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波的速度差來實(shí)現(xiàn)震前或震后報(bào)警。基于此，本文對地震預(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)警臺網(wǎng)

中圖分類號：P315 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：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

我國是地震頻發(fā)的國家，是全球地震災(zāi)害最嚴(yán)重的國家之一。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，將測震儀器放置在地震活動性高的區(qū)域，該測震儀器檢測到地震之后隨即發(fā)出預(yù)警電信號，電信號波速遠(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。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)行未來某時(shí)刻的地震預(yù)測，只是在地震發(fā)生后及時(shí)對設(shè)防區(qū)進(jìn)行地震警報(bào)信息發(fā)布。總的來看，地震預(yù)警是指布設(shè)在震中附近的監(jiān)測設(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。

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)警將無法發(fā)揮作用。另外，地震的破裂方式對盲區(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)信號之后，政府、人們、社會群體、企業(yè)單位等對即將來臨的地震采取應(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)意識的人更容易在地震中躲過襲擊存活下來。因此，從國家到個(gè)人做好全面的防震減災(zāi)常識教育，以及對民眾進(jìn)行災(zāi)害自救知識培訓(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)對地震相關(guān)參數(shù)的快速計(jì)算和測定。

2.1 地震觸發(fā)判定技術(shù)

根據(jù)記錄短長比、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)由于地脈動和一些噪聲的影響，初動周期會超過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相關(guān)區(qū)域進(jìn)行警報(bào)，那么關(guān)鍵問題就是如何對地震參數(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)測臺網(wǎng)聯(lián)報(bào)，因?yàn)閱闻_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)的震級準(zhǔn)確度，需要加強(qiáng)地震預(yù)警秒級甚至毫秒級處理技術(shù)的研究和創(chuàng)新。以當(dāng)前的技術(shù)水平，對于公眾應(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。緩慢破裂識別技術(shù)也是未來發(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對社會和個(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)具備對于地震誤報(bào)的快速解除技術(shù)，最大限度地減少對國家、社會和個(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。經(jīng)過幾次對墨西哥南部太平洋沿海地震活動的跟蹤，該系統(tǒng)預(yù)警成功率在90%以上。2010年，墨西哥聯(lián)邦政府對地震預(yù)警統(tǒng)進(jìn)行了升級，在墨西哥市周邊幾個(gè)州布置了64個(gè)地震探測臺站。2012年，沿著“格雷羅”地震帶布置了12個(gè)地震探測器，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)將會失去作用。

我國正在建設(shè)全國范圍內(nèi)的地震預(yù)警系統(tǒng)——國家地震烈度速報(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)雜的社會工程，僅靠一兩個(gè)單位或組織是不可行的，需要全國、全社會、全體人民的參與。只有發(fā)動全國之力，我國的地震預(yù)警才可以發(fā)揮最大作用。隨著我國各領(lǐng)域建設(shè)的不斷發(fā)展，“一帶一路”也將持續(xù)推動我國全方位國際化發(fā)展。但在發(fā)展進(jìn)程中，地震災(zāi)害無疑是對國家各方面建設(shè)的沖擊與阻礙，對社會發(fā)展影響深遠(yuǎn)。國家、社會和人民都需要一個(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)害帶來的損害與損失。因此，在我國建設(shè)地震預(yù)警系統(tǒng)有著重要的社會意義。

參考文獻(xiàn)：

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