地震烈度速報與預(yù)警臺站選址相關(guān)問題探討

1、    地震烈度速報與預(yù)警臺站選址相關(guān)問題探討    摘要：對地震烈度速報與預(yù)警臺站選址時涉及到的臺站布局、臺站選址與臺址測試要點、臺址環(huán)境地噪聲要求等相關(guān)問題進(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與預(yù)警臺站建設(shè)規(guī)范的補(bǔ)充材料，供大家在開展相關(guān)工作時參考。關(guān)鍵詞：地震烈度速報；地震預(yù)警；臺站選址：p3159：a：1000-0666（2017）01-0015-070引言地震臺站代碼（db/t 42003）中指出，地震臺站是開展地震觀測的基礎(chǔ)機(jī)構(gòu)，其建設(shè)涉及到臺站空間位置的選址、臺址噪聲的測試、臺站的土建等多方面內(nèi)容。臺站建設(shè)優(yōu)劣在很大程度上

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

3、5年建成了由104個臺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個臺站構(gòu)成的京津冀地震預(yù)警協(xié)同網(wǎng)、由300個臺站構(gòu)成的福建地震預(yù)警實驗網(wǎng)、由270個臺站構(gòu)成的川滇地震預(yù)警驗證網(wǎng)。此外，即將實施的國家地震烈度速報與預(yù)警工程項目將建設(shè)地震烈度速報與預(yù)警臺站15 000多個，將實現(xiàn)在地震發(fā)生后，首臺觸發(fā)3 s內(nèi)原地報警，46 s生成地震預(yù)警第一報信息，震后3 min內(nèi)生成實測地震烈度速報信息，10 min內(nèi)生成地震烈度分布圖。在如此短時間內(nèi)要產(chǎn)出地震預(yù)警和烈度信息，對臺站位置分布、臺站建設(shè)等提出了更高的要求。同時，隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，環(huán)境地噪聲干擾不斷增大，也對臺站位置選擇構(gòu)

4、成了不同程度的約束。如何進(jìn)行地震烈度速報和預(yù)警臺站的選臺和建臺成為一個亟需認(rèn)真研究的問題。筆者作為第一起草人曾編制過地震臺站建設(shè)規(guī)范地震烈度速報與預(yù)警臺站（db/t 602015），但由于規(guī)范對內(nèi)容描述有嚴(yán)謹(jǐn)?shù)囊?，某些?nèi)容在實際工作中需要，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)行地震烈度速報與預(yù)警臺站設(shè)計或建設(shè)時參考借鑒。在本文中，地震烈度速報和預(yù)警臺站可以是基準(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)警時間指破壞性地震動到達(dá)時刻和接收到地震預(yù)警信息時刻的時間差。1臺站布局與地震預(yù)警在地震預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)計中，臺站整體布局及其具體位置確定對預(yù)警效果影響顯著，需要在系統(tǒng)建設(shè)之前對其影響做出評估或分析。11單臺預(yù)（報）警地震預(yù)警盲區(qū)估算地震臺網(wǎng)實際地震預(yù)警盲區(qū)范圍的精確計算需要對地下速度結(jié)構(gòu)有詳細(xì)的了解，但對于預(yù)警臺站位置的初步選擇，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站位置確定的參考依據(jù)。對單個臺站，可利用其p波n秒數(shù)據(jù)計算地震基本參數(shù)，對本地或異地s波造成破壞提供預(yù)（報）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為檢測到p波臺站的震中

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，單位為s，包括數(shù)據(jù)打包封裝、信號傳輸、計算地震參數(shù)的波形長度（n秒）、地震參數(shù)計算和判定、預(yù)警信息發(fā)布與接收等所用的時間；t為可提供的預(yù)警時間，單位為s。（1）單臺預(yù)（報）警最小地震預(yù)警盲區(qū)估算。可理想地假設(shè)震源距最近的臺站在震中位置，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、近臺記錄，取地殼上層厚度為22 km，且在地殼上層，系統(tǒng)用時取t0=40 s。若

7、分別取預(yù)警時間t等于00 s和30 s，則由式（2）可得到不同深度地震的單臺預(yù)（報）警最小盲區(qū)距離，如表1和圖1所示。由表1可見，在上述條件下，若預(yù)警時間為00 s，震源深度在100150 km時，預(yù)警盲區(qū)最大，為168 km；若預(yù)警時間30 s，震源深度220 km時，預(yù)警盲區(qū)最大，為297 km。地震研究40卷第1期何少林：地震烈度速報與預(yù)警臺站選址相關(guān)問題探討（2）單臺預(yù)（報）警地震預(yù)警盲區(qū)估算。假設(shè)震源深度10 km，取預(yù)警時間t=0 s，則不同震中距臺站的預(yù)警盲區(qū)距離估計如表2和圖2所示。2單臺預(yù)（報）警最大預(yù)警時間估算對單個臺站，利用其p波n秒數(shù)據(jù)計算地震基本參數(shù)，對本地或異地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)用時取t0=40 s，則由式（3）得到不同震中距時的最大預(yù)警時間（假設(shè)臺站震中距為00 km），如表3和圖3所示。3多臺預(yù)警地震預(yù)警盲區(qū)估算如采用2個臺站預(yù)警，理想情況是地震震中在2個臺站連線的中間，此時，地震預(yù)警盲區(qū)最小。取2臺站間距為l（km），則臺站間距和預(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)用時取t0=40 s，取預(yù)警時間為t=0 s，由式（4）可得到2臺站間距和預(yù)警盲區(qū)對應(yīng)關(guān)系。同樣，在相同條件下，也可得到3臺站預(yù)警時，臺站間距和預(yù)警盲區(qū)的對應(yīng)關(guān)系，如表4和圖4所示。 從圖14可看出：（1）對相同震源深度地震，臺站間距減?。ㄅ_站密度增加），地震預(yù)警盲區(qū)減小，但臺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。對于淺源地震，當(dāng)臺間距低于某個值時，預(yù)警盲區(qū)趨于一個常值。對于較

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

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

12、要求。單個臺站位置的確定宜符合地震臺站建設(shè)規(guī)范 地震烈度速報與預(yù)警臺站（db/t 602015）中第4章“臺站選址”和第5章“臺址測試”的規(guī)定。（2）臺站整體布局宜考慮烈度速報和預(yù)警目標(biāo)區(qū)內(nèi)已運行、可共享，且可用于地震烈度速報和預(yù)警服務(wù)的其他類型臺站的分布。（3）臺站間距決定了地震預(yù)警盲區(qū)的大小。在相同的條件下，臺站間距越大，地震預(yù)警盲區(qū)越大。（4）臺站應(yīng)包圍潛在震源區(qū)，臺站宜離潛在震源區(qū)盡量近。（5）在無法預(yù)測潛在震源區(qū)時，臺站宜包圍烈度速報和預(yù)警目標(biāo)區(qū)。（6）在無法預(yù)測潛在震源區(qū)和不能確定烈度速報和預(yù)警目標(biāo)區(qū)時，臺站宜大體均勻分布。32臺站間距（1）在潛在震源區(qū)，臺站間距可在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)警時間，臺站宜離預(yù)警目標(biāo)區(qū)在2 s地震波傳播距離外。（3）當(dāng)臺站大體均勻分布時，對淺源地震，臺站平均間距應(yīng)不大于20 km，宜在812 km。具體確定臺站間距時，可參照臺間距和目標(biāo)區(qū)地震烈度衰減、地震預(yù)警盲區(qū)的依賴關(guān)系。對中源和深源地震，臺站間距小于50 km，對縮小預(yù)警盲區(qū)意義不大。33計算地震參數(shù)前時間的估計對地震預(yù)警服務(wù)，當(dāng)臺網(wǎng)的臺站布局確定后，可根據(jù)計算地震參數(shù)需要的臺站數(shù)估計某個地震從發(fā)震到計算地震參數(shù)時需要的時間。對一定區(qū)域內(nèi)每個震中進(jìn)行估計，可得到臺網(wǎng)在一定區(qū)域內(nèi)從發(fā)震到計算地震參數(shù)時需要的時間分布，據(jù)此，可為估計臺網(wǎng)地震預(yù)警能力提供參考

14、數(shù)據(jù)。4臺站選址和臺址測試41臺站選址臺站選址是建設(shè)高品質(zhì)臺網(wǎng)的基礎(chǔ)，臺址的環(huán)境條件直接影響臺站產(chǎn)出數(shù)據(jù)的質(zhì)量和臺網(wǎng)效能的實現(xiàn)。臺站選址時地理位置要符合整體臺網(wǎng)的功能和性能的需求，觀測環(huán)境條件要滿足臺站觀測環(huán)境技術(shù)要求，同時還要兼顧通信、供電、避雷、交通、安全、維護(hù)條件以及長期觀測需要。臺站選址的過程可分為初步勘選（圖上作業(yè)）、現(xiàn)場踏勘、場地測試、編寫勘選報告和臺址確定5個階段，如圖5所示。單個臺站的勘選報告中應(yīng)包括：（1）主要測試設(shè)備（至少包括傳感器和數(shù)據(jù)采集器）的描述（如型號、編號、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（如處理程序來源、處理得到的儀器工作參數(shù)、儀

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

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

17、5臺址環(huán)境地噪聲要求探討臺址環(huán)境地噪聲是具體地點的地噪聲，它是背景地噪聲和其他干擾地噪聲的總和。臺址環(huán)境地噪聲水平?jīng)Q定了臺站能記錄到地震的下限，也決定了臺網(wǎng)的地震監(jiān)測能力，是臺站選址的最重要約束指標(biāo)。（1）地震臺站觀測環(huán)境技術(shù)要求 第1部分：測震（gb/t 1953112004）42節(jié)中規(guī)定：級環(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ms（bb）（地震震級的規(guī)定，gb/t 177402016）可知，在震中距1°處，此噪聲相當(dāng)于10級地震的最大幅度。（2）若有2個臺站，震中距分別為1和2，觀測的速度最大振幅分別為（vmax）1和（vmax）2，對同一個

18、地震，假設(shè)：測定寬頻帶面波震級ms（bb），有：假設(shè)：臺站間距減小，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，環(huán)境地噪聲允許增加316倍。當(dāng)震中距再減小1倍時（減小到1/4），環(huán)境地噪聲也允許增加10倍。（3）估算示例。若有一臺站，記錄ms（bb）=05地震

19、，其震中距為=2°，則根據(jù)式（9），計算得到：vmax=315×10-9 m/s。按照上述（2）中的結(jié)論簡單推測，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的1/2，即若在69 km處能記錄ms（bb）=05地震，可允許的臺址噪聲是62×10-8 m/s，即允許臺址是級環(huán)境地噪聲水平。綜上，可得出：（1）不同類型的臺站選址應(yīng)滿足其對環(huán)境地噪聲的要求。（2）對相同的監(jiān)測能力，當(dāng)臺站間距減小（臺站密度增加）時，對臺址環(huán)境地噪聲的要求會降低，即允許相對高的環(huán)境地噪聲水平。（3