地震預(yù)警技術(shù)研究探討

黃 麟， 謝向東

(長(zhǎng)江大學(xué) 城市建設(shè)學(xué)院，湖北 荊州 434023)

地震災(zāi)害是人類面臨的最為嚴(yán)重的自然災(zāi)害之一，地震不僅直接帶來(lái)巨大的破壞，同時(shí)還會(huì)引起大量的次生災(zāi)害[1].1920年的海原大地震和1976年的唐山大地震都有20萬(wàn)以上人員的死亡；2008年汶川8.0級(jí)地震傷亡人數(shù)高達(dá)10多萬(wàn)，經(jīng)濟(jì)損失超過(guò)800億美元；2010年玉樹7.1級(jí)地震, 2013年雅安7.0級(jí)地震均造成了嚴(yán)重的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失[2—3].世界上其他地方也頻頻發(fā)生地震，1960年智利9.5級(jí)大地震，有1萬(wàn)人不幸遇難，地震引起的海嘯也給美國(guó)夏威夷和日本東海岸造成巨大損失；1995年日本阪神大地震，6 000多人死亡，經(jīng)濟(jì)損失超過(guò)1 000億美元；2001年印度古吉拉特邦地震造成3.5萬(wàn)人死亡和100多億美元的經(jīng)濟(jì)損失；2004年印度尼西亞蘇門答臘地區(qū)發(fā)生9.3級(jí)強(qiáng)震，20多萬(wàn)人遇難，經(jīng)濟(jì)損失超過(guò)百億元；2011年日本的宮城福島9.0級(jí)地震不僅致死2萬(wàn)人，還損壞核電站，引起了嚴(yán)重核泄漏，其災(zāi)害的影響可能還要延續(xù)百年之久[4—7].

地震具有瞬間發(fā)生、破壞劇烈、監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)困難、次生災(zāi)害嚴(yán)重、社會(huì)影響深遠(yuǎn)等特點(diǎn)[8].如果能準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)出未來(lái)發(fā)生地震的時(shí)間、地點(diǎn)、強(qiáng)度，無(wú)疑可以大大減少傷亡人數(shù)，降低經(jīng)濟(jì)損失，但目前關(guān)于地震預(yù)報(bào)只是處于科學(xué)探索的初期，總的來(lái)說(shuō)整體水平不高.地震預(yù)警不同于地震預(yù)報(bào)，它具有明顯的實(shí)用性.它是利用地震發(fā)生后電磁波比地震波傳播速度快的特點(diǎn)，在破壞性的地震波到來(lái)前的數(shù)秒或數(shù)十秒發(fā)出預(yù)警，從而采取相應(yīng)的措施，減少人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失.墨西哥1991年8月建立了地震預(yù)警系統(tǒng)，并為1995年發(fā)生在格雷羅地區(qū)7.3級(jí)地震提供了72 s的預(yù)警時(shí)間[9]；2011年3月11日發(fā)生在日本的9.0級(jí)大地震，數(shù)百萬(wàn)日本人在地震波到達(dá)前大約1 min得知了地震的消息;日本新干線UrEDAS系統(tǒng)自1992年來(lái)多次成功地發(fā)布地震預(yù)警信息，大大提高了鐵路的運(yùn)行安全[10].

目前，有9個(gè)國(guó)家正在使用地震預(yù)警系統(tǒng)，還有13個(gè)國(guó)家正在測(cè)試階段[11].為了減輕地震帶來(lái)的次生災(zāi)害，很多國(guó)家，例如中國(guó)、日本、美國(guó)和墨西哥等，將工程的緊急制動(dòng)與地震預(yù)警系統(tǒng)關(guān)聯(lián)在一起,如：電梯停在最近的樓層并打開(kāi)電梯門；高速行駛的列車減速制動(dòng)；自動(dòng)關(guān)閉天然氣管道以防止火災(zāi)，切換交通信號(hào)阻止車輛進(jìn)入易受攻擊的區(qū)域，如橋梁隧道等[12—20].地震發(fā)生時(shí)，正在運(yùn)行的工程可以做到接收到信號(hào)后立即采取相應(yīng)措施，然而，人類需要的反應(yīng)時(shí)間比工程緊急制動(dòng)多，短暫的預(yù)警時(shí)間對(duì)于逃生也許幫助不大.地震預(yù)警的設(shè)計(jì)目的是在破壞性地震波到達(dá)預(yù)警目標(biāo)區(qū)前提供幾十秒的預(yù)警時(shí)間，人們立即采取相應(yīng)的防震減災(zāi)措施，減小地震災(zāi)區(qū)損失.目前的地震預(yù)警系統(tǒng)由地震監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)處理以及預(yù)警信息發(fā)布組成，地震前和地震后的工作并沒(méi)有涉及.目前的地震預(yù)警系統(tǒng)并不能告訴人們?cè)鯓涌焖偬由?，哪些地方是安全的以及?zāi)后救援部門應(yīng)該如何安排等.這就導(dǎo)致在高層建筑中的人，僅僅利用地震預(yù)警提供的短暫的逃生時(shí)間快速逃離到安全區(qū)是很有難度的.因此，本文在介紹了地震預(yù)警的相關(guān)概念、技術(shù)和問(wèn)題的基礎(chǔ)上，提出一個(gè)完整的地震預(yù)警系統(tǒng).該系統(tǒng)包括地震前的各種準(zhǔn)備工作.例如:民眾的日常地震科普教育宣傳及結(jié)構(gòu)房屋的防震設(shè)計(jì)和老舊房屋改造加固等；地震時(shí)的預(yù)警工作，采用測(cè)震儀和強(qiáng)震儀結(jié)合為主，以高頻GPS和智能手機(jī)內(nèi)嵌的加速度計(jì)為輔的觀測(cè)臺(tái)網(wǎng)；對(duì)于一些企業(yè)的重大工程可以由企業(yè)自行進(jìn)行預(yù)警；對(duì)于重大工程的預(yù)警系統(tǒng)設(shè)定的閾值應(yīng)該比面向公眾的高而且要有十足的把握才能進(jìn)行預(yù)警；地震后的烈度快速計(jì)算，快速確認(rèn)地震災(zāi)區(qū)并快速實(shí)施救援行動(dòng).

1 地震預(yù)警的主要內(nèi)容

1.1 地震預(yù)警的原理

地震發(fā)生時(shí)，能量的釋放是以地震波的形式向四周傳播.地震波主要包括3種：縱波(P波)、橫波(S波)以及面波[21].P波攜帶地震信息，其傳播速度最快，約為6 km/s，可引起地面上下震動(dòng)；S波攜帶地震能量，傳播速度約為3.5 km/s，引起地面前后及左右搖晃；面波是縱波和橫波的復(fù)合波，只在地表傳播，其中勒夫波和瑞利波是最重要的兩種波.勒夫波的行進(jìn)方向與傳播方向正交，與地球表面平行，它具有很大的振幅，能在建筑物地基下造成水平剪切，對(duì)建筑物破壞極大；瑞利波是以紋波形式在地表附近傳播的，它具有低速、低頻、強(qiáng)振幅的特點(diǎn)，在距離震源較遠(yuǎn)處，其摧毀力比縱波和橫波大很多[22].由于電磁波的傳播速度(3.0×105km/s)遠(yuǎn)大于地震波的傳播速度.根據(jù)電磁波、P波和S波的速度差，地震預(yù)警的原理有以下3種：利用電磁波的傳播速度遠(yuǎn)大于地震波傳播速度，可以將地震信息及時(shí)通知給遠(yuǎn)離地震區(qū)的民眾，適用于異地預(yù)警；利用P波和S波的波速差實(shí)現(xiàn)在S波到達(dá)之前發(fā)出警報(bào)，適用于現(xiàn)地預(yù)警；利用S波及面波達(dá)到一定的閾值發(fā)出警報(bào)，適用于大地震，主要用于地震的緊急處理[23].地震預(yù)警系統(tǒng)工作原理見(jiàn)圖1.

圖1 地震預(yù)警系統(tǒng)工作原理示意圖

1.2 地震預(yù)警的盲區(qū)

地震預(yù)警盲區(qū)的產(chǎn)生是由于監(jiān)測(cè)到P波之后地震預(yù)警系統(tǒng)處理數(shù)據(jù)到發(fā)布地震預(yù)警的時(shí)間段內(nèi)S波也在傳播.提高地震預(yù)警效率的有效方法是減小盲區(qū)半徑，最為直接的方法是增大地震臺(tái)站布設(shè)的密度.假設(shè)一個(gè)地震預(yù)警系統(tǒng)是簡(jiǎn)單的雙臺(tái)預(yù)警模式，研究臺(tái)站間距l(xiāng)對(duì)地震預(yù)警盲區(qū)半徑r的影響，同時(shí)假設(shè)地震正好發(fā)生在2個(gè)臺(tái)站的連線中間，則r和l有以下關(guān)系[24]：

(1)

(2)

式中：t1為P波初至用時(shí)；t2為P波截取用時(shí)；t3為地震預(yù)警發(fā)布用時(shí)；vS為S波速度；vP為P波速度；h為震源深度;l為臺(tái)站間距.

圖2為5種不同震源深度(h=10, 15, 20, 25, 30 km)的地震盲區(qū)與臺(tái)站間距的關(guān)系.由圖2可知，隨著臺(tái)站間距l(xiāng)的增加，地震預(yù)警盲區(qū)隨之增加，且增長(zhǎng)的速率有先慢后快的趨勢(shì)，也就是說(shuō)地震臺(tái)站間距越大地震預(yù)警盲區(qū)越大，預(yù)警效果越差.當(dāng)臺(tái)站間距l(xiāng)<20 km時(shí)，隨著臺(tái)站間距的減小，盲區(qū)減少的程度并不明顯，但當(dāng)l>20 km時(shí)隨著臺(tái)站間距的增加地震預(yù)警盲區(qū)半徑呈直線增加，可以看出l=20 km是臺(tái)站間距的臨界值.在實(shí)際的布設(shè)中，臺(tái)站間距也是如此，例如日本的地震預(yù)警系統(tǒng)每隔20～25 km布置一臺(tái)地震監(jiān)測(cè)臺(tái)站；墨西哥SAS系統(tǒng)每隔25 km布設(shè)臺(tái)站.從圖2中還可以看出，震源深度h越大預(yù)警盲區(qū)越小，這是因?yàn)檎鹪瓷疃仍酱?，預(yù)警的時(shí)間越長(zhǎng)，預(yù)警盲區(qū)越小.當(dāng)l<20 km,h<25 km時(shí)震源深度對(duì)預(yù)警盲區(qū)影響不大，l=0時(shí)盲區(qū)半徑為21.54 km左右；當(dāng)l<20 km,h≥25 km時(shí)，隨著震源深度的增加地震預(yù)警盲區(qū)半徑明顯減??；當(dāng)l<20 km時(shí),震源深度h=25 km是地震預(yù)警盲區(qū)半徑的一個(gè)臨界值.

圖2 盲區(qū)半徑r與臺(tái)站間距l(xiāng)曲線

由此可見(jiàn)，為了減少地震預(yù)警盲區(qū)，一味地加密臺(tái)站，減小地震預(yù)警盲區(qū)并不能達(dá)到預(yù)期的效果.在布設(shè)臺(tái)站時(shí)要以斷層為基礎(chǔ)，合理地布設(shè)臺(tái)站間距，考慮建設(shè)成本以及預(yù)警目標(biāo)區(qū)對(duì)地震預(yù)警的要求進(jìn)行.

1.3 地震預(yù)警模式

根據(jù)地震預(yù)警的原理和地震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與預(yù)警目標(biāo)區(qū)的相對(duì)距離，地震預(yù)警模式可以分為：異地預(yù)警和現(xiàn)地預(yù)警[25].

異地預(yù)警的預(yù)警目標(biāo)區(qū)與震源有一定的距離，將地震動(dòng)觀測(cè)臺(tái)站布設(shè)在地震震中附近，利用臺(tái)站獲取的實(shí)時(shí)地震動(dòng)信息，對(duì)預(yù)警對(duì)象提供預(yù)警.為了更進(jìn)一步地理解異地預(yù)警，下式給出了S波與P波到達(dá)時(shí)間隨震中距的變化，即

(3)

式中：t4為S波到達(dá)時(shí)間，t5為P波到達(dá)時(shí)間；h為震源深度；x為震中距；v為地震波波速.

假設(shè)h為30 km，S波波速為3.5 km/s，P波波速為6 km/s，x的取值范圍為0～120 km，則其結(jié)果見(jiàn)圖3.

圖3 P波與S波到達(dá)時(shí)間隨震中距變化曲線

從圖3可得，到達(dá)預(yù)警目標(biāo)區(qū)P波比S波用時(shí)少，而且隨著震中距的增加兩種波的到達(dá)時(shí)間差增大，也就是說(shuō)離震中距越遠(yuǎn)，能獲得的地震預(yù)警時(shí)間越多.當(dāng)震中距為60 km時(shí)，P波用時(shí)27.38 s到達(dá)，S波用時(shí)35.85 s，假設(shè)臺(tái)網(wǎng)在10 s內(nèi)確定地震信息，在2 s內(nèi)對(duì)預(yù)警目標(biāo)區(qū)預(yù)警，那么在P波到達(dá)前有大約5 s預(yù)警時(shí)間，S波有大約23 s預(yù)警時(shí)間.因此，想要得到5 s預(yù)警目標(biāo)，要求預(yù)警目標(biāo)與震源有不小于60 km的距離.可以看出，異地預(yù)警的要求比較嚴(yán)格，首先預(yù)警目標(biāo)要與震源區(qū)有不小于60 km的距離，其次要對(duì)預(yù)警目標(biāo)周邊的地形相當(dāng)了解，將地震臺(tái)站布設(shè)在可能的震源附近.為了提高數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，布設(shè)的臺(tái)站密度要足夠大，經(jīng)濟(jì)成本相應(yīng)地會(huì)很高.

假設(shè)在理想狀態(tài)下，地震動(dòng)臺(tái)站布設(shè)足夠密集，有一個(gè)臺(tái)站正好位于震中，圖4為異地預(yù)警示意圖.地震發(fā)生后異地預(yù)警系統(tǒng)的預(yù)警時(shí)間

圖4 異地預(yù)警示意圖

(4)

式中：h為震源深度；t4為S波到達(dá)時(shí)間；t5為P波到達(dá)時(shí)間；t3為檢測(cè)到地震后到發(fā)布地震預(yù)警用時(shí)；x為震中距；vS為S波速度；vP為P波速度.

現(xiàn)地預(yù)警的地震動(dòng)觀測(cè)臺(tái)站布設(shè)在預(yù)警目標(biāo)區(qū)域附近，臺(tái)站獲取實(shí)時(shí)地震動(dòng)信息，利用地震動(dòng)P波初動(dòng)的幾秒內(nèi)信息來(lái)估算地震震級(jí)、位置和強(qiáng)度.與異地預(yù)警不同，現(xiàn)地預(yù)警并不要求預(yù)警目標(biāo)區(qū)的距離；地震動(dòng)臺(tái)站利用的信息是P波初到的波形，利用P波與S波的速度差進(jìn)行預(yù)警；現(xiàn)地預(yù)警只需要在預(yù)警目標(biāo)區(qū)設(shè)置個(gè)別臺(tái)站，相對(duì)經(jīng)濟(jì)投入少.圖5為現(xiàn)地預(yù)警示意圖，預(yù)警時(shí)間由下式確定：

圖5 現(xiàn)地預(yù)警示意圖

(5)

基于(4)式和(5)式，假設(shè)h為15 km，x〗的取值范圍為0～120 km，vS=3.5 km/s，vP=6 km/s，則關(guān)于x與預(yù)警時(shí)間t的關(guān)系曲線見(jiàn)圖6.從圖6可以看出，預(yù)警時(shí)間有小于0的區(qū)域，這個(gè)區(qū)域就是地震盲區(qū)，因此不管是什么預(yù)警模式都存在預(yù)警盲區(qū).當(dāng)t=0時(shí)，計(jì)算出異地預(yù)警盲區(qū)約為30 km，現(xiàn)地預(yù)警盲區(qū)約為40 km，現(xiàn)地預(yù)警盲區(qū)大于異地預(yù)警盲區(qū)；當(dāng)t>0時(shí),隨著x的增加預(yù)警時(shí)間增加，異地預(yù)警提供的預(yù)警時(shí)間始終大于現(xiàn)地預(yù)警的時(shí)間，且隨x的增加，提供的預(yù)警時(shí)間差距也在增加.顯然，異地預(yù)警相比現(xiàn)地預(yù)警不但提供的預(yù)警時(shí)間長(zhǎng)而且預(yù)警盲區(qū)小，因次，在選擇預(yù)警模式時(shí)，首選預(yù)警效能更好的異地預(yù)警.

圖6 震中距與預(yù)警時(shí)間曲線

2 國(guó)內(nèi)外地震預(yù)警系統(tǒng)現(xiàn)狀

地震對(duì)生命財(cái)產(chǎn)有巨大的危害，越來(lái)越多的國(guó)家開(kāi)始重視地震預(yù)警技術(shù)(表1).墨西哥儀器和地震記錄中心于1991年研發(fā)出了墨西哥城地震預(yù)警系統(tǒng)(SAS)，SAS在1993年正式為墨西哥城提供地震預(yù)警服務(wù).SAS由分布在格雷羅峽谷盡頭東南方向的12個(gè)強(qiáng)震動(dòng)傳感器組成，每臺(tái)強(qiáng)震儀間隔25 km，每當(dāng)兩個(gè)或多個(gè)臺(tái)站記錄到的地震動(dòng)振幅Mb超過(guò)5.5時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)發(fā)出警報(bào).1995年9月14日，墨西哥南部的格雷羅州發(fā)生7.3級(jí)地震，SAS系統(tǒng)成功預(yù)警，為墨西哥城提供了72 s的應(yīng)對(duì)時(shí)間，驗(yàn)證了該系統(tǒng)的實(shí)用性和有效性.

表1 地震預(yù)警技術(shù)現(xiàn)狀

SAS系統(tǒng)布設(shè)在距離墨西哥城320 km的格雷羅海岸，是很典型的異地預(yù)警模式.然而想要全面地監(jiān)測(cè)俯沖帶及太平洋墨西哥海岸的地震活動(dòng)，減小地震預(yù)警盲區(qū)，12臺(tái)強(qiáng)震動(dòng)傳感器遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠.1996年6月15日，在墨西哥東南部的瓦哈卡發(fā)生一次破壞性地震，由于缺少地震預(yù)警系統(tǒng)，造成了很嚴(yán)重的損失.因此，2003年，墨西哥第二個(gè)預(yù)警系統(tǒng)瓦哈卡地震預(yù)警系統(tǒng)(SASO)產(chǎn)生.由于瓦哈卡俯沖帶距離人口聚集區(qū)近，其擁有36個(gè)地震觀測(cè)臺(tái)，比SAS多14個(gè)臺(tái)站.據(jù)統(tǒng)計(jì)，SASO系統(tǒng)發(fā)布了3次公共預(yù)警和5次預(yù)防性預(yù)警，2次漏報(bào).2012年，SAS和SASO合并形成一個(gè)新的地震預(yù)警系統(tǒng)(SASMEX).2017年9月8日的恰怕斯8.2級(jí)地震以及9月19日的普埃布拉7.1級(jí)地震，SASMEX都提供20 s以上的預(yù)警時(shí)間.目前,墨西哥有97個(gè)強(qiáng)震動(dòng)臺(tái)站在監(jiān)測(cè)墨西哥俯沖帶，據(jù)統(tǒng)計(jì)該系統(tǒng)記錄到6 896次地震，共發(fā)布158次地震預(yù)警.

日本是地震多發(fā)國(guó)家，同時(shí)也是世界上最早使用地震預(yù)警的國(guó)家，擁有先進(jìn)的地震預(yù)警技術(shù).日本新干線地震監(jiān)測(cè)與預(yù)警系統(tǒng)最開(kāi)始是采用閾值報(bào)警，其原理是利用S波的加速度閾值觸發(fā)報(bào)警.1965年，閾值報(bào)警系統(tǒng)應(yīng)用于東北新干線.該系統(tǒng)由簡(jiǎn)單的機(jī)械式報(bào)警地震儀組成，間隔20～25 km布設(shè).這種方式布置的地震儀稱為沿線地震計(jì).當(dāng)發(fā)生地震時(shí)，地震儀所記錄的水平加速度超過(guò)設(shè)置好的閾值時(shí)，地震預(yù)警系統(tǒng)自動(dòng)切斷列車電源，列車停車.20世紀(jì)70年代末期，為了監(jiān)測(cè)距離鐵路一定距離的日本東部太平洋海岸線的地震活動(dòng)，相關(guān)部門提出了遠(yuǎn)程S波預(yù)警，命名為海岸線地震觀測(cè)系統(tǒng)，是第一個(gè)地震預(yù)警系統(tǒng).與沿線地震計(jì)的報(bào)警方式相似，當(dāng)S波加速度超過(guò)設(shè)定閾值時(shí)，內(nèi)陸地區(qū)的東北新干線接收到破壞性地震波信息，會(huì)提前切斷電源，但不同的是這個(gè)系統(tǒng)會(huì)記錄地震最大加速度峰值，提高了鐵路沿線的地震預(yù)警效率.

以上兩種報(bào)警方式的優(yōu)點(diǎn)是報(bào)警方式簡(jiǎn)單、易行，實(shí)用性高，但是它們基于S波的報(bào)警方式，缺點(diǎn)是可利用的預(yù)警時(shí)間較短，而且很容易誤報(bào).為了解決這個(gè)問(wèn)題，日本研發(fā)了利用P波進(jìn)行預(yù)警的UrEDAS系統(tǒng).該系統(tǒng)在單個(gè)觀測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)到P波后利用P波前3 s信息，快速估算震級(jí)、震中距等信息.這套預(yù)警系統(tǒng)會(huì)24 h不間斷地進(jìn)行地震動(dòng)數(shù)據(jù)處理，1992年應(yīng)用于東海新干線.隨著日本鐵路列車的提速，要求在更短的時(shí)間內(nèi)計(jì)算出地震信息并進(jìn)行預(yù)警，于是在1998年提出了簡(jiǎn)化版的UrEDAS系統(tǒng)，該系統(tǒng)只用P波前1 s提供的信息就能快速預(yù)警.日本現(xiàn)行的地震預(yù)警系統(tǒng)采用的是緊急地震速報(bào)系統(tǒng)，該系統(tǒng)在日本境內(nèi)以20 km的臺(tái)間距布設(shè)了1 000套地震監(jiān)測(cè)儀器，當(dāng)一個(gè)單獨(dú)的臺(tái)站監(jiān)測(cè)到超過(guò)100 cm/s2地面加速度后，報(bào)警器就會(huì)被觸發(fā).2011年3月11日，日本宮城縣東海域9.0級(jí)地震，JMA(日本氣象廳)在12 s后向?qū)ｉT使用者發(fā)出第一次預(yù)警，在15 s后向公眾預(yù)警，有報(bào)道稱“數(shù)百萬(wàn)日本人1 min前得知地震”.

我國(guó)臺(tái)灣位于歐亞板塊與太平洋板塊的邊界，據(jù)統(tǒng)計(jì)每年至少發(fā)生兩次6級(jí)以上地震.2001年，臺(tái)灣地區(qū)首個(gè)地震預(yù)警系統(tǒng)開(kāi)始運(yùn)行.臺(tái)灣地震信息快速發(fā)布系統(tǒng)，采用異地預(yù)警模式，以布設(shè)在全島的大約100個(gè)實(shí)時(shí)傳輸強(qiáng)地震臺(tái)站為基礎(chǔ)，形成一個(gè)分布于全島的數(shù)字式強(qiáng)震遙測(cè)臺(tái)網(wǎng)，并采用虛擬子網(wǎng)方法進(jìn)行快速地震定位.這個(gè)系統(tǒng)通過(guò)P波和S波的能量來(lái)估算震級(jí)，可為距震源70 km外的區(qū)域提供平均20 s的預(yù)警時(shí)間.

2015年以來(lái)我國(guó)為了加快推進(jìn)地震預(yù)警體系建設(shè)，在福建沿海地區(qū)試點(diǎn)了簡(jiǎn)易烈度計(jì)地震預(yù)警示范區(qū)[26—27].為了減少地震預(yù)警盲區(qū)，布設(shè)了密度適當(dāng)?shù)牡卣鹆叶扔?jì)網(wǎng)，在每個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)設(shè)立一個(gè)臺(tái)站.最終在福建省建設(shè)簡(jiǎn)易烈度計(jì)觀測(cè)站900個(gè)，臺(tái)站間距10 km.河北省烈度速報(bào)與預(yù)警系統(tǒng)包括數(shù)字測(cè)震臺(tái)網(wǎng)和強(qiáng)震動(dòng)臺(tái)網(wǎng)[28—30].數(shù)字測(cè)震臺(tái)網(wǎng)由57個(gè)直接的數(shù)字地震臺(tái)站組成，這57個(gè)臺(tái)站通過(guò)網(wǎng)絡(luò)與周邊省市的113個(gè)地震臺(tái)站相連，形成了一個(gè)170個(gè)臺(tái)站的臺(tái)網(wǎng).強(qiáng)震動(dòng)臺(tái)網(wǎng)由位于河北省的48個(gè)、北京市的22個(gè)、天津市的10個(gè)實(shí)時(shí)強(qiáng)震臺(tái)站和40個(gè)撥號(hào)強(qiáng)震動(dòng)臺(tái)站組成.

3 地震預(yù)警相關(guān)技術(shù)

3.1 觀測(cè)臺(tái)站的布局

觀測(cè)臺(tái)站的作用是實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)地面震動(dòng)，記錄相關(guān)數(shù)據(jù)，它是整個(gè)預(yù)警系統(tǒng)的基礎(chǔ).因此，在合適的地點(diǎn)布局密度合適的臺(tái)站對(duì)于地震預(yù)警系統(tǒng)來(lái)說(shuō)就顯得尤為重要.大體上觀測(cè)臺(tái)站整體的布局應(yīng)該滿足以下要求：臺(tái)站的布設(shè)要滿足地震烈度速報(bào)和預(yù)警能力的要求；對(duì)已經(jīng)布設(shè)了一定數(shù)量的臺(tái)站地區(qū)增添臺(tái)站時(shí)要做到數(shù)據(jù)共享；臺(tái)站的間距與地震預(yù)警盲區(qū)有緊密的關(guān)系，因此臺(tái)站間距要精心設(shè)計(jì)；臺(tái)站要包圍潛在震源區(qū)，而且要離潛在震源區(qū)盡量近，比如，在斷層處應(yīng)該布設(shè)臺(tái)站；無(wú)法估計(jì)潛在震源時(shí)，臺(tái)站要包圍整個(gè)預(yù)警目標(biāo)區(qū)；既不能估計(jì)潛在震源也不能確定預(yù)警目標(biāo)區(qū)時(shí)，臺(tái)站要做到大體均勻的布設(shè).

3.2 地震烈度

地震烈度指的是地震引起的地面震動(dòng)大小和地震災(zāi)區(qū)破壞的程度，它是地震研究的重要基礎(chǔ)資料.從上述定義可以看出地震烈度具有雙重價(jià)值，它不僅評(píng)估了地震造成的后果，同時(shí)也間接地反映了地震動(dòng)的大小.地震烈度是分析歷史地震資料，研究不同地區(qū)地震活動(dòng)性強(qiáng)弱、地震區(qū)域劃分、地震影響場(chǎng)和震源深度等的基本參數(shù).在確定地震預(yù)警區(qū)時(shí)主要依靠地震烈度資料，比如我國(guó)的華北地震區(qū)、南北地震帶、東南沿海和新疆西北部地震預(yù)警區(qū)的劃分；地震烈度是地震設(shè)防的標(biāo)準(zhǔn)，是各項(xiàng)工程抗震措施的依據(jù)，比如房屋結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防；地震烈度是震后了解災(zāi)情、應(yīng)急救援和損失評(píng)估的重要參考指標(biāo).目前，應(yīng)用廣泛的烈度評(píng)估方法是儀器烈度，就是利用觀測(cè)臺(tái)站記錄的地面震動(dòng)數(shù)據(jù)計(jì)算出地震的影響，一般在震后幾分鐘內(nèi)給出評(píng)估結(jié)果[31—32].

3.3 地震觀測(cè)系統(tǒng)

地震臺(tái)站一直是地震觀測(cè)系統(tǒng)的重要設(shè)備，地震臺(tái)站又分為地震測(cè)震臺(tái)站和強(qiáng)震動(dòng)臺(tái)站.將測(cè)震臺(tái)站與強(qiáng)震動(dòng)臺(tái)站融合設(shè)置，測(cè)震臺(tái)站能檢測(cè)到微小地震運(yùn)動(dòng)和較遠(yuǎn)地震，強(qiáng)震動(dòng)臺(tái)站可以測(cè)量強(qiáng)烈地震震中附近的近場(chǎng)地面運(yùn)動(dòng)過(guò)程，以研究強(qiáng)地面運(yùn)動(dòng)的特征，配置有加速度儀器.測(cè)震臺(tái)網(wǎng)和強(qiáng)震動(dòng)臺(tái)網(wǎng)互為補(bǔ)充，兩者結(jié)合后既可記錄微弱地震，又可以記錄強(qiáng)烈地震.

地震預(yù)警的關(guān)鍵就是大面積地布設(shè)地震臺(tái)站，但是地震臺(tái)站的價(jià)格昂貴，同時(shí)還要考慮到儀器設(shè)備的損壞和維修，這樣一來(lái)，密集布設(shè)地震臺(tái)站的經(jīng)濟(jì)成本會(huì)很高，并非短時(shí)間內(nèi)可以解決的問(wèn)題.隨著智能手機(jī)的普及，利用手機(jī)內(nèi)嵌的加速度計(jì)進(jìn)行地震動(dòng)的監(jiān)測(cè)成為了一個(gè)新的解決方案[31]，但這個(gè)技術(shù)現(xiàn)在還存在許多缺點(diǎn).手機(jī)自帶的加速度計(jì)測(cè)量的地震動(dòng)數(shù)據(jù)比不上專業(yè)的地震臺(tái)站，測(cè)得數(shù)據(jù)并不精確，同時(shí)利用手機(jī)測(cè)量地面加速度可能會(huì)上傳很多與地震無(wú)關(guān)的震動(dòng)信息.這項(xiàng)技術(shù)還是大有前景，雖然手機(jī)測(cè)量的誤差很大，但是手機(jī)用戶數(shù)量眾大，當(dāng)有很多的手機(jī)同時(shí)測(cè)量到地震動(dòng)異常時(shí)，就應(yīng)該引起注意，同時(shí)結(jié)合地震臺(tái)站的觀測(cè)數(shù)據(jù)，就能快速精確地計(jì)算出地震信息，大大縮減預(yù)警時(shí)間，減小地震預(yù)警盲區(qū)，提高地震預(yù)警效率.

3.4 壓電地震檢波器

地震儀是地震觀測(cè)系統(tǒng)的關(guān)鍵，按照不同的用途有不同的名稱，運(yùn)用在天然地震儀器中通常稱為地震計(jì)或拾震器；運(yùn)用在勘探中多被稱為地震檢波器.怎樣命名并沒(méi)有限制，因?yàn)椴还苓\(yùn)用在哪個(gè)方面，其監(jiān)測(cè)振動(dòng)信號(hào)的工作原理是一樣的，只是運(yùn)用的環(huán)境不一樣，實(shí)現(xiàn)的功能不一樣而已，以下統(tǒng)稱為檢波器[33—36].

壓電檢波器不同于動(dòng)圈檢波器，沒(méi)有彈簧等彈性元件，所有的構(gòu)件都是剛結(jié)構(gòu)，其構(gòu)造簡(jiǎn)單相比于數(shù)字檢波器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，適合運(yùn)用到地震預(yù)警的觀測(cè)系統(tǒng)中.同時(shí)壓電元件可以做到結(jié)構(gòu)多變，利用不同的結(jié)構(gòu)可以降低其自身的頻率，即便地震波很微弱也能準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)，完全可以滿足現(xiàn)在對(duì)檢波器的要求[37—40].壓電地震檢波器的機(jī)械簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖7.壓電地震檢波器與大地固接，這樣檢波器的振動(dòng)就是地面的振動(dòng)，地面振動(dòng)可以由作用在壓電陶瓷的慣性力表示，進(jìn)一步，壓電陶瓷由于正壓電效應(yīng)產(chǎn)生電壓，地震產(chǎn)生的機(jī)械能部分轉(zhuǎn)換成了電能并反過(guò)來(lái)為檢波器所用.壓電檢波器所有的內(nèi)部元件都是剛性連接，不存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)，即不存在假頻和諧波失真問(wèn)題.相對(duì)其他檢波器，壓電檢波器具有高保真、大動(dòng)態(tài)范圍、寬頻帶、小相位差、高靈敏度、工作可靠、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn).

圖7 壓電式檢波器

壓電地震檢波器的簡(jiǎn)化力學(xué)模型見(jiàn)圖8.該模型將其簡(jiǎn)化成由集中質(zhì)量m，集中彈簧K和阻尼器C組成的二階單自由度系統(tǒng)，其運(yùn)動(dòng)微分方程為

圖8 壓電檢波器簡(jiǎn)化物理模型

(6)

(7)

式中：ωn和ω分別為檢波器固有頻率和被測(cè)對(duì)象振動(dòng)頻率；ε為阻尼，通常ωn遠(yuǎn)大于ω，ε遠(yuǎn)小于1.求得特解

(8)

被測(cè)對(duì)象的振動(dòng)加速度a與地面振動(dòng)位移x成正比，因而壓電檢波器屬于加速度式檢波器.壓電元件所受的作用力就是質(zhì)量塊感受到地震振動(dòng)后對(duì)壓電陶瓷施加的力,即

F=ma.

(9)

壓電片產(chǎn)生的電荷Q與施加的力F有很大的關(guān)系，即

Q=dF=dma，

(10)

式中：d為壓電陶瓷的壓電常數(shù)，一旦壓電檢波器制作完成，其壓電常數(shù)和質(zhì)量都是固定值，也就是說(shuō)產(chǎn)生的電荷與地震的加速度有關(guān).

4 現(xiàn)行預(yù)警系統(tǒng)存在的問(wèn)題

現(xiàn)行的地震預(yù)警系統(tǒng)由地震監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)處理以及預(yù)警信息發(fā)布組成.其對(duì)地震前和地震后的工作并沒(méi)有涉及.地震預(yù)警的設(shè)計(jì)目的是在破壞性地震波到達(dá)預(yù)警目標(biāo)區(qū)前提供幾十秒的預(yù)警時(shí)間，通過(guò)采取相應(yīng)的防震減災(zāi)措施，減小地震災(zāi)區(qū)損失.要做到真正意義上的降低地震引起的損失，僅發(fā)布預(yù)警信息嚴(yán)格意義上說(shuō)并沒(méi)有完成預(yù)警工作.一個(gè)完整的地震預(yù)警系統(tǒng)應(yīng)該包含地震前的準(zhǔn)備工作、地震發(fā)生時(shí)的快速預(yù)警和地震發(fā)生后的快速烈度計(jì)算(圖9).

圖9 完整的地震預(yù)警體系

地震前的準(zhǔn)備工作具體包括民眾的日常地震科普教育宣傳、房屋結(jié)構(gòu)的防震設(shè)計(jì)和老舊房屋改造加固等.房屋結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)是最為直接的防震減災(zāi)措施，尤其是對(duì)于老舊房屋結(jié)構(gòu)的改造和加固是非常有必要的.

民眾的日常地震知識(shí)科普不能忽視，包括地震基礎(chǔ)知識(shí)、地震的產(chǎn)生和類型以及防震減災(zāi)知識(shí)等.地震來(lái)臨時(shí)即便地震預(yù)警提供了預(yù)警時(shí)間，但對(duì)于不了解地震相關(guān)知識(shí)的民眾要快速采取行動(dòng)是很難的，在不了解地震相關(guān)知識(shí)的情況下只靠地震預(yù)警提供的預(yù)警時(shí)間還是很難降低地震引起的損失.因此，地震科普對(duì)于減小地震災(zāi)害損失非常重要.

地震發(fā)生時(shí)的預(yù)警系統(tǒng).地震觀測(cè)系統(tǒng)可以采用測(cè)震儀和強(qiáng)震儀結(jié)合為主，以高頻GPS和智能手機(jī)內(nèi)嵌的加速度計(jì)[41]為輔的觀測(cè)臺(tái)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)“多網(wǎng)融合，一網(wǎng)多用”的目標(biāo).測(cè)震和強(qiáng)震儀結(jié)合在測(cè)量微小地震的同時(shí)不放過(guò)大地震，采用高頻GPS快速準(zhǔn)確地獲取地表位移數(shù)據(jù)，利用地表位移數(shù)據(jù)進(jìn)行震源破裂過(guò)程以及斷層滑動(dòng)分布的反演，得到更加準(zhǔn)確的震級(jí)；同時(shí)，利用智能手機(jī)內(nèi)嵌的加速度計(jì)進(jìn)行地震動(dòng)實(shí)時(shí)觀測(cè)，可彌補(bǔ)臺(tái)站密度不足的問(wèn)題，多種測(cè)震方法融合，得出的數(shù)據(jù)更快更精確，即便有的測(cè)震系統(tǒng)損壞也不影響地震動(dòng)的觀測(cè).

企業(yè)的重大工程可以由企業(yè)自行進(jìn)行預(yù)警，這與向多種預(yù)警目標(biāo)發(fā)布預(yù)警信息的地震系統(tǒng)不同，企業(yè)自行預(yù)警的預(yù)警系統(tǒng)可自行設(shè)置預(yù)警閾值.預(yù)警發(fā)布系統(tǒng)不用向公眾提供預(yù)警，由于是企業(yè)自行設(shè)置的預(yù)警系統(tǒng)，預(yù)警目標(biāo)單一，預(yù)警的效能也會(huì)大大提高.值得注意的是企業(yè)自己的預(yù)警系統(tǒng)只能供企業(yè)內(nèi)部使用，因而即便出現(xiàn)誤報(bào)也并不會(huì)引起社會(huì)影響.

對(duì)于一些重大的生命線工程，比如高鐵、大壩、核電站等，對(duì)地震預(yù)警的容忍度比普通民眾對(duì)地震預(yù)警的包容度低，這些工程一旦開(kāi)始運(yùn)行就會(huì)產(chǎn)生很大的慣性，在幾秒內(nèi)很難關(guān)閉，而且突然關(guān)閉也會(huì)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)損失.因此，重大的生命線工程的預(yù)警系統(tǒng)設(shè)定的閾值應(yīng)該比面向公眾的高，且發(fā)布地震預(yù)警時(shí)也要更加謹(jǐn)慎，要有十足的把握才能進(jìn)行預(yù)警，以免造成更大的經(jīng)濟(jì)損失.對(duì)于不同的區(qū)域也要采取不同的預(yù)警方式，不能一概而論，不同的區(qū)域因地理環(huán)境的差別、房屋建設(shè)質(zhì)量的差別、人口分布的差別，地震烈度自然就不同，因而對(duì)于不同區(qū)域地震預(yù)警的閾值就不同.

地震后的烈度快速評(píng)估.地震救援活動(dòng)依賴于地震烈度，烈度的快速評(píng)估是依據(jù)地震動(dòng)參數(shù)的計(jì)算得到的.因此要想快速準(zhǔn)確地預(yù)估烈度，要有一個(gè)布設(shè)密度合適的臺(tái)站系統(tǒng).地震烈度的快速評(píng)估是地震預(yù)警的一個(gè)重要組成部分，尤其是地震發(fā)生后幾分鐘之內(nèi)，它能提供地震的破壞程度相關(guān)信息，便于迅速掌握災(zāi)情和指導(dǎo)緊急救災(zāi).

5 對(duì)中國(guó)未來(lái)地震預(yù)警的建議

地震預(yù)警系統(tǒng)是目前減輕地震災(zāi)害的有效手段之一，綜合考慮地震預(yù)警區(qū)域的選取、監(jiān)測(cè)臺(tái)站的布設(shè)、地震預(yù)警相關(guān)設(shè)備以及我國(guó)的實(shí)際情況，對(duì)未來(lái)地震預(yù)警系統(tǒng)在我國(guó)的發(fā)展提出以下建議：

1)由于我國(guó)國(guó)土面積大，想要在短時(shí)間內(nèi)建設(shè)較為全面的地震預(yù)警系統(tǒng)并不現(xiàn)實(shí)，也沒(méi)有必要.在選擇地震預(yù)警區(qū)域時(shí)應(yīng)該考慮地震危害性、人口、經(jīng)濟(jì)以及生命線工程項(xiàng)目等眾多因素，先在最需要的地方布設(shè)預(yù)警裝置，再以此為中心慢慢向外布設(shè)，逐漸形成全國(guó)范圍的地震預(yù)警系統(tǒng).

2)中國(guó)地形比墨西哥復(fù)雜，斷層分布眾多，很難做到將要預(yù)警的對(duì)象完全避開(kāi)斷層，因此類似于墨西哥的異地預(yù)警系統(tǒng)并不適用中國(guó).將預(yù)警目標(biāo)范圍放大，在一個(gè)相對(duì)大的范圍內(nèi)，一個(gè)預(yù)警區(qū)域的現(xiàn)地預(yù)警可以是另一個(gè)預(yù)警區(qū)域的異地預(yù)警，一個(gè)預(yù)警區(qū)域的異地預(yù)警也可以是另一個(gè)預(yù)警區(qū)域的現(xiàn)地預(yù)警.要實(shí)現(xiàn)以上目的就需要在多個(gè)預(yù)警區(qū)域大量布設(shè)地震預(yù)警系統(tǒng)，并且將各地的臺(tái)網(wǎng)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)互通、信息共享，這樣也可以有效控制預(yù)警盲區(qū).

3)地震預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)備必須要堅(jiān)固、廉價(jià)和可靠，特別是地震檢波器要做到大量布設(shè)，全方位監(jiān)測(cè)地震.地震檢波器從機(jī)械結(jié)構(gòu)發(fā)展到數(shù)字檢波器，朝著高靈敏度、高精度、寬頻帶、抗干擾、集成化和智能化的方向發(fā)展.壓電檢波器利用材料自身的壓電效應(yīng)將地震動(dòng)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，不同于動(dòng)圈檢波器和數(shù)字檢波器，其價(jià)格相對(duì)便宜，結(jié)構(gòu)內(nèi)部均為固接，構(gòu)造簡(jiǎn)單，完全可以滿足對(duì)檢波器的要求，在今后的研究中應(yīng)該予以重視.

6 結(jié)語(yǔ)

近年來(lái)，地震預(yù)警技術(shù)在世界范圍內(nèi)得到廣泛關(guān)注，很多國(guó)家已經(jīng)擁有自己的預(yù)警系統(tǒng)，地震預(yù)警系統(tǒng)也逐漸成為一種有效的防震減災(zāi)的方法.通過(guò)一些成功的地震預(yù)警案例可以得出如下結(jié)論：首先，地震預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)置要有很明確的預(yù)警目標(biāo)，對(duì)不同的目標(biāo)設(shè)置采用不同的預(yù)警模式；其次，要充分地了解周圍環(huán)境；再次，要合理地布設(shè)密度合適的地震觀測(cè)臺(tái)站.地震的防御工作不能僅僅依靠地震預(yù)警系統(tǒng)，地震預(yù)警只是防震減災(zāi)工作中的一部分.抗震減災(zāi)工作事關(guān)整個(gè)社會(huì)，在地震發(fā)生前、發(fā)生時(shí)、發(fā)生后，我們要做的工作雖然不同，但目標(biāo)只有一個(gè)，那就是防震減災(zāi)，減少不必要的損失.