國(guó)正在建設(shè)全國(guó)范圍內(nèi)的地震預(yù)警系統(tǒng)——國(guó)家地震烈度速報(bào)與預(yù)警工程。目前，該工程處于初步設(shè)計(jì)階段，預(yù)計(jì)2018年開始實(shí)施，2020年完成項(xiàng)目建設(shè)，2021年項(xiàng)目試運(yùn)行。屆時(shí)該工程可以向多個(gè)部門提供服務(wù)，并大幅提升我國(guó)的地震預(yù)警技術(shù)水平。

4 地震預(yù)警的發(fā)展前景

地震預(yù)警是一個(gè)復(fù)雜的社會(huì)工程，僅靠一兩個(gè)單位或組織是不可行的，需要全國(guó)、全社會(huì)、全體人民的參與。只有發(fā)動(dòng)全國(guó)之力，我國(guó)的地震預(yù)警才可以發(fā)揮最大作用。隨著我國(guó)各領(lǐng)域建設(shè)的不斷發(fā)展，“一帶一路”也將持續(xù)推動(dòng)我國(guó)全方位國(guó)際化發(fā)展。但在發(fā)展進(jìn)程中，地震災(zāi)害無(wú)疑是對(duì)國(guó)家各方面建設(shè)的沖擊與阻礙，對(duì)社會(huì)發(fā)展影響深遠(yuǎn)。國(guó)家、社會(huì)和人民都需要一個(gè)安全穩(wěn)定的發(fā)展空間，做好地震預(yù)警研究與應(yīng)用工作可以有效減輕地震災(zāi)害帶來(lái)的損害與損失。因此，在我國(guó)建設(shè)地震預(yù)警系統(tǒng)有著重要的社會(huì)意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]張國(guó)民，傅征祥，林燮泰.地震預(yù)報(bào)引論[M].北京：科學(xué)出版社，2001.