地震烈度速報(bào)與預(yù)警臺(tái)站選址相關(guān)問(wèn)題探討

1、    地震烈度速報(bào)與預(yù)警臺(tái)站選址相關(guān)問(wèn)題探討    摘要：對(duì)地震烈度速報(bào)與預(yù)警臺(tái)站選址時(shí)涉及到的臺(tái)站布局、臺(tái)站選址與臺(tái)址測(cè)試要點(diǎn)、臺(tái)址環(huán)境地噪聲要求等相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行了討論，提出了供參考的具體建議，可作為地震烈度速報(bào)與預(yù)警臺(tái)站建設(shè)規(guī)范的補(bǔ)充材料，供大家在開(kāi)展相關(guān)工作時(shí)參考。關(guān)鍵詞：地震烈度速報(bào)；地震預(yù)警；臺(tái)站選址：p3159：a：1000-0666（2017）01-0015-070引言地震臺(tái)站代碼（db/t 42003）中指出，地震臺(tái)站是開(kāi)展地震觀測(cè)的基礎(chǔ)機(jī)構(gòu)，其建設(shè)涉及到臺(tái)站空間位置的選址、臺(tái)址噪聲的測(cè)試、臺(tái)站的土建等多方面內(nèi)容。臺(tái)站建設(shè)優(yōu)劣在很大程度上

2、決定了其觀測(cè)資料的質(zhì)量、臺(tái)網(wǎng)功能和性能的實(shí)現(xiàn)、臺(tái)站運(yùn)維成本的高低等，可以說(shuō)，臺(tái)站建設(shè)雖工程量小，卻是一項(xiàng)涉及內(nèi)容多、技術(shù)要求高的綜合工程，且臺(tái)站建設(shè)完成后，考慮投資因素，一般情況下不便再遷址重建，因此，對(duì)臺(tái)站建設(shè)要給予足夠的重視，需精心設(shè)計(jì)、優(yōu)質(zhì)施工。目前，我國(guó)已建成不同形式的多個(gè)地震烈度速報(bào)和預(yù)警系統(tǒng)，如福建省地震局在2011年建成了由125個(gè)臺(tái)站組成的福建地震烈度速報(bào)與預(yù)警示范系統(tǒng)；中國(guó)地震局地球物理研究所和河北省地震局在2013年建成了由150個(gè)臺(tái)站組成的唐山地震烈度速報(bào)和預(yù)警試驗(yàn)系統(tǒng)；甘肅省地震局在2015年建成了由80個(gè)臺(tái)站組成的蘭州地震預(yù)警示范系統(tǒng)；中國(guó)地震局地球物理研究所在201

3、5年建成了由104個(gè)臺(tái)站組成的首都圈地震預(yù)警示范系統(tǒng)等。在2016年底，還將建成由220個(gè)臺(tái)站構(gòu)成的京津冀地震預(yù)警協(xié)同網(wǎng)、由300個(gè)臺(tái)站構(gòu)成的福建地震預(yù)警實(shí)驗(yàn)網(wǎng)、由270個(gè)臺(tái)站構(gòu)成的川滇地震預(yù)警驗(yàn)證網(wǎng)。此外，即將實(shí)施的國(guó)家地震烈度速報(bào)與預(yù)警工程項(xiàng)目將建設(shè)地震烈度速報(bào)與預(yù)警臺(tái)站15 000多個(gè)，將實(shí)現(xiàn)在地震發(fā)生后，首臺(tái)觸發(fā)3 s內(nèi)原地報(bào)警，46 s生成地震預(yù)警第一報(bào)信息，震后3 min內(nèi)生成實(shí)測(cè)地震烈度速報(bào)信息，10 min內(nèi)生成地震烈度分布圖。在如此短時(shí)間內(nèi)要產(chǎn)出地震預(yù)警和烈度信息，對(duì)臺(tái)站位置分布、臺(tái)站建設(shè)等提出了更高的要求。同時(shí)，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，環(huán)境地噪聲干擾不斷增大，也對(duì)臺(tái)站位置選擇構(gòu)

4、成了不同程度的約束。如何進(jìn)行地震烈度速報(bào)和預(yù)警臺(tái)站的選臺(tái)和建臺(tái)成為一個(gè)亟需認(rèn)真研究的問(wèn)題。筆者作為第一起草人曾編制過(guò)地震臺(tái)站建設(shè)規(guī)范地震烈度速報(bào)與預(yù)警臺(tái)站（db/t 602015），但由于規(guī)范對(duì)內(nèi)容描述有嚴(yán)謹(jǐn)?shù)囊?，某些?nèi)容在實(shí)際工作中需要，但未在規(guī)范文本中反映。本文探討的內(nèi)容可作為規(guī)范的補(bǔ)充材料，供大家在進(jìn)行地震烈度速報(bào)與預(yù)警臺(tái)站設(shè)計(jì)或建設(shè)時(shí)參考借鑒。在本文中，地震烈度速報(bào)和預(yù)警臺(tái)站可以是基準(zhǔn)站、基本站和一般站。地震預(yù)警盲區(qū)指的是不能在破壞性地震動(dòng)到達(dá)前提供地震預(yù)警信息的地區(qū)，一般是以震中為圓心的圓形區(qū)域。預(yù)警目標(biāo)區(qū)指需要提供地震預(yù)警服務(wù)的目標(biāo)或區(qū)域范圍，一般是居民區(qū)、生命線工程、重要工業(yè)設(shè)

5、施等。地震預(yù)警時(shí)間指破壞性地震動(dòng)到達(dá)時(shí)刻和接收到地震預(yù)警信息時(shí)刻的時(shí)間差。1臺(tái)站布局與地震預(yù)警在地震預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，臺(tái)站整體布局及其具體位置確定對(duì)預(yù)警效果影響顯著，需要在系統(tǒng)建設(shè)之前對(duì)其影響做出評(píng)估或分析。11單臺(tái)預(yù)（報(bào)）警地震預(yù)警盲區(qū)估算地震臺(tái)網(wǎng)實(shí)際地震預(yù)警盲區(qū)范圍的精確計(jì)算需要對(duì)地下速度結(jié)構(gòu)有詳細(xì)的了解，但對(duì)于預(yù)警臺(tái)站位置的初步選擇，可以在符合目標(biāo)或任務(wù)要求的前提下，進(jìn)行條件假設(shè)和近似估算以作為臺(tái)站位置確定的參考依據(jù)。對(duì)單個(gè)臺(tái)站，可利用其p波n秒數(shù)據(jù)計(jì)算地震基本參數(shù)，對(duì)本地或異地s波造成破壞提供預(yù)（報(bào)）警信息。在地震波速是一維分層均勻近似情況下，有如下關(guān)系：式中，1為檢測(cè)到p波臺(tái)站的震中

6、距，單位為km；2為接收預(yù)警信息處的震中距，單位為km；h為震源深度，單位為km；vp為p波速度，單位為km/s；vs為s波速度，單位為km/s；t0為系統(tǒng)用時(shí)，單位為s，包括數(shù)據(jù)打包封裝、信號(hào)傳輸、計(jì)算地震參數(shù)的波形長(zhǎng)度（n秒）、地震參數(shù)計(jì)算和判定、預(yù)警信息發(fā)布與接收等所用的時(shí)間；t為可提供的預(yù)警時(shí)間，單位為s。（1）單臺(tái)預(yù)（報(bào)）警最小地震預(yù)警盲區(qū)估算?？衫硐氲丶僭O(shè)震源距最近的臺(tái)站在震中位置，即取1=0、2=，則由式（1）得到：（2）若僅考慮100 km震中距范圍，則p波和s波主要是pg和sg波，且考慮淺源地震、近臺(tái)記錄，取地殼上層厚度為22 km，且在地殼上層，系統(tǒng)用時(shí)取t0=40 s。若

7、分別取預(yù)警時(shí)間t等于00 s和30 s，則由式（2）可得到不同深度地震的單臺(tái)預(yù)（報(bào)）警最小盲區(qū)距離，如表1和圖1所示。由表1可見(jiàn)，在上述條件下，若預(yù)警時(shí)間為00 s，震源深度在100150 km時(shí)，預(yù)警盲區(qū)最大，為168 km；若預(yù)警時(shí)間30 s，震源深度220 km時(shí)，預(yù)警盲區(qū)最大，為297 km。地震研究40卷第1期何少林：地震烈度速報(bào)與預(yù)警臺(tái)站選址相關(guān)問(wèn)題探討（2）單臺(tái)預(yù)（報(bào)）警地震預(yù)警盲區(qū)估算。假設(shè)震源深度10 km，取預(yù)警時(shí)間t=0 s，則不同震中距臺(tái)站的預(yù)警盲區(qū)距離估計(jì)如表2和圖2所示。2單臺(tái)預(yù)（報(bào)）警最大預(yù)警時(shí)間估算對(duì)單個(gè)臺(tái)站，利用其p波n秒數(shù)據(jù)計(jì)算地震基本參數(shù)，對(duì)本地或異地s波

8、破壞提供預(yù)警信息，在地震波速是一維分層均勻近似情況下，假設(shè)震源距最近的臺(tái)站在震中位置，由式（2）式得出：若僅考慮100 km范圍，則p波和s波主要是pg和sg波。且考慮淺源地震、近臺(tái)記錄，假設(shè)地震震源在上地殼，取vp=vpg=57 km/s、vs=vsg=34 km/s、h=10 km、系統(tǒng)用時(shí)取t0=40 s，則由式（3）得到不同震中距時(shí)的最大預(yù)警時(shí)間（假設(shè)臺(tái)站震中距為00 km），如表3和圖3所示。3多臺(tái)預(yù)警地震預(yù)警盲區(qū)估算如采用2個(gè)臺(tái)站預(yù)警，理想情況是地震震中在2個(gè)臺(tái)站連線的中間，此時(shí)，地震預(yù)警盲區(qū)最小。取2臺(tái)站間距為l（km），則臺(tái)站間距和預(yù)警盲區(qū)的關(guān)系為（楊陳，2013）若僅考慮10

9、0 km震中距范圍，則p波和s波主要是pg和sg波。且考慮淺源地震，取震源深度h=8 km，且在地殼上層vp=vpg=57 km/s、vs=vsg=34 km/s，系統(tǒng)用時(shí)取t0=40 s，取預(yù)警時(shí)間為t=0 s，由式（4）可得到2臺(tái)站間距和預(yù)警盲區(qū)對(duì)應(yīng)關(guān)系。同樣，在相同條件下，也可得到3臺(tái)站預(yù)警時(shí)，臺(tái)站間距和預(yù)警盲區(qū)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，如表4和圖4所示。 從圖14可看出：（1）對(duì)相同震源深度地震，臺(tái)站間距減?。ㄅ_(tái)站密度增加），地震預(yù)警盲區(qū)減小，但臺(tái)站間距減小與地震預(yù)警盲區(qū)減小是非線性關(guān)系。（2）隨震源深度增加，預(yù)警盲區(qū)先增加，之后減小。對(duì)于淺源地震，當(dāng)臺(tái)間距低于某個(gè)值時(shí)，預(yù)警盲區(qū)趨于一個(gè)常值。對(duì)于較

10、深的地震，稀疏的臺(tái)站分布也可滿足預(yù)警需求，且震源深度達(dá)到一定值時(shí)，將不存在地震預(yù)警盲區(qū)。（3）需要提供的預(yù)警時(shí)間越長(zhǎng)，預(yù)警盲區(qū)越大。（4）減少計(jì)算地震參數(shù)所需要的臺(tái)站數(shù)，盲區(qū)的半徑也會(huì)減小。當(dāng)臺(tái)站間距較大時(shí)，減少計(jì)算地震參數(shù)所需臺(tái)站數(shù)，地震預(yù)警盲區(qū)的減少較明顯；但臺(tái)站間距較小時(shí)，減少計(jì)算地震參數(shù)所需臺(tái)站數(shù)，地震預(yù)警盲區(qū)的減少不明顯。即對(duì)臺(tái)站密度較小的臺(tái)網(wǎng)，可減少計(jì)算地震參數(shù)所需臺(tái)站數(shù)，縮小地震預(yù)警盲區(qū)。對(duì)臺(tái)站密度較大的臺(tái)網(wǎng)，可采用較多的臺(tái)站計(jì)算地震參數(shù)，以保證結(jié)果的可靠性。2臺(tái)站布局與烈度速報(bào)對(duì)于完全基于儀器觀測(cè)值進(jìn)行實(shí)測(cè)的地震烈度速報(bào)，或在實(shí)測(cè)地震烈度基礎(chǔ)上經(jīng)過(guò)插值后進(jìn)行地震烈度速報(bào)的臺(tái)網(wǎng)，

11、臺(tái)站的空間分布也很重要，它將影響烈度速報(bào)的準(zhǔn)確性，因此，需要對(duì)臺(tái)站分布和不同區(qū)域烈度衰減關(guān)系做分析，以便指導(dǎo)臺(tái)網(wǎng)臺(tái)站布局設(shè)計(jì)。汪素云等（2000）采用橢圓長(zhǎng)短軸聯(lián)合衰減的模型，給出了中國(guó)西部地區(qū)的烈度衰減關(guān)系，如式（5）、（6）所示，以及中國(guó)東部地區(qū)的烈度衰減關(guān)系，如式（7）、（8）所示。中國(guó)西北地區(qū)長(zhǎng)軸方向由式（5）（8）計(jì)算可知，中國(guó)地區(qū)地震烈度衰減度，短軸半徑差最小在617 km，長(zhǎng)軸半徑差最小在1427 km。3臺(tái)網(wǎng)臺(tái)站布局建議地震臺(tái)網(wǎng)的地震烈度速報(bào)和預(yù)警性能依賴于臺(tái)站分布。初步總結(jié)前面的分析，給出如下臺(tái)網(wǎng)臺(tái)站布局建議。31總則（1）臺(tái)站在整體上的布局應(yīng)滿足地震烈度速報(bào)和預(yù)警服務(wù)能力的

12、要求。單個(gè)臺(tái)站位置的確定宜符合地震臺(tái)站建設(shè)規(guī)范 地震烈度速報(bào)與預(yù)警臺(tái)站（db/t 602015）中第4章“臺(tái)站選址”和第5章“臺(tái)址測(cè)試”的規(guī)定。（2）臺(tái)站整體布局宜考慮烈度速報(bào)和預(yù)警目標(biāo)區(qū)內(nèi)已運(yùn)行、可共享，且可用于地震烈度速報(bào)和預(yù)警服務(wù)的其他類型臺(tái)站的分布。（3）臺(tái)站間距決定了地震預(yù)警盲區(qū)的大小。在相同的條件下，臺(tái)站間距越大，地震預(yù)警盲區(qū)越大。（4）臺(tái)站應(yīng)包圍潛在震源區(qū)，臺(tái)站宜離潛在震源區(qū)盡量近。（5）在無(wú)法預(yù)測(cè)潛在震源區(qū)時(shí)，臺(tái)站宜包圍烈度速報(bào)和預(yù)警目標(biāo)區(qū)。（6）在無(wú)法預(yù)測(cè)潛在震源區(qū)和不能確定烈度速報(bào)和預(yù)警目標(biāo)區(qū)時(shí)，臺(tái)站宜大體均勻分布。32臺(tái)站間距（1）在潛在震源區(qū)，臺(tái)站間距可在810 km。

13、（2）在預(yù)警目標(biāo)區(qū)，為提供盡可能多的地震預(yù)警時(shí)間，臺(tái)站宜離預(yù)警目標(biāo)區(qū)在2 s地震波傳播距離外。（3）當(dāng)臺(tái)站大體均勻分布時(shí)，對(duì)淺源地震，臺(tái)站平均間距應(yīng)不大于20 km，宜在812 km。具體確定臺(tái)站間距時(shí)，可參照臺(tái)間距和目標(biāo)區(qū)地震烈度衰減、地震預(yù)警盲區(qū)的依賴關(guān)系。對(duì)中源和深源地震，臺(tái)站間距小于50 km，對(duì)縮小預(yù)警盲區(qū)意義不大。33計(jì)算地震參數(shù)前時(shí)間的估計(jì)對(duì)地震預(yù)警服務(wù)，當(dāng)臺(tái)網(wǎng)的臺(tái)站布局確定后，可根據(jù)計(jì)算地震參數(shù)需要的臺(tái)站數(shù)估計(jì)某個(gè)地震從發(fā)震到計(jì)算地震參數(shù)時(shí)需要的時(shí)間。對(duì)一定區(qū)域內(nèi)每個(gè)震中進(jìn)行估計(jì)，可得到臺(tái)網(wǎng)在一定區(qū)域內(nèi)從發(fā)震到計(jì)算地震參數(shù)時(shí)需要的時(shí)間分布，據(jù)此，可為估計(jì)臺(tái)網(wǎng)地震預(yù)警能力提供參考

14、數(shù)據(jù)。4臺(tái)站選址和臺(tái)址測(cè)試41臺(tái)站選址臺(tái)站選址是建設(shè)高品質(zhì)臺(tái)網(wǎng)的基礎(chǔ)，臺(tái)址的環(huán)境條件直接影響臺(tái)站產(chǎn)出數(shù)據(jù)的質(zhì)量和臺(tái)網(wǎng)效能的實(shí)現(xiàn)。臺(tái)站選址時(shí)地理位置要符合整體臺(tái)網(wǎng)的功能和性能的需求，觀測(cè)環(huán)境條件要滿足臺(tái)站觀測(cè)環(huán)境技術(shù)要求，同時(shí)還要兼顧通信、供電、避雷、交通、安全、維護(hù)條件以及長(zhǎng)期觀測(cè)需要。臺(tái)站選址的過(guò)程可分為初步勘選（圖上作業(yè)）、現(xiàn)場(chǎng)踏勘、場(chǎng)地測(cè)試、編寫勘選報(bào)告和臺(tái)址確定5個(gè)階段，如圖5所示。單個(gè)臺(tái)站的勘選報(bào)告中應(yīng)包括：（1）主要測(cè)試設(shè)備（至少包括傳感器和數(shù)據(jù)采集器）的描述（如型號(hào)、編號(hào)、生成廠家、主要技術(shù)參數(shù)）、儀器標(biāo)定原始波形數(shù)據(jù)、標(biāo)定波形處理分析（如處理程序來(lái)源、處理得到的儀器工作參數(shù)、儀

15、器工作是否正常）。（2）臺(tái)址環(huán)境地噪聲測(cè)試。包括儀器測(cè)試參數(shù)設(shè)置、測(cè)試環(huán)境條件、測(cè)試原始波形數(shù)據(jù)。（3）測(cè)試數(shù)據(jù)的處理。包括測(cè)試時(shí)間說(shuō)明、原始數(shù)據(jù)預(yù)處理說(shuō)明、數(shù)據(jù)處理公式、處理軟件說(shuō)明、處理結(jié)果（如表和圖）。（4）傳輸信道說(shuō)明。（5）結(jié)論和說(shuō)明。包括處理結(jié)果、判定依據(jù)、判定結(jié)論，相關(guān)說(shuō)明。當(dāng)所有臺(tái)址確定后，對(duì)地震烈度速報(bào)和預(yù)警臺(tái)網(wǎng)，應(yīng)有臺(tái)網(wǎng)臺(tái)站勘選總報(bào)告，內(nèi)容至少包括：（1）臺(tái)站信息匯總表。包括經(jīng)度、緯度、高程、臺(tái)址地理位置、場(chǎng)地巖性、噪聲處理結(jié)果、場(chǎng)地噪聲類型、通訊方式、供電方式、交通條件、場(chǎng)地權(quán)屬、用地方式等。（2）臺(tái)站位置分布圖。（3）臺(tái)址噪聲分布圖。（4）臺(tái)站間距的分段統(tǒng)計(jì)表和圖。（5

16、）臺(tái)網(wǎng)能力預(yù)估。對(duì)照臺(tái)網(wǎng)建設(shè)功能和性能指標(biāo)進(jìn)行評(píng)估，如臺(tái)網(wǎng)地震監(jiān)測(cè)能力、臺(tái)網(wǎng)烈度速報(bào)能力、臺(tái)網(wǎng)預(yù)警能力等。42臺(tái)址測(cè)試臺(tái)址選定后要進(jìn)行臺(tái)址測(cè)試，包括以下要點(diǎn)：（1）測(cè)試儀器采樣率宜盡量大，不應(yīng)低于100點(diǎn)/秒，以采集到高頻脈動(dòng)。（2）測(cè)試儀器在保證不限幅條件下，宜使測(cè)試數(shù)據(jù)值盡量大，以采集到小振幅脈動(dòng)。（3）測(cè)試前和結(jié)束時(shí)，應(yīng)在測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)對(duì)儀器進(jìn)行標(biāo)定，以保證測(cè)試儀器正常、測(cè)試儀器參數(shù)設(shè)置合理，進(jìn)而保證測(cè)試數(shù)據(jù)的正確性。 （4）應(yīng)對(duì)測(cè)試點(diǎn)進(jìn)行處理，即清除表面分化層，并做平整處理作為測(cè)試面。安放地震計(jì)后，應(yīng)采取減少環(huán)境干擾措施，如加儀器罩、周圍密封等。（5）做好測(cè)試的詳細(xì)記錄，包括文字和照片資料。

17、5臺(tái)址環(huán)境地噪聲要求探討臺(tái)址環(huán)境地噪聲是具體地點(diǎn)的地噪聲，它是背景地噪聲和其他干擾地噪聲的總和。臺(tái)址環(huán)境地噪聲水平?jīng)Q定了臺(tái)站能記錄到地震的下限，也決定了臺(tái)網(wǎng)的地震監(jiān)測(cè)能力，是臺(tái)站選址的最重要約束指標(biāo)。（1）地震臺(tái)站觀測(cè)環(huán)境技術(shù)要求 第1部分：測(cè)震（gb/t 1953112004）42節(jié)中規(guī)定：級(jí)環(huán)境地噪聲水平為小于316×10-8 m/s。依據(jù)寬頻帶面波震級(jí)ms（bb）（地震震級(jí)的規(guī)定，gb/t 177402016）可知，在震中距1°處，此噪聲相當(dāng)于10級(jí)地震的最大幅度。（2）若有2個(gè)臺(tái)站，震中距分別為1和2，觀測(cè)的速度最大振幅分別為（vmax）1和（vmax）2，對(duì)同一個(gè)

18、地震，假設(shè)：測(cè)定寬頻帶面波震級(jí)ms（bb），有：假設(shè)：臺(tái)站間距減小，使震中距減少1倍，即2=1/2，則由式（10）得到：（vmax）2=316×（vmax）1。即：保證監(jiān)測(cè)能力不變的前提下，震中距減小1倍（減小到1/2），地震最大幅度增加316倍；震中距再減小1倍（減小到1/4），地震最大幅度增加10（316×316）倍。若認(rèn)為地震最大振幅和初動(dòng)有相似的衰減特性，則可近似認(rèn)為，記錄同樣的地震，當(dāng)震中距減小1倍（減小到1/2）時(shí)，環(huán)境地噪聲允許增加316倍。當(dāng)震中距再減小1倍時(shí)（減小到1/4），環(huán)境地噪聲也允許增加10倍。（3）估算示例。若有一臺(tái)站，記錄ms（bb）=05地震

19、，其震中距為=2°，則根據(jù)式（9），計(jì)算得到：vmax=315×10-9 m/s。按照上述（2）中的結(jié)論簡(jiǎn)單推測(cè)，若震中距減小到69 km，即每次震中距減少一半，減少5次，則此處的vmax=315×10-9×3165=993×10-7 m/s，若近似認(rèn)為波形最大振幅是初至波最大振幅的8倍，則ms（bb）=05地震，在震中距69 km處，初至波最大振幅約為993×10-7/8=124×10-7 m/s，更進(jìn)一步假設(shè)認(rèn)為允許的噪聲是信號(hào)的1/2，即若在69 km處能記錄ms（bb）=05地震，可允許的臺(tái)址噪聲是62×10-8 m/s，即允許臺(tái)址是級(jí)環(huán)境地噪聲水平。綜上，可得出：（1）不同類型的臺(tái)站選址應(yīng)滿足其對(duì)環(huán)境地噪聲的要求。（2）對(duì)相同的監(jiān)測(cè)能力，當(dāng)臺(tái)站間距減?。ㄅ_(tái)站密度增加）時(shí)，對(duì)臺(tái)址環(huán)境地噪聲的要求會(huì)降低，即允許相對(duì)高的環(huán)境地噪聲水平。（3