互动科普

地震监测系统能够在大地震来临前几秒到几十秒内发出警报，这点时间足以拯救许多生命。

震前几秒钟

撰文 理查德·艾伦（Richard Allen）

翻译 陈通

地震在众多自然灾害中较为独特，因为地震在侵袭之前不会提供任何警告。1989年10月17日，发生在美国旧金山湾区的洛马普列塔地震，就像是给当晚旧金山巨人队与奥克兰运动家队之间的大战热身。下午5时4分，圣安德烈亚斯断层（San Andreas fault）的一次突然滑动，引起了该地区的地震，地震摧垮了一段1.5英里（1英里=1.62千米）长的双层高速公路，摧垮了连接奥克兰和旧金山的海湾大桥。据估计，共有63人在这次地震中丧生。

这些年来，科学家一直在搜寻地震的前兆信号——如果找到，哪怕信号再微弱，预报员也能借此精确预测大地震的位置和时间，使人类幸免于难。在几十年的徒劳无功后，很多地震学家开始质疑这样一种信号是否真的存在。

然而，希望并未完全破灭。现在，在地震的第一次微小运动发生后的几秒钟内，科学家已经有一定的把握来预测这种震动的强度和所波及的范围。把新的知识和现代通信技术相结合，专家可以在地震到来前几十秒发出预警，甚至可能提前半分钟。这个时间听起来似乎不长，但足够向电厂和铁路网发出关闭警告，自动开启电梯门让乘客撤出，并提醒消防人员等。

洛马普列塔地震的震中位于崎岖的圣克鲁斯山脉的南部海湾。在地面开始震动之后，这种破坏性的震动传播到60英里外的旧金山和奥克兰需要30秒，这次灾难中丧生的人有超过80%来自上述两地。如果地震预警系统当时就已经存在，或许可以提前20秒向中心地区发出预警。这样就有足够时间让火车减速并停下来；命令准备着陆的飞机在空中盘旋；将交通灯转为红色以阻止汽车驶入桥梁和隧道等危险交通设施。在危险环境里工作的人可能会转移到安全区域，一些易碎的设备可能进入保持模式，以减少损坏和损失。在校学生和办公室工作人员在震动到达前可以躲在桌子下面。整个地区可以为安全度过即将到来的灾难做好准备。

这样的地震台网将被部署在全世界不同的地方，如墨西哥、中国台湾、土耳其和罗马尼亚。日本的台网系统是全球最先进的。地震到来前，这个全国性网络会通过大多数电视台、电台、多个移动手机提供商，以及通过购物中心和其他公共场所的大喇叭、广播等喊话系统发出预警。该系统上线运行3年半来，共有十多次地震触发了预警系统，并大范围发出警示信息。这给在工厂、学校、火车和汽车上的人们争取到了一些宝贵的准备时间，并没有引起恐慌和车祸。（不包括今年3月的9.0级大地震）。美国则落后于世界其他地区，但是一个新的试验性台网正在加利福尼亚部署，应该很快能为这个坐落在断裂带上的州提供全方位预警。

按科学家的预测，加利福尼亚下一个大地震早该发生了，实际却迟迟没有到来。如果现在建立一个预警系统，可以拯救许多生命。

从地震波到预警

科学家通过检测振幅大和频率低的P波来探知地震发生。

我们脚下的地面是会移动的。随着构造板块在地球表面漂移，一些大洲互相摩擦碰撞，就像汽车在高速公路上相撞一样。地壳，也就是我们所居住的这个星球的外层，是有弹性的，但这种弹性只是在一定程度上而言的。在板块边缘地带，地壳会弯曲变形，直到应力过大超过承受极限为止。此时，地壳便会突然断裂，过去几十年存储的能量穿透地球表面，震动它的传播路径中遇到的一切。

每天，都有数以百计的地震发生。幸运的是，大多数地震很小，没有灵敏的地震检波器的帮助，我们是无法察觉的。在每天都会发生的地震中，断层面只会发生3～6英寸（约7～15厘米）的滑动，人们是感觉不到震动的。里氏5.0级的地震，大约有一两英里的断层面断裂，人们很容易感觉到移动，但现代的建筑物能够承受得住。而一次8.0级的地震将导致数百英里的跨断层面的破裂，而且能够延伸到地表，将一座建筑裂成两半。

通过监测地震间的应力积累，地震学家了解到，许多地区的地壳接近于破裂。但地表以下深部断层的具体结构，仍然在地震以及地震破裂传播中扮演着重要角色，而这个结构无法直接取样。正是因为这个原因，大多数地震学家不相信可以建立一个预报系统，能在地震发生前几天或几小时内做出预测。在可以预见的未来，人们最多只能做到快速检测大地震，并发出警报。

地震的一些独一无二的特性将帮助我们完成这项任务。我们感觉到的震动实际上是分阶段到来的。能量从地壳破裂处传到地球表面分为两种形式：P波和S波（见第XX页图文）。这两种波同时从断层面上发出，这也是他们唯一的相同点。P波类似于声波，是一种压缩波，传播速度相对较快，但是不会携带很多能量。在一次地震中，你会感觉P波就像一个突然、垂直的跳动。S波更像海洋上的波浪，移动更缓慢，并携带大多数能量，带来强烈的震动，使地表垂直和水平运动。建筑物在它的冲击下，就像是波涛中的一只小船。

而且，并不是所有的波都是相似的。他们有不同的波形，这取决于滑动区域的大小。较小的滑动发出的P波相对振幅较低、频率较高，是一个小而尖的脉冲。较大的地震则会造成更大区域的断层破裂，并产生更大的滑动，所以P波具有较大的振幅和较低的频率。两种P波的差异类似于小鸟吱吱的叫声与灰熊的咆哮。

         单独一台地震检波器（seismometer）就能基于上述信息估计出地震的震级。任何具有高振幅和低频率的P波都将触发警报。这种单一台站报警方法能给震中区域发出速度最快的警示。但是地震断裂的特征千变万化，并不是所有的5.0级地震看起来都相同，地震检波器下面地底的一些特殊的沉积物也会改变P波。这些变化将增加误报（当没有地震时发出警报）和漏报（当破坏性地震来临时没有发出警报）的风险。

         为了降低误报和漏报的可能性，我们可以综合多个各自相距几英里的地震检波器所记录的数据。在这种情况下，每台仪器下面的沉积物应该都不一样，这样我们就能得到一个震级预估的平均值。这个方法需要地震台网把设备的数据传输到一个中心并加以整合。然而，传输和分析数据需要几秒钟时间，而每一秒钟，具有破坏性的S波就会传播两三英里（约3～5千米）。

         因此，最好的办法就是把单站和台网这两种方法结合起来，既可以对震中附近地区发出快速预警，也能够提前数十秒对其他较远地区发出警示。

         任何系统都需要权衡警报的准确性与时效性。对于一场地震，地震台网收集的数据越多，预测精度也就越高，但发出警报的时间距离震动来临的时间也会越短。一些用户可能宁愿容忍更多误报，从而获得更长的预警时间。学校可能宁愿更早接到警报，好让学生隐蔽起来。每年出现几次误报还能提供常规的演练，只有这样，人们才会知道接到警报后该做些什么。相反，核电站只需要一秒钟来关闭反应堆，但是一旦关闭就将带来巨大损失，所以核电站的运营者宁愿等到大地震被确认后再接到预警。

震动警报

饱受地震之苦的墨西哥、日本都建有自己的地震预警系统，能够提前数秒至数十秒发出警报。

公众地震预警系统已经以各种形式存在了几十年。上世纪60年代，日本的工程师已经把地震检波器运用到新干线子弹头列车上，过度的摇晃将触发警报，提醒列车长减慢火车的速度。后来，科学家设计了一种系统，它使用四处遍布的地震检波器在最大的震动来临之前发出警报。墨西哥的台网被设计用来探测海岸线附近的地震，并在向墨西哥城内播放警报。（墨西哥城是一个人口超过2 000万的大城市，建在能够放大地震波的淤积湖床上。）海岸线到墨西哥城距离较远，因此预警系统能够提供超过60秒的预警时间。

墨西哥的预警系统在1993年重新上线，两年以后，它经历了第一次严峻考验。1995年10月9日，曼萨尼约海岸发生了里氏8.0级的地震。预警系统监测到了震动，并通过电视和电台向墨西哥城广播，并通过类似于美国天气无线广播的专用无线电警报系统发出警报。由于震前提前预警，工作人员在震动抵达前50多秒就停止了地铁系统，学校的学生也按照计划疏散。

2007年投入使用的日本预警系统，采用了大量最新技术。警报不但通过电视和电台广播，还通过家里、办公室以及学校的一些特殊接收装置广播。电脑将弹出窗口显示震中位置，以及地震波传播扩散的实时地图。计时器会倒数地震波到达你所在位置的时间，并高亮显示预测的地震强度。手机营运商会广播一条短信——就像是给所有手机发出一个能够听到的特殊预警。对于核电厂、铁路系统、机场和危险源生产设施等关键位置，则由根据它们的需求专门设置的通信系统发送警报。

日本的经验表明，地震预警系统不但有助于保护人的生命，还能帮助企业减少损失。2003年发生在日本仙台附近的两次地震中，由于火灾、设备损坏以及生产力的损失，半导体制造工厂OKI的损失超过1 500万美元。两次地震之后，工厂不得不分别关闭了17天和13天。后来，该公司花费60万美元改造工厂，并安装了预警系统。在其后的类似地震中，该工厂的损失降到了20万美元左右，而停工时间也分别缩短至4.5天和3.5天。

加利福尼亚的诅咒

加利福尼亚州是全球地震最频繁的地区，该州正在规划一套覆盖全州的预警系统。

美国加利福尼亚州是一个地震多发地区。2006年，该州政府、大学以及联邦相关机构着手联合开发名为ShakeAlert的地震预警系统。现在，一个原型系统已经与400多个地震台站相连，很快就会向一小群测试用户发送的警报。完成后的系统不仅会向距离震中较近的人提供即时的单一台站警报，还将向较远的用户发送基于地震台网的警报。如果一切进展顺利，警报将在收到第一个P波后的5秒内发出。

然而，加利福尼亚州的预警系统要做到像日本那样覆盖全境，还有很长的路要走。现有的400个地震台站集中在旧金山湾区和洛杉矶中心城区，其他地区则一片空白。尽管大多数加利福尼亚人居住在上述两个地方，但由于这些空白，预警系统要花更多时间才能在多个地方监测到P波，从而降低了系统的反应速度和准确率。在日本，全国范围内，每隔15英里就部署有监测设备。如果在加利福尼亚按同样的密度水平放置这些装置，整套系统将表现出最佳性能，减少误报与漏报，并提供更长的预警时间。

         上述地震预警系统，比如日本的预警系统，会利用大多数人随时都会携带的联网电子设备。人们在自己的手机上会得到一个简单的警示，包括预计的地震强度、地震来临的倒数计时，可能还有简单的指示，例如“躲在桌下”或“转移到安全区域”。在各地都拥有基础设施的大型组织可能想要一些更详细的信息，比如一幅能够显示地震波进展，以及已经有哪些区域受到影响的实时地图。相对于一次大地震的潜在威胁，打造这样的系统需要的投资并不高，一共花费大约8 000万美元，就可以建造100个新的地震台网并更新现有的基础设施。5年内，这套系统就可以建成并投入运行。第6年，美国可能就会从中受益。

本文作者 理查德·艾伦是一位地球物理学教授，美国加利福尼亚大学伯克利分校地震实验室副主任。他正在试验一套小范围地震预警系统，该系统可以被扩展应用到整个加利福尼亚州。

地震预警

地震预警网络能够监测到地震的先兆，并发出危险即将到来的警报。这样的警报能让人们提前数十秒应对地震。

地震波分两部分到达：一种移动迅速，并能引起突然的颠簸；一种移动缓慢，但会造成巨大破坏。这是几乎所有地震预警系统的理论基础。

地震检波器台网能快速确定震中位置、修正震级、减少误报率。

不少国家已经拥有了这类监测台网。一个拟议中的报警系统将部署在加利福尼亚州，应该能对该州的企业和个人提供保护。

本文译者 陈通，硕士，毕业于首都师范大学转学地理信息系统专业，现就职于中国地震台网中心，实习研究员，主要从事地震应急、灾害减轻、地理数据更新与维护、地理信息系统软件设计与开发方面的研究。

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1工作原理

地震预报

地震预警系统能够监测大地震发生时最初的震动，在最强烈的震动来临之前触发警报。美国加利福尼亚州计划利用分布在全州（右图）的数字地震检波器网络打造一个震动警报系统，为人口稠密地区提供地震预警（提前时间取决于震中位置）。预警能让企业、居民以及公共机构有时间准备应对地震（右下大图）。

2地震预警科学   P波   波的传播方向

3  S波   波的传播方向

4所有地震都会产生两种类型的波。P波在传播过程中会挤压岩石，就像声波一样。它移动迅速，但不会造成大破坏。S波如同海浪，随着变形的岩石上下震动传播。一次大地震释放出的绝大部分能量都由S波传递。

5地震波振幅 6 P波到达点 S波到达点  7小地震  大地震   8时间

9每天地球上都有数以百计的地震发生，预警系统通过检查P波波形来从中识别出大地震。小地震的P波具有短而尖的脉冲（蓝色箭头）。而大地震的P波具有高振幅、低频率的特点（红色箭头）。

10传感器 11信号 12震中

13预警系统结合联网的各个地震台站的信号来确定大地震的发生，并确定震中位置。然后系统在S波到来前发送电子警报。随着更多的台站检测到震动，对震级与震中的预测会越来越准确。

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1加利福尼亚州规划的地震预警系统

加利福尼亚州是地球上地震发生最频繁的地区之一，但该地区至今还缺乏哪怕最基本的预警系统。美国相关部门、州政府以及大学机构已经联合建议，将地震台网扩展到覆盖全州。这项计划只需要花费8 000万美元——仅仅一次大地震造成的损失都将是这个数字的许多倍。

发生地震的概率   已安装传感器   计划安装传感器

2发出警报

一旦地震预警系统检测到一次剧烈震动，警报就会发出。在这个场景中，当圣安德烈亚斯断层的南部湾区发生了一次强烈地震，人口稠密的北部地区就将收到警报，并有至少半分钟的时间来应对。

3由电脑控制的铁路系统会自动刹车，降低脱轨概率。

4工厂设备停止运行，并转换至安全模式。

5建筑工地的警示装置提示工人远离危险区域。

6高层电梯会停在最近的楼层，并打开电梯门。

7学校拉响警报，让学生赶紧躲入课桌下。

8手机和PC会按用户的设定发出警示。

9机场向航班发出在空中盘旋等待的信号。

10 旧金山 奥克兰  圣马特奥 弗里蒙特 圣何塞  圣克鲁斯  吉尔罗伊  萨利纳斯

11莫德斯托  无法预警  震中

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全球纵览

全球范围的预警系统

目前全世界共有5个地震预警系统，每一个系统都是根据所在区域的特定地形而设置的。墨西哥在太平洋沿岸部署了一些传感器，可以监测在近海俯冲区域发生的地震，并向墨西哥城发出警报。墨西哥城有2 000万人口，整座城市建立淤泥之上，而震动在淤泥上会放大。同样，罗马尼亚设计的系统可以提供地震预警信息，这些地震来自距离首都布加勒斯特100英里东南部的喀尔巴阡山脉。相反，整个日本都是地震多发区域，1995年日本神户大地震曾导致6 000多人丧生，此后日本建立了2 000多个台站，覆盖全日本。该系统堪称全球最先进的预警系统。

1太平洋海啸预警中心

2正在运行的预警系统 正在测试的预警系统

3发生地震的概率

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由于震前提前预警，工作人员在震动抵达前50多秒就停止了地铁系统，学校的学生也按照计划疏散。