趣味地震学 | 地震预警三部曲

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中国地震学会—地球科学科普栏目

地震科普—地震预警三部曲

地震预警（Early Warning 或 ShakeAlert）跟战争期间拉警报的性质一样，只不过不是防敌机，而是躲地震。预警是警报不是“预报”，仅仅是为了在十秒到几十秒内的应急处置。

预警有三招，全是从足球那里学来的战术（图 20-1）：

前方报警和当地报警如同对付前场远射和门前起脚；大数据报警如同打全场紧逼。

日本搞得最早，2007 年正式启用前已经试验了 20 多年。报警范围有严格限制：只能发布在地震动强度会造成破坏的区域内。我国处于边建设、边试验阶段。

预警的服务对象主要为重大工程的自动化系统，公众应急上只是一种辅助手段。当前发展的重点是大数据报警，让千百万个智能手机以最迅速的方式采集到震动信号，从而大大提升预警的社会效益。

1985 年 9 月，墨西哥秋高云淡。19 日 7 时 19 分发生 M w 8.0 地震，震中虽然在西海岸，但远离震中的墨西哥城却损失惨重，城市的三分之一被毁，部分街区大火，约１万人死亡、4 万人受伤、3.2 万人无家可归。Mexico 的古意为月亮湖心岛，即远古的一个美丽湖泊。后人填湖造地成为城市，全国 1.2 亿人口的 1/5（即 2 100 多万人）住在这里，世界罕见的人口极度密集的城市。糟糕的是，地震波会在湖泊沉积的盆地里多次反射和共振，地面的加速度出现了8～50倍的放大（图20-2），导致灾情严重。

墨西哥的地震又大又多，但有独特之处：地震主要发生在西海岸的中美海沟（MAT）俯冲带，深度多在 60km 以浅，距墨西哥城 320 ～ 700km（图 20-3），比北京到渤海湾的距离还远。而西海岸的基岩裸露、人烟稀少，震害又很轻。

有鉴于此，墨西哥自 1989 起步，于 1991 年 8 月建成了地震预警系统，并在世界上最早付诸了应用。监测点多位于西海岸，118 个台站布设了 2200 个地震传感器，间距 25km，保卫后方的墨西哥城（图 20-4）。早期用户约 440 万人，属于典型的前方报警系统^［1］ 。

1993—2017 年，西海岸 6.5 级以上的强震共 12 次，对 1993 年、1995 年和 2012年的 7.0 级以上大震均发出了成功的警报。最近，2017 年 9 月 8 日 8.1 级特大地震，为墨西哥城提供了超过 86s 的应急时间。与 1985 年 8.1 级地震严重灾难相比，遇难人数只有几十名。他们有效警报的最小震中距为 160 ～ 175km，1 分多种的预警时间

发挥了社会效益：

1985 年地震区（320km 远），预警时间 60s；

2012 年地震区（360km 远），预警时间 80s；

2014 年地震区（400km 远），预警时间 68s；

2017 年地震区（525km 远），预警时间 86s。

“地震报警”的原始概念是个医生提出的，他叫 J D Cooper，美国人。1868 年 10 月 21 日旧金山地区 7.0 地震后，他在 11 月 3 日《旧金山每日晚报》上发表了一个奇思妙想（图 20-5）：在距旧金山 10 ～ 100 英里处布设一个简单的机械装置，把地面的震动变成电流，再通过电线把信号传到远方，让大钟自动鸣响，四方报警……至于技术上怎么实现嘛，那就不是他的事了^［2］ 。当时，没人看好这个天方夜谭。须知，1837年英国刚建立第一个有线电报线路，1844 年莫尔斯才从华盛顿向 64km 外的巴尔的摩拍出人类第一份有线电报，而地震波是在 1889 年在德国被确认的。Cooper 在 1868 年的初冬，已经在晚间的报纸上月明星稀地露了一脸，够可以了！

100 年的历史，风轻云淡翻了过去。

1964 年 3 月 27 日是耶稣受难日，阿拉斯加发生 M w 9.4 地震，强度仅次于 1960年智利的 M w 9.5 地震。海啸浪高 67m，7 个小时传播到夏威夷时仍有 5m 的浪高，12 个小时才传到墨西哥，造成破坏（图 20-6）。当然，灾难也送来了思想启迪的回报：地震同时激发了地震波和海浪波，前者波速每秒 6km 以上，后者仅 0.2km，比空气中的声波（340m/s）还慢。整个一个龟兔赛跑嘛！

那么，就可以用地震波对海啸波做“报警”了（图 20-7）。

1967 年，阿拉斯加首先成立了海啸预警中心，环太平洋的 26 个国家参加，设53 个验潮站、51 个地震台。地震记录经 5 ～ 10min 处理后，报警的时间量：越洋海啸可提前 30min；区域海啸可提前 20min；有时可达数小时到十几小时。

有了海啸预警的模板，地震预警便照猫画虎的诞生了。

地震会同时激发出纵波 P（速度快，～ 6km/s）和横波 S（速度慢，～ 3.5km/s）。横波 S 能量最大，是房倒屋塌、人员伤亡的元凶。故而地震预警的核心思想是“利用 P 波，防范 S 波”（图 20-8）。一旦捕捉到的 P 波信号，就立刻用无线电对外围地区发出警报，技术上已超越 1868 年 Cooper 的原始概念了。

必须明确一点，地震预警既不是地震预报，也不是地震速报。

微小地震每天会发生上百次，二三级的小震也会时时碰到，预警系统的软硬件配置不会把它们作为监测目标，也监测不好。预警系统的防范对象仅仅是破坏性强震。遗憾的是，目前各国的震级测定只能做到“粗估”。

于是，“狼来了”的故事就这样上演了。

预警系统的参数测定至少需要 2 ～ 3 个检波器 ^［3］ （图 20-9）。取 P 波初至后的 2 ～ 4s 信号，由卓越周期 τ（或者平均周期）和振幅 P d 做估算，按“触发阈值”决定警报的发出。震中，则由检波器间的 P 波到时差来粗估。数据处理的理论难度不大，但必须极端快速，故而地震预警的“秒级技术”比海啸预警的难度要大得多。警报只能也必须采取“接续发布”的方式，一报、二报……五报，逐渐趋于准确。

公众心里要有个底：地震预警能为社会提供出的有效时间最多也仅几十秒，重点对象是高铁、化工、军工、地铁、供电、通信、厂矿、核反应堆等重大工程的自动化系统（图 20-10）。罗马尼亚、土耳其、墨西哥、日本、立陶宛在核电站四周都配有专门的警报系统，美国加州、冰岛、瑞士、意大利、希腊、埃及和印度无不这样做。就公众的应急避险而言，它仅是个辅助手段。

地震暗能量，名为“地震”，却静得悄声无息；称之“滑移”，又滑得似动非动！对其认识，是近30 年间地震学的一个重大进展。

两大固有弱点：一是难定地震参数；二是存在预警盲区。

首先，P 波信号的干扰因素多，对刮风雷电、山石塌落、工程作业等非地震震动很难识别；S 波到达之前还会出现回折波、首波和多重反射波的干扰；特大地震会有多次破裂，导致震级的估算会偏小。

例如 2008 年的汶川 M w 7.9 地震是历经了 7 次大错动才完成的^［4］ ，最大的两次破裂相隔 40s 左右（图 20-11），持续位错 60 ～ 80s，破裂面长度 240km。要用 P 波初动的前几秒确定整个地震过程，是做不到的。

日本 2011 年 3 月 11 日 M w 9.0 地震含 3 次大破裂， 历时约 180s， 破裂延展逾300km（图 20-12）^［5］ 。最严重的第二次、第三次破裂的 P 波已经被第一次震动淹没，这就削弱了应急警报的实效和准确性了。第 1 报由距震中最近的石卷大瓜台在 P 波初至后的 5.4s 发出：“震级 4.3，烈度 1 度多”，安全无恙。第 4 报在 8.6s 发出^［6］ 。2min 之内连续发出了 15 次警报，已经是震后逾 130s 的警报：“震级 7.2”，预警盲区逾 500km，对于灾区完全失去了有效价值。

这种情况在 2021 年 2 月 13 日福岛东海的 M w 7.3 地震中，再次重演。

墨西哥 “前方报警”的地理环境，世上少有。日本狭小的环境走上了另一条道路——当地报警。

1932 年日本已建立了全球第一个海啸警报系统，1982 年建立了地震警报系统，铁路先试用了 10 年，1992 年新干线又试验了 10 年，2004 年加密测点到每万平方千米 1 323 台（美国 53 台，我国目前0.3 台），测点间距不超过 15km，后来又把测点间距缩小到 2.5km（图 20-14）。直到 2007 年 10 月 1 日才向全国正式提供地震预警服务^［6］ 。

随着“5G +”时代的到来，大数据报警成为第三种预警途径，至今不到 10 年。

密集或超密集的地震观测网完全改变了测震学的传统观念，集中体现在传感器、移动互联网、大数据、人工智能 4 个方面的革命^［7-9］ 。大量的智能手机和笔记本电脑都已经内置了一块微电机传感器（Micro-Electro-Mechanics System，MEMS），功耗极低，能灵敏地测出 3.1 ～ 5.4 级地震。2019 年，瑞典用高导电性纳米石墨烯研制出世界上最小的纳米电机传感器（Nano-Eectro-Mechanical Systems，NEMS），其广泛的应用前景已难以估量（图 20-15）。所得的巨量大数据会自动汇集到分布式中心，人人可以实时测定地震位置和震级（图 20-16）。

大数据技术的诱人之处在于：千百万公众的智能手机不再是接警终端，已成为“微型地震台”，能以最迅速、最密集的方式采集到震动信号。用户是测震的主人，命运掌握在自己手中。

预警的速度和精度被大大提高、预警盲区被压缩到极小，能够挽救更多人的生命。MEMS 和 NEMS 传感器能在微米量级的尺度上完成许多传统机械传感器所不能实现的功能，不仅可以测温度、气味、脉搏、热量消耗等，还能测气压、湿度、PM2.5、化学微量以及声光电磁重等参数，发挥了前兆台网的作用。

从此，地震预警走上了“取之于民，用之于民”的康庄大道。

截至 2020 年底，我国网民已达到 9.8 亿，互联网普及率约为 70%，而全球普及率为 55%。只要在（100km×100km）范围内有 400 部以上的手机参与地震预警系统，就相当于检波器的间距达到了 5km 左右的密度，这是我国专业系统建成后都还达不到的水准。

推广地震大数据系统，要与社会公众密切联系。

一方面是让检波器更贴近生活、 更加方便，可置于电源插座里，或扩大至睡眠手环、健身计、计步器、各类报警手表等（图20-18）。例如 2014 年 8 月 24 日凌晨美国纳帕地震，研究人员居然仅根据睡眠手环的大数据信息，就能独立地确定出震中位置和影响范围。另一方面，还要生动活泼地组织好大众的参与，积累适合我国国情的运作办法。

最后提醒一句：客官心中要有数，地震预警的“狼来啦”节目免不了会上演多次，要是磕着碰着、摔了一跤，您可别生气啊，各国都是免责的！

为了抗震减灾，咱就豁出去试试吧：

投入地爱一次，忘掉自己。

伸出你的手，别有顾虑；

敞开你的心，别再犹豫……