（地球探测与信息技术专业论文）面向首都圈地区的地震早期预警技术初步研究.pdf

要 随着世界范围城市化进程的加快，地震对生命财产造成越来越大的危害，而 地震的发生往往难以被有效预报。为了降低地震带来的灾害，地震早期预警系统 是较为有效的地震减灾方法。国际上已经有许多国家投入这项工作中，如美国的 e l a r m s 系统，日本的“紧急地震速报 系统，和我国台湾省的快速地震信息发 布系统( r t d ) ，福建省的实时速报系统也在朝着这个方向努力。 首都圈地区( 3 8 5 _ 4 1 5n ，1 1 3 5 1 2 0 e ) 地处华北北部，城市密集，是国家政治 文化中心和主要经济区带。从地震活动性看，首都圈地区并非强震高发地带，但 是历史上也曾经发生过损失巨大的强烈地震。同时，由于该地区所具有的政治上 的特殊性以及经济上的核心地位，即使一些破坏性较低的地震也会引起社会较大 的关注，因此有必要在该地区建立套面向普通地震同时兼顾强震的地震早期预 警系统。首都圈数字遥测台网布设1 1 1 个地震台站，包括4 6 个宽频带地震台站， 5 个甚宽带地震台站，6 0 个短周期地震台站，已经具备了建立地震早期预警系统 研究的基础条件。但如何将国际上成熟的理论和技术引入到首都圈的预警系统建 设中还需要大量的工作要做。因此，进行符合首都圈地区特征的地震预警关键技 术研究迫在眉睫。 首都圈地区并没有我国台湾地区、日本、美国加州等地那么密集的观测仪器， 另外，布设的仪器不仅有宽频带地震仪，而且有半数以上的短周期地震仪，这就 给地震早期预警系统的建设增加了难度。为此，本文使用台湾c w b 提供的1 9 9 9 年台湾集集地震的强震仪记录进行模拟实验。结果表明，在一定程度上，短周期 地震记录p 波前3 秒可用来估计地震的震级，并且用地震波形参数p d 估计震级 的方法对更高的震级才会出现饱和，好于用t 估计震级的方法，而且采用频率 域补偿的办法可以减少短周期纪录估计震级时的饱和现象，从而将短周期地震仪 有效应用在地震早期预警系统中。 在地震早期预警系统中，地震波形参数测定( 如f 和削) 是一个重要的问 题，关系到地震震级的快速估计及预警信息的及时发布。考虑到首都圈台站布设 状况和台网数字化后地震事件分布情况，建立了首都圈地区地震波形参数f 。和 p d 与地震最终震级m 的对应关系。该对应关系可用于j 下在建设的首都圈地震早 期预警系统中。 地震预警中另一个值得关注的问题是时间问题，预警系统处理地震信号的快 慢关系到能否在主要地面运动到来之前为要保护的地点提供有效及时的预警信 号。首都圈地区地震早期预警系统建设是基于首都圈数字遥测地震台网基础上 的，对台网中台站布设情况进行评估是预警系统建设中必不可少的一环。为了优 化首都圈数字遥测地震台网，提高预警能力，将首都圈地区 ( 3 8 5 0 4 1 5 0 n ，1 1 3 5 01 2 0 0 e ) 划分为3 1 6 6 的网格，每个网格的面积是o 1 0 o 1 0 。 以网格上的点为基础，结合首都圈地区台站分布、历史地震以及地面运动峰值加 速度分布，研究了基于首都圈数字遥测台网的地震早期预警系统的预警能力，为 台网的优化提供了理论支持和技术支撑。 关键词：地震早期预警系统，首都圈地区，r 和p d 方法，地震震级快速估计， 预警能力 i l a b s t r a c t a l o n gw i t ht h ei n c r e a s i n gu r b a n i z a t i o np r o c e s sa l lo v e rt h ew o r l d e a r t h q u a k eh a z a r d s h a v ep o s e ds e r i o u st h r e a t st ol i v e sa n dp r o p e r t i e s f o rs e i s m i ch a z a r dm i t i g a t i o n ， e a r t h q u a k ef o r e c a s tm e t h o dh a sa p p e a r e dt ob ef a rf r o mr e a l i z a t i o nb yf a r o n eo ft h e o t h e ra p p r o a c h e st om i t i g a t es e i s m i ch a z a r d si s e a r t h q u a k ee a r l yw a r n i n gs y s t e m s w h i c hh a v eb e e no p e r a t i n gi nm a n yc o u n t r i e s ，s u c ha se l a r m si nu s ，u r e d a si n j a p a n ，a n dr t d i nt a i w a n b e s i d e st h es y s t e m sa b o v e ，t h er e a l - t i m er a p i dr e p o r t i n g s y s t e ma i m a te a r t h q u a k ee a r l yw a r n i n gi nf u j i a np r o v i n c eh a sb e e ne s t a b l i s h e d c a p i t a lc i r c l er e g i o nl i e si nt h en o r t ho fc h i n aw h i c hh a sam a s sp o p u l a t i o na n d m a n yc i t i e s t h i sa r e ai st h ee c o n o m i ca n dp o l i t i c a lc e n t e ri nc h i n aa sw e l l f r o mt h e p o i n to fv i e wo fe a r t h q u a k ea c t i v i t i e s ，c a p i t a lc i r c l er e g i o nd o e sn o th a sh u g e s e i s m i cp o t e n t i a l s ，h o w e v e r , t h e r ew e r eh u g ee a r t h q u a k e st a k i n gp l a c eh e r ei nh i s t o r y b e c a u s eo ft h es p e c i a lp o s i t i o ni np o l i t i c sa n de c o n o m y , i ti sn e c e s s a r yt oe s t a b l i s ha n e a r t h q u a k ee a r l yw a r n i n gs y s t e m i nc a p i t a lc i r c l er e g i o n ，111s e i s m o g r a p h sw e r e d e p l o y e d ，i n c l u d i n g4 6b r o a d b a n ds e i s m o g r a p h s ，5v e r yb r o a d b a n ds e i s m o g r a p h sa n d 6 0s h o r t p e r i o ds e i s m o g r a p h s ，w h i c hp r o v e st h a tt h ec a p i t a lc i r c l er e g i o nh a st h e b a s i cc o n d i t i o nt ob u i l de a r t h q u a k ee a r l yw a r n i n gs y s t e m t oi n t r o d u c ea d v a n c e d t h e o r ya n dt e c h n i q u et oe a r t h q u a k ee a r l yw a r n i n gs y s t e mi nc a p i t a lc i r c l er e g i o n ，a l o to fw o r ki sn e e d e dt ob ed o n e t h e r e f o r e ，i ti sn e c e s s a r yt od or e s e a r c ho n e a r t h q u a k ee a r l yw a r n i n ga c c o r d i n gt ot h ec o n d i t i o no fc a p i t a lc i r c l er e g i o n t h e d e n s i t yo fs t a t i o nd e p l o y e di nc a p i t a lc i r c l er e # o ni sn o ta st h ew e l l e q u i p p e d a r e a ss u c h 嬲j a p a n ，t a i w a na n dc a l i f o r n i a b e s i d e s ，t h e r ei sas p e c i a ld i f f i c u l t yt h a t m o s to ft h es t a t i o n sd e p l o y e da r en o tb r o a d b a n db u ts h o r t - p e r i o d t oi n v e s t i g a t et h e p o s s i b i l i t yo fu s i n gs h o r t p e r i o de x p e r i m e n tr e c o r d i n g sf o re a r t h q u a k ee a r l yw a r n i n g ， w ec o n d u c t e das i m u l a t e de x p e r i m e n tu s i n gt h eb r o a d b a n dd a t ao ft h e19 9 9c h i - c h i e a r t h q u a k es e q u e n c e i ti sf o u n dt h a tt os o m ee x t e n ts h o r t p e r i o dr e c o r d sc a ns t i l lb e u s e di nt h r e s h o l de a r t h q u a k ee a r l yw a r n i n g ，w h i l et h ep de s t i m a t es e e m sb e t t e rt h a n 1 i i t h ere s t i m a t e w i t l lah i g h e rs a t u r a t i o nm a g n i t u d e m o r e o v e r , s h o r t - p e r i o dr e c o r d s c o m p e n s a t i o ni nf r e q u e n c yd o m a i nc a nw e a k e nt h es a t u r a t i o n , w h i c hm a k e st h e s h o r t - p e r i o dr e c o r d sm o r eu s e f u li ne a r t h q u a k ee a r l yw a r n i n g i ne a r t h q u a k ee a r l yw a r n i n gs y s t e m s ，ak e yp r o b l e mi st od e t e r m i n et h es e i s m i c w a v e f o r mp a r a m e t e r s ，w h i c hc o n a e n l st h er a p i de s t i m a t i o no fe a r t h q u a k em a g n i t u d e a n dn o t i f i c a t i o no fe a r t h q u a k ew a r n i n gi n f o r m a t i o ni nt i m e o nt h eb a s i so ft h es t a t i o n c o n d i t i o na n dt h ed i s t r i b u t i o no fe a r t h q u a k ee v e n t sa f t e rd i g i t i z a t i o no fn e t w o r k ，w e e s t a b l i s ht h er e l a t i o n s h i pb e t w e e ns e i s m i cr e c o r d sp a r a m e t e r st , p da n df i n a l m a g n i t u d em a n dt h i sr e l a t i o n s h i pc a nb e u s e dt ot h ee s t a b l i s h i n ge a r t h q u a k ee a r l y w a r n i n gs y s t e mi nc a p i t a lc i r c l er e g i o n a n o t h e rp r o b l e ma b o u te a r t h q u a k ew a r n i n gs y s t e mi st i m e t h es i g n a lp r o c e s ss p e e d o fe a r t h q u a k ew a r n i n gs y s t e md e c i d e sw h e t h e rw ec a np r o v i d ee f f e c t i v ew a r n i n g i n f o r m a t i o nb e f o r et h es t r o n gg r o u n dm o t i o na r r i v e s t h ed e v e l o p m e n to f e a r t h q u a k e e a r l yw a r n i n gs y s t e mi nc a p i t a lc i r c l er e g i o ni sb a s e do nt h ed i g i t a ls e i s m o l o g i c a l n e t w o r kh e r e e v a l u a t i o no ft h es t a t i o nd e p l o y m e n ti sak e yw o r kd u r i n gt h es y s t e m c o n s t r u c t i o n t oo p t i m i z et h es e i s m o l o g i c a ln e t w o r kf o rab e t t e re a r l y w a r n i n g c a p a b i l i t y ，w ed i v i d et h ec a p i t a lc i r c l er e g i o ni n t o3 1x 6 6g r i d ( w i t h 鲥ds i z e o 1o x 0 1o ) c o n s i d e r i n gt h ed i s t r i b u t i o no fs e i s m o g r a p h s ，h i s t o r i c a le a r t h q u a k e s ，a n d t h ep g ai nc a p i t a lc i r c l er e g i o n ，w es t u d yt h ee a r t h q u a k ee a r l yw a r n i n gs y s t e m c a p a b i l i t yb a s e do nt h eg r i dp o i n t s w h a tw eh a v ed o n ec a np r o v i d e st h e o r e t i c a la n d t e c h n o l o g i c a ls u p p o r tf o rt h es e i s m o l o g i c a ln e t w o r k so p t i m i z a t i o n k e y w o r d s ：e a r t h q u a k ee a r l yw a r n i n gs y s t e m ，c a p i t a lc i r c l er e g i o n ，7 ca n dp d m e a s u r e m e n t s ，e a r t h q u a k em a g n i t u d er a p i de s t i m a t i o n ，w a r n i n gc a p a b i l i t y i v 目录 第一章引言1 1 1 地震早期预警的意义量 1 2 国际地震早期预警研究进展l 1 3 国内地震早期预警研究进展生 第二章首都圈数字遥测地震台网现状6 2 1 首都圈地区概况6 2 2 首都圈数字遥测台网台站分布情况2 2 3 首都圈遥测台网地震仪器简介。8 第三章短周期地震仪在地震预警系统中的应用10 3 1 研究背景：1 0 3 2 用f 。和p d 估计最终震级的方法1 0 3 3 短周期地震记录在估计地震震级时的饱和现象 3 4 用频率补偿的方法对短周期地震记录的改进监 第四章首都圈前三秒地震波形参数与地震最终震级的经验关系2 3 4 1 研究背景2 3 4 2 地震波形参数与地震震级对应关系2 3 第五章首都圈数字遥测地震台网地震预警能力评估3 0 5 1 研究背景3 0 5 2 首都斟数字遥测地震台网地震预警能力评估3 0 5 2 1 评估方法一：预警时间3l 5 2 2 评估方法二：最小预警时间3 3 5 2 3 评估方法三：预警失效区3 6 结论与讨论3 7 参考文献3 9 致谢4 3 作者简历4 5 硕士研究生期间研究成果及发表文章4 6 v 第一章引言 1 1 地震早期预警的意义 第一章引言 历史上浅源大地震会导致重大基础设施和生命线工程破坏及功能失效，并可 能引发严重次生灾害，造成大规模的生命财产损失。目前，在世界范围内还不能 有效地预测地震，地震早期预警是较为有效的地震减灾方法，世界上已经有很多 国家投入到这项工作之中，地震早期预警系统研究和建设，在有效降低地震灾害、 减少人员伤亡并减小震害损失上意义重大，是地震监测预报工作发展的新方向， 也是地震行业的紧迫需求。 近年来，我国经济持续高速发展，城市化进程大大加快，住房和生命线工程 越来越密集，国家重大基础设施如核电站、大型水坝、高速铁路、长距离输油输 气管线、大型桥梁等不断兴建。城市是社会财富的集中地、经济发展的策源地、 人口的高度密集区，在我国城市现有的防震减灾能力总体上还比较脆弱的前提 下，一旦遭遇强烈地震，人员伤亡与经济损失的后果是不堪设想的。另一方面， 由于生命线工程和基础设施的空间展布广、跨越场地条件复杂、工程组成庞大但 薄弱环节多，极易在地震中造成损坏且影响范围很大。因此，符合我国国情的地 震预警系统的建设，从现实意义上来讲势在必行。地震预警系统的建设和重大设 施、生命线工程地震自动紧急处置系统的建设，在科学、政治、经济诸方面，将 带来巨大的现实意义和深远的历史意义。 地震早期预警是在破坏性地面运动( s 波) 到来之前，用地震早期记录估计地 震震级、发震时刻、震中位置等地震参数并发布警报，提供数秒至数十秒的预警 时间。预警信息的发布可以保护人民生命财产安全，对于震后实时救灾和损失评 估工作更是不可或缺。 1 2 国际地震早期预警研究进展 地震预警在理论上通常分为两类：前端预警( f r o n t d e t e c t i o ne e w ) 、现地预 警( o n s i t ee e w ) 。 前端预警的主要思想是利用电磁波传播速度高于地震波传播速度，通过布设 在震源区的测震装置检测地震信号，计算可靠的地震参数后，发送至距离较远的 面向首都圈地区的地震早期预警技术初步研究 都市区，进而实现预警的目的。美国的c o o p e r 早在1 8 6 8 年就针对旧金山市提出 前端预警的设想。他设想在当时地震活动非常剧烈、距离旧金山市约一百公里的 h o l l i s t e r 地区布设地震监测装置，当地震发生后会生成一个电磁波信号，由于电 磁波比地震波传播要快的多，故可抢在地震波到达之i i 敲响市政大楼上的大钟， 发出地震警报。墨西哥在1 9 9 1 年建成的地震预警系统s a s 使用布设在沿海的1 2 台强震仪利用s 波测定地震参数后，可向3 0 0 千米外的首都墨西哥城提供7 0 秒 的预警时间。1 9 9 5 年发生的7 3 级地震，由于s a s 提前发布了地震信息，墨西 哥城没有人员死亡，只有少数人员受伤( e s p i n o s a - a r a n d ae ta 1 ，1 9 9 5 ；k a n a m o r i ， 2 0 0 5 ) 。土耳其伊斯坦布尔市2 0 0 3 年建成了由1 0 个实时预警强震台站组成的地 震预警和快速反应系统，该系统计算每个强震仪记录的幅值，当一个时间段内有 2 3 个台站记录超过阈值时，系统会发出警报并自动关闭重大基础设施( e r d i ke t a 1 ，2 0 0 3 ) 。前端预警的优点是由于使用了包括s 波在内的地震信号主要部分，参 数测定较为准确。但另一方面，由于原理所限，仅能对较大震中距的区域提供有 效的预警。对于较近的地震，只有大幅度减少地震检测的时间才有可能实现预警 目标，因此，采用前端预警方法，目标城市或场地必须远离震源一段距离。 现地预警的基本原理是，在要保护的目标区域建立地震观测网，利用p 波传 播速度比s 波传播速度快的原理，由p 波的初期振动来估计地震的大小、震中位 置，在破坏性的s 波到达之前发出预警信号。利用地震p 波进行预警的优点是可 以获得更长的预警时间。日本是世界上最早在铁路系统建立地震预警系统的国 家。2 0 世纪5 0 年代开始，陆续在主要铁路干线上布设报警地震计，研制紧急地 震检测和预警系统，利用地震p 波信息快速估计地震参数，发布地震预警信号。 1 9 8 8 年开始，在东京地区、青函海底隧道、东海道新干线、山阳新干线等地区 陆续布设了紧急地震检测和预警系统( k a n a m o n ，2 0 0 5 ；n a k a m u r a ，1 9 8 8 ，1 9 8 9 ) 。日 本气象厅启用的国家地震预警系统于2 0 0 4 年开始试运行，2 0 0 6 年8 月正式运行， 是世界上第一个投入运行的全国范围地震预警系统，该系统可向公司、学校和公 共团体提供地震预警服务。2 0 0 5 年8 月的同本宫城地震时，系统为距离震中约 1 0 0 公里的仙台市提供了1 6 秒的预警时间。2 0 0 7 年l o 月1 日，日本气象厅正 式启用了被称为“紧急地震速报”的全球地震早期预警系统，这套系统发出的警 报将首先传至火车公司、煤气公司等机构，普通民众也能收到这样的警报。2 0 0 8 年6 月1 4 日在日本东北部发生的7 2 级地震，日本气象厅预警系统在主要地面 震动到来之前就成功的向公众发布了预警信息，距震中3 0 千米外的地区可以得 2 第一章引言 到l o 秒以上的预警时间。美国近年建成的e l a r m s 系统利用分布在南加州地区的 嘶n e t 地震台网p 波初始记录通过计算优势周期砭。估计地震震级，在破坏性地 面运动到来前数秒到数l o 秒发布地震警报( k a n a m o r i ，2 0 0 5 ；k a n a m o r ie ta 1 ，1 9 9 7 ； a l l e na n dk a n a m o r i ，2 0 0 3 ；w u r m a n ，2 0 0 7 ) 。 在基础研究方面，针对地震预警中震级快速测定和快速定位的关键技术问 题，国际同行开展了面向实际的深入研究。迄今针对震级快速测定的技术问题， 已提出：1 ) 利用初至p 波的卓越周期快速估算震级，代表性的是日本u r e d a s 预警系统利用由各地震台的速度传感器垂直分量实时地连续确定p 波初始振动， 并由相应的递归关系确定卓越周期，再利用卓越周期的最大值与震级之间线性关 系估算震级( k a n a m o r i ，2 0 0 5 ；n a k a m u r a , 1 9 8 8 ，1 9 8 9 ) ；2 ) r c 方法，所谓的t 是指 平均振动周期参数，由前3 秒p 波信号地动位移及速度积分的比值得到。根据t 的对数与地震震级的线性关系，可由t 决定地震震级大d , ( w ua n dk a n a m o r i ， 2 0 0 5 a ；w ue la 1 ，2 0 0 6 ；w ua n dz h a o ，2 0 0 6 ；w ue ta 1 ，2 0 0 7 ) ；3 ) p d 方法，p d 的定 义是p 波到达观测台站后3 秒内的最大地表位移。当计算出地震波振幅随距离衰 减的关系式( 形式如l o g ( r ) = a m + b l o g ( p d ) + c ，剐为地震波位移振幅，尺为 震源距，m 为震级) 后，p d 可从波形记录中量取，再利用区域预警的方式得到r ， 则可推得m ( w ua n dk a n a m o r i ，2 0 0 5 b ；w ue ta 1 ，2 0 0 6 ；w ua n dz h a o ，2 0 0 6 ；w ue t a 1 ，2 0 0 7 ) ；4 ) 基于地震矩和震源持续时间的比例关系快速估算震级，其原理基 于由宽频带速度记录在时间域的积分得到的位移记录是远场震源时间函数的假 设，利用浅源地震所使用的标量地震矩与震源持续时间函数之间的比例关系较快 地估算震级( t s u b o ie ta 1 ，2 0 0 2 ) 。 针对地震预警系统研究中地震快速定位问题，提出了：1 1 利用地震p 波初 始记录不同分量之间的相关函数求取方位角，并根据振幅随距离衰减关系求取震 中距的单台定位方法，本方法现已在日本的u r e d a s 预警系统中投入使用 ( n a k a m u r a , 1 9 8 8 ) ；2 ) 基于初期地震动振幅及其增长率的o d a k a 方法，采用地震 加速度记录振幅与p 波初始振幅的斜率和振幅随时间的变化值之间的线性关系， 问接估算震中距，再利用地震记录中两水平向( 东西、南北向) 的比值和垂直向的 质点极化方向得到( 如同上述的u r e d a s 系统中使用的方法) 的方位角估计地震 位置( o d a k ae ta 1 ，2 0 0 3 ) ：3 ) v o r o n o ic e l l s 方法，v o r o n o ic e l l s 是指依据地震台网中 各台站分布的几何形态所划分出来的用于快速判断地震震中位置的多边形。其原 理是基于地震发生后第一个收到p 波信号的一定是最靠近地震震中的台站以及 3 面向首都圈地区的地震早期预警技术初步研究 地震震中一定位于最先记录台站所在的v o r o n o ic e l l 中的认识。此方法较适于台 站密度较高的地震预警台1 网( s a m b r i d g e , 1 9 9 9 ) ；4 ) 双台子台阵法，此方法是采用 台阵中两个最先到达的p 波到时，根据一个简单的速度模型，由双台交切可能震 中的双曲线以及运用其它台站尚未收到地震波作为约束条件快速定位地震 ( r y d e l e ka n dp u j 0 1 2 0 0 4 ) 。 值得指出的是，由于地震预警问题的特殊性，与地震预警有关的一些基本地 震学问题，尚待开展进一步的研究。以用l 测定震级的方法为例，目前此方法中 尚未考虑场地响应是否应当扣除、震源机制或者震源辐射花样以及震中距的不同 对震级计算的影响等问题。不同震源参数快速测定方法之间的异同的比较工作也 尚未完全开展。目前，相关研究正在积极开展当中( w o l f e ，2 0 0 6 ；w ue ta 1 ，1 9 9 7 ； w ue ta 1 ，1 9 9 9 ；w ua n dt e n g ，2 0 0 2 ；b o e s ee ta 1 ，2 0 0 7 ；h e a t o n ，1 9 8 5 ；h o r i u c h i ，2 0 0 5 ； o l s o na n da l l e n ，2 0 0 5 ；r y d e l e ka n dh o r i u c h i ，2 0 0 6 ；z o l l oe ta 1 ，2 0 0 6 ) 。 1 3 国内地震早期预警研究进展 我国台湾气象局从1 9 9 5 年开始使用快速地震信息发布系统( r t d ) 提供预警 信息。该系统由分布在台湾地区的7 9 个强震仪组成，采用虚拟子网技术，可向 距震中7 0 千米外的都市提供预警。1 9 9 9 年9 月2 0 日发生的集集大地震，系统 可向距震中1 4 5 千米外的台北市提供2 0 秒的预警时间( w ue ta l 。，1 9 9 7 ；w ue ta 1 ， 1 9 9 0 ；w ua n dt e n g ，2 0 0 2 ) 。2 0 0 5 年，改进后的现地预警方法可将预警盲区半径减 少到2 1 千米( w u r m a ne ta 1 ，2 0 0 7 ) 。 到目前为止我国大陆地区尚未建立规模性的城市和重大工程地震预警系统。 虽然如此，但已建设的几个小规模的地震报警系统或地震人工紧急处置系统及其 相关科研工作，可看作是我国城市和重要工程地震预警统建设的起步( 金星等， 2 0 0 2 ；李山有等，2 0 0 3 ；李山有等，2 0 0 4 ；廖旭，黄河，2 0 0 2 ；刘林等，2 0 0 2 ；夏玉 胜，杨丽萍，2 0 0 0 ；蒋长胜，姚雪绒，2 0 0 7 ；黄媛，杨建思，2 0 0 2 ；吴忠良，蒋长胜， 2 0 0 7 ) 。 广东大亚湾核电站1 9 9 4 年建成由6 个加速度计、4 个峰值加速度计、2 台地 震触发器组成的地震预警与紧急处置系统，当地震动超过给定的阈值时，中心控 制室的警报器报警，经专家系统决策后，采取相应的紧急处置措施。秦山核电站、 岭澳核电站也建成了类似的地震预警与紧急处置系统。 天津市政府已经编制包括应对地震等严重自然灾害在内的突发事件应急预 4 ， 第一章引言 案，并决定建设滨海地震监测预警中心，在渤海海域建设地震监测台。这个预警 中心将进一步增强滨海新区和渤海地区的地震监测能力、地震突发事件应急处理 能力，最大限度地减轻地震灾害对经济发展的负面影响。 随着城市发展以及重大基础设施和重要生命线工程的大量建设，地震预警系 统建设已纳入到了国家和企业的发展和建设计划中，如京沪高速铁路京津段等工 程的地震预警和紧急自动处置系统建设计划。 地震预警的概念和方法也被尝试用于地震台网的速报工作。根据我国地震监 测台网的发展趋势，福建省地震局金星等提出了区域数字地震台网实时速报系统 的发展目标，研发的地震实时速报系统可在1 分钟内测出省内地震的三要素( 时 间、地点、震级) ，对于网内地震，速报时间缩短至3 0 5 0 秒。该系统已经与2 0 0 7 年7 月在福建地区投入使用，可以视为一种准预警技术。此外，通过实时仿真技 术，系统可给出实际观测到的地震动参数p g a ( 峰值加速度) 、p g v ( 峰值速度) 和 p g d ( 峰值位移) 的等值线图，可以为地震应急救灾确定重灾区和有感范围提供帮 助。 面向首都斟地区的地震早期预警技术初步研究 第二章首都圈数字遥测地震台网现状 2 1 首都圈地区概况 首都圈地区( 3 8 5 4 1 5n ，1 1 3 5 1 2 0 e ) 地处华北北部，面积约1 5 万平方千米。 该地区城市密集，包括北京、天津、唐山、保定、张家口、承德和秦皇岛等大中 城市，是国家政治文化中心和主要经济区带( 中国地震局地球物理研究所， 2 0 0 6 ) 。 从地震活动性看，首都圈地区并非强震高发地带，但是历史上也曾经发生过 损失巨大的强烈地震：北京东部邻近的三河、平谷，东南方向的郯城、西南方向 的洪洞、临汾都发生过8 级大震。即使是面积仅1 7 万平方千米的北京市范围内， 也频频发生破坏性强震。除1 6 7 9 年平谷、三河8 级大震外，还发生过1 0 5 7 年大 兴6 7 5 级，1 4 8 4 年居庸关6 5 级，1 6 6 5 年通县6 5 级，1 7 3 0 年东北旺6 7 5 级等 破坏性地震。首都圈地区东部的唐山1 9 7 6 年发生了7 8 级地震，在西部的张家 口地区( 及邻区) 发生了1 9 8 9 年阳原一大同6 1 级地震，1 9 9 8 年张北6 2 级地震等 ( 中国地震局地球物理研究所，2 0 0 6 ) 。 同时，由于该地区所具有的政治上的特殊性以及经济上的核心地位，即使一 些破坏性较低的地震也会引起社会较大的关注，因此有必要在该地区建立一套面 向普通地震同时兼顾强震的快速地震预警系统。国家“十一五 计划就已经明确 把在首都圈地区与兰州地区建立地震预警系统作为防震减灾工作的主要内容之 一。目前这两个地区都已经具备了建立预警系统的硬件条件，但如何将国际上成 熟的预警系统引入到上述两地区的预警系统建设中还需要大量的工作要做，特别 是在区域地震预警系统的理论研究和技术开发方面。因此，进行符合首都圈地区 特征的地震预警关键技术研究迫在眉睫。 预期中的首都圈地区预警系统将结合国际上最先进的地震预警系统与首都 圈地区特有的区域特征，可以直接服务于首都圈地区中小地震并兼顾强震的地震 预警需求。同时，还可以将该系统及相应的技术开发推广至兰州地区并结合该地 区的硬件设施实现兰州地区的预警系统的建立，从而实现对国家“十一五”任务 的直接支撑。 6 第二章首都圈数字遥测地震台叫现状 目前，首都圈地区已经具备了建立地震预警系统研究的基础条件。从硬件上 来说中国地震局地球物理研究所北京数字遥测地震台网所隶属的首都数字遥测 圈台网无论从台站分布还是测震系统上都为建立这一系统提供了理想的平台；从 软件上来说，美国加州地区和我国台湾地区所建立的地震预警系统所采用的技术 已经非常成熟，作为预警系统研究的前期，中国地震局地球物理研究所已经和美 国加州地区以及我国台湾地区进行了多次合作交流并陆续开展了一系列活动。 2 2 首都圈数字遥测台网台站分布情况 首都圈数字遥测台网布设1 1 1 个地震台站，包括4 6 个宽频带地震台站，5 个甚宽带地震台站，6 0 个短周期地震台站，平均台站间隔约为5 0 千米，台站分 布如图2 1 所示。 3 8 。n 一一 卜糯飞蝴a s p 鼬s t a t i o n n 簪一& v b bs t a t i o n 1 1 4e 图2 1 首都罔数字遥测地震台网地震台站分布。黑色虚线框内区域为首都圈地区，蓝色三角 形表示共宽带地震台站，黑色二角形表示宽频带地震台站，绿色三角形表示短周期地震台站。 7 面向首都圈地区的地震早期预警技术初步研究 2 0 0 1 年6 月首都圈数字台网建设工程加紧设施，首都圈工程共接收1 0 7 个 地震台站的信号，其中首都圈中，险( c c ) 3 2 个台站信号；北京市地震局( b j ) 1 2 个 地震台站信号；天津市地震局( t j ) 1 8 个地震台信号；河北省地震局( h b ) 2 0 个地 震信号；中国地震局地球物理研究所( b u ) 2 5 个地震台信号( 中国地震局地球物理 研究所，2 0 0 6 ) ，“十五”期间，首都圈数字台网的台站数目将突破1 3 0 个，而在 完成本文过程中，使用首都圈数字遥测台网1 1 1 个台站的数据( 中国地震局地球 物理研究所，2 0 0 8 ) ，故全文都以1 1 1 个台站为基础进行计算和分析。 2 3 首都圈遥测台网地震仪器简介 首都圈数字遥测台网的地震仪器分三种：甚宽带地震仪，宽频带地震仪，短 周期地震仪，所有地震仪中都采用中国地震局港震公司生产的地震计。其中甚宽 带地震仪采用c t s 一1 型号地震计，理论频带宽度为1 1 2 0 赫兹5 0 赫兹；宽频带 地震仪采用f b s 3 b 型号地震计，理论频带宽度为o 0 5 赫兹4 0 赫兹；短周期地 震仪采用两类地震计，分别为短周期地震计f s s 3 b 和井下地震计f s s 3 d b h ， 理论频带宽度分别为l 赫兹- 4 0 赫兹和0 5 赫兹4 0 赫兹。三类地震仪器的数据采 集器都为2 4 位，采样率都为5 0 赫兹，记录地面运动速度量，输出垂直向，水平 东西向和水平南北向三路信号。信号传输方式有d d n 传输方式，无线直传方式， 微波方式，c d m 刖g p r s 公用网传输方式，“十五 期间已经新增的四个台站采 用更为实时的i p 传输方式( 中国地震局地球物理研究所，2 0 0 8 ) 。三种地震仪器 依照零级点参数得到的幅频响应如图2 2 所示。 第_ 章汗部圈数字遥测地震台f ) 9 现状 图2 2 首都圈甚宽带、宽频带和短周期地震仪的幅频响应。红色为甚宽带地震仪的幅频响 应，橙色为宽频带地震仪的幅频响应，蓝色为短周期地震仪的幅频响应。需要注意的是，这 里的幅频响应为依照实际测定的地震仪器零极点参数得到的幅频响应，与港震公司提供的理 论幅频响应间存在一定的误差 9 鬈蠢芷鲁童五e 面向首都圈地区的地震早期预警技术初步研究 第三章短周期地震仪在地震预警系统中的应用 3 1 研究背景 首都圈地区并没有我国台湾地区、日本、美国加州等地那么密集的观测仪器， 另外，布设的仪器不仅有宽频带地震仪，而且有半数以上短周期地震仪，这就给 地震早期预警系统的建设增加了难度。o l s o n 和a l l e n ( 2 0 0 5 ) 认为，由于宽频带地 震记录p 波前几秒反映了震源破裂过程和应力状态，地震的最终震级可以由宽频 带地震记录p 波的前几秒确定，这一观点是地震早期预警应用的物理基础。长期 以来，短周期地震记录主要用于监测地方地震活动，能否用于地震早期预警，不 仅在理论上是一个有意义的课题，而且在应用上也有现实需要。众所周知，用短 周期地震记录估计地震震级时会出现饱和现象，因而需要研究出现饱和现象的震 级到底是多少( k a n a m o r i ，2 0 0 5 ；w ua n dk a n a m o r i ，2 0 0 5 a ；w ue ta 1 ，2 0 0 6 ) ，以及如 何尽可能消除短周期记录估计震级时的饱和现象。为研究这一问题，我们使用 1 9 9 9 年集集地震主震和余震记录进行模拟实验，实验中采用f 。和p d 的震级估 计方法。 3 2 用f 。和刚估计最终震级的方法 根据前人的研究结果( k a n a m o r i ，2 0 0 5 ；w ua n dk a n a m o r i ，2 0 0 5 a ；w ue ta 1 ， 2 0 0 6 ，2 0 0 7 ) ，我们在模拟实验中采用f 。和削方法来估计地震的最终震级。t 方 法使用垂直分量地面位移“( f ) 和速度西( ，) 计算比例，： f z ；2 ( o a t 鬟u 2 ( t ) d t ( 3 - 1 ) 式( 3 1 ) 中积分区间为p f 约- f i ；s ( 0 ，) 秒，一般取为3 程) ( k a n a m o r i ，2 0 0 5 ) 。根据 帕塞瓦定理，有： ，：每黑掣嘞：( 厂：) ( 3 - 2 ) + f i 五( 厂) 1 2a f v7 式中存( 厂) 为“( f ) 的频谱，( f 2 ) 为厂2 以i 五( 厂) 1 2 加权后的平均值。基于这些参 第三章短周期地震仪在地震预警系统中的应用 数，t 定义为( w u a n dk a n a m o r i ，2 0 0 5 a ) ： 12 万 铲丽。万 ( 3 3 ) 从物理角度，可以认为r 反映的是p 波初始