地震波與地震預(yù)警

張 鐸

地震波

地震是地球內(nèi)部一種正常的運動，但是對于人類的生產(chǎn)和生活會造成很大的不利影響。地震波是目前我們所知道的唯一一種能夠穿透地球內(nèi)部的波。通過對地震波的研究，有助于我們判斷地球內(nèi)部的結(jié)構(gòu)和狀態(tài)。

20世紀(jì)70年代以來，很多國家陸續(xù)實施了多項科學(xué)鉆探計劃，具有代表性的：俄羅斯科拉半島12 262米超深鉆，這是目前世界上最深的井；德國KTB超深鉆，深度9 101米，排名第二；我國7 018米深的松科二井，是國際大陸科學(xué)鉆探計劃實施22年以來的最深鉆井，也是全球首個鉆穿白堊紀(jì)陸相地層（陸相地層是指陸相環(huán)境下所形成的地層，如河流、湖泊、沖積扇等）的科學(xué)鉆探井。我們知道，地球的直徑是12 756千米，而人類最深的鉆洞為12 262米。這樣看來，人類對地球內(nèi)部的了解只是一點皮毛，地球科學(xué)還有很多需要去探索的未知之謎。

地震幾要素

地震波是指從震源產(chǎn)生向四外輻射的彈性波。地震波按傳播方式分為三種類型：縱波、橫波和面波。縱波在地殼中傳播速度為5.5～7千米/秒，最先到達(dá)震中，又稱P波（primary wave）；它使地面發(fā)生上下振動，破壞性較弱。橫波在地殼中的傳播速度為3.2～4.0千米/秒，第二個到達(dá)震中，又稱S波（secondary wave）；它使地面發(fā)生前后、左右抖動，破壞性較強(qiáng)。面波又稱L波，是由縱波與橫波在地表相遇后激發(fā)產(chǎn)生的混合波；其波長大、振幅強(qiáng)，只能沿地表面?zhèn)鞑ィ窃斐山ㄖ飶?qiáng)烈破壞的主要因素。

縱波、橫波示意圖

縱波、橫波波形示意圖

地震波所帶來的地面破壞

正因為有了地震波，人們才可能了解地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)。目前而言，入地探測比上天還難。基于橫波速度慢于縱波、地球內(nèi)部物質(zhì)構(gòu)成的差異，科學(xué)家將地球劃分為莫霍面和古登堡面兩個界面，將地球內(nèi)部分為地殼、地幔和地核三個圈層。

地震波速度與地球內(nèi)部構(gòu)造圖

地球內(nèi)部發(fā)生地震的地方叫震源，地面距震源最近的地方叫震中，從震中到震源的垂直距離叫震源深度，地面任何一點到震中的距離叫震中距。通常將震源深度小于70千米的叫淺源地震，深度在70～300千米的叫中源地震，深度大于300千米的叫深源地震。破壞性地震一般是淺源地震，如1976年的唐山大地震的震源深度為12千米。表示地震大小有兩種方法：一是震級，二是烈度。一次地震只有一個震級，但是有多個烈度。

地震的震級表示地震所釋放的能量的大小，震級越大的地震，釋放的能量就越多。不同震級地震的能量差別很大，2級地震的能量約為1級地震的31.6倍，3級地震的能量約為1級地震的1 000倍。所以，盡管小地震實際發(fā)生數(shù)目比大地震多得多，但總能量中的大部分仍是由大地震釋放的。

地震預(yù)警

目前在世界范圍內(nèi)，地震預(yù)報仍是個難題，地震不可預(yù)測，連技術(shù)最先進(jìn)的日本也只能做到地震預(yù)警。

地動儀重繪圖

地震是可以被測量的，古代雖然通信不發(fā)達(dá)，消息傳播較慢，但是張衡發(fā)明的地動儀在地震發(fā)生的時候就能知道地震的大概方位和震級。然而地震測量和地震預(yù)測是兩回事。

據(jù)《后漢書?張衡》記載，地動儀是用青銅鑄成的，形狀很像一個大酒樽，圓徑有2.67米。儀器的頂上有凸起的蓋子，儀器的表面刻有各種篆文、山、龜、鳥獸等。儀器的周圍鑲著8條龍，龍頭朝東、南、西、北、東北、東南、西北、西南8個方向排列，每個龍嘴里都銜著一枚銅球。每個龍頭的下方都蹲著一只銅鑄的蟾蜍，蟾蜍對準(zhǔn)龍嘴張開嘴巴，像等候吞食食物一樣。無論哪個地方發(fā)生了地震，傳來地震的震波，哪個方向的龍嘴里的銅球就會滾出來，落到下面的蟾蜍嘴里，發(fā)出激揚的響聲。看守地動儀的人聽到聲音來檢視地動儀，看哪個方向龍嘴的銅球吐落了，就可以知道地震發(fā)生的時間和方向。這樣一方面可以記錄準(zhǔn)確的地震信息；另一方面也可以沿地震的方向，尋找受災(zāi)地區(qū)，做一些搶救工作，以減少損失。

隨著科技的不斷發(fā)展，現(xiàn)在人類可以根據(jù)地震儀來測量地震。古代張衡做的叫“侯風(fēng)地動儀”，是地震發(fā)生時才有動靜，只能知道哪個方向有地震，距離和強(qiáng)度都測不出來。

地震監(jiān)測儀器示意圖

地震研究部門在報道某地區(qū)發(fā)生的地震時，往往要冠以發(fā)生了×級的地震，烈度達(dá)到×度，等等。地震的震級和烈度并不是一回事。

地震預(yù)警不是地震預(yù)測或預(yù)報，而是指在地震發(fā)生以后，利用電磁波傳播比地震波快的特點，搶在地震波傳播到設(shè)防地區(qū)前，向設(shè)防地區(qū)提前發(fā)出警報，以減小當(dāng)?shù)氐膿p失。

地震預(yù)警系統(tǒng)是指實現(xiàn)地震預(yù)警的配套設(shè)施。按照系統(tǒng)響應(yīng)的順序可包括：地震監(jiān)測臺網(wǎng)、地震參數(shù)快速判測系統(tǒng)、警報信息快速發(fā)布系統(tǒng)和預(yù)警信息接受終端。整套系統(tǒng)的特點是高度集成、實時監(jiān)控、飛速響應(yīng)，尤其是飛速響應(yīng)這一點至關(guān)重要。因為地震預(yù)警系統(tǒng)其實就是在和地震波賽跑，多跑贏一秒，就能多獲得一秒的應(yīng)對時間，用分秒必爭來形容最為恰當(dāng)不過。

地震預(yù)警系統(tǒng)的工作原理就在于可以探測到地震發(fā)生最初時發(fā)射出來的無破壞性的地震波（縱波），而破壞性的地震波（橫波）由于傳播速度相對較慢，則會延后10～30秒到達(dá)地表。深入地下的地震探測儀器檢測到縱波后傳給計算機(jī)，即刻計算出震級、烈度、震源、震中位，于是預(yù)警系統(tǒng)搶先在橫波到達(dá)地面前10～30秒通過電視和廣播發(fā)出警報。并且，由于電磁波比地震波傳播得更快，預(yù)警也可能趕在縱波之前到達(dá)。

如同閃電之后要打雷一樣（聲音比光速慢），可以利用地震波傳遞的時間差（縱波比橫波快），和地震賽跑，預(yù)警更遠(yuǎn)地區(qū)的人們，即時疏散，減少災(zāi)害損失。

以“5?12”汶川大地震為例，如果該地區(qū)建有地震預(yù)警系統(tǒng)，并且能夠在地震波到達(dá)北川、青川等地區(qū)之前，提前數(shù)秒至數(shù)十秒發(fā)出預(yù)警，這些災(zāi)區(qū)的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失或許不致如此慘重。

級別太小的地震沒必要實現(xiàn)地震預(yù)警。鑒于地震信息謠傳容易導(dǎo)致社會混亂，預(yù)警信息發(fā)布也需要依法進(jìn)行，有時候合理性與高效性也存在矛盾。

離震中越遠(yuǎn)，得到的預(yù)警時間越長。一般來說，地震預(yù)警系統(tǒng)只對距離破裂斷層50～200千米的范圍有效。而50千米以內(nèi)的地區(qū)，即使發(fā)出預(yù)警，人們可能也來不及反應(yīng)。在200千米以外的地區(qū)，地震產(chǎn)生的破壞可能又不嚴(yán)重，沒有必要發(fā)出預(yù)警。

當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生后，離震中最近的幾個預(yù)警臺站會陸續(xù)接收到地震信號，觸發(fā)地震參數(shù)快速判測系統(tǒng)；在收到信號的幾秒至十幾秒內(nèi)，快速判測系統(tǒng)將估算出地震的發(fā)震時間、發(fā)震位置、震源類型和震級大小，然后利用這些參數(shù)模擬出相關(guān)區(qū)域內(nèi)地面運動的強(qiáng)烈程度；根據(jù)模擬的結(jié)果，搶在相應(yīng)地震波之前，向不同地區(qū)發(fā)出相應(yīng)的預(yù)警信息。

地震預(yù)報是“一項世界性的科學(xué)難題，攻克難關(guān)絕不是一蹴而就的事情，需要幾代人甚至幾十代人長期堅持不懈的努力”。

因此，從國際上的經(jīng)驗來看，世界各國均是在國家層面積極穩(wěn)妥地開展地震預(yù)警試驗和建設(shè)，在一般地震預(yù)警系統(tǒng)研發(fā)出來后，都要進(jìn)行較長時間的試運行后才能正式投入運行。